转向系主要性能参数及对汽车操纵稳定性的影响

第五章 汽车转向系设计

转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。

机械转向系依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转向器和转向传动机构使转向轮偏转。有些汽车还装有防伤机构和转向减振器。采用动力转向的汽车还装有动力系统，并借助此系统来减轻驾驶员的手力。

对转向系提出的要求有：

1)汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。任何车轮不应有侧滑。不满足

2)汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶。

3)汽车在任何行驶状态下，转向轮不得产生自振，转向盘没有摆动。

4)转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小。

5)保证汽车有较高的机动性

6)操纵轻便。具有迅速和小转弯行驶能力。

7)转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小。

8)转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。

9)在车祸中，当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。

10)进行运动校核，保证转向盘与转向轮转动方向一致。

正确设计转向梯形机构，可以使第一项要求得到保证。转向系中设置有转向减振器时，能够防止转向轮产生自振，同时又能使传到转向盘上的反冲力明显降低。为了使汽车具有良好的机动性能，必须使转向轮有尽可能大的转角，并要达到按前外轮车轮轨迹计算，其最小转弯半径能达到汽车轴距的2～2.5倍。通常用转向时驾驶员作用在转向盘上的切向力大小和转向盘转动圈数多少两项指标来评价操纵轻便性。没有装置动力转向的轿车，在行驶中转向，此力应为50～100N ；有动力转向时，此力在20～50N 。当货车从直线行驶状态，以 10km ／h 速度在柏油或水泥的水平路段上转入沿半径为12m 的圆周行驶，且路面干燥，若转向系内没有装动力转向器，上述切向力不得超过250N ；有动力转向器时，不得超过120N 。轿车转向盘从中间位置转到每一端的圈数不得超过2.0圈，货车则要求不超过3.0圈。

近年来，电动、电控动力转向器已得到较快发展，不久的将来可以转入商品装车使用。电控动力转向可以实现在各种行驶条件下转动转向盘的力都轻便。

5.1转向系主要性能参数及对汽车操纵稳定性的影响

转向系的主要性能有转向系的效率、转向系的角传动比与力传动比、转向器传动副的传动间隙特性、转向系的刚度以及转向盘的总转动圈数。

5.1.1转向系的效率

转向系的效率0η由转向器的效率η和转向操纵及传动机构的效率'

η决定，即 '0ηηη⋅=

转向器的效率η又有正效率+η和−η之分。转向摇臂轴输出的功率（21P P −）与转向

轴输入功率1P 之比，称为转向器的正效率：

1

21P P P −=+η 式中2P ——转向器的摩擦功率。

反之，即转向轴输出的功率（23P P −）与转向摇臂轴输入的功率3P 之比，称为转向器的逆效率：

3

23P P P −=−η 正效率越大，转动转向轮时转向器的摩擦损失就愈小，转向操纵就愈容易。转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等是影响转向器正效率的主要因素。循环球式转向器的传动副为滚动摩擦，摩擦损失小，其正效率+η可达85％；螺杆指销式和螺杆滚轮式转向器的传动副存在较大滑动摩擦，效率较低。对于蜗杆和螺杆类转向器，如果忽略轴承和其他地方的摩擦损失而只考虑啮合副的摩擦，则其正效率+η为

)

tan(tan 00ρααη+=+ （5－6） 式中0α——蜗杆或螺杆的螺线倒程角；

ρ——摩擦角，f arctan =ρ；

f ——摩擦系数。

逆效率表示转向器的可逆性。根据逆效率值的大小，转向器又可分为可逆式、极限可逆式与不可逆式三种。

可逆式转向器的逆效率较高，这种转向器可将路面作用在转向轮上的大部分力传递到转向盘上，使司机的路感好。在汽车转向后也能保证转向轮与方向盘的自动回正，使转向轮行驶稳定。但在坏路面上，当转向轮上作用有侧向力时，转向轮受到的冲击大部分会传给转向盘，容易产生“打手”现象，同时转向轮容易产生摆振。因此，可逆式转向器宜用在良好路面上形式的车辆。循环球式和齿轮齿条式转向器均属于这一类。

不可逆式转向器不会将转向轮受到的冲击力传到转向盘上。由于它既使司机没有路感，又不能保证转向轮的自动回正，现代汽车已经不再采用。

极限可逆式转向器介于上述两者之间。其逆效率较低，适用于在坏路面上行驶的车辆。当转向轮受到冲击力时，其中只有较小的一部分传给转向盘。

如果忽略轴承和其他地方的摩擦损失而只考虑啮合副的摩擦，则蜗杆和螺杆类转向器的逆效率为

0tan )tan(αραη−=− （5－7）

式中0α及ρ见式（5－6）下的说明。

由式（5－6）、（5－7）可见：增大倒程角0α不仅能提高正效率，也会提高逆效率，故0α不宜取得过大。当0α≤ρ时，逆效率−η≤0，这时转向器为不可逆式。因此应使min 0α≥ρ，通常螺线的倒程角取为8°～10°。

通常，由转向盘至转向轮的效率即转向系的正效率+0η的平均值为0.67～0.82；当向上述相反方向传递力时逆效率−0η的平均值为0.58～0.63。转向操纵及传动机构的效率'η用于评价在这些机构中的摩擦损失，其中转向轮转向主销等的摩擦损失约为转向系总损失的40％～50％，而拉杆球销的摩擦损失约为转向系总损失的10％～15％。

5.1.2转向系的角传动比与力传动比

5.1.2.1角传动比

转向盘转角的增量ϕ∆与同侧转向节转角的相应增量θ∆之比，称为转向系的角传动比w i 0。转向盘转角的增量ϕ∆与转向摇臂轴转角的相应增量β∆之比，称为转向器的角传动比w i 。转向摇臂轴转角的增量β∆与同侧转向节转角的相应增量θ∆之比，称为转向传动机构的角传动比'w i 。它们之间的关系为

θ

ϕθββϕ∆∆=∆∆⋅∆∆=⋅='0w w w i i i （5－8） βϕ∆∆=

w i （5－9） θ

β∆∆='w i （5－10） 式中w i 0——转向系的角传动比；

w i ——转向器的角传动比；

'w

i ——转向传动机构的角传动比； ϕ∆——转向盘转角的增量；

β∆——转向摇臂轴转角的增量；

θ∆ ——同侧转向节转角的相应增量。

转向传动机构的布置，通常取其在中间位置时使转向摇臂及转向节臂均垂直于其转向纵拉杆，而在向右和向左转到底的位置时，应使转向摇臂与转向节臂分别与转向纵拉杆的交角