转向系统设计计算匹配

1 转向系统的功能

1.1 驾驶者通过方向盘控制转向轮绕主销的转角而实现控制汽车运动方向。

对方向盘的输入有两种方式：对方向盘的角度输入和对方向盘的力输入。装有动力转向系统的汽车低速行驶时，操作方向盘的力很轻，却要产生很大的方向盘

转角输入，汽车的运动方向纯粹是由转向系统各杆件的几何关系所确定。这时，

基本上是角输入。而在高速行驶时，可能出现方向盘转角很小，汽车上仍作用有

一定的侧向惯性力，这时，主要是通过力输入来操纵汽车。

1.2 将整车及轮胎的运动、受力状况反馈给驾驶者。这种反馈，通常称为路感。

驾驶者可以通过手—---感知方向盘的震动及运转情况、眼睛—---观察汽车运动、

身体—---承受到的惯性、耳朵—---听到轮胎在地面滚动的声音来感觉、检测汽车

的运动状态，但最重要的的信息来自方向盘反馈给驾驶者的路感，因此良好的路

感是优良的操稳性中不可缺少的部分。

反馈分为力反馈和角反馈

从转向系统的功能可以得知：人、车通过转向系统组成了人车闭环系统，是驾驶者对汽车操纵控制的一个关键系统。

2 转向系统设计的基本要求

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。转向系的基本要求如下：

2．1 汽车转弯时，全部车轮应绕瞬时回转中心（瞬心）旋转，任何车轮不应有侧滑。

不满足这项要求会加剧轮胎磨损，并降低汽车的操作稳定性。实际上，没有哪

一款汽车能完全满足这项要求，只能对转向梯形杆系进行优化，一般在常用转向

角内（内轮15°～25°范围）使转向内外轮运动关系逼近上述要求。

2．2 良好的回正性能

汽车转向动作完成后，在驾驶者松开方向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶。转向轮的回正力矩的大小主要由悬架系统所决定的前

轮定位参数确定，一般来说，影响汽车回正的因素有：轮胎侧偏特性、主销内倾

角、主销后倾角、前轮外倾、转向节上下球节的摩擦损失、转向节臂长、转向系

统的逆效率等。

2．3汽车在任何行驶状态下，转向轮不得产生自振，方向盘没有摆动。

2．4 转向机构与悬架机构的运动不协调所造成的运动干涉应尽可能小，由于运动干涉使转向轮产生的摆动应最小。

汽车转弯行驶时，作用在汽车质心处的离心力的作用，内轮载荷减小，外轮载荷增加，使悬架上的载荷发生相应变化。若转向桥采用非独立悬架、钢板弹簧机

构时，则内侧板簧因载荷减小而长度缩短，外侧板簧因载荷增加而长度增加，导致车轴在水平面内相对车身转过一个角度，产生轴转向效应。转向直拉杆和纵拉杆的运动关系必须与之适应，使轴转向效应趋于不足转向。

当转向桥为独立悬架、螺旋弹簧机构时，内侧弹簧因载荷减小而长度增加，车轮相对车身下跳，外侧弹簧因载荷增加而长度减小，车轮相对车身上跳，因转向横拉杆外球头从运动学上来说，是转向轮的一部分，内球头属于车身的一部分，外球头随车轮上下跳动所形成的轨迹必须与内球头所在中心点相适应。这就是传统转向理论中所说的断开点校核。

实际上，现代汽车设计中，合理利用这个运动轨迹的干涉，使得运动干涉造成的车轮偏转方向（侧倾转向）与转向方向相反，有助于实现不足转向。

2．5 良好的机动性

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，并要达到按前外轮轨迹计算，使其最小转弯半径能达到汽车轴距的2～2.5倍。

最小转弯直径是汽车机动性的评价指标。影响最小转弯直径的因素有：汽车轮距、轴距、轮胎侧偏刚度、有效转向节臂长，转向器行程（齿轮齿条式转向器）、转向摇臂摆角（循环球式转向器）、转向摇臂长（循环球式转向器）、转向梯形的布置形式等。

2．6 转向操纵轻便性

转向操纵轻便性的评价指标通常有两项：驾驶者作用在方向盘上的切向力大小和方向盘总圈数。机械转向系统的轿车，在行驶中转向时的切向力应为50～100N.有助力转向系统的轿车，此力为20～50N。K1哈弗为27N±3N。轿车方向盘总圈数不得大于4圈，货车不得大于6圈。M11机械转向系统方向盘总圈数

3.825,液压助力转向系统方向盘总圈数3.083。

对于无助力系统，方向盘上的切向力大小由转向系力传动比决定，方向盘总圈数等于转向器总圈数。

方向盘总圈数多和切向力越大都容易使驾驶者疲劳。根据机械原理，方向盘总圈数越多，切向力就越小，两者成反比。只有合理对方向盘总圈数和切向力取值，才能有一个好的转向操纵轻便性。

对于有助力转向系统，可以实现少的方向盘总圈数和小的方向盘切向力。但需要注意助力特性，虽然实现了好的转向操纵轻便性，却容易出现转向高速发飘、转向发贼现象，破坏操纵稳定性。

2．7直线行驶稳定性

转向系统和悬架系统密切相关，必须使转向系统与悬架系统合理匹配，使汽车

具有良好的直线行驶稳定性，良好路面不得出现的行驶跑偏。行驶跑偏与车辆的制造装配有很大关系。当转向轮遇到一个小的障碍物时，车轮发生偏转，这时汽车应具有快速回到直线行驶位置的能力。

循环球式转向器设计成变传动比，摇臂轴扇齿的中间齿（转向器的中位）齿厚比两边的大，与螺母齿条啮合时，转向器中间位置有相当于锁紧的功能。以达到维持直线行驶稳定的目的。

齿轮齿条式转向器将齿条中间常用几齿的齿间设计得比较小，与小齿轮啮合时，转向器中间位置有相当于锁紧的功能。以达到维持直线行驶稳定的目的，同时也达到间隙补偿的目的。

2．8 转向轮碰到障碍物后，传递给方向盘的反冲力要尽可能小。

转向轮碰到障碍物后，传递给方向盘的反冲力要尽可能小，否则会出现“打手”

现象。避免“打手”现象的有效措施有：在转向操纵机构中增加挠性万向节，加装转向阻尼器（减振器），提高转向系统逆效率等手段。

2．9 应当有汽车碰撞时对驾驶者的防伤机构

当发生车祸时，一方面，车辆前端被压溃，使得转向管柱和转向轴向上向后移动（也就是向窜向驾驶者头胸部）。另一方面，驾驶者紧急制动或则被撞时汽车骤然停止，驾驶者在强大惯性力作用下，上半身冲向方向盘，伤害驾驶者。为避免这种危害，就要求转向管柱在轴向不能是刚性的，在转向管柱两个方向应具有溃缩和吸能功能，缓冲车身前部的冲击和驾驶者的冲击。

顺便提一下，系安全带是非常有效的一个措施。

2．10 转向轮与方向盘偏转方向一致

转向系统必须做运动分析，最起码要保证的是：汽车在前进时，往左转动方向盘时，汽车应向左转，右打右转。

2．11适宜的不足转向度（了解）

汽车等速行驶时，迅速给方向盘一个角度输入，使转向轮迅速发生偏转，汽车进入一个稳态响应---等速圆周行驶。这时，汽车产生一个绕Z轴线的横摆角速度，横摆角速度与转向轮转角的（或者方向盘的转角）的比值称为转向灵敏度。

横摆角速度增益---横摆加速度与车速成线性关系时，即它们函数关系为一直线，斜率为定值，称汽车具有中性转向特性。表现为：保持相同的方向盘转角，提高车速，汽车的转弯半径维持在一个恒定值。

横摆加速度与车速成非线性关系，其斜率呈减小趋势，称汽车具有不足转向特性。表现为：保持相同的方向盘转角，提高车速，汽车的转弯半径越来越大。

横摆加速度与车速成非线性关系，其斜率呈增加趋势，当车速度超过临界车