循环球式动力转向器结构与设计

循环球式动力转向器的结构与设计2转向系统及转向器分类简介 1循环球式转向器的结构简介 2循环球式转向器的作用原理3循环球式转向器的输出力矩选择4循环球式转向器的角传动比5循环球式转向器的关键参数 6螺杆、钢珠和螺母传动副的设计7齿条齿扇传动副的设计8循环球式转向器关键件的强度校核9动力转向器试验相关标准10目录3转向系统机械助力电动助力机械液压助力液压助力气压助力电控液压助力线控液压助力4根据所采用的转向传动副的不同，转向器的结构型式有多种。

常见的有齿轮齿条式、循环球式，球面蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等。

循环球式转向器又有两种结构型式，即常见的循环球一齿条齿扇式和循环球~曲柄销式。

它们各有两个传动副，前者为螺杆、钢球和螺母传动副以及螺母上的齿条与摇臂轴上的齿扇传动副；后者为螺杆、钢球和螺母传动副以及螺母上的销座与摇臂轴上的锥销或球销传动副。

两种结构的调整间隙方法均是利用调整螺栓移动摇臂轴来进行调整。

5A —壳体；B —活塞；C —转向轴-转阀；D —阀套-蜗杆；E —扭力杆；F —摇臂扇齿轴如上图所示，循环球式液压助力转向器主要由壳体、活塞、转向轴-转阀、阀套-蜗杆、扭力杆和摇臂扇齿轴组成，对于带有限压能力和行程限位能力的转向器，还配有安全阀和行程限位阀。

循环球转向器的结构特点：螺杆与齿条活塞为刚球滚动摩擦，故循环球转向器传递效率较高，其效率可达85%~90%，转向轻便，工作平稳、可靠，螺杆及螺母上的螺旋槽经渗碳、淬火及磨削加工，耐磨性好、寿命长，齿扇与齿条啮合间隙的调整方便易行，这种结构与液力式动力转向液压装置的匹配布置也极为方便；但其结构较为复杂，成本也相对较高。

进油回油直线行驶时，高压油从进油口直接流向回油口，无助力，实现直线行驶。

67左转向时，阀芯相对阀套左转，关闭了每个阀芯台肩左侧与阀套槽的间隙，相应阀芯台肩右侧与阀套槽之间的间隙变大。

油泵的来油便从阀套的进油口通过台肩右侧与阀套槽之间的间隙流入油缸下腔，推动活塞上移动，从而就起到了液压助力左转向的目的。

（此处为转向器左置，垂臂朝下布置方式时的转向情况）进油回油8右转向时，此时阀芯相对阀套右转，关闭了每个阀芯台肩右侧与阀套槽的间隙，相应阀芯台肩左侧与阀套槽之间的间隙变大。

油泵的来油便从阀套的进油口通过台肩左侧与阀套槽之间的间隙流入油缸上腔，推动活塞下移动，从而就起到了液压助力右转向的目的。

（此处为转向器左置，垂臂朝下布置方式时的转向情况）进油回油9动力传递示意图：转向器输出轴转向垂臂转向直拉杆车轮动力传递示意图：蜗杆轴输入轴阀套1011油路走向示意图（直行时）：12油路走向示意图（左转时，活塞向右运动）：13油路走向示意图（右转时，活塞向左运动）：14行程限位阀的作用原理：当向右转动转向盘时（右转向），转向器右腔为高压，高压油推动顶杆进入阀内腔，当转向盘转到接近极限位置时，顶杆与螺柱相接触并被顶开，使右腔的高压油通过卸压阀进入左腔，实现转向系统卸压功能，同时，由于顶杆与阀体间间隙较小，具有一定的节流作用，所以卸压后转向器高压端任保留有一定的残余压力，帮助司机继续完成转向动作。

调整螺母、螺柱顶杆弹簧顶杆调整螺母、螺柱阀内腔15压力安全阀的作用原理：当转向器某一瞬间的工作油压超出弹簧的压缩弹力时，来自转向器进油腔的高压油顶开钢球，高压油通过阀体的侧孔流向转向器低压腔，实现转向系统的限压，而当转向器的工作压力不足以顶开钢球时，安全阀不工作，转向器正常工作。

16一、循环球转向器关键参数列表参数单位最大输出扭矩N.m 最大工作压力MPa 角传动比/转向器正/逆效率/摇臂摆角范围°转阀特性扭杆刚度N ·mm/°扭杆最大扭转角 °额定转矩（阀特性曲线）N.m 螺杆螺线导程角°螺距mm 螺杆直径mm 齿扇歯数/模数mm 压力角°齿扇分度圆半径mm 液压缸直径mm 内泄量L/min代号T P i w η+/η-/g ψ/αt d z m βRw D /二、循环球转向器效率转向器的输出功率与输入功率之比，称为转向器的传动效率。

功率P1从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率称为正效率，用符号η+表示，η+=（P1-P2)/P1；反之称为逆效率，用符号η-表示，η-=(P3-P2)/P3。

式中：P2为转向器中的摩擦功率；P3为作用在转向摇臂轴上的功率。

如果忽略轴承和其它地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于蜗杆和螺杆类转向器，其正效率可用下式计算η+=tanα0/tan（α0+ρ）式中：α0—蜗杆(或螺杆)的螺线导程角；ρ—摩擦角，ρ=arctanf (f为摩擦因数)。

逆效率可用下式计算η-=tan（α0-ρ）/tanα0公式表明：增加导程角α0,正、逆效率均增大。

受η-增大的影响，α0不宜取得过大。

当导程角小于或等于摩擦角时，逆效率为负值或者为零，此时表明该转向器是不可逆式转向器。

为此，导程角必须大于摩擦角。

通常螺线导程角选在8°～10°之间。

1718由循环球式转向器的结构关系可知：当转向盘转动角ψ时，转向螺母及其齿条的移动量S 应为S=（ψ/360）t (2-3) 式中t ——螺杆或螺母的螺距。

这时，齿扇转过β角，设齿扇的啮合半径为r w ，则β角所对应的啮合圆弧长应等于S ，即可求得循环球式转向器的角传动比i w 为i w =ψ/β=2πr w /t （2-4）因结构原因，螺距不能变化，但可以用改变齿扇啮合半径的方法，达到使循环球齿条齿扇式转向器实现变速比的目的。

随转向盘转角变化，转向器角传动比可以设计成减小、增大或保持不变的。

影响选取角传动比变化规律的因素，主要是转向轴负荷大小和对汽车机动能力的要求。

若转向轴负荷小，在转向盘全转角范围内，驾驶员不存在转向沉重问题。

装用动力转向的汽车，因转向阻力矩由动力装置克服，所以在上述两种情况下，均应取较小的转向器角传动比并能减少转向盘转动的总圈数，以提高汽车的机动能力。

转向轴负荷大又没有装动力转向的汽车，因转向阻力矩大致与车轮偏转角度大小成正比变化，汽车低速急转弯行驶时的操纵轻便性问题突出，故应选用大些的转向器角传动比。

汽车以较高车速转向行驶时，转向轮转角较小，转向阻力矩也小，此时要求转向轮反应灵敏，转向器角传动比应当小些。

因此，转向器角传动比变化曲线应选用大致呈中间小两端大些的下凹形曲线。

转向盘在中间位置的转向器角传动比不宜过小。

过小则在汽车高速直线行驶时，对转向盘转角过分敏感和使反冲效应加大，使驾驶员精确控制转向轮的运动有困难。

直行位置的转向器角传动比不宜低于15～16。

三、循环球转向器角传动比19对于一般地液压助力转向装置，常用输入力矩-输出油压曲线表示它的静特性，其典型曲线如下图所示：四、循环球转向器静特性理想的特性曲线，可以归纳为下列五点：a 、在输入力矩很小的区域（相当于直线行驶），希望助力部分的输出越小越好，曲线呈低而平行状，如图中的A 段b 、原地转向或汽车调头时，即当转向力矩足够大后，应最大发挥助力转向效果，曲线呈陡而直。

如C 段。

c 、在常用的快速转向行驶区段B ，助力效果要明显，去现代斜率变化应较大，曲线弯而陡。

d 、上述三个区段之间的过渡要平滑，曲线D 段就是一个较宽的过渡区间。

e 、如果机构能保证在高速和低速时有不同的静特性曲线，那时特别理想的。

这样就可以进一步加宽高速曲线的中间部分。

为达到理想的转向特性，对于转向器来说，针对车型车速需对控制阀欲开隙和弹簧元件刚度合理优化设计匹配，这是不够的，还要对转向泵油压进行控制。

20一般以经验公式计算汽车在路面上的原地转向阻力距Mr（2-1）式中：f ——轮胎与地面的摩擦系数，一般取0.7 Mr ——转向阻力矩，N ·mm G1——转向轴负荷，N P ——轮胎气压，MPa转向传动机构的力传动比一般要求在0.8~1.2之间，现代汽车基本在0.85~1.1之间［1］。

另为保证液压系统的寿命，且提高系统的输出功率，在原地转向时输出扭矩需要的系统压力为最大压力的80%比较理想［2］，因此转向器的最大输出扭矩可按下式计算： T=Mr/i c /η/0.8 （2-2）式中：T ——转向器的最大输出扭矩，N.m M r ——转向阻力矩，N.m i c ——转向传动机构力传动比η——转向传动机构力效率（一般取0.95~0.97）PG 3f M 31r =1）根据前轴载荷选择［1］汽车设计（刘惟信）［2］大中型客车液压助力转向系统的设计匹配（于志强，李晶）五、循环球转向器最大输出力矩循环球转向器的最大输出力矩选择不宜过大，过大则浪费效率，也不宜过小，过 小则容易导致手力过大，操纵困难。

最大输出力矩的选择一般有以下两个方法：212）根据根据厂家推荐选择由于转向器生产厂家已做了大量的研究和实验，做出了适应不同轴荷的转向器系列产品，且多已在成熟车型上得到使用，因此可以根据转向轴荷在厂家系列产品中选用适合的动力转向器(下表为豫北液压件厂Z 系列转向器）型号前轴荷（KN ）工作压力（MPa ）输出力矩（N.m ）传动比HDZ65L 6513470020ZDZ85513416019.8ZDZ94010245019.8ZDZ52510.34159317.2ZDZ11510.34107014ZDZ2108.368015.822齿扇模数可根据汽车类型与轴荷从下表［1］中选取六、齿扇模数的选取［1］汽车设计（刘惟信）23循环球转向器的螺杆外径、螺纹升程、螺母长度、钢球直径、齿扇压力角、齿扇切削角和摇臂轴外径等可从下表［1］中选取七、螺杆外径等参数的选取［1］汽车设计（刘惟信P624）八、缸径的选取动力转向器的缸径选择过小易导致转向助力不足，过大则会浪费材料，增加成本，缸径的选取常用方法有如下四个：（a）参考同类车型选择合适的转向器缸径；（b）根据经验初选D=3d l（d1为螺杆直径）（c）按经验公式计算选择［1］当前桥载荷G≤5500Kg时，选择D=100缸径的转向器当前桥载荷G＞5500Kg时，按D2/10000=G/5500计算选取(d)根据 T=P(S0-S1)R F［2］ (2-5)S0=πD2/4S1=πd2/4进行调试匹配获得式中：T——转向器的最大输出扭矩，N.mP——油泵的最大工作压力，MPaS0——油缸工作面积，m2S1——螺杆外径所占面积，m2（非贯穿式转向器S1=0）R F——齿扇分度圆半径，mD——缸径，md——螺杆外径，m［1］汽车初期配备动力转向时经验公式，现代汽车很少使用。

24［2］汽车转阀式动力转向器的设计与应用-毕大宁螺杆－钢球－螺母传动副与通常的螺杆一螺母一传动副的区别在于前者是经过滚动的钢球将力由螺杆传至螺母，变滑动摩擦为滚动摩擦。