齿轮齿条式转向器设计和计算

转向器的结构型式选择及其设计计算

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。

对转向其结构形式的选择，主要是根据汽车的类型、前轴负荷、使用条件等来决定，并要考虑其效率特性、角传动比变化特性等对使用条件的适应性以及转向器的其他性能、寿命、制造工艺等。中、小型轿车以及前轴负荷小于的客车、货车，多采用齿轮齿条式转向器。球面蜗杆滚轮式转向器曾广泛用在轻型和中型汽车上，例如：当前轴轴荷不大于且无动力转向和不大于4t带动力转向的汽车均可选用这种结构型式。循环球式转向器则是当前广泛使用的一种结构，高级轿车和轻型及以上的客车、货车均多采用。轿车、客车多行驶于好路面上，可以选用正效率高、可逆程度大些的转向器。矿山、工地用汽车和越野汽车，经常在坏路或在无路地带行驶，推荐选用极限可逆式转向器，但当系统中装有液力式动力转向或在转向横拉杆上装有减振器时，则可采用正、逆效率均高的转向器，因为路面的冲击可由液体或减振器吸收，转向盘不会产生“打手”现象。

关于转向器角传动比对使用条件的适应性问题，也是选择转向器时应考虑的一个方面。对于前轴负荷不大的或装有动力转向的汽车来说，转向的轻便性不成问题，而主要应考虑汽车高速直线行驶的稳定性和减小转向盘的总圈数以提高汽车的转向灵敏性。因为高速行驶时，很小的前轮转角也会导致产生较大的横向加速度使轮胎发生侧滑。这时应选用转向盘处于中间位置时角传动比较大而左、右两端角传动比较小的转向器。对于前轴负荷较大且未装动力转向的汽车来说，为了避免“转向沉重”，则应选择具有两端的角传动比较大、中间较小的角传动比变化特性的转向器。（转向盘转角增量与相应的转向摇臂转角增量之比iω1称为转向器角传动比。）

二、两侧转向轮偏转角之间的理想关系式

汽车转向行驶时，为了避免车轮相对地面滑动而产生附加阻力，减轻轮胎磨损，要求转向系统能保证所有车轮均作纯滚动，即所有车轮轴线的延长线都要相交于一点。

cotα=cotβ+B/L

其中α、β分别是内外侧转向轮的偏转角，B是两侧主销轴线与地面相交点之间的距离；L是汽车轴距。

v1.0 可编辑可修改如果是多轴汽车转向，转向轮转角间的关系与双轴汽车基本相同。

三、转向系统传动比

1．转向器角传动比

转向盘转角增量与相应的转向摇臂转角增量之比iω1称为转向器角传动比。

2．转向传动机构角传动比

转向摇臂转角增量与转向盘一侧转向节的相应转角增量之比iω2称为转向传动机构角传动比。

3．转向系统角传动比

转向盘转角增量与同侧转向节相应转角增量之比iω为转向系统角传动比。

iω=iω1iω2

4．转向系统的力传动比

两个转向轮受到的转向阻力与驾驶员作用在转向盘上的手力之比i p称为转向系统的力传动比，它与角

传动比i ω成正比。

四、转向盘的自由行程

转向盘在空转阶段的角行程称为转向盘的自由行程。转向盘的自由行程有利于缓和路面冲击，避免驾驶员过度紧张，但不宜过大，否则将使转向灵敏性能下降。

下面分别介绍几种常见的转向器。

5.2.1循环球式转向器

循环球式转向器又有两种结构型式，即常见的循环球-齿条齿扇式和另一种即循环球-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落幕上的齿条和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。

循环球式转向器的传动效率高、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。

5.2.1.1循环球式转向器的角传动比w i

由循环球式转向器的结构关系可知：当转向盘转动ϕ角时，转向螺母及其齿条的移动量应为

t s )360/(ϕ= （5－21）

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w r ，则β角所对应的啮合圆弧长应等于s ，即

s r w =⋅πβ2)360/( （5－22）

由以上两式可求得循环球式转向器的角传动比w i 为

t

r i w w ⋅==πβϕ2 （5－23） 5.2.1.2螺杆－钢球－螺母传动副

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。螺杆和螺母上的相互对应的螺旋槽构成钢球的螺旋滚道。转向时转向盘经转向轴转动螺杆，使钢球沿螺母上的滚道循环地滚动。为了形成螺母上的循环轨道，在螺母上与其齿条相反的一侧表面(通常为上表面)需钻孔与螺母的螺旋滚道打通以形成一个环路滚道的两个导孔，并分别插入钢球导管的两端导管。钢球导管是由钢板冲压成具有半圆截面的滚道，然后对接成导管，并经氰化处理使之耐磨。插入螺母螺旋滚道两个导孔的钢球的两个导管的中心线应与螺母螺旋滚道的中心线相切。螺杆与螺母的螺旋滚道为单头(单螺旋线)的，且具有不变的螺距，通常螺距t 约在8～ 13mm 范围内可按式(5—23)初选，螺旋线导程角0α约为6º～ 11º。转向盘与转向器左置时转向螺杆为左旋，右置时为右旋。钢球直径b d 约为6～9mm 。一般应参考同类型汽车的转向器选取钢球直径b d ，并应使之符合国家标准。钢球直径尺寸差应不超过b d 510128-⨯。显然，大直径的钢球其承载能力亦大，但也使转向器的尺寸增大。钢球的数量n 也影响承载能力，增多钢球使承载能力增大，但也使钢球的流动性变差，从而要降低传动效率。经验表明在每个环路中n 以不大于60为好。

钢球数目(不包括钢球导管中的)可由下式确定：

b

b d W d d W d n 000cos παπ≈= （5－24） 式中0d ——钢球中心距，（见图5—2）；

W ——一个环路中的钢球工作圈数，为了使载荷在各钢球间分布均匀，一般W ＝～ ，当转向器的钢球工作圈数需大于时，则应采用两个独立的环路；

b d ——钢球直径；

0α——螺线导程角。

钢球中心距0d 是指钢球滚动时其中心所在的圆柱表面的横截面的圆的直径。它是一个基本尺寸参数，将影响循环球转向器的结构尺寸及强度。设计时可参考同类车进行初选，经强度验算后再进行修正。显然，在保证强度的前提下应尽量取小些。在已知螺线导程角0α和