转向系设计

第三节 转向系主要性能参数
一、转向器的效率 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转向器 的正效率，用符号η+表示，；反之称为逆效率，用符号η－表示。 正效率η+ 计算公式： η+=（P1-P2）/P1 逆效率η－ 计算公式： η－=（P3-P2）/P3
式中， P1为作用在转向轴上的功率；P2为转向器中的磨擦功率；P3为作用在转 向摇臂轴上的功率。
Fh = 2M h Dsw
（7-4）
将式（7-3）、式（7-4）代入ip = 2FW / Fh后得到
ip = M r Dsw M ha
（7-5）
如果忽略磨擦损失，根据能量地恒原理，2Mr/Mh可用下式表示
2M r dϕ = = iω 0 Mh dβ k
ip = iω 0 Dsw 2a
（7-6）
将式（7-6）代入式（7-5）后得到
不可逆式和极限可逆式转向器
不可逆式转向器，是指车轮受到的冲击力不能传到转向盘的转向 器。该冲击力转向传动机构的零件承受，因而这些零件容易损坏。同 时，它既不能保证车轮自动回正，驾驶员又缺乏路面感觉，因此，现 代汽车不采用这种转向器。 极限可逆式转向器介于可逆式与不可逆式转向器两者之间。在车 轮受到冲击力作用时，此力只有较小一部分传至转向盘。 如果忽略轴承和其它地方的磨擦损失，只考虑啮合副的磨擦损失， 则逆效率可用下式计算 tan(a 0 − ρ ) （7-2） η− =
图7-5 循环球式转向器的间隙调整机构 图7-4 循环球式转向器
3.蜗杆滚轮式、蜗杆指销式
蜗杆滚轮式转向器由蜗杆和滚轮啮合而构成。主要优点是：结构 简单；制造容易；强度比较高、工作可靠、寿命长；逆效率低。主要 缺点是：正效率低；调整啮合间隙比较困难；传动比不能变化。 蜗杆指销式转向器有固定销式和旋转销式两种形式。根据销子数 量不同，又有单销和双销之分。 蜗杆指销式转向器的优点是：传动比可以做成不变的或者变化的； 工作面间隙调整容易。 固定销式转向器的结构简单、制造容易。但销子的工作部位磨损 快、工作效率低。旋转销式转向器的效率高、磨损慢，但结构复杂。 要求摇臂轴有较大的转角时，应采用双销式结构。双销式转向器 的结构复杂、尺寸和质量大，并且对两主销间的位置精度、螺纹槽的 形状及尺寸精度等要求高。此外，传动比的变化特性和传动间隙特性 的变化受限制。 蜗杆滚轮式和蜗杆指销式转向器应用较少。
图7-3 齿轮齿条式转向器的四种布置形式
齿轮齿条式转向器广泛应用于微型、普通级、中级和中高级轿车上。 装载量不大、前轮采用独立悬架的货车和客车也用齿轮齿条式转向器。
2.循环球式
循环球式转向器由螺杆和螺母共同 形成的螺旋槽内装有钢球构成的传动副， 以及螺母上齿条与摇臂轴上齿扇构成的 传动副组成，如图7-4所示。 循环球式转向器的优点是：传动效 率可达到75%~85%；转向器的传动比 可以变化；工作平稳可靠；齿条和齿扇 之间的间隙调整容易；适合用来做整体 式动力转向器。 循环球式转向器的主要缺点是：逆 效率高，结构复杂，制造困难，制造精 度要求高。 循环球式转向器主要用于货车和客 车上。
正效率高，转向轻便；转向器应具有一定逆效率，以保证转向轮和 转向盘的自动返回能力。但为了减小传至转向盘上的路面冲击力，防止 打手，又要求此逆效率尽可能低。
1.转向器的正效率η+
影响转向器正效率的因素有转向器的类型、结构特点、结构参 数和制造质量等。 （1）转向器类型、结构特点与效率 在四种转向器中，齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较 高，而蜗杆指销式特别是固定销和蜗杆滚轮式转向器的正效率要明 显的低些。 同一类型转向器，因结构不同效率也不一样。如蜗杆滚轮式转 向器的滚轮与支持轴之间的轴承可以选用滚针轴承、圆锥滚子轴承 和球轴承。选用滚针轴承时，除滚轮与滚针之间有摩擦损失外，滚 轮侧翼与垫片之间还存在滑动摩擦损失，故这种轴向器的效率η+仅 有54%。另外两种结构的转向器效率分别为70%和75%。 转向摇臂轴的轴承采用滚针轴承比采用滑动轴承可使正或逆效 率提高约10%。
iω 0 =
ωw dϕ / dt dϕ = = ω k dβ k / dt dβ k
转向系的角传动比 iω 0 由转向器角传动比 iω 和转向传动机构角传动比
′ ′ 动比: iω =
ωw dϕ / dt dϕ = = ω p dβ p / dt dβ p
50~100N 20~50N
货车
250N 120N
轿车转向盘从中间位置转到第一端的圈数不得超过2.0圈，货车则要求 不超过3.0圈。
第二节 机械式转向器方案分析
齿轮齿条式转向器 根据机械 式转向器 结构特点 循环球式转向器 蜗杆滚轮式转向器 蜗杆指销式转向器等
一、机械式转向器方案分析 1.齿轮齿条式
第七章
转向系设计
第七章 转向系设计
本章主要学习：
（1）转向系的设计要求； （2）机械式转向器方案分析 ； （3）转向系主要性能参数 ； （4）动力转向机构 ； （5）转向梯形机构方案及整体式转向梯形
机构优化设计。
第七章 转向系设计
• • • • • 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 概述 机械式转向器方案分析 转向系主要性能参数 动力转向机构 转向梯形
正确设计转向梯形机构，可以保证汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬 时转向中心旋转。 转向轮的自动回正能力决定于转向轮的定位参数和转向器逆效率的大 小。合理确定转向轮的定位参数，正确选择转向器的形式，可以保证汽车 具有良好的自动回正能力。 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， 其最小转弯半径能达到汽车轴距的2~2.5倍。 转向操纵的轻便性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。 轿车 机械转向 动力转向
图7-2 齿轮齿条式转向器的四种形式
齿条断面形状有圆形、V形和 Y形三种。圆形断面齿条制作工 艺比较简单。V形和Y形断面齿条 与圆形断面比较，消耗的材料少， 故质量小。
根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，在汽车上 有四种布置形式：转向器位于前轴后方，后置梯形；转向器位于前轴后 方，前置梯形；转向器位于前轴前方，后置梯形；转向器位于前轴前方， 前置梯形，见图7-3。
第一节 概述
汽车转向系的功用： 汽车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。 汽车转向系的形式和组成： 汽车转向机构分为机械转向和动力转向两种形式。机械转向主要是 由转向盘、转向器和转向传动机构等组成，动力转向还包括动力系统。 机械转向是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。 动力转向是在机械转向的基础上，加装动力系统，并借助此系统来 减轻驾驶员的手力。 动力转向包括液压式动力转向和电控式动力转向。 液压式动力转向已在汽车上广泛应用。近年来，电控动力转向已得 到较快发展。
（2）转向器的结构参数与效率
如果忽略轴承和其经地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失， 对于蜗杆类转向器，其效率可用下式计算
η+ =
tan a 0 tan(a 0 + ρ )
（7-1）
式中，a0为蜗杆（或螺杆）的螺线导程角；ρ为摩擦角，ρ=arctanf；f为磨擦因 数。
根据逆效率不同，转向器有可逆式、极限可逆式和不可逆式之分。 路面作用在车轮上的力，经过转向系可大部分传递到转向盘，这种 逆效率较高的转向器属于可逆式。它能保证转向轮和转向盘自动回正， 既可以减轻驾驶员的疲劳，又可以提高行驶安全性。但是，在不平路面 上行驶时，传至转向盘上的车轮冲击力，易使驾驶员疲劳，影响安全行 驾驶。 属于可逆式的转向器有齿轮齿条式和循环球式转向器。
图7-1 自动消除间隙装置
齿轮齿条式转向器的主要优点是：结构简单、紧凑、体积小、质量轻； 传动效率高达90%；可自动消除齿间间隙(图7-1所示)；没有转向摇臂和 直拉杆，转向轮转角可以增大；制造成本低。 齿轮齿条式转向器的主要缺点是：逆效率高（60%~70%）。因此， 汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间的冲击力，大部分 能传至转向盘。
′ iω =
转向传动机构的角传动比:
ω p dβ p / dt dβ p = = ω k dβ k / dt dβ k
2.力传动比与转向系角传动比的关系 2.力传动比与转向系角传动比的关系
转向阻力Fw与转向阻力矩Mr的关系式：
FW = Mr a
（7-3）
作用在转向盘上的手力Fh与作用在转向盘上的力矩Mh的关系式：
根据输入齿轮位置和输出特点不同，齿轮齿条式转向器有四种形式： 中间输入，两端输也（图7-2a）；侧面输入，两端输出（图7-2b）；侧面 输入，中间输出（图7-2c）；侧面输入，一端输出（图7-2d）。 采用侧面输入、中间输出方案 时，由于拉杆长度增加，车轮上、 下跳动时位杆摆角减小，有利于减 少车轮上、下跳动时转向系与悬架 系的运动干涉。而采用两侧输出方 案时，容易与悬架系统导向机构产 生运动干涉。 侧面输入、一端输出的齿轮齿 条式转向器，常用在平头微型货车 上。 采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条 啮合的齿轮齿条式转向器，重合度 增加，运转平稳，冲击与工作噪声 均下降。
tan a0
式（7-1）和式（7-2）表明：增加导程角a0，正、逆效率均增大。 受η-增大的影响，a0不宜取得过大。当导程角小于或等于磨擦角时， 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， 导程角必须大于磨擦角。
二、传动比的变化特性
1.转向系传动比 转向系的传动比包括转向系的角传动比 iω 0和转向系的力传动比 i p 。 转向系的力传动比: i p = 2 FW / Fh 转向系的角传动比:
汽车转向系动画演示
转向系的设计要求：
1）汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转。 2）转向轮具有自动回正能力。 3）在行驶状态下，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产生的运动不协调，应使车 轮产生的摆动最小。 5）转向灵敏，最小转弯直径小。 6）操纵轻便。 7）转向轮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中应有间隙调整机构。 9）转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。 10）转向盘转动方向与汽车行驶方向的改变相一致。