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本科學(xué)生畢業(yè)論文
東風(fēng)越野平板運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計
系部名稱： 汽車工程系
專業(yè)班級： 車輛工程 BW07-8班
學(xué)生姓名： 陳 賀
指導(dǎo)教師： 王慧文
職 稱： 教 授
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○一一年六月
The Graduation Thesis for Bachelor's Degree
Design of Steering Mechanism
of Dong Feng Flat Board transporter
Candidate: Chen He
Specialty: Vehicle Engineering
Class: BW07-8
Supervisor: Prof. Wang Huiwen
Heilongjiang Institute of Technology
2011-06·Harbin
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計
摘 要
在汽車行駛中，轉(zhuǎn)向運(yùn)動是最基本的運(yùn)動。我們通過方向盤來操縱和控制汽車的行駛方向，從而實(shí)現(xiàn)自己的行駛意圖。在現(xiàn)代汽車上，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是必不可少的最基本的系統(tǒng)之一，它也是決定汽車主動安全性的關(guān)鍵總成，如何設(shè)計汽車的轉(zhuǎn)向特性，使汽車具有良好的操縱性能，始終是各汽車廠家和科研機(jī)構(gòu)的重要課題。
本文主要介紹汽車轉(zhuǎn)向系的組成和作用，在對大量資料分析研究的基礎(chǔ)上，提出運(yùn)輸車用循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的性能指標(biāo)和機(jī)構(gòu)方案。并且采用相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)械式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計，對各種機(jī)械轉(zhuǎn)向器的利弊進(jìn)行分析，進(jìn)行循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的總體和零部件CAD設(shè)計。
關(guān)鍵詞:駕駛；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；轉(zhuǎn)向器；設(shè)計；計算
ABSTRACT
In the process of travelling, steering is the most basic movement. We operate and control the automobile through the steering wheel, thus to achieve our intention of driving. On the modern automobile, the steering system is one of the most basic systems, it is also a essential unit which affect the automobile’s initiative secure. How to design the steering characteristic of automobile, enable the automobile to have good handling quality, which is always an important topic to various automobiles factory and the scientific research institution. Especially at the time of coming to high speed, drivers becoming personnel amateur, stream of vehicles crowded today, in view of the different crowd of driving, the design of automobile appears especially importantly.
This article mainly introduc automobile steering composition and function system, and uses the correlate data to carry on the design which based on mechanical type rotation gear, carriy on the analysis to each kind of mechanical diverter advantages, designs the corresponding steering gear. Analysising the advantages and defect of different kind of streeing machinery,and carry on designing the whole and part on cad roof.
Key words:Drive; Steering System; Diverter; Design; Calculate
I
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計
第1章 緒 論
1.1 引言
汽車在行駛過程中，為了適應(yīng)各種道路情況和行駛條件，經(jīng)常需要改變行駛方向或修正行駛方向，如轉(zhuǎn)向、超車和避讓等。因此，轉(zhuǎn)向系對汽車行駛的適應(yīng)性、安全性都具有重要的意義，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能直接影響著汽車的操縱穩(wěn)定性。如何設(shè)計汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使汽車具有良好的操縱性能，始終是各汽車廠家和科研機(jī)構(gòu)的重要課題。特別是在車輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天，針對更多不同的駕駛?cè)巳?，汽車的操縱性設(shè)計顯得尤為重要。
對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)品的需求隨著汽車化的提高而發(fā)生著變化。最初駕駛員們只希望比較容易地操縱轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而后則追求在高速行駛時的穩(wěn)定性、舒適性和良好的操縱感。傳統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是機(jī)械系統(tǒng)，汽車的轉(zhuǎn)向運(yùn)動是由駕駛員操縱方向盤，通過轉(zhuǎn)向器和一系列的桿件傳遞到轉(zhuǎn)向車輪而實(shí)現(xiàn)的。普通的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建立在機(jī)械轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上，通丸根據(jù)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器形式可以分為齒輪齒條式、循環(huán)式、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式。常用的有兩種是齒輪齒條式和循環(huán)球式（用于需要較大的轉(zhuǎn)向力時）。這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是我們最常見的，目前大部分低端轎車采用的是齒輪齒條式機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
從上世紀(jì)四十年代起，為減輕駕駛員體力負(fù)擔(dān)，在機(jī)械轉(zhuǎn)向系基礎(chǔ)上增加了液壓助力系統(tǒng)。它是建立在機(jī)械轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)之上的，額外增加了一個液壓系統(tǒng)HPS（Hydraulic?power?steering），一般有油泵、油管、供油裝置、除噪裝置和控制閥。由于其工作可靠、技術(shù)成熟至今仍被廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在實(shí)際中應(yīng)用的最多，根據(jù)控制閥形式有轉(zhuǎn)閥式和滑閥式之分。這個助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最重要的新功能是液力支持轉(zhuǎn)向的運(yùn)動，因止可以減少駕駛員作用在方向盤上的力。
近年來，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中越來越多的采用電子元件。相應(yīng)的就出現(xiàn)了電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電液助力轉(zhuǎn)向可以分為兩大類：電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EHPS、電控液壓助力轉(zhuǎn)向ECHPS。ECHPS是在液壓助力系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其特點(diǎn)是原來有發(fā)動機(jī)帶動的液壓助力泵改由電機(jī)驅(qū)動，取代了由發(fā)動機(jī)驅(qū)動的方式，節(jié)省了燃油消耗。ECHPS是在傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了電控裝置構(gòu)成的。電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力特性可根據(jù)轉(zhuǎn)向速率、車速等參數(shù)設(shè)計為可變助力特性，使駕駛員能夠更輕松的操縱汽車。?現(xiàn)代電液動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要通過車速傳感器將車速傳遞給電子元件，或微型計算機(jī)系統(tǒng)，控制電液轉(zhuǎn)換裝置改變動力轉(zhuǎn)向的助力特性，使駕駛員的轉(zhuǎn)向手力根據(jù)車速和行駛條件變化而改變，即在低速行駛或轉(zhuǎn)急彎時能以很小的轉(zhuǎn)向手力進(jìn)行操作，在高速行駛時能以稍重的轉(zhuǎn)向手力進(jìn)行穩(wěn)定操作，使操縱輕便和穩(wěn)定性達(dá)到最合適的平穩(wěn)狀態(tài)。為了保證轉(zhuǎn)向輕便性，要求增大轉(zhuǎn)向器的傳動比。但是，增大角傳動比雖然可以減小轉(zhuǎn)向盤上的手力，但同時也造成汽車對操縱的反應(yīng)減慢，甚至有可能導(dǎo)致駕駛員沒有能力來轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行緊急避障等轉(zhuǎn)向操作，即不夠“靈”。 ECHPS相比傳統(tǒng)HPS降低了能源損耗。但電液動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，不論ECHPS還是AHPS都與傳統(tǒng)的HPS一樣存在液壓油泄漏問題。
上世紀(jì)50年代，通用汽車公司出循環(huán)球式液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。上世紀(jì)80年代出現(xiàn)的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為動力轉(zhuǎn)向器增添了品種，歐洲汽車制造商在研究配有電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車比較早，日本的KOYO、NSK、HONDA及美國的DELPHI等公司也開發(fā)了多種類型的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。現(xiàn)在人們更加關(guān)注具有節(jié)能、環(huán)保特點(diǎn)的產(chǎn)品，因此也可預(yù)測從液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變過程會在將來很快的發(fā)生。
因現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)功率在不斷增大，行車速度也不斷提高，對于兩輪轉(zhuǎn)向的汽車在高速行駛時將使其操縱穩(wěn)定性變差。從20世紀(jì)80年代末四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已進(jìn)入實(shí)用階段，不僅保證了汽車低速行駛的轉(zhuǎn)向靈活，也保證了汽車高速行駛的操縱穩(wěn)定性。
對轉(zhuǎn)向系的主要設(shè)計要求如下。
（1）汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，全部車輪應(yīng)繞瞬時轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，這項要求會加速輪胎磨損，并降低汽車的行駛穩(wěn)定性。任何車輪不應(yīng)有側(cè)滑；
（2）汽車轉(zhuǎn)向行駛后，在駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤的條件下，轉(zhuǎn)向輪能自動返回到直線行駛位置，并穩(wěn)定行駛；
（3）汽車在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不得產(chǎn)生自振，轉(zhuǎn)向盤沒有擺動；
（4）轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置共同工作時，由于運(yùn)動不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺動應(yīng)最??；
（5）保證汽車有較高的機(jī)動性 ；
（6）操縱輕便。具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力；
（7）轉(zhuǎn)向輪碰撞到障礙物以后，傳給轉(zhuǎn)向盤的反沖力要盡可能小；
（8）轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的球頭處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)；
（9）在車禍中，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤由于車架或車身變形而共同后移時，轉(zhuǎn)向系應(yīng)有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
隨著液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車上的日益普及，人們對操作時的輕便性和路感的要求也日益提高，然而液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)卻存在許多缺點(diǎn)：由于其本身的結(jié)構(gòu)決定了其無法保證車輛在任何工況下轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤實(shí)，都有較理想的操縱穩(wěn)定性，即無法同時保證低速時的轉(zhuǎn)向輕便性和高速時的操縱穩(wěn)定性；汽車的轉(zhuǎn)向特性受駕駛員的駕駛技術(shù)的嚴(yán)重影響；轉(zhuǎn)向傳動比固定，使汽車轉(zhuǎn)向響應(yīng)特性隨車速、側(cè)向加速度等變化而變化，駕駛員必須提前針對汽車轉(zhuǎn)向特性幅值和相位的變化進(jìn)行一定的操作補(bǔ)償，從而控制汽車按其意愿行駛。這樣增加了駕駛員的操縱負(fù)擔(dān)，也使汽車轉(zhuǎn)向行駛中存在不安全隱患；而此后出現(xiàn)了電控液壓助力系統(tǒng)，它在傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了速度傳感器，使汽車能夠隨著車速的變化自動調(diào)節(jié)操縱力的大小，在一定程度上緩和了傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在的問題。
目前我國生產(chǎn)的商用車和轎車上采用的大多是電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它是比較成熟和應(yīng)用廣泛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是現(xiàn)在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向，其工作原理是：EPS系統(tǒng)的ECU對來自轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器和車速傳感器的信號進(jìn)行分析處理后，控制電機(jī)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)闹D(zhuǎn)矩，協(xié)助駕駛員完成轉(zhuǎn)向操作。
近幾年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，大幅度降低ECHPS的成本已成為可能，日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司、美國的Delphi汽車系統(tǒng)公司、TRW公司及德國的ZF公司都相繼研制出EPS。到目前為止，EPS系統(tǒng)在輕微型。
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要是在機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上了傳感器（包括車速傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器和小齒輪位置傳感器）、電子控制單元（ECU）、助力電機(jī)、電磁離合器和減速機(jī)構(gòu)而構(gòu)成。
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可根據(jù)減速機(jī)構(gòu)的不同分為蝸輪蝸桿式助力機(jī)構(gòu)和差動輪系式的主力機(jī)構(gòu)兩種形式。差動輪系機(jī)構(gòu)具有轉(zhuǎn)向路感平滑穩(wěn)定、轉(zhuǎn)向靈敏性可調(diào)，更適合前軸負(fù)載小且對高速操縱性能要求較高的轎車上，而蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)具有助力大小可調(diào)整，適合前軸負(fù)載大、轉(zhuǎn)向沉重、主要目的是降低轉(zhuǎn)向力且對高速操縱性能要求不高的載貨汽車上。
另外電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還可以根據(jù)電動機(jī)和減速機(jī)構(gòu)位置的不同分為：軸助力式EPS（電機(jī)和減速裝置裝在轉(zhuǎn)向傳動軸上），轉(zhuǎn)向小齒輪助力式（電機(jī)和減速裝置裝在輸入小齒輪上），另端小齒輪助力式（電機(jī)和減速裝置裝在另端小齒輪上），齒條助力式（電機(jī)和減速裝置套在齒條外側(cè)）。
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要的優(yōu)點(diǎn)有：自由度高，助力特性可以靈活的依據(jù)轉(zhuǎn)向時的車速、橫向加速度、汽車重量、電池電壓、車輪氣壓等產(chǎn)生不同的助力，且修改方便；結(jié)構(gòu)簡單，相交與液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)少了液壓泵、轉(zhuǎn)閥、液壓管道等復(fù)雜的液壓機(jī)構(gòu)，不僅節(jié)省了大量的空間，也減少了4—6kg的重量；節(jié)能，對于駕駛員來說，最大的優(yōu)點(diǎn)就是ESP能相較于傳統(tǒng)的液壓助力式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提升約5%的燃油經(jīng)濟(jì)性。這是由于EPS只在轉(zhuǎn)向時才工作，而液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不管需不需要助力都一直在運(yùn)行，尤其在汽車高速行駛時，原本這時是最不需要轉(zhuǎn)向助力的，而這時液壓泵的功率消耗卻是最大的；減振，EPS系統(tǒng)具有較高的慣性力矩，對于來自輪胎的外部干擾可起到緩沖振動的作用。在高速相較于液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)減振25%-30%；環(huán)保，由于不存在液壓油泄漏等問題使得EPS相較于液壓轉(zhuǎn)向更為環(huán)保。
從整體上來講國內(nèi)近年來對于ECHPS的研究發(fā)展很快，尤其是在控制策略的研究上，已經(jīng)將不同的控制方法引如ECU中，并通過實(shí)驗(yàn)和分析不斷地完善和改進(jìn)，但是在對于細(xì)節(jié)的優(yōu)化上距離國外還有相當(dāng)?shù)牟罹?，而且目前國?nèi)除了吉利汽車，還尚未自主知識產(chǎn)權(quán)的ECHPS，距離ECHPS的批量化生產(chǎn)也還有一段路要走。
盡管電控液壓助力裝置從一定程度上緩解了傳統(tǒng)的液壓轉(zhuǎn)向中輕便性和路感之間的矛盾，然而它還是沒有從根本上解決HPS系統(tǒng)存在的不足，隨著汽車微電子技術(shù)的發(fā)展，汽車燃油節(jié)能的要求以及全球性倡導(dǎo)環(huán)保，其在布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面的不足已越來越明顯，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向著電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展。
動力轉(zhuǎn)向系是在駕駛員的控制下，借助于汽車發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的液壓力或電動機(jī)驅(qū)動力來實(shí)現(xiàn)車論轉(zhuǎn)向。由于采用動力轉(zhuǎn)向可以減少駕駛員手動轉(zhuǎn)向力矩，改善汽車的轉(zhuǎn)向輕便性和汽車的操縱穩(wěn)定性，因此在國外不僅在商用車上，而且在中高級轎車和輕型車上也逐漸普遍應(yīng)用。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要有液壓助力式、氣動助力式和電動助力式等三種形式。其中液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于其工作壓力大，結(jié)構(gòu)緊湊，而廣泛應(yīng)用。
液壓助力轉(zhuǎn)向器自五十年代發(fā)展以來，已日趨成熟，得到廣泛應(yīng)用，近幾年主要是提高現(xiàn)機(jī)構(gòu)的輕量化，簡化結(jié)構(gòu)；提升工作油壓。用壓鑄鋁代替鑄鐵的轉(zhuǎn)向器殼體；用塑料油箱代替鋼板沖壓油箱；對于輕型車和轎車，用鋁合金轉(zhuǎn)向軸萬向節(jié)等措施，這些均可減輕50%以上重量，其次，改進(jìn)“路感”特性，為了滿足高速直行位置附近“路感”效果，改變閥特性，使其靜特性曲線的中間部位比較平坦。
傳統(tǒng)的液壓助力動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在多采用固定的放大倍率存在著一些缺點(diǎn)：如果所設(shè)計的固定放大倍率的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是為了減少汽車在停車或低速行駛狀態(tài)下轉(zhuǎn)向盤的操舵力，則當(dāng)汽車以高速行駛時，這一固定放大倍率會使轉(zhuǎn)向盤的操舵力顯得太小，高速行駛時“路感”差，不利于汽車的方向控制；反之，如果設(shè)計的固定放大倍率的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是為了增加汽車在高速行駛時轉(zhuǎn)向力，則當(dāng)汽車低速行駛時，轉(zhuǎn)向盤的力顯得太大，破壞了低速狀況下的操縱輕便性，為了解決這個問題，目前汽車界將電子控制技術(shù)應(yīng)用在汽車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，使汽車轉(zhuǎn)向性能達(dá)到令人滿意的程度。迄今為止，電子控制液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已在轎車上獲得應(yīng)用。電子控制液壓動力轉(zhuǎn)向是在傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)上增設(shè)了控制液體流量的電磁閥，車速傳感器和電子控制單元等。
現(xiàn)在，世界各國著名零件廠商正在大力研究開發(fā)一種新型的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，即電子控制電動動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電子控制電動動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)矩信號和車速信號，通過電子控制裝置使電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)大小和方向的輔助力，協(xié)助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操縱，并獲得最佳轉(zhuǎn)向特性的伺服系統(tǒng)。
電子控制電動動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ECHPS）技術(shù)發(fā)展趨勢可歸結(jié)為以下幾點(diǎn)。
（1）電力驅(qū)動技術(shù)：ECHPS系統(tǒng)中的電機(jī)要求端電壓、轉(zhuǎn)速較低、輸出轉(zhuǎn)矩相對較高、尺寸小。由于電機(jī)端電壓低，而功率相對較高。所以電機(jī)電流較大，這給驅(qū)動單元的電子器件選擇和電路設(shè)計帶來一定困難。
（2）非接觸式傳感器技術(shù)：ECHPS系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器要求結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、價格便宜，精度適中?？紤]到可靠性問題，目前國外多采用非接觸式。而接觸式傳感器應(yīng)用較少。
（3）轉(zhuǎn)向控制技術(shù)：由于ECHPS系統(tǒng)在原有的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中增加了電機(jī)和減速器，使得轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)的慣性增大，為此需引入慣性控制和阻力控制，避免在電機(jī)開始助力和結(jié)束助力時對轉(zhuǎn)向操縱產(chǎn)生影響。同時，為獲得更好的“路感”，必需根據(jù)汽車的行駛速度和轉(zhuǎn)向狀態(tài)確定合理的助力大小和方向。
（4）ECHPS系統(tǒng)與整車性能匹配：汽車本身是由各子系統(tǒng)組成的既相互聯(lián)系又相互制約的有機(jī)整體，當(dāng)汽車某個子系統(tǒng)改變時，整車性能也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因此，必須對EPS系統(tǒng)與汽車上的其它子系統(tǒng)進(jìn)行匹配，以利整車性能達(dá)到最優(yōu)化。
隨著電子技術(shù)和控制方法的進(jìn)一步發(fā)展，有人提出了一個大膽的假設(shè)：即取消轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，完全由電能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，這就是線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
線控電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點(diǎn)：提高了駕駛員的安全性，由于減少了轉(zhuǎn)向柱等機(jī)械機(jī)構(gòu)，使得駕駛員周圍空間變大，正面碰撞時對駕駛員的傷害得到了大大的降低。另外同樣安全氣囊與駕駛員間的距離加大，使得安全氣囊可以張得更大，以增加對駕駛員的保護(hù)；提高了汽車的操縱性，由于可以實(shí)現(xiàn)傳動比的任意設(shè)置，并針對不同的車速，轉(zhuǎn)向狀況進(jìn)行參數(shù)補(bǔ)償，從而提高汽車的操縱性；提高汽車的全面智能化，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以和其它的設(shè)備如ABS、防碰撞、自動導(dǎo)航、自動駕駛等系統(tǒng)結(jié)合起來，最終實(shí)現(xiàn)汽車的全面智能化；改善駕駛員的路感，在SBW中路感由模擬生成，使得在回正力矩控制方面可以從信號中提出最能夠反應(yīng)汽車實(shí)際行駛狀態(tài)和路面狀況的信息，作為方向盤回正力矩的控制變量，使方向盤僅僅向駕駛員提供有用的信息，從而為駕駛員提供更為真實(shí)的“路感”。
線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還存在著可靠性的問題，目前歐洲汽車法規(guī)還要求駕駛員與轉(zhuǎn)向車輪之間必須有機(jī)械連接，而閑空轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為一個還不成熟的技術(shù)目前還不能有足夠的證據(jù)證明其可靠性。其次，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還需要在可靠性與成本之間做出較好的平衡；線控轉(zhuǎn)向還將與其它的汽車電氣系統(tǒng)通過CAN總線連接在中央控制器上，由中央控制器統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制汽車的運(yùn)用，從而實(shí)現(xiàn)汽車電氣的一體化和智能化；
總之，線控轉(zhuǎn)向在EPS的基礎(chǔ)上，將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展又推進(jìn)了一步，它將為實(shí)現(xiàn)汽車智能化駕駛提供技術(shù)支持。
1.3 設(shè)計研究的主要內(nèi)容
通過閱讀資料，分析與確定轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計方案。對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行分析與確定，并在此基礎(chǔ)上對轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)計算研究。對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度計算校核以保證轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的可靠性，安全性。
第2章 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案分析
根據(jù)所采用的轉(zhuǎn)向傳動副的不同，轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)型式有多種。常見的有齒輪齒條式、循環(huán)球式、球面蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式等。 對轉(zhuǎn)向其結(jié)構(gòu)形式的選擇，主要是根據(jù)汽車的類型、前軸負(fù)荷、使用條件等來決定，并要考慮其效率特性、角傳動比變化特性等對使用條件的適應(yīng)性以及轉(zhuǎn)向器的其他性能、壽命、制造工藝等。中、小型轎車以及前軸負(fù)荷小于 1.2t 的客車、貨車，多采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。球面蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器曾廣泛用在輕型和中型汽車上，例如：當(dāng)前軸軸荷不大于 2.5t且無動力轉(zhuǎn)向和不大于 4t 帶動力轉(zhuǎn)向的汽車均可選用這種結(jié)構(gòu)型式。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器則是當(dāng)前廣泛使用的一種結(jié)構(gòu)，高級轎車和輕型及以上的客車、貨車均多采用。轎車、客車多行駛于好路面上，可以選用正效率高、可逆程度大些的轉(zhuǎn)向器。礦山、工地用汽車和越野汽車，經(jīng)常在壞路或在無路地帶行駛，推薦選用極限可逆式轉(zhuǎn)向器，但當(dāng)系統(tǒng)中裝有液力式動力轉(zhuǎn)向或在轉(zhuǎn)向橫拉桿上裝有減振器時，則可采用正、逆效率均高的轉(zhuǎn)向器，因?yàn)槁访娴臎_擊可由液體或減振器吸收，轉(zhuǎn)向盤不會產(chǎn)生“ 打手現(xiàn)象”。
關(guān)于轉(zhuǎn)向器角傳動比對使用條件的適應(yīng)性問題，也是選擇轉(zhuǎn)向器時應(yīng)考慮的一個方面。對于前軸負(fù)荷不大的或裝有動力轉(zhuǎn)向的汽車來說，轉(zhuǎn)向的輕便性不成問題，而主要應(yīng)考慮汽車高速直線行駛的穩(wěn)定性和減小轉(zhuǎn)向盤的總?cè)?shù)以提高汽車的轉(zhuǎn)向靈敏性。因?yàn)楦咚傩旭倳r，很小的前輪轉(zhuǎn)角也會導(dǎo)致產(chǎn)生較大的橫向加速度使輪胎發(fā)生側(cè)滑。這時應(yīng)選用轉(zhuǎn)向盤處于中間位置時角傳動比較大而左、右兩端角傳動比較小的轉(zhuǎn)向器。對于前軸負(fù)荷較大且未裝動力轉(zhuǎn)向的汽車來說，為了避免“轉(zhuǎn)向沉重”，則應(yīng)選擇具有兩端的角傳動比較大、中間較小的角傳動比變化特性的轉(zhuǎn)向器。
2.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器由與轉(zhuǎn)向軸做成一體的轉(zhuǎn)向齒輪和常與轉(zhuǎn)向橫拉桿做成一體的齒條組成。與其他形式的轉(zhuǎn)向器比較，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器最主要的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成，轉(zhuǎn)向器的質(zhì)量比較?。粋鲃有矢哌_(dá)90%；齒輪與齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙以后，利用裝在齒條背部、靠近主動小齒輪處的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧。能自動消除齒間間隙，這不僅可以提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度。還可以防止工作時產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用的體積?。粵]有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿，所以轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角可以增大；制造成本低。
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是：因逆效率高，汽車在不平路面上行駛時，發(fā)生在轉(zhuǎn)向輪與路面之間沖擊力的大部分能傳至轉(zhuǎn)向盤，稱之為反沖。反沖現(xiàn)象會使駕駛員精神緊張，并難以準(zhǔn)確控制汽車行駛方向，轉(zhuǎn)向盤突然轉(zhuǎn)動又會造成打手，同時對駕駛員造成傷害。
根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點(diǎn)不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向起有四種形式：中間輸入，兩端輸出（圖2-1a）；側(cè)面輸入，兩端輸出（圖2-1b）；側(cè)面輸入，中間輸出（圖2-1c）；側(cè)面輸入，一端輸出（圖2-1d）。
圖2.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的四種形式
采用側(cè)面輸入，中間輸出方案時，與齒條連的左，右拉桿延伸到接近汽車縱向?qū)ΨQ平面附近。由于拉桿長度增加，車輪上、下跳動時拉桿擺角減小，有利于減少車輪上、下跳動時轉(zhuǎn)向系與懸架系的運(yùn)動干涉。拉桿與齒條用螺栓固定連接，因此，兩拉桿那與齒條同時向左或右移動，為此在轉(zhuǎn)向器殼體上開有軸向的長槽，從而降低了它的強(qiáng)度。
采用兩端輸出方案時，由于轉(zhuǎn)向拉桿長度受到限制，容易與懸架系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動干涉。
側(cè)面輸入，一端輸出的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，常用在平頭貨車上。
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器采用直齒圓柱齒輪與直齒齒條嚙合，則運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)降低，沖擊大，工作噪聲增加。此外，齒輪軸線與齒條軸線之間的夾角只能是直角，為此因與總體布置不適應(yīng)而遭淘汰。采用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，重合度增加，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沖擊與工作噪聲均下降，而且齒輪軸線與齒條軸線之間的夾角易于滿足總體設(shè)計的要求。因?yàn)樾饼X工作時有軸向力作用，所以轉(zhuǎn)向器應(yīng)該采用推力軸承，使軸承壽命降低，還有斜齒輪的滑磨比較大是它的缺點(diǎn)。
齒條斷面形狀有圓形、V形和Y形三種。圓形斷面齒條的制作工藝比較簡單。V形和Y形斷面齒條與圓形斷面比較，消耗的材料少，約節(jié)省20%，故質(zhì)量小；位于齒下面的兩斜面與齒條托座接觸，可用來防止齒條繞軸線轉(zhuǎn)動；Y形斷面齒條的齒寬可以做得寬些，因而強(qiáng)度得到增加。在齒條與托座之間通常裝有用減磨材料（如聚四氟乙烯）做的墊片，以減少滑動摩擦。當(dāng)車輪跳動、轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向器工作時，如在齒條上作用有能使齒條旋轉(zhuǎn)的力矩時，應(yīng)選用V形和Y形斷面齒條，用來防止因齒條旋轉(zhuǎn)而破壞齒輪、齒條的齒不能正確嚙合的情況出現(xiàn)。
為了防止齒條旋轉(zhuǎn)，也有在轉(zhuǎn)向器殼體上設(shè)計導(dǎo)向槽的，槽內(nèi)嵌裝導(dǎo)向塊，并將拉桿、導(dǎo)向塊與齒條固定在一起。齒條移動時導(dǎo)向塊在導(dǎo)向槽內(nèi)隨之移動，齒條旋轉(zhuǎn)時導(dǎo)向塊可防止齒條旋轉(zhuǎn)。要求這種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向塊與導(dǎo)向槽之間的配合要適當(dāng)。配合過緊會為轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)向輪回正帶來困難，配合過松齒條仍能旋轉(zhuǎn)，并伴有敲擊噪聲。
根據(jù)齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向梯形相對前軸位置的不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器在汽車上有四種布置：形式轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，后置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸后方，前置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，后置梯形；轉(zhuǎn)向器位于前軸前方，前置梯形。
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器廣泛應(yīng)用于乘用車上。載質(zhì)量不大，前輪采用獨(dú)立懸架的貨車和客車有些也用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。
2.2循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器又有兩種結(jié)構(gòu)型式，即常見的循環(huán)球-齒條齒扇式和另一種即循環(huán)球-曲柄銷式。它們各有兩個傳動副，前者為：螺桿、鋼球和螺母傳動副以及螺母上的齒條和搖臂軸上的齒扇傳動副；后者為螺桿、鋼球和螺母傳動副以及螺母上的銷座與搖臂軸的錐銷或球銷傳動副。兩種結(jié)構(gòu)的調(diào)整間隙方法均是利用調(diào)整螺栓移動搖臂軸來進(jìn)行調(diào)整。 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的傳動效率高、工作平穩(wěn)、可靠，螺桿及螺母上的螺旋槽經(jīng)滲碳、淬火及磨削加工，耐磨性好、壽命長。齒扇與齒條嚙合間隙的調(diào)整方便易行，這種結(jié)構(gòu)與液力式動力轉(zhuǎn)向液壓裝置的匹配布置也極為方便。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器有螺桿和螺母共同形成的螺栓槽內(nèi)裝鋼球構(gòu)成的傳動副，以及螺母上齒條與搖臂軸上齒扇構(gòu)成的傳動副組成，如圖2-2所示。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)是：在螺桿和螺母之間因?yàn)橛锌梢匝h(huán)流動的鋼球，將滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，因而傳動效率可以達(dá)到75%～85%；在結(jié)構(gòu)和工藝上采取措施后，包括提高制造精度，改善工作表面的表面粗糙度和螺桿、螺母上的螺旋槽經(jīng)淬火和磨削加工，使之有足夠的使用壽命；轉(zhuǎn)向器的傳動比可以變化；工作平穩(wěn)可靠；齒條和齒扇之間的間隙調(diào)整工作容易進(jìn)行（圖2-3）；適合用來做整體式動力轉(zhuǎn)向器。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是：逆效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，制造精度要求高。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要用于商用車上。
圖2.2 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器示意圖
圖2.3 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)
2.3 蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器
蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器由蝸桿和滾輪嚙合而構(gòu)成。主要優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單；制造容易；因?yàn)闈L輪的齒面和蝸桿上的螺紋呈面接觸，所以有比較高的強(qiáng)度，工作可靠，磨損小，壽命長；逆效率低。
蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是：正效率低；工作齒面磨損以后，調(diào)整嚙合間隙比較困難；轉(zhuǎn)向器的傳動比不能變化。
這種轉(zhuǎn)向器曾在汽車上廣泛使用過。
2.4蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器
蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的銷子如不能自轉(zhuǎn)，稱為固定銷式蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器；銷子除隨同搖臂軸轉(zhuǎn)動外，還能繞自身州縣轉(zhuǎn)動的，稱為旋轉(zhuǎn)銷式轉(zhuǎn)向器。根據(jù)銷子數(shù)量不同，又有單銷和雙銷之分。
蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)是：轉(zhuǎn)向器的傳動比可以做成不變的或者變化的；指銷和蝸桿之間的工作面磨損后，調(diào)整間隙工作容易進(jìn)行。
固定銷蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)簡單、制造容易；但是因銷子不能自轉(zhuǎn)，銷子的工作部位基本保持不變，所以磨損快、工作效率低。旋轉(zhuǎn)銷式轉(zhuǎn)向器的效率高、磨損慢，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
要求搖臂軸有較大的轉(zhuǎn)角時，應(yīng)該采用雙銷式結(jié)構(gòu)。雙銷式轉(zhuǎn)向器在直線行駛區(qū)域附近，兩個銷子同時工作，可降低銷子上的負(fù)荷，減少磨損。當(dāng)一個銷子脫離嚙合狀態(tài)是，另一個銷子要承受全部作用力，而恰恰在此位置，作用力達(dá)到最大值，所以設(shè)計師要注意核算其強(qiáng)度。雙銷與單銷蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器比較，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸和質(zhì)量大，并且對兩主銷間的位置精度、蝸桿上螺紋槽的形狀及尺寸精度等要求高。此外，傳動比的變化特性和傳動間隙特性的變化受限制。
蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器應(yīng)用較少。
2.5轉(zhuǎn)向盤的尺寸及布置
轉(zhuǎn)向盤有輪轂、輪緣和輪輻組成。采用最大直徑的轉(zhuǎn)向盤，會使駕駛員進(jìn)出駕駛室感到困難；若采用較小直徑的轉(zhuǎn)向盤，則在轉(zhuǎn)向時要求駕駛?cè)藛T施加較大的力量。轉(zhuǎn)向盤布置過高會影響人對道路和儀表盤的視野；轉(zhuǎn)向盤布置過低，則在操縱離合器、制動踏板時影響駕駛?cè)藛T腿部的動作。在選擇轉(zhuǎn)向盤直徑時，應(yīng)考慮與汽車的類型和大小相適應(yīng)。乘用車、小型客車、小型商用車的轉(zhuǎn)向盤直徑參考直徑為400mm；中型客車、中型商用車的轉(zhuǎn)向盤參考直徑為450mm或者500mm；大型客車和大型商用車的轉(zhuǎn)向盤參考直徑為550mm。
2.6 轉(zhuǎn)向軸的防傷安全措施
根據(jù)交通事故統(tǒng)計資料和對汽車碰撞試驗(yàn)結(jié)果的分析表明：汽車在正面碰撞時，轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向器是使駕駛員受傷的主要元件。因此，要求汽車在以48km/h的速度、正面同其他物體碰撞的試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向軸后移量在水平方向上不得大于127mm；在臺架試驗(yàn)中，用人體模型的軀干以6.7m/s的速度碰撞轉(zhuǎn)向盤時，作用在轉(zhuǎn)向盤的水平力不得超過11123N，見GB11557-1998。為此，需要在轉(zhuǎn)向系中設(shè)計安裝能吸收沖擊能量的機(jī)構(gòu)，或者采取能減輕駕駛員受傷程度的措施。吸收能量的方法是使有關(guān)的轉(zhuǎn)向系零件在撞擊時產(chǎn)生塑性變形、彈性變形或摩擦等來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)轉(zhuǎn)向軸采用萬向節(jié)連接的結(jié)構(gòu)，可以通過合理布置保證在汽車正面碰撞時，防止轉(zhuǎn)向軸等向車身內(nèi)移動，這種結(jié)構(gòu)雖然不能吸收碰撞能量，但其結(jié)構(gòu)簡單，主要萬向節(jié)連接的兩軸之間存在夾角，正面撞車后轉(zhuǎn)向盤沒有后移便不會影響駕駛員安全。轉(zhuǎn)向軸上設(shè)置有萬向節(jié)不僅提高安全性，而且有利于使轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器在汽車上得到合理布置，提高了操縱方便性，拆裝容易。
2.7轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案確定
由于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器逆效率高（60%～70%），汽車在不平路面上行駛時發(fā)生在轉(zhuǎn)向輪與路面間沖擊力的大部分能傳至轉(zhuǎn)向盤，反沖現(xiàn)象會使駕駛員緊張，并難以控制汽車行駛方向，轉(zhuǎn)向盤突然轉(zhuǎn)動又會造成“打手”，同時對駕駛員造成傷害。
蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器正效率低，工作齒面磨損后調(diào)整嚙合間隙比較困難，傳動比不能變化。固定銷蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，但因銷不能自轉(zhuǎn)，指銷工作部位基本不變，所以磨損快、工作效率低。旋轉(zhuǎn)銷式轉(zhuǎn)向器的效率高、磨損小，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。雙銷式的結(jié)構(gòu)較單銷式復(fù)雜，尺寸及質(zhì)量也較大，且對兩指銷間的位置精度、蝸桿上螺紋槽的形狀及尺寸精度要求較高，角傳動比的變化特性及傳動間隙特性的變化也受到限制。
根據(jù)原始數(shù)據(jù)：滿載時前軸軸荷：1940kg前輪氣壓：350kPa，輪胎和路面間滑動摩擦系數(shù)：= 0.75，搖臂擺角：±42°，要求傳動比設(shè)計成20左右，最大搖臂輸出力矩：1500N·m。
綜合上述各種形式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計選取循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器為設(shè)計方案。
2.8本章小節(jié)
本章主要事對轉(zhuǎn)向器的基本結(jié)構(gòu)形式的選擇，通過對目前各種形式轉(zhuǎn)向器設(shè)計方案進(jìn)行分析比較，綜合考慮，采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器為設(shè)計方案。
第3章 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的參數(shù)分析與確定
轉(zhuǎn)向系的主要性能有轉(zhuǎn)向系的效率、轉(zhuǎn)向系的角傳動比與力傳動比、轉(zhuǎn)向器傳動副的傳動間隙特性、轉(zhuǎn)向系的剛度以及轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動圈數(shù)。
3.1 轉(zhuǎn)向系計算載荷的確定
為了保證行駛安全，組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度。欲驗(yàn)算轉(zhuǎn)向系零件的強(qiáng)度，需首先確定作用在各零件上的力。影響這些力的主要因素有轉(zhuǎn)向軸的負(fù)荷、路面阻力和輪胎氣壓等。為轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力，包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動的阻力、車輪穩(wěn)定阻力、輪胎變形阻力和轉(zhuǎn)向系中的內(nèi)摩擦阻力等。
精確地計算出這些力是困難的。為此推薦用足夠精確的半經(jīng)驗(yàn)公式來計算汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩Mn（N·mm）
（3.1）
式中：—— 輪胎和路面間的滑動摩擦因數(shù)，一般取=0.75；
——轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷（N）；
——輪胎氣壓（MPa）。
將原始數(shù)據(jù)代入公式（3.1）得， = 753542 （N·mm）。
作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力為
（3.2）式中：——轉(zhuǎn)向搖臂長；
——轉(zhuǎn)向節(jié)臂長，=；
——轉(zhuǎn)向盤直徑，根據(jù)汽車設(shè)計設(shè)計手冊，取Dsw= 550mm；
——轉(zhuǎn)向器角傳動比，一般取=20；
——轉(zhuǎn)向器正效率，一般取=0.85。
根據(jù)公式（3.2），代入?yún)?shù)得，F(xiàn)k = 357 N。
對給定的汽車，用式計算出來的作用力是最大值。因此，可以用此值作為計算載荷。然而，對于前軸負(fù)荷大的重型貨車，用上式計算的力往往超過駕駛員生理上的可能，在此情況下對轉(zhuǎn)向器和動力轉(zhuǎn)向器動力缸以前零件的計算載荷，應(yīng)取駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤輪緣上的最大瞬時力，此力為700N。
根據(jù)汽車的前軸負(fù)荷來選取循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器齒扇齒模數(shù)
= 1940 9.8 = 19012 N
表3.1 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器齒扇齒模
齒扇齒模數(shù)m/mm
3．0
3．5
4．0
4．5
5．0
6．0
6．5
轎
車
排量/mL
500
1000～
1800
1600～
2000
2000
2000
前軸負(fù)荷
/N
3500～3800
4700～
7350
7000～
9000
8300～11000
10000～11000
貨車
和大
客車
前軸負(fù)荷
/N
3000～
5000
4500～
7500
5500～
18500
7000～
19500
9000～
24000
17000～37000
23000～
44000
最大裝載質(zhì)量/kg
350
1000
2500
2700
3500
6000
8000
因?yàn)槭秦涇?，所?
m = 5.0。
3.2 轉(zhuǎn)向器的效率
功率從轉(zhuǎn)向軸輸入，經(jīng)轉(zhuǎn)向搖臂軸輸出所求得的效率稱為正效率，用符號表示。
（3.3）
反之稱為逆效率，用符號表示。
?。?.4）
式中：——轉(zhuǎn)向器中的摩擦功率；
——作用在轉(zhuǎn)向搖臂軸上的功率。
為了保證轉(zhuǎn)向時駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤輕便，要求正效率高。為了保證汽車轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤能自動返回到直線行駛位置，又需要有一定的逆效率。為了減輕在不平路面上行駛時駕駛員的疲勞，車輪與路面之間的作用力傳至轉(zhuǎn)向盤上要盡可能小，防止打手又要求此逆效率盡可能低。
3.2.1轉(zhuǎn)向器的正效率
影響轉(zhuǎn)向器正效率的因素有：轉(zhuǎn)向器的類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造質(zhì)量等。
轉(zhuǎn)向器類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與效率 在前述四種轉(zhuǎn)向器中，齒輪齒條式、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的正效率比較高，而蝸桿指銷式特別是固定銷和蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的正效率要明顯的低些。
同一類型轉(zhuǎn)向器，因結(jié)構(gòu)不同效率也不一樣。如蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的滾輪與支持軸之間的軸承可以選用滾針軸承、圓錐滾子軸承和球軸承等三種結(jié)構(gòu)之一。第一種結(jié)構(gòu)除滾輪與滾針之間有摩擦損失外，滾輪側(cè)翼與墊片之間還存在滑動摩擦損失，故這種轉(zhuǎn)向器的效率僅有54％。另外兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向器效率，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分別為70％和75％。
轉(zhuǎn)向搖臂軸軸承的形式對效率也有影響，用滾針軸承比用滑動軸承可使正或逆效率提高約10％。
轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與效率 如果忽略軸承和其它地方的桿類轉(zhuǎn)向器，其效率可用下式計算摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，對于蝸桿和螺
（3.5）
式中：——蝸桿（或螺桿）的螺線導(dǎo)程角；
——摩擦角，；
——摩擦因數(shù)，取= 0.02。
= 1.14
= 0.85
3.2.2 轉(zhuǎn)向器逆效率
根據(jù)逆效率大小不同，轉(zhuǎn)向器又有可逆式、極限可逆式和不可逆式之分。
路面作用在車輪上的力，經(jīng)過轉(zhuǎn)向系可大部分傳遞到轉(zhuǎn)向盤，這種逆效率較高的轉(zhuǎn)向器屬于可逆式。它能保證轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤自動回正。這既減輕了駕駛員的疲勞，又提高了行駛安全性。但是，在不平路面上行駛時，車輪受到的沖擊力，能大部分傳至轉(zhuǎn)向盤，造成駕駛員“打手"，使之精神狀態(tài)緊張，如果長時間在不平路面上行駛，易使駕駛員疲勞，影響安全駕駛。屬于可逆式的轉(zhuǎn)向器有齒輪齒條式和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。
不可逆式轉(zhuǎn)向器，是指車輪受到的沖擊力不能傳到轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向器。該沖擊力由轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的零件承受，因而這些零件容易損壞。同時，它既不能保證車輪自動回正，駕駛員又缺乏路面感覺，因此，現(xiàn)代汽車不采用這種轉(zhuǎn)向器。
極限可逆式轉(zhuǎn)向器介于上述兩者之間。在車輪受到?jīng)_擊力作用時，此力只有較小一部分傳至轉(zhuǎn)向盤。它的逆效率較低，在不平路面上行駛時，駕駛員并不十分 緊張，同時轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的零件所承受的沖擊力也比不可逆式轉(zhuǎn)向器要小。
如果忽略軸承和其它地方的摩擦損失，只考慮嚙合副的摩擦損失，則逆效率可用下式計算
（3.6）
式（3.5）和式（3.6）表明：增加導(dǎo)程角，正、逆效率均增大。受增大的影響。不宜取得過大。當(dāng)導(dǎo)程角小于或等于摩擦角時，逆效率為負(fù)值或者為零，此時表明該轉(zhuǎn)向器是不可逆式轉(zhuǎn)向器。為此，導(dǎo)程角必須大于摩擦角。通常螺線導(dǎo)程角選在8o～10o之間。
= 8o
= 0.85
3.3 傳動比的變化特性
3.3.1 轉(zhuǎn)向系傳動比
轉(zhuǎn)向系的傳動比包括轉(zhuǎn)向系的角傳動比和轉(zhuǎn)向系的力傳動比。
從輪胎接地面中心作用在兩個轉(zhuǎn)向輪上的合力2與作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力之比，稱為力傳動比，即
=2/ （3.7）
轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角速度與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度之比，稱為轉(zhuǎn)向系角傳動比，即
（3.8）
式中：——為轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角增量；
——轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角增量；
——時間增量。
它又由轉(zhuǎn)向器角傳動比和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)角傳動比所組成，即。
搖臂軸轉(zhuǎn)動角速度與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度之比，稱為轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的角傳動比
。 （3.9）
3.3.2傳動比與轉(zhuǎn)向系角傳動比的關(guān)系
輪胎與地面之間的轉(zhuǎn)向阻力和作用在轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向阻力矩之間有如下關(guān)系
（3.10）
式中：——主銷偏移距，指從轉(zhuǎn)向節(jié)主銷軸線的延長線與支承平面的交點(diǎn)至車輪中心平面與支承平面交線間的距離。
作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力可用下式表示
（3.11）
式中：——作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩；
——轉(zhuǎn)向盤直徑。
將式（3.10）、式（3.11）代入后得到
（3.12）
分析式（3.12）可知，當(dāng)主銷偏移距小時，力傳動比應(yīng)取大些才能保證轉(zhuǎn)向輕便。通常轎車的值在0.4～0.6倍輪胎的胎面寬度尺寸范圍內(nèi)選取，而貨車的值在40～60mm范圍內(nèi)選取。轉(zhuǎn)向盤直徑根據(jù)車型不同在JB4505—86轉(zhuǎn)向盤尺寸標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的系列內(nèi)選取。
如果忽略摩擦損失，根據(jù)能量守恒原理，可用下式表示
（3.13）
將式（3.13）代人式（3.12）后得到
（3.14）
當(dāng)和不變時，力傳動比越大，雖然轉(zhuǎn)向越輕，但也越大，表明轉(zhuǎn)向不靈敏。
3.3.3轉(zhuǎn)向系的角傳動比
轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)角傳動比，除用表示以外，還可以近似地用轉(zhuǎn)向節(jié)臂臂長與搖臂臂長之比來表示，即/?，F(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)中，與的比值大約在0.85～1.1之間，可近似認(rèn)為其比值為1，則。由此可見，研究轉(zhuǎn)向系的傳動比特性，只需研究轉(zhuǎn)向器的角傳動比及其變化規(guī)律即可。
3.3.4 轉(zhuǎn)向器角傳動比及其變化規(guī)律
式（3.14）表明：增大角傳動比可以增加力傳動比。從式可知，當(dāng)一定時，增大能減小作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力，使操縱輕便。
考慮到，由的定義可知：對于一定的轉(zhuǎn)向盤角速度，轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角速度與轉(zhuǎn)向器角傳動比成反比。角傳動比增加后，轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角速度對轉(zhuǎn)向盤角速度的響應(yīng)變得遲鈍，使轉(zhuǎn)向操縱時間增長，汽車轉(zhuǎn)向靈敏性降低，所以“輕”和“靈"構(gòu)成一對矛盾。為解決這對矛盾，可采用變速比轉(zhuǎn)向器。
循環(huán)球齒條齒扇式轉(zhuǎn)向器的角傳動比
（3.15）
因結(jié)構(gòu)原因，螺距不能變化，但可以用改變齒扇嚙合半徑的方法，達(dá)到使循環(huán)球齒條齒扇式轉(zhuǎn)向器實(shí)現(xiàn)變速比的目的。
= 20 （3.16）
隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變化，轉(zhuǎn)向器角傳動比可以設(shè)計成減小、增大或保持不變的。影響選取角傳動比變化規(guī)律的因素，主要是轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷大小和對汽車機(jī)動能力的要求。若轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷小，在轉(zhuǎn)向盤全轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，駕駛員不存在轉(zhuǎn)向沉重問題。裝用動力轉(zhuǎn)向的汽車，因轉(zhuǎn)向阻力矩由動力裝置克服，所以在上述兩種情況下，均應(yīng)取較小的轉(zhuǎn)向器角傳動比并能減少轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的總?cè)?shù)，以提高汽車的機(jī)動能力。
轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷大又沒有裝動力轉(zhuǎn)向的汽車，因轉(zhuǎn)向阻力矩大致與車輪偏轉(zhuǎn)角度大小成正比變化，汽車低速急轉(zhuǎn)彎行駛時一的操縱輕便性問題突出，故應(yīng)選用大些的轉(zhuǎn)向器角傳動比。汽車以較高車速轉(zhuǎn)向行駛時，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角較小，轉(zhuǎn)向阻力矩也小，此時要求轉(zhuǎn)向輪反應(yīng)靈敏，轉(zhuǎn)向器角傳動比應(yīng)當(dāng)小些。因此，轉(zhuǎn)向器角傳動比變化曲線應(yīng)選用大致呈中間小兩端大些的下凹形曲線.
轉(zhuǎn)向盤在中間位置的轉(zhuǎn)向器角傳動比不宜過小。過小則在汽車高速直線行駛時，對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角過分敏感和使反沖效應(yīng)加大，使駕駛員精確控制轉(zhuǎn)向輪的運(yùn)動有困難。直行位置的轉(zhuǎn)向器角傳動比不宜低于15～16。
3.4 轉(zhuǎn)向器傳動副的傳動間隙
3.4.1 轉(zhuǎn)向器傳動間隙特性
傳動間隙是指各種轉(zhuǎn)向器中傳動副（如循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的齒扇和齒條）之間的間隙。該間隙隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的大小不同而改變，并把這種變化關(guān)系稱為轉(zhuǎn)向器傳動副傳動間隙特性（圖3.1）。研究該特性的意義在于它與直線行駛的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向器的使用壽命有關(guān)。
直線行駛時，轉(zhuǎn)向器傳動副若存在傳動間隙，一旦轉(zhuǎn)向輪受到側(cè)向力作用，就能在間隙的范圍內(nèi)，允許車輪偏離原行駛位置，使汽車失去穩(wěn)定。為防止出現(xiàn)這種情況，要求傳動副的傳動間隙在轉(zhuǎn)向盤處于中間及其附近位置時（一般是10o～1 5o）要極小，最好無間隙。
轉(zhuǎn)向器傳動副在中間及其附近位置因使用頻繁，磨損速度要比兩端快。在中間附近位置因磨損造成的間隙大到無法確保直線行駛的穩(wěn)定性時，必須經(jīng)調(diào)整消除該處間隙。調(diào)整后，要求轉(zhuǎn)向盤能圓滑地從中間位置轉(zhuǎn)到兩端，而無卡住現(xiàn)象。為此，傳動副的傳動間隙特性，應(yīng)當(dāng)設(shè)計成在離開中間位置以后呈圖3.1所示的逐漸加大的形狀。圖中曲線l表明轉(zhuǎn)向器在磨損前的間隙變化特性，曲線2表明使用并磨損后的間隙變化特性，并且在中間位置處已出現(xiàn)較大間隙，曲線3表明調(diào)整后并消除中間位置處間隙的轉(zhuǎn)向器傳動間隙變化特性。
3.4.2 傳動間隙特性的確定
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的齒條齒扇傳動副的傳動間隙特性，可通過將齒扇齒做成不同厚度來獲取必要的傳動間隙。即將中間齒設(shè)計成正常齒厚，從靠近中間齒的兩側(cè)齒到離開中間齒最遠(yuǎn)的齒，其厚度依次遞減。
如圖1所示，齒扇工作時繞搖臂軸的軸線中心轉(zhuǎn)動。加工齒扇時使之繞切齒軸線轉(zhuǎn)動。兩軸線之間的距離稱為偏心距。用這種方法切齒，可獲得厚度不同的齒扇齒。其傳動特性可用下式計算
（3.17）
式中：——端面壓力角；
——節(jié)圓半徑；
——搖臂軸轉(zhuǎn)角；
——中心到點(diǎn)的距離；
——偏心距。
齒扇通常有5個齒，它與搖臂軸為一體。齒扇的齒厚沿齒長方向是變化的，這樣即可通過軸向移動搖臂軸來調(diào)節(jié)齒扇與齒條的嚙合間隙。由于轉(zhuǎn)向器經(jīng)常處于中間位置工作，因此齒扇與齒條的中間齒磨損最厲害。為了消除中間齒磨損后產(chǎn)生的間隙而又不致在轉(zhuǎn)彎時使兩端齒卡住，則應(yīng)增大兩端齒嚙合時的齒側(cè)間隙。這種必要的齒側(cè)間隙的改變可通過使齒扇各齒具有不同的齒厚來達(dá)到。即齒扇由中間齒向兩端齒的齒厚是逐漸減小的。為此可在齒扇的切齒過程中使毛坯繞工藝中心轉(zhuǎn)動，如圖3.1所示，相對于搖臂軸的中心有距離為n的偏心。這樣加工的齒扇在齒條的嚙合中由中間齒轉(zhuǎn)向兩端的齒時，齒側(cè)間隙Δs也逐漸加大，Δs可表達(dá)為：
（3.18）
式中：Δr——徑向間隙；
——嚙合角；
——齒扇的分度圓半徑；
——搖臂軸的轉(zhuǎn)角。
圖3.1 為獲得變化的齒側(cè)間隙齒扇的加工原理和計算簡圖
圖3.2 用于選擇偏心的線圖
當(dāng)，確定后，根據(jù)上式可繪制如圖3.2所示的線圖，用于選擇適當(dāng)?shù)闹?，以便使齒條、齒扇傳動副兩端齒嚙合時，齒側(cè)間隙Δs能夠適應(yīng)消除中間齒最大磨損量所形成的間隙的需要。
齒條、齒扇傳動副各對嚙合齒齒側(cè)間隙Δs的改變也可以用改變齒條各齒槽寬而不改變齒扇各輪齒齒厚的辦法來實(shí)現(xiàn)。一般是將齒條（一般有4個齒）兩側(cè)的齒槽寬制成比中間齒槽大0.20～0.30mm即可。
3.5 轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動圈數(shù)
轉(zhuǎn)向盤從一個極端位置轉(zhuǎn)到另一個極端位置時所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)稱為轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動圈數(shù)。它與轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)向系的角傳動比有關(guān)，并影響轉(zhuǎn)向的操縱輕便性和靈敏性。轎車轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動閣數(shù)較少，一般約在3.6圈以內(nèi)；貨車一般不宜超過6圈。
3.6 本章小結(jié)
對轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要參數(shù)進(jìn)行了分析。通過參照表格和公式，計算確定了主要設(shè)計參數(shù)。
第4章 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.1 主要尺寸參數(shù)的選擇
4.1.1 螺桿、鋼球、螺母傳動副
鋼球中心距、螺桿外徑、螺母內(nèi)徑 尺寸、、如圖4.1所示。鋼球中心距是基本尺寸，螺桿外徑、螺母內(nèi)徑及鋼球直徑對確定鋼球中心距的大小有影響，而又對轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)尺寸和強(qiáng)度有影響。在保證足夠的強(qiáng)度條件下，盡可能將值取小些。選取值的規(guī)律是隨著扇齒模數(shù)的增大，鋼球中心距也相應(yīng)增加（表7-1）。設(shè)計時先參考同類型汽車的參數(shù)進(jìn)行初選，經(jīng)強(qiáng)度驗(yàn)算后，再進(jìn)行修正。螺桿外徑Dl通常在20～38mm范圍內(nèi)變化，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷的不同來選定。螺母內(nèi)徑應(yīng)大于，一般要求－= （5％～10）。
圖4.1 螺桿、鋼球、螺母傳動副
4.1.2鋼球直徑及數(shù)量
鋼球直徑尺寸取得大，能提高承載能力，同時螺桿和螺母傳動機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向器的尺寸也隨之增大。鋼球直徑應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，一般常在7～9mm范圍內(nèi)選用（表4-1）。
增加鋼球數(shù)量n，能提高承載能力，但使鋼球流動性變壞，從而使傳動效率降低。因?yàn)殇撉虮旧碛姓`差，所以共同參加工作的鋼球數(shù)量并不是全部鋼球數(shù)。經(jīng)驗(yàn)證明，每個環(huán)路中的鋼球數(shù)以不超過60粒為好。為保證盡可能多的鋼球都承載，應(yīng)分組裝配。每個環(huán)路中的鋼球數(shù)可用下式計算
（4.1）
式中：——鋼球中心距；
——一個環(huán)路中的鋼球工作圈數(shù)；
——不包括環(huán)流導(dǎo)管中的鋼球數(shù)；
——螺線導(dǎo)程角，常取=5°～8°，則cos≈1。
4.1.3 滾道截面
當(dāng)螺桿和螺母各由兩條圓弧組成，形成四段圓弧滾道截面時，見圖4.2，鋼球與滾道有四點(diǎn)接觸，傳動時軸向間隙最小，可滿足轉(zhuǎn)向盤自由行程小的要求。圖中滾道與鋼球之間的間隙，除用來貯存潤滑油之外，還能貯存磨損雜質(zhì)。為了減少摩擦，螺桿和螺母溝槽的半徑應(yīng)大于鋼球半徑，一般取 =（0.51～0.53）。
圖4.2 四段圓弧滾道截面
4.1.4 接觸角
鋼球與螺桿滾道接觸點(diǎn)的正壓力方向與螺桿滾道法面軸線間的夾角稱為接觸角，如圖4-2所示。角多取為45°，以使軸向力和徑向力分配均勻。
4.1.5 螺距P和螺旋線導(dǎo)程角αo
轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動φ角，對應(yīng)螺母移動的距離為
（4.2）
式中：——螺紋螺距。
與此同時，齒扇節(jié)圓轉(zhuǎn)過的弧長等于，相應(yīng)搖臂軸轉(zhuǎn)過角，其間關(guān)系可表示如下
（4.3）
式中：——齒扇節(jié)圓半徑。
聯(lián)立式（4.2）、式（4.3）得，將對，求導(dǎo)得循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器角傳動比為
（4.4）
由式（4.4）可知，螺距影響轉(zhuǎn)向器角傳動比的值。在螺距不變的條件下，鋼球直徑越大，圖4.1中的尺寸越小，要求mm。螺距P一般在12～18mm內(nèi)選取。
4.1.6 工作鋼球圈數(shù)W
多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)向器用兩