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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1 汽車轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì)的目的及意義
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(duì)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(jì)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(duì)更多不同的駕駛?cè)巳海嚨牟倏v性設(shè)計(jì)顯得尤為重要。
汽車是在一個(gè)世紀(jì)前出現(xiàn)的，大規(guī)模的汽車制造可以遠(yuǎn)溯到1911年[1]。相關(guān)技術(shù)的發(fā)展及二次世界大戰(zhàn)中的技術(shù)更新促進(jìn)了汽車工業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。今天，汽車工業(yè)在世界上大部分國家的經(jīng)濟(jì)中起到了中心作用。1999年，全球轎車的總產(chǎn)量大約為3866萬輛，比1998年增加大約2.2%；2000年世界汽車產(chǎn)量達(dá)到5733萬輛，比1999年增長2.8%，創(chuàng)歷史新記錄。汽車生產(chǎn)大國日本在1999年生產(chǎn)了810萬輛汽車，比1998年增加了0.6%。由于中國及其他亞洲國家汽車市場(chǎng)的擴(kuò)大，這種增長趨勢(shì)還會(huì)持續(xù)下去。1992-2001年的10年里，我國汽車產(chǎn)量平均年增長15%，是同期世界汽車年均增長率的10倍。然而這種增長也具有負(fù)面影響，那就是會(huì)導(dǎo)致空氣污染和其他負(fù)面的社會(huì)和環(huán)保問題。
對(duì)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(shí)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(dòng)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，通常根據(jù)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器形式可以分為：齒輪齒條式、循環(huán)球式、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(shí))。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就是齒輪齒條式機(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)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了液壓助力系統(tǒng)它是建立在機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的，額外增加了一個(gè)液壓系統(tǒng)HPS(hydraulic?power?steering)，一般有油泵、V形帶輪、油管、供油裝置、助力裝置和控制閥。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(gè)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(dòng)，因此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)中愈來愈多的采用電子器件。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(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EHPS、電控液壓助力轉(zhuǎn)向ECHPS[2]。EHPS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(dòng)機(jī)帶動(dòng)的液壓助力泵改由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，取代了由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)為可變助力特性，使駕駛員能夠更輕松便捷的操縱汽車。?現(xiàn)代電液動(dòng)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)，控制電液轉(zhuǎn)換裝置改變動(dòng)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(shí)能以很小的轉(zhuǎn)向手力進(jìn)行操作，在高速行駛時(shí)能以稍重的轉(zhuǎn)向手力進(jìn)行穩(wěn)定操作，使操縱輕便性和穩(wěn)定性達(dá)到最合適的平衡狀態(tài)。?為了保證轉(zhuǎn)向輕便性，要求增大轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比。但是，增大角傳動(dòng)比雖然可以減小轉(zhuǎn)向盤上的手力，但同時(shí)也造成汽車對(duì)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(dòng)轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行緊急避障等轉(zhuǎn)向操作，即不夠“靈”。 EHPS相比傳統(tǒng)HPS降低了能源損耗。但電液動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，不論ECHPS還是EHPS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，通用汽車公司推出循環(huán)球式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。上世紀(jì)80年代出現(xiàn)的電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為動(dòng)力轉(zhuǎn)向器增添了品種，歐洲汽車制造商在研究配有電動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[3]?，F(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(cè)從液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變過程會(huì)在將來很快的發(fā)生。
因現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率在不斷增大，行車速度也不斷提高，對(duì)于兩輪轉(zhuǎn)向的汽車在高速行駛時(shí)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[3]。
1.2 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)現(xiàn)狀
改革開放以來，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅猛。作為汽車關(guān)鍵部件之一的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也得到了相應(yīng)的發(fā)展，基本已形成了專業(yè)化、系列化生產(chǎn)的局面。有資料顯示，國外有很多國家的轉(zhuǎn)向器廠，都已發(fā)展成大規(guī)模生產(chǎn)的專業(yè)廠，年產(chǎn)超過百萬臺(tái)，壟斷了轉(zhuǎn)向器的產(chǎn)生，并且銷售點(diǎn)遍布了世界。
現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)適應(yīng)汽車高速行駛的需要，從操縱輕便性、穩(wěn)定性及安全行駛的角度，汽車制造廣泛使用更先進(jìn)的工藝方法，使用變速比轉(zhuǎn)向器、高剛性轉(zhuǎn)向器。“變速比和高剛性”是目前世界上生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)的方向[4]。還應(yīng)該充分考慮安全性、輕便性。隨著汽車車速的提高，駕駛員和乘客的安全非常重要，目前國內(nèi)外在許多汽車上已普遍增設(shè)能量吸收裝置，如防碰撞安全轉(zhuǎn)向柱、安全帶、安全氣囊等，并逐步推廣。從人類工程學(xué)的角度考慮操縱的輕便性，已逐步采用可調(diào)整的轉(zhuǎn)向管柱和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。隨著國際經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的惡化，石油危機(jī)造成經(jīng)濟(jì)衰減，汽車生產(chǎn)愈來愈重經(jīng)濟(jì)性，因此，要設(shè)計(jì)成本、低油耗的汽車和低成本、合理化生產(chǎn)線，盡量實(shí)現(xiàn)大批量專業(yè)化生產(chǎn)。對(duì)零部件生產(chǎn)，特別是轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)，更表現(xiàn)突出。人類逐漸意識(shí)到全球變暖的問題，從而需要改進(jìn)燃燒效率，并且對(duì)具有環(huán)保、節(jié)能型特點(diǎn)的產(chǎn)品需求不斷增加。因此，可以預(yù)測(cè)從液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變過程會(huì)在將來很快發(fā)生。未來汽車的轉(zhuǎn)向器裝置，必定是以電腦化為唯一的發(fā)展途徑。
隨著汽車電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)汽車轉(zhuǎn)向操縱性能的要求也日益提高。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已從傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向、液壓助力轉(zhuǎn)向（Hydraulic Power Steering）、電控液壓助力轉(zhuǎn)向（Electric Hydraulic Power），發(fā)展到電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering），最終還將過渡到線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steer By Wire）。
在早期的汽車上，轉(zhuǎn)向機(jī)械非常簡單，主要由一級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向拉桿等構(gòu)成。其基本功能是將駕駛員的手動(dòng)旋轉(zhuǎn)操作轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)向拉桿的左右移動(dòng)，從而帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了更為復(fù)雜的機(jī)械式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。
機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)械中的一個(gè)重要性能參數(shù)是傳動(dòng)效率。因轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)的不同，轉(zhuǎn)向效率也有較大的差別。一般應(yīng)要求正效率高而逆效率適當(dāng)。若逆效率太低，則“路感”差，且不能保證車輪自動(dòng)回正。有關(guān)資料介紹正、逆效率之差最好保持在10%左右。
對(duì)于機(jī)械式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)不斷提高轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)效率已成為產(chǎn)品競爭的重要方面，它對(duì)轉(zhuǎn)向輕便性影響極大。另一個(gè)影響轉(zhuǎn)向輕便性的參數(shù)是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動(dòng)比，其中轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比是系統(tǒng)傳動(dòng)比的主要構(gòu)成部分。轉(zhuǎn)向的輕便性要求系統(tǒng)具有較大的傳動(dòng)比，同時(shí)方向盤旋轉(zhuǎn)圈數(shù)不宜太多。
現(xiàn)在國外變速比轉(zhuǎn)向器正進(jìn)入完全成熟的階段，可以看出它是解決汽車轉(zhuǎn)向輕便性的一個(gè)最廉價(jià)而有效的措施。我們要想減小轉(zhuǎn)向時(shí)的操舵力，提高傳動(dòng)效率和提高傳動(dòng)比效果是相同的，但傳動(dòng)效率每提高一個(gè)百分之二、三，在結(jié)構(gòu)和工藝上都要付出巨大的努力，然而若使兩端的傳動(dòng)比高出中間位置20%，或者50%，都是比較容易辦到的，而部件的制造成本增加甚少。此外，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛性對(duì)操縱穩(wěn)定性和前輪擺振的問題也是一個(gè)很重要的指標(biāo)。一般來說，轉(zhuǎn)向操縱的不靈敏區(qū)是自由行程和低剛度區(qū)造成。為了縮小不靈敏區(qū)，一是限制自由行程，一般認(rèn)為自由行程超過方向盤轉(zhuǎn)角 是不能允許的，其次是增大系統(tǒng)剛度。為此，歐洲一些國家已經(jīng)取消了縱拉桿內(nèi)的彈蓋，日本也在淘汰這種結(jié)構(gòu)。
隨著車輛載重的增加以及人們對(duì)車輛操縱性能要求的提高，簡單的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足需要，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，它能在駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的同時(shí)提供助力，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩種。其中液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是目前使用最為廣泛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了液壓系統(tǒng)，包括液壓泵、 形帶輪、油管、供油裝置、助力裝置和控制閥。它借助于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)液壓泵、空氣壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)等，以液力、氣力或電力增大駕駛員操縱前輪轉(zhuǎn)向的力量，使駕駛員可以輕便靈活地操縱汽車轉(zhuǎn)向，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了行駛安全性。
液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從發(fā)明到現(xiàn)在已經(jīng)有了大約半個(gè)世紀(jì)的歷史，可以說是一種比較完善的系統(tǒng)，由于其工作可靠、技術(shù)成熟至今仍被廣泛應(yīng)用。它由液壓泵作為動(dòng)力源，經(jīng)油管道控制閥向動(dòng)力液壓缸供油，通過活塞桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)動(dòng)作，可通過改變缸徑及油壓的大小來改變助力的大小，由此達(dá)到轉(zhuǎn)向助力的作用。傳統(tǒng)液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般按液流的形式可以分為：常流式和常壓式兩種類型，也可以根據(jù)控制閥形式分為轉(zhuǎn)閥式和滑閥式。
隨著液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車上的日益普及，人們對(duì)操作時(shí)的輕便性和路感的要求也日益提高，然而液壓動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)向盤實(shí)，都有較理想的操縱穩(wěn)定性，即無法同時(shí)保證低速時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性和高速時(shí)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)來自轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器和車速傳感器的信號(hào)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EPS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(dòng)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(dòng)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(dòng)輪系式的主力機(jī)構(gòu)兩種形式。差動(dòng)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(duì)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(duì)高速操縱性能要求不高的載貨汽車上。
另外電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還可以根據(jù)電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(duì)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(shí)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(shí)，原本這時(shí)是最不需要轉(zhuǎn)向助力的，而這時(shí)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(duì)于來自輪胎的外部干擾可起到緩沖振動(dòng)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(duì)于EPS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(duì)于細(xì)節(jié)的優(yōu)化上距離國外還有相當(dāng)?shù)牟罹啵夷壳皣鴥?nèi)除了吉利汽車，還尚未自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EPS，距離EPS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(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展。
動(dòng)力轉(zhuǎn)向系是在駕駛員的控制下，借助于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的液壓力或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)車論轉(zhuǎn)向。由于采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向可以減少駕駛員手動(dòng)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(jí)轎車和輕型車上也逐漸普遍應(yīng)用。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要有液壓助力式、氣動(dòng)助力式和電動(dòng)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(duì)于微型車和轎車，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(dòng)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(jì)的固定放大倍率的動(dòng)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(shí)，這一固定放大倍率會(huì)使轉(zhuǎn)向盤的操舵力顯得太小，高速行駛時(shí)“路感”差，不利于汽車的方向控制；反之，如果設(shè)計(jì)的固定放大倍率的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是為了增加汽車在高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向力，則當(dāng)汽車低速行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向轉(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(gè)問題，目前汽車界將電子控制技術(shù)應(yīng)用在汽車動(dòng)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(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已在轎車上獲得應(yīng)用。電子控制液壓動(dòng)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(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，即電子控制電動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電子控制電動(dòng)動(dòng)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(hào)和車速信號(hào)，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(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)可歸結(jié)為：
（1）電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)：EPS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(duì)較高、尺寸小。由于電機(jī)端電壓低，而功率相對(duì)較高。所以電機(jī)電流較大，這給驅(qū)動(dòng)單元的電子器件選擇和電路設(shè)計(jì)帶來一定困難。
（2）非接觸式傳感器技術(shù)：EPS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(jià)格便宜，精度適中。考慮到可靠性問題，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EPS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(shí)對(duì)轉(zhuǎn)向操縱產(chǎn)生影響。同時(shí)，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）EPS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(gè)子系統(tǒng)改變時(shí)，整車性能也產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因此，必須對(duì)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(gè)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(dòng)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(shí)對(duì)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(duì)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(dòng)比的任意設(shè)置，并針對(duì)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(dòng)導(dǎo)航、自動(dòng)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(hào)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(gè)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(jì)的主要內(nèi)容
根據(jù)題目確定轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)形式，并進(jìn)行轉(zhuǎn)向器及轉(zhuǎn)向梯形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，及相應(yīng)的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)的布置。
第2章 轉(zhuǎn)向系的方案設(shè)計(jì)
2.1 汽車轉(zhuǎn)向系的功用和設(shè)計(jì)要求
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)常需要經(jīng)常改變行駛方向。改變行駛方向的方法是通過轉(zhuǎn)向輪（一般是前輪）相對(duì)于汽車縱軸線偏轉(zhuǎn)一定角度實(shí)現(xiàn)的[5]。汽車在直線行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向輪也往往受到路面?zhèn)认蚋蓴_力的作用自動(dòng)偏轉(zhuǎn)而改變行駛方向。因此，駕駛員需要通過一套機(jī)構(gòu)隨時(shí)改變或恢復(fù)汽車行駛方向。該套專設(shè)機(jī)構(gòu)既為汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
汽車轉(zhuǎn)向系的作用是保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛中，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。保證汽車在行駛中能按駕駛員的操縱要求，適時(shí)地改變行駛方向，并能在受到路面干擾偏離行駛方向時(shí)，與行駛系配合，共同保持汽車穩(wěn)定地直線行駛。轉(zhuǎn)向系對(duì)汽車行駛的適應(yīng)性、安全性都具有重要的意義。
對(duì)轉(zhuǎn)向系提出的要求有：
（1）汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，全部車輪應(yīng)繞瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應(yīng)有側(cè)滑。不滿組這項(xiàng)要求會(huì)加速輪胎磨損，并降低汽車的行駛穩(wěn)定性。
（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(dòng)返回到直線行駛的位置，并穩(wěn)定行駛。
（3）汽車在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪都不得產(chǎn)生自振，轉(zhuǎn)向盤沒有擺動(dòng)。
（4）轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置共同作用時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺動(dòng)應(yīng)最小。
（5）保證汽車有較高的機(jī)動(dòng)性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力。
（6）操縱輕便。
（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(dòng)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(shí)，轉(zhuǎn)向系應(yīng)有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。
（10）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核，保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致。
（11）方向盤左置。
（12）不得裝用全動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。
（13）當(dāng)汽車前行向左或向右轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)向盤向左向右的回轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向力不能有顯著的差別。
（14）轉(zhuǎn)向器應(yīng)有合適的角傳動(dòng)比，既能使轉(zhuǎn)向省力，減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，又能使駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)，轉(zhuǎn)向輪應(yīng)立即獲得相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角，且轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的總?cè)?shù)不能太多。
2.2 主要參數(shù)的確定
根據(jù)指導(dǎo)教師給出的題目及設(shè)計(jì)要求，將選用吉利熊貓2010款1.3L型的數(shù)據(jù)作為本次設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要參數(shù)為：
整車質(zhì)量：985kg
最小轉(zhuǎn)彎直徑：9.5m 最小轉(zhuǎn)彎半徑：4.75m
車長：3598mm 車寬：1630mm
車高：1465mm 軸距：2340mm
最小離地間隙：121mm
最大功率：63/6000 kw/rpm 最大扭矩：110/5200 N·m/rpm
前輪胎規(guī)格：165/60R14 后輪胎規(guī)格：165/60R14
前/后輪距：1420/1410mm 最高車速：145km/h
2.3 轉(zhuǎn)向器形式的選擇
汽車行駛過程中，經(jīng)常需要改變行駛方向，即所謂的轉(zhuǎn)向，這就需要有一套能夠按照司機(jī)意志使汽車轉(zhuǎn)向的機(jī)構(gòu)，它將司機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的動(dòng)作轉(zhuǎn)變?yōu)檐囕喌钠D(zhuǎn)動(dòng)作。
汽車的轉(zhuǎn)向系根據(jù)其轉(zhuǎn)向能源的不同，可分為機(jī)械式轉(zhuǎn)向系和動(dòng)力式轉(zhuǎn)向系。
2.3.1機(jī)械轉(zhuǎn)向系組成及其功用
機(jī)械式轉(zhuǎn)向系是依靠駕駛員的手力轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，經(jīng)轉(zhuǎn)向器和一系列的桿件傳遞到轉(zhuǎn)向輪使其偏轉(zhuǎn)的，其中所有傳力件都是機(jī)械的。汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員作用于轉(zhuǎn)向盤上的力經(jīng)轉(zhuǎn)向柱傳至轉(zhuǎn)向器，將轉(zhuǎn)向力放大后，再通過轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳遞，推動(dòng)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，使汽車改變行駛方向。
普通的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建立在機(jī)械轉(zhuǎn)向的基礎(chǔ)上，機(jī)械轉(zhuǎn)向系由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成[6]。其中轉(zhuǎn)向器是將操縱機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)(嚴(yán)格講是近似直線運(yùn)動(dòng))的機(jī)構(gòu)，是轉(zhuǎn)向系的核心部件。機(jī)械式轉(zhuǎn)向系根據(jù)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器分為齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器、蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器、蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器等。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功用是將轉(zhuǎn)向器輸出的力傳給轉(zhuǎn)向輪，且使二轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角按一定的關(guān)系變化，以實(shí)現(xiàn)汽車順利轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功用是將轉(zhuǎn)向器輸出的力和運(yùn)動(dòng)傳到轉(zhuǎn)向橋兩側(cè)的轉(zhuǎn)向節(jié)，使兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，并使兩輪向輪偏轉(zhuǎn)角按一定關(guān)系變化，以保證汽車轉(zhuǎn)向時(shí)車輪與地面的相對(duì)滑動(dòng)盡可能小。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)懸架的分類可分為與非獨(dú)立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和與獨(dú)立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩大類，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的桿系根據(jù)布置可分為前置式和后置式。有些汽車在轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中裝有轉(zhuǎn)向減振器，用來衰減轉(zhuǎn)向輪的擺振和緩和來自路面的沖擊載荷。從轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸這一系列零部件屬于轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)。包括：轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向軸、上萬向節(jié)、下萬向節(jié)和傳動(dòng)軸。
2.3.2動(dòng)力轉(zhuǎn)向系組成及其功用
動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是兼用駕駛員體力和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力為轉(zhuǎn)向能源的轉(zhuǎn)向系。重型汽車或裝有超低壓胎的轎車轉(zhuǎn)向時(shí)阻力較大，為了減輕駕駛員的疲勞強(qiáng)度，改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)性能，采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置。動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置按動(dòng)力能源分為液壓式和氣壓式，按動(dòng)力缸、控制閥及轉(zhuǎn)向器的相對(duì)位置分為整體式、半整體式、轉(zhuǎn)向加力器，轉(zhuǎn)向加力裝置主要包括轉(zhuǎn)向油泵、轉(zhuǎn)向油罐、轉(zhuǎn)向控制閥和轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸[7]。采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向的汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，所需的能量在正常情況下，只有小部分是駕駛員提供的體能，而大部分是發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵旋轉(zhuǎn)，將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓力能，并在駕駛員控制下，對(duì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置或轉(zhuǎn)向器中某一傳動(dòng)件施加不同方向的隨動(dòng)漸進(jìn)壓力，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。但是在轉(zhuǎn)向加力裝置失效時(shí)，一般還應(yīng)當(dāng)能由駕駛員獨(dú)立承擔(dān)汽車轉(zhuǎn)向任務(wù)。因此，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系是早機(jī)械轉(zhuǎn)向系的基礎(chǔ)上加設(shè)一套轉(zhuǎn)向加力裝置而形成的。采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置的汽車，不僅使汽車入庫等復(fù)雜情況下的操作容易，而且在高速行駛狀態(tài)下，能對(duì)動(dòng)力加以限制，使轉(zhuǎn)向不會(huì)過輕，增加了安全性。
2.3.3轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選擇
對(duì)于中高級(jí)以下的轎車和前軸負(fù)荷不超過3t的載貨汽車，則多數(shù)僅采用機(jī)械轉(zhuǎn)向系而無動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置。汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員作用于轉(zhuǎn)向盤的力經(jīng)轉(zhuǎn)向拄傳至轉(zhuǎn)向器，將轉(zhuǎn)向力放大后，再通過轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳遞，推動(dòng)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，使汽車改變行駛方向。機(jī)械式轉(zhuǎn)向系完全由駕駛員的力量實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、路感好。
高級(jí)轎車和重型載貨汽車為了使轉(zhuǎn)向輕便，多采用這種動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系不僅使汽車入庫等復(fù)雜情況下的操作容易，而且在高速行駛狀態(tài)下，能對(duì)動(dòng)力加以限制，使轉(zhuǎn)向不會(huì)過輕，增加了安全性。動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)是利用外部動(dòng)力協(xié)助司機(jī)輕便操作轉(zhuǎn)向盤的裝置。隨著最近汽車發(fā)動(dòng)機(jī)馬力的增大和扁平輪胎的普遍使用，使車重和轉(zhuǎn)向阻力都加大了，因此動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)越來越普及。值得注意的是，轉(zhuǎn)向助力不應(yīng)是不變的，因?yàn)樵诟咚傩旭倳r(shí)，輪胎的橫向阻力小，轉(zhuǎn)向盤變得輕飄，很難捕捉路面的感覺，也容易造成轉(zhuǎn)向過于靈敏而使汽車不易控制。
本次設(shè)計(jì)為微型汽車，采用機(jī)械式轉(zhuǎn)向器。
2.4 機(jī)械式轉(zhuǎn)向器類型的選擇
根據(jù)所采用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)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[8]。
對(duì)轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)型式的選擇，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(dòng)比變化特性等對(duì)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、小型轎車以及前軸軸荷小于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)向器曾廣泛用于輕型和中型汽車上，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(jí)轎車和輕型及以上的客車、貨車均多采用。據(jù)了解，在世界范圍內(nèi)，汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占45%左右，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器占40%左右，蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器占10%左右，其它型式的轉(zhuǎn)向器占5%。
2.4.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器
齒輪齒條轉(zhuǎn)向器由于轉(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)量比較小；轉(zhuǎn)向器占用的體積??；沒有轉(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。其結(jié)構(gòu)如圖2.1。
1-調(diào)整螺塞 2-罩蓋 3-壓簧 4-壓簧墊塊 5-轉(zhuǎn)向齒條 6-齒輪軸 7-球軸承
8-轉(zhuǎn)向器殼體 9-轉(zhuǎn)向齒輪 10-滾柱軸承 11-轉(zhuǎn)向橫拉桿 12-拉桿支架 13-轉(zhuǎn)向節(jié)
圖2.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器
齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是：因逆效率高60%-70%面上行駛時(shí)，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)向盤產(chǎn)生反沖，反沖現(xiàn)象會(huì)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(dòng)又會(huì)造成打手，同時(shí)對(duì)駕駛員造成傷害。
2.4.2 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由齒輪機(jī)構(gòu)將來自轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)力進(jìn)行減速，使轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)闇u輪蝸桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滾珠螺桿和螺母夾著鋼球嚙合，因而滾珠螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，螺母再與扇形齒輪嚙合，直線運(yùn)動(dòng)再次變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使連桿臂搖動(dòng)，連桿臂再使連動(dòng)拉桿和橫拉桿做直線運(yùn)動(dòng)，改變車輪的方向。其結(jié)構(gòu)如圖2.2。
1-螺母 2-彈簧墊圈 3-轉(zhuǎn)向螺母 4-轉(zhuǎn)向器殼體密封墊圈 5-轉(zhuǎn)向器殼體底蓋
6-轉(zhuǎn)向器殼體 7-導(dǎo)管夾 8-加油（通氣）螺塞 9-鋼球?qū)Ч? 10-球軸承
11、23-油封 12-轉(zhuǎn)向螺桿 13-鋼球 14-調(diào)整墊片 15-螺栓 16-調(diào)整墊圈
17-側(cè)蓋 18-調(diào)整螺釘 19-鎖緊螺母 20、22-滾針軸承 21-齒扇軸（搖臂軸）
圖2.2 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點(diǎn)：在螺桿和螺母之間因?yàn)橛锌梢匝h(huán)流動(dòng)的鋼球，將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，因而傳動(dòng)效率可達(dá)到75％—80％；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，使之有足夠的硬度和耐磨損性能，可保證有足夠的使用壽命；轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比可以變化；工作平穩(wěn)可靠；齒條與齒扇之間的間隙調(diào)整工作容易進(jìn)行；適合用來做整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)：逆效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，制造精度要求高。
2.4.3 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。蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的主要優(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；工作齒面磨損后，調(diào)整嚙合間隙比較困難；轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比不能變化。
蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器根據(jù)其銷子能否自轉(zhuǎn)分為固定銷式蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器和旋轉(zhuǎn)銷式轉(zhuǎn)向器。根據(jù)銷子數(shù)量不同，又分為單銷和雙銷之分。蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)是：轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)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。
轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系中的減速增扭轉(zhuǎn)動(dòng)裝置[9]，其功用是增大轉(zhuǎn)向盤傳動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)的力并改變力的傳遞方向。曾經(jīng)出現(xiàn)過的轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)型式很多，但有些已趨于淘汰?，F(xiàn)代汽車的轉(zhuǎn)向器已演變定型，中型和重型汽車多采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，小型車多采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。在循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器中，輸入轉(zhuǎn)向圈與輸出的轉(zhuǎn)向搖臂擺角是成正比的；在齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器中，輸入轉(zhuǎn)向圈數(shù)與輸出的齒條位移是成正比的。目前大部分低端轎車采用的就是齒輪齒條式機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，本次為微型車轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)，故采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。
2.5 本章小結(jié)
本章主要講述轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各種形式，根據(jù)選用的參數(shù)采用機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。并在機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中進(jìn)行轉(zhuǎn)向器的選擇，對(duì)比分析各種轉(zhuǎn)向器的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇齒輪齒條轉(zhuǎn)向器。
第3章 機(jī)械式轉(zhuǎn)向系總體設(shè)計(jì)
3.1 轉(zhuǎn)向系的主要性能參數(shù)
轉(zhuǎn)向系的主要性能參數(shù)有轉(zhuǎn)向系的效率、傳動(dòng)比的變化特性、轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副的傳動(dòng)間隙特性、轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)以及轉(zhuǎn)向盤的自由行程。
3.1.1 轉(zhuǎn)向系的效率
功率p從轉(zhuǎn)向軸輸入，經(jīng)轉(zhuǎn)向搖臂軸輸出所求得的效率為正效率，用符號(hào)η+表示，反之稱為逆效率，用符號(hào)η-表示，為了保證轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤輕便，要求正效率高[10]；為了保證汽車轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤能自動(dòng)返回直線行駛位置，又需要有一定的逆效率。
轉(zhuǎn)向器的正效率與轉(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)量等有關(guān)。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鼓動(dòng)銷和蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的正效率要明顯低一些。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的正效率可達(dá)90%，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副為滾動(dòng)摩擦，摩擦損失小，其正效率可達(dá)85%，球面蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器正效率可達(dá)77%-82%，蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器和蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副存在較大滑動(dòng)摩擦，正效率68%-75%比較低。同一類型轉(zhuǎn)向器，因結(jié)構(gòu)不同效率也不一樣。
逆效率表示轉(zhuǎn)向器的可逆性。根據(jù)逆效率值的大小，轉(zhuǎn)向器又可分為可逆式、極限可逆式與不可逆試三種。
可逆式轉(zhuǎn)向器的逆效率較高，這種轉(zhuǎn)向器可將路面作用在車輪上的大部分力傳遞到轉(zhuǎn)向盤上，使司機(jī)的路感好。在汽車轉(zhuǎn)向后也能保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤的自動(dòng)回正，使轉(zhuǎn)向輪行駛穩(wěn)定。但在壞路面上，當(dāng)轉(zhuǎn)向輪上作用有側(cè)向力時(shí)，轉(zhuǎn)向輪受到的沖擊大部分會(huì)傳給轉(zhuǎn)向盤，為了減輕在不平路面上行駛時(shí)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，這又要求此逆效率盡可能低。因此，可逆式轉(zhuǎn)向器宜用于在良好路面上行駛的車輛。循環(huán)球式和齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器均屬于這一類。本文設(shè)計(jì)齒輪齒條轉(zhuǎn)向器逆效率為60％-70％。
不可逆式轉(zhuǎn)向器不會(huì)將轉(zhuǎn)向輪受到的沖擊力傳到轉(zhuǎn)向盤上。由于它既使司機(jī)沒有路感，又不能保證轉(zhuǎn)向輪的自動(dòng)回正，現(xiàn)代汽車已不采用。
極限可逆式轉(zhuǎn)向器介于上述兩者之間。其逆效率較低，適用于在壞路面上行駛的汽車。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪受到?jīng)_擊力時(shí)，其中只有較小的一部分傳給轉(zhuǎn)向盤。
通常，由轉(zhuǎn)向盤至轉(zhuǎn)向輪的效率即轉(zhuǎn)向系的正效率的平均值為67%-82%；當(dāng)向上述相反方向傳遞力時(shí)逆效率的平均值為58%-63%。
3.1.2 轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比
轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)比包括轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)向系的力傳動(dòng)比。
從輪胎接地面中心作用在兩個(gè)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(dòng)比。轉(zhuǎn)向盤角速度與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度之比，稱為轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比。
轉(zhuǎn)向盤角速度與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度之比，稱為轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比，即
（3.1）
式中：—轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角增量；
—轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角增量；
—時(shí)間增量。
又由轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)角傳動(dòng)比所組成，即
（3.2）
式中：—轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比；
—轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比。
現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比多在0.85-1.1之間，即近似于1?，F(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比也常采用不變的數(shù)值：轎車取=14-22；貨車取=20-25。本次設(shè)計(jì)取15。
=115=15
轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力傳動(dòng)比與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置型式及其桿件所處的轉(zhuǎn)向位置有關(guān)。
=75 （3.3）
式（3.3）中：—主銷偏移距，取值在40-60mm，取40mm；
—轉(zhuǎn)向盤直徑，取400mm。
3.1.3 轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副的間隙特性
轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)間隙是指轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副之間的間隙[11]。該間隙隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的改變而改變。通常將這種變化關(guān)系稱為轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)間隙特性。研究該傳動(dòng)間隙特性的意義在于它對(duì)汽車直線行駛時(shí)的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向器的壽命都有直接影響。
當(dāng)轉(zhuǎn)向盤處于中間位置即汽車作直線行駛時(shí)，如果轉(zhuǎn)向器有傳動(dòng)間隙則將使轉(zhuǎn)向輪在該間隙范圍內(nèi)偏離直線行駛位置而失去穩(wěn)定性。為防止這種情況發(fā)生，要求當(dāng)轉(zhuǎn)向盤處于中間位置時(shí)轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副為無隙嚙合。這一要求應(yīng)在汽車使用的全部時(shí)間內(nèi)得到保證。汽車多直行行駛，因此轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副在中間部位的磨損量大于其兩端。為了保證轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副磨損最大的中間部位能通過調(diào)整來消除因磨損而形成的間隙，調(diào)整后當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤時(shí)又不致于使轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副在其他嚙合部位卡住。為此應(yīng)使傳動(dòng)間隙從中間部位到兩端逐漸增大，并在端部達(dá)到其最大值，如圖3.1，利于間隙的調(diào)整及提高轉(zhuǎn)向器的使用壽命。不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向器其傳動(dòng)間隙特性亦不同。
圖3.1 轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副傳動(dòng)間隙特性
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的齒條齒扇傳動(dòng)副的傳動(dòng)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(dòng)間隙，既將中間齒設(shè)計(jì)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。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向傳動(dòng)副的主動(dòng)件是一斜齒圓柱小齒輪，它和裝在外殼中的從動(dòng)件——齒條相嚙合，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器是依靠齒條背部靠近主動(dòng)小齒輪處裝置的可調(diào)節(jié)壓力的彈簧來消除齒輪齒條傳動(dòng)副的齒間間隙的。球面蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副是球面蝸桿及滾輪，球面蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器利用軸向移動(dòng)搖臂以改變滾輪與蝸桿中心距的方法來調(diào)整傳動(dòng)間隙。蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副為圓柱蝸桿及指銷，雙銷型由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸及質(zhì)量也較大，且對(duì)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(dòng)比的變化特性及傳動(dòng)間隙特性的變化也受到限制，因此應(yīng)用上多為齒輪齒條和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器所取代。本次設(shè)計(jì)中為使汽車保持一定的穩(wěn)定性，要求傳動(dòng)副的傳動(dòng)間隙在轉(zhuǎn)向盤處于及其附近位置時(shí)要極小，一般在10°～15°。
3.1.4轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)
轉(zhuǎn)向盤從一個(gè)極端位置轉(zhuǎn)到另一個(gè)極端位置時(shí)所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)稱為轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。它與轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)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(dòng)圈數(shù)較少，一般約在3.6圈以內(nèi)；貨車一般不宜超過6圈。
單從轉(zhuǎn)向操縱的靈敏性而言，最好是轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向節(jié)的運(yùn)動(dòng)能同步開始并同步終止。然而，這在實(shí)際上是不可能實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)樵谡麄€(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，各傳動(dòng)件之間都必然存在著裝配間隙，而且這些間隙將隨著零件的磨損而增大。在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程的開始階段，駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤所施加的力矩很小，因?yàn)橹皇怯脕砜朔D(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部的摩擦的，使各傳動(dòng)件運(yùn)動(dòng)到其間的間隙完全消失，故可以認(rèn)為這個(gè)階段是轉(zhuǎn)向盤空轉(zhuǎn)階段。此后，才需要對(duì)轉(zhuǎn)向盤施加更大的轉(zhuǎn)向力矩，以克服經(jīng)車輪傳到轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向阻力矩，從而實(shí)現(xiàn)使各轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)向盤在空轉(zhuǎn)階段中的角行程稱為轉(zhuǎn)向盤自由行程。轉(zhuǎn)向盤自由行程對(duì)于緩沖路面沖擊及避免使駕駛員過度緊張是有利的，但不宜過大，以免影響靈敏性。一般來說，轉(zhuǎn)向盤從相應(yīng)于汽車直線行駛的中間位置向任一方向的自由行程最好不超過10°～15°。當(dāng)零件磨損嚴(yán)重到使轉(zhuǎn)向盤自由行程超過25°～30°時(shí)，必須進(jìn)行調(diào)整。
3.1.5 轉(zhuǎn)向盤的選擇
轉(zhuǎn)向盤即通常所說的方向盤。轉(zhuǎn)向盤由輪緣、輪輻和輪轂組成。輪輻一般為三根輻條或四根輻條，也有用兩根輻條的。轉(zhuǎn)向盤輪轂孔具有細(xì)牙內(nèi)花鍵，借此與轉(zhuǎn)向軸連接。轉(zhuǎn)向盤內(nèi)部有金屬制成的骨架，是用鋼、鋁合金或鎂合金等材料制成，采用焊接或鑄造等工藝制造。骨架的外側(cè)一般包有柔軟的合成橡膠或樹脂，也有采用皮革包裹以及硬木制作的轉(zhuǎn)向盤。轉(zhuǎn)向盤外皮要求有某種程度的柔軟度，這樣可有良好的手感，而且能防止手心出汗時(shí)握轉(zhuǎn)向盤打滑，還需要有耐熱性，如圖3.2。
1-輪緣 2-喇叭按紐 3-輪轂 4-輪輻
圖3.2 轉(zhuǎn)向盤
轉(zhuǎn)向盤的功能：轉(zhuǎn)向盤位于司機(jī)的正前方，是碰撞時(shí)最可能傷害到司機(jī)的部件，因此需要轉(zhuǎn)向盤具有很高的安全性，在司機(jī)撞在轉(zhuǎn)向盤上時(shí)，骨架能夠產(chǎn)生變形，吸收沖擊能，減輕對(duì)司機(jī)的傷害。轉(zhuǎn)向盤的慣性力矩也是很重要的，慣性力矩小，我們就會(huì)感到“輪輕”，操做感良好，但同時(shí)也容易受到轉(zhuǎn)向盤的反彈(即“打手”)的影響，為了設(shè)定適當(dāng)?shù)膽T性力矩，就要調(diào)整骨架的材料或形狀等?，F(xiàn)在的轉(zhuǎn)向盤與以前的看似沒有太大變化，但實(shí)際上已經(jīng)有了改進(jìn)。由于轉(zhuǎn)向助力裝置的普及，轉(zhuǎn)向盤外徑變小了，而手握處卻變粗了，采用柔軟材料，使操作感得到了改善。現(xiàn)在有越來越多的汽車在轉(zhuǎn)向盤里安裝了安全氣囊，也使汽車的安全性大大提高了。
現(xiàn)在的轉(zhuǎn)向盤與以前的看似沒有太大變化，但實(shí)際上已經(jīng)有了改進(jìn)。由于轉(zhuǎn)向助力裝置的普及，轉(zhuǎn)向盤外徑變小了，而手握處卻變粗了，采用柔軟材料，使操作感得到了改善。
現(xiàn)在有越來越多的汽車在轉(zhuǎn)向盤里安裝了安全氣囊，也使汽車的安全性大大提高了。轉(zhuǎn)向盤的集電環(huán)：轉(zhuǎn)向盤上有喇叭開關(guān)，必須時(shí)刻與車身電器線路相連，而旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向盤與組合開關(guān)之間顯然不能用導(dǎo)線直接相連，因此就必須采用集電環(huán)裝置。集電環(huán)好比環(huán)形的地鐵軌道，喇叭開關(guān)的觸點(diǎn)就象奔跑在軌道上的電車，時(shí)刻保持接通的狀態(tài)。由于是機(jī)械接觸，長時(shí)間使用觸點(diǎn)會(huì)因磨損影響導(dǎo)電性，導(dǎo)致緊急時(shí)刻喇叭不鳴甚至氣囊不工作。因此，最近裝備氣囊的汽車開始裝用電纜盤，代替集電環(huán)。
轉(zhuǎn)向盤的端子與組合開關(guān)的端子用電纜線連接，電纜盤將電線卷入盤內(nèi)，類似于吸塵器的電線卷取機(jī)構(gòu)，在轉(zhuǎn)向盤旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，電線靠卷筒自由伸縮。這種裝置大大提高了電器裝置的可靠性。
轉(zhuǎn)向盤通過花鍵、螺母固定于轉(zhuǎn)向柱上端，平時(shí)有轉(zhuǎn)向盤中央蓋板遮擋，根據(jù)國家交通安全規(guī)定，轉(zhuǎn)向盤布置于駕駛室左側(cè)，便于拓寬駕駛員左側(cè)視野，有利安全行車。
方向盤直徑有一系列尺寸。在選用大直徑的方向盤時(shí)，會(huì)使駕駛員進(jìn)出駕駛室感到困難，若是選用小直徑方向盤，轉(zhuǎn)向時(shí)則要求駕駛員施加較大的力量，從而使汽車難于操縱。選擇方向盤直徑與汽車類型有關(guān)，本次設(shè)計(jì)為微型車，方向盤直徑選擇為400mm。
3.2 機(jī)械式轉(zhuǎn)向器總體布置
根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點(diǎn)不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式：中間輸入，兩端輸出，如圖3.3（a）；側(cè)面輸入，兩端輸出，如圖3.3（b）；側(cè)面輸入，中間輸出，如圖3.3（c）；側(cè)面輸入，一端輸出如圖3.3（d）。
（a）中間輸入，兩端輸出 (b) 側(cè)面輸入，兩端輸出
（c）側(cè)面輸入，中間輸出 （d）側(cè)面輸入，一端輸出
圖3.3 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的四種形式
轉(zhuǎn)向減振器布置位置：轉(zhuǎn)向減振器常水平的置于轉(zhuǎn)向橫拉桿附近，裝于轉(zhuǎn)向桿與車身或車架之間?？捎糜谒p轉(zhuǎn)向車輪的擺振以及緩和來自路面的沖擊載荷。
轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的桿系可布置在前軸之后，稱為后置式。若發(fā)動(dòng)機(jī)的位置很低，或前橋?yàn)轵?qū)動(dòng)橋時(shí)，因桿件的布置有困難，也可布置在前軸之前，稱為前置式。本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為后置式。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)懸架的分類可分為與非獨(dú)立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和與獨(dú)立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩大類。本文設(shè)計(jì)為與獨(dú)立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。采用獨(dú)立懸架時(shí)，與齒輪齒條轉(zhuǎn)向器匹配的轉(zhuǎn)向桿系結(jié)構(gòu)更簡單。如圖3.4
圖3.4 轉(zhuǎn)向系布置形式
3.3本章小結(jié)
本章主要介紹轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能參數(shù)，對(duì)機(jī)械式轉(zhuǎn)向器的布置方案確定，簡單說明轉(zhuǎn)向器在汽車內(nèi)的布置位置以及布置形式。
第4章 齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 轉(zhuǎn)向器齒輪的設(shè)計(jì)
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。主動(dòng)小齒輪選用40Cr制造，而齒條常采用45鋼制造。為減輕質(zhì)量，殼體用鋁合金壓鑄，通過螺栓固定于車身上，轉(zhuǎn)向齒輪與齒條安裝于殼體內(nèi)，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤通過轉(zhuǎn)向柱帶動(dòng)轉(zhuǎn)向齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪即帶動(dòng)齒條向左或向右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向，齒條靠背部的彈簧與齒輪嚙合。其結(jié)構(gòu)簡單、布置方便，制造容易，但轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比較小，且齒條沿其長度方向磨損不均勻，故僅廣泛用于微型汽車和轎車上。為了轉(zhuǎn)向輕便，主動(dòng)小齒輪的直徑應(yīng)盡量小。通常，這類轉(zhuǎn)向器的齒輪模數(shù)多在2-3mm范圍內(nèi)，壓力角為20°，主動(dòng)小齒輪有5-8個(gè)齒，螺旋角為β取9°-15°。
本次設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)向傳動(dòng)副主動(dòng)件是一斜齒圓柱小齒輪，它和裝在外殼中的從動(dòng)件齒條相嚙合。模數(shù)取3，齒輪有6個(gè)齒，螺旋角β=15°。
端面模數(shù):
=/=3/15°=3.11
端面壓力角:
= /=20.7°
（a取20°）
分度圓直徑:
d=z/=18/15°=18.6mm
齒頂高：
=(+)=3 mm
齒根高：
=(h+-)=1.25=3.75 mm
齒高：
mm
齒頂圓直徑：
mm
齒根圓直徑：
mm
齒距：
mm
齒輪中心到齒條基準(zhǔn)線距離：
mm
基圓直徑：
=17.43 mm
端面重合度：
縱向重合度：
=
齒寬系數(shù)查表取值1.4
齒厚：
/ mm
齒寬：齒條長度根據(jù)齒輪圓周以及轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)確定：
3 mm
4.2 轉(zhuǎn)向器齒條的設(shè)計(jì)
根據(jù)齒輪齒條的嚙合特點(diǎn)：
（1）齒輪的分度圓永遠(yuǎn)與其節(jié)圓相重合，而齒條的中線只有當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)齒輪正確安裝時(shí)才與其節(jié)圓相嚙合。
（2）齒輪與齒條的嚙合角永遠(yuǎn)等于壓力角。
因此，齒條模數(shù)取3，壓力角=15°。
齒條斷面形狀選取圓形，選擇齒數(shù)z=20，螺旋角=15°
端面模數(shù):
=/=3/15°=3.11
端面壓力角:
=/=20.7°
（取20°）
齒頂高：
= m=3 mm
齒根高：
=(h+)=1.25=3.75 mm
齒高：
mm
齒距：
mm
4.3 轉(zhuǎn)向器齒輪齒條的強(qiáng)度校核
接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算[14]
查表取119.8
在1.2—2之間取值1.2
U=3.625
方向盤能轉(zhuǎn)動(dòng)3圈
（4.1）
[
=1304.471440
接觸疲勞強(qiáng)度滿足需要。
齒根抗彎疲勞強(qiáng)度[15]
（4.2）
=1/1.5=0.67
1＜＜2
查表取 取
[MPa
=260.8329MPa
對(duì)于轉(zhuǎn)向器的校核，汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩，下面由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算
（4.3）
式中：—輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，一般取0.7左右
—前軸負(fù)荷；
—輪胎氣壓。
根據(jù)汽車的軸荷分配，前軸滿載時(shí)，前軸軸荷的大小為車重的32%-40%，本次設(shè)計(jì)取前軸軸荷取車重的55%。輪胎氣壓取0.45，為450000。
N
N·mm
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出力矩為：方向盤力矩、方向盤半徑和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比乘積為輸出功率，在機(jī)械傳動(dòng)時(shí)會(huì)有一定的損失，齒輪齒條的正效率為90%，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率為90%，計(jì)算出轉(zhuǎn)向系輸出力矩：
N·mm
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸入力矩為：方向盤作用半徑、作用在轉(zhuǎn)向盤上的操縱載荷，對(duì)轎車該力不用超過150～200N,對(duì)于貨車不應(yīng)超過500N
N·mm
4.4 本章小結(jié)
本章主要講述機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程及計(jì)算步驟和數(shù)據(jù)，包括齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主動(dòng)小齒輪及嚙合齒條的設(shè)計(jì)計(jì)算，以及其強(qiáng)度校核。
第5章 轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)的布置形式
5.1轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)的功用和組成
轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)的功用是產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向器所必需的操縱力，并具有一定的調(diào)節(jié)和安全性能。
轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)要將駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤的力傳給轉(zhuǎn)向器，同時(shí)為了駕駛員的舒適駕駛，還要求轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足不同駕駛員的需求；為了防止車輛撞擊后對(duì)駕駛員的損傷，還要求轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)具有一定的安全保護(hù)裝置。
如圖5.1所示，轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)一般由轉(zhuǎn)向盤1、上轉(zhuǎn)向軸總成11、轉(zhuǎn)向管柱9、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸27、轉(zhuǎn)向萬向節(jié)叉總成20、滑動(dòng)叉萬向節(jié)總成28等組成。轉(zhuǎn)向盤1由塑料制成，內(nèi)有鋼制骨架，通過花鍵將轉(zhuǎn)向盤轂與上轉(zhuǎn)向軸11相連，用螺母18固定，上轉(zhuǎn)向軸上端支承在襯套12內(nèi)，下端支承在軸承13中，由孔用彈性擋圈14和軸用鋼絲擋圈16進(jìn)行軸向定位。轉(zhuǎn)向管柱9下端壓配在下固定支架8中，并通過兩個(gè)螺栓將下固定支架緊固在駕駛室地板上；上端通過橡膠套3、蓋板2，由兩個(gè)螺栓固定在駕駛室儀表板上。彈簧41可消除轉(zhuǎn)向管柱與上轉(zhuǎn)向軸間的軸向間隙。
下端的轉(zhuǎn)向萬向節(jié)叉20通過花鍵與轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向螺桿相連接，滑動(dòng)叉28通過內(nèi)花鍵與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸27的外花鍵相連，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸可軸向移動(dòng)，以適應(yīng)駕駛室與車架的相對(duì)位移。滑動(dòng)叉一端焊有塞片，另一端裝油封29和防塵套30防止灰砂和泥水進(jìn)入，并由滑脂嘴31對(duì)滑動(dòng)叉與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的花鍵進(jìn)行潤滑。
十字軸19有兩個(gè)，上裝滑脂嘴23，潤滑4個(gè)滾針軸承21，由彈性擋圈22固定在萬向節(jié)叉上。萬向節(jié)叉的結(jié)構(gòu)與滑動(dòng)叉基本相同，只是多一鎖緊螺栓與上端的萬向節(jié)叉和上轉(zhuǎn)向軸相連。
1-轉(zhuǎn)向盤總成 2-蓋板 3-橡膠套 4、24-螺栓 5、26、40-彈簧墊圈 6、39-墊圈
7、18、25-螺母 8-下固定支架 9-轉(zhuǎn)向管柱 10-楔形螺母 11-上轉(zhuǎn)向軸 12-襯套
13-球軸承 14、22-孔用彈性擋圈 15-軸承擋圈 16-軸用鋼絲擋圈 17-平墊圈
19-十字軸 20-轉(zhuǎn)向萬向節(jié)叉 21-滾針軸承總成 23、31-滑脂嘴總成 27-轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸
28-轉(zhuǎn)向萬向節(jié)滑動(dòng)叉 29-油封 30-防塵套 32-喇叭按鈕蓋 33-搭鐵接觸板總成
34-接觸彈簧 35-接觸罩 36-電刷總成 37-集電環(huán)總成 38-螺釘 41-彈簧
圖5.1 CA1091型汽車轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)
5.2 安全式轉(zhuǎn)向柱
為了保證駕駛員的安全，同時(shí)也為