【文章內(nèi)容簡介】 結構特點、結構參數(shù)和制造質(zhì)量等 [3]。 轉向器的正效率 廣東工業(yè)大學 汽車前輪轉向系統(tǒng)的設計 8 影響轉向器正效率的因素有轉向器的類型、結構特點、結構參數(shù)和制造質(zhì)量等。 （ 1） 、轉向器類型、結構特點與效率 。 在四種轉向器中，齒輪齒條式、循環(huán)球式轉向器的正效率比 較高，而蝸桿指銷式特別是固定銷和蝸桿滾輪式轉向器的正效率要明顯的低些。 同一類型轉向器，因結構不同效率也不一樣。如蝸桿滾輪式轉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。選用滾針軸承時，除滾輪與滾針之間有摩擦損失外，滾輪側翼與墊片之間還存在滑動摩擦損失，故這種軸向器的效率 η+僅有 54%。另外兩種結構的轉向器效率分別為 70%和 75%[3]。 轉向搖臂軸的軸承采用滾針軸承比采用滑動軸承可使正或逆效率提高約 10%。 （ 2） 、轉向器的結構參數(shù)與效率 如果忽略軸承和其經(jīng)地方的摩擦損失，只考慮嚙 合副的摩擦損失，對于蝸桿類轉向器，其效率可用下式計算 )tan(tan0 0 ???? ??? () 式中， 0? 為蝸桿（或螺桿）的螺線導程角； ρ為摩擦角， ρ=arctanf； f 為磨擦 系 數(shù)。 轉向器的逆效率 根據(jù)逆效率不同，轉向器有可逆式、極限可逆式和不可逆式之分。 路面作用在車輪上的力，經(jīng)過轉向系可大部分傳遞到轉向盤，這種逆效率較高的轉向器屬于可逆式。它能保證轉向輪和轉向盤自動回正，既可以減輕駕駛員的疲 勞，又可以提高行駛安全性。但是，在不平路面上行駛時，傳至轉向盤上的車輪沖擊力，易使駕駛員疲勞，影響安全行駕駛。 屬于可逆式的轉向器有齒輪齒條式和循環(huán)球式轉向器。 不可逆式轉向器是指車輪受到的沖擊力不能傳到轉向盤的轉向器。該沖擊力轉向傳動機構的零件承受，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向器。極限可逆式轉向器介于可逆式與不可逆式轉向器兩者之間。在車輪受到?jīng)_擊力作用時，此力只有較小一部分傳至轉向盤。 如果忽略軸承和其它地方的磨擦損失，只考慮嚙合 副的磨擦損失，則逆效率可用下式計算 廣東工業(yè)大學 汽車前輪轉向系統(tǒng)的設計 9 00tan )tan( aa ?? ??? （ ） 式（ ）和式（ ）表明：增加導程角 ? 0，正、逆效率均增大。受 ? 增大的影響， ? 0不宜取得過大。當導程角小于或等于磨擦角時，逆效率為負值或者為零，此時表明該轉向器是不可逆式轉向器。為此，導程角必須大于磨擦角。 傳動比特性 轉向 系傳動比 轉向系的傳動比包括轉向系的角傳動比 0?i 和轉向系的力傳動比 pi 。 h/2 FFi Wp ? （ ） 式中 WF 為從輪胎接地面中心作用在兩個轉向輪上的合力， hF 為作用在轉向盤上的手力。 轉向系的角傳動比 : kkkw dddtd dtdi ??????? ??? //0 （ ） 式中 w? 為轉向盤角速度； k? 為轉向節(jié)偏轉角速度； ?d 為轉向盤轉向角增量； kd? 為轉向節(jié)轉向增量； td 為時間增量 。 轉向系的角傳動比 0?i 由轉向器角傳動比 ?i 和轉向傳動機構角傳動 比 ?i? 組成，即： ??? iii ??0 （ ） 轉向器的角傳動比 : pppw dddtd dtdi ??????? ??? // （ ） 式中 p? 為搖臂軸角速度； pd? 為搖臂軸轉角增量 。 轉向傳動機構的角傳動比 : kpkpkp dddtd dtdi ??????? ???? // （ ） 力傳動比與轉向系角傳動比的關系 廣東工業(yè)大學 汽車前輪轉向系統(tǒng)的設計 10 轉向阻力 Fw 與轉向阻力矩 Mr的關系式： aMF rw? （ ） a 為主銷偏距。 作用在轉向盤上的手力 Fh 與作用在轉向盤上的力矩 Mh 的關系式： swhh DMF ? （ ） 式中 swD 為方向盤直徑 將式（ 210）、式（ 211） 代入 hWp FFi /2? 后得到： aMDMi h swrp ? （ ） 如果忽略磨擦損失，根據(jù)能量守恒原理， 2Mr/Mh 可用下式表示 02 ??? iddMM khr ?? （ ） 將式（ ）代入式（ ）后得到： aDii swp 20?? （ ） 當 a和 Dsw不變時，力傳動比 pi 越大，雖然轉向越輕，但 0?i 也越大，表明轉向不靈敏。 轉向器角傳動比的選擇 轉向器角傳動比可以設計成減小、增大或保持不變的。影響選取角傳動比變化規(guī)律的主要因素是轉向軸負荷大小和對汽車機動能力的要求。 若轉向軸負荷小或采用動力轉向的汽車，不存在轉向沉重問題，應取較小的轉向器角傳動比，以提高汽車的機動能力。若轉向軸負荷大，汽車低速急轉彎時的操縱輕便性問題突出，應選用大些的轉向器角傳動比。 汽車以較高車速轉 向行駛時，要求轉向輪反應靈敏，轉向器角傳動比應當小些。汽車高速直線行駛時，轉向盤在中間位置的轉向器角傳動比不宜過小。否則轉向過分敏感，使駕駛員精確控制轉向輪的運動有困難。 轉向器角傳動比變化曲線應選用大致呈中間小兩端大些的下凹形曲線，如圖 [3]廣東工業(yè)大學 汽車前輪轉向系統(tǒng)的設計 11 所示。 其中橫軸為轉向輪轉角 ? ，縱軸為轉向角傳動比。 圖 轉向器角傳動比變化特性曲線 轉向器傳動副的傳動間隙 傳動間隙是指各種轉向器中傳動副之間的間隙。該間隙隨轉向盤轉角的大小不同而改變，并把這種變化關 系稱為轉向器傳動副傳動間隙特性（圖 ）。 研究該特性的意義在于它與直線行駛的穩(wěn)定性和轉向器的使用壽命有關。 傳動副的傳動間隙在轉向盤處于中間及其附近位置時要極小，最好無間隙。若轉向器傳動副存在傳動間隙，一旦轉向輪受到側向力作用，車輪將偏離原行駛位置，使汽車失去穩(wěn)定。 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過大時，必須經(jīng)調(diào)整消除該處間隙。 圖 轉向器傳動副傳動間隙 轉向器傳動副傳動間隙特性 圖中曲線 1 表明轉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向器傳動間隙變化特性。 廣東工業(yè)大學 汽車前輪轉向系統(tǒng)的設計 12 3 機械式轉向器總體方案 初步 設計 轉向器的分類 及設計選擇 轉向器是轉向系中的重要部分，其主要作用有三個方面：一是增大來自轉向盤的轉矩，使之達到足以克服轉向輪與地面之間的轉向阻力矩；二是減低轉向傳動軸的轉速，并帶動搖臂軸移動使其達到所需要的位置；三是使轉向盤的轉動方向與轉向輪轉動方向協(xié)調(diào)一致。 按照轉向能源不同，可以將汽車轉向系統(tǒng)分為機械轉向系統(tǒng)和動力轉向系統(tǒng)兩大類。根據(jù)機械轉向器 的結果特點，可分為齒輪齒條式轉向器、循環(huán)球式轉向器、蝸桿滾輪式轉向器和蝸桿指銷式轉向器等 。 齒輪齒條式轉向器的齒輪齒條直接嚙合，可安裝助力機構。齒輪齒條式轉向器的正逆效率都很高，屬于可逆式轉向器。其自動回正能力強。齒輪齒條式轉向器結構簡單（不需要轉向搖臂和橫拉桿等）、加工方便、工作可靠、使用壽命長、用需要調(diào)整齒輪齒條的間隙。 循環(huán)球式轉向器的第一級傳動副是螺桿螺母傳動副。第二級是齒條齒扇傳動副或滑塊曲柄銷傳動副。循環(huán)球式轉向器的正效率很高（最高可達 90%～ 95%） [4]，操作輕便，使用壽命長。但逆向效率也較 高，可將地面對轉向輪的沖擊傳給轉向盤。 指銷式轉向器的傳動副以轉向蝸桿為主動件，裝在搖臂軸曲柄端的指銷為從動件。轉向蝸桿轉動時，與之嚙合的指指銷即繞轉向搖臂軸軸線沿圓弧線運動，并帶動轉向搖臂轉動。 對轉向其結構形式的選擇，主要是根據(jù)汽車的類型、前軸負荷、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性以及轉向器的其他性能、壽命、制造工藝等。中、小型轎車以及前軸負荷小于 、貨車，多采用齒輪齒條式轉向器。齒輪齒條式轉向器安裝助力機構方便且轉向器結構簡單，適合于轎車。故本設計 選用齒輪齒條式轉向器。 齒輪齒條式轉向器的基本設計 齒輪齒條式轉向器的結構 選擇 輸入輸出形式選擇 廣東工業(yè)大學 汽車前輪轉向系統(tǒng)的設計 13 根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點不同，齒輪齒條式轉向器有四種形式 [3]：中間輸入，兩端輸出 （圖 31a）；側面輸入，兩端輸出（圖 31b）；側面輸入，中間輸出（圖 31c）；側面輸入，一端輸出（圖 31d） 圖 齒輪齒條式轉向器的四種形式 采用側面輸入，中間輸出方案時，與齒條 相 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、下跳動時轉向系與懸架系的運動干涉。拉桿與齒條用螺栓固定連接，因此，兩拉桿會與齒條同時向左或右移動，為此在轉向器殼體上開有軸向的長槽，從而降低了它的強度。 采用兩端輸出方案時，由于轉向拉桿長度受到限制，容易與懸架系統(tǒng)導向機構產(chǎn)生運動干涉。 但其結構簡單，節(jié)省材料的同時對轉向精度較中間輸出形式高。現(xiàn)代轎車一般使用兩端輸出形式。 側面輸入，一端輸出的齒輪齒條式轉向器，常用在平頭貨車上 ]5[ 。 本設計采用的是側面輸入 兩端輸出式齒輪齒條轉向器 方案。 齒輪形式選擇 采用 齒輪齒條式轉向器采用直齒圓柱齒輪與直齒齒條嚙合，則運轉平穩(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向器，重合度增加，運轉平穩(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廣東工業(yè)大學 汽車前輪轉向系統(tǒng)的設計 14 足總體設計的要求。因為斜齒工作時有軸向力作用，所以轉向器應該采用 角接觸球 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。 本設計采用斜齒輪式方案 。 齒條形式選擇 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% ]1[ ，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動； Y 形斷面齒條的齒寬可以做得寬些，因而強度得到增加。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。當車輪跳動、轉向或轉向器工作時，如在齒條上作用有能使齒條旋轉的力矩時，應選用 V 形和 Y 形斷面齒條，用來防止因齒條旋轉而破壞齒輪、齒條的齒不能正確嚙合的情況出現(xiàn)。 本設計采用圓形端面齒條 。 齒輪齒條式轉向器的布置形式 根據(jù)齒輪齒條式轉向器和轉向梯形相對前軸位置的不同，在汽車上有四種布置形式： 轉向器位于前軸后方，后置梯形 （圖 33a） ； 轉向器位于前軸后方，前置梯形 （圖 33b） ； 轉向器位于前軸前方，后置梯形 （圖 33c） ； 轉向器位于前軸前方，前置梯形 （圖 33d） 。 廣東工業(yè)大學 汽車前輪轉向系統(tǒng)的設計 15 圖 齒輪齒條式轉向器的四種布置形式 現(xiàn)階段大多數(shù)轎車都采用 第一種布置方式 ]3[ ：轉向器位于前軸后方，后置梯形，本設計也采用轉向器位于 前軸后方，后置梯形的布置方式。 設計目標參數(shù)表以及對應的轉向輪偏角計算 設計目標參數(shù)表 如表 所示 （本設計只是采取其參數(shù)用于設計機械式轉向器，實際上本田雅閣 2021 款已配備 EPS 電動助力轉向系統(tǒng)） 表 2021款 汽車轉向參數(shù) 輪距 （前 /后） 1590mm/1585mm 軸距 2800mm 整備質(zhì)量 1450kg 滿載軸荷分配：前 /后 950/850(kg) 輪胎 215/60 R16 主銷偏移距 a 100mm 輪胎壓力 p/Mpa 方 向盤直徑 SWD 380mm 轉向輪側偏角計算 廣東工業(yè)大學 汽車前輪轉向系統(tǒng)的設計