【文章內(nèi)容簡介】 ，且轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的總?cè)?shù)不能太多。 本 章主要研究內(nèi)容：總結(jié)分析相關(guān)文獻，分析各轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)劣所在，結(jié)合實際情況初步選定所設(shè)計的轉(zhuǎn)向器類型。利用所選定的轉(zhuǎn)向器參數(shù)，完成轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)布置和設(shè)計。 10 第 2章 液壓動力轉(zhuǎn)向器方案分析及確定 汽 車的轉(zhuǎn)向系根據(jù)其轉(zhuǎn)向能源的不同，可分為機械式轉(zhuǎn)向系和動力式轉(zhuǎn)向系。而根據(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)向器結(jié)構(gòu)型式的選擇，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(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 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，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器則是當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)常在壞路或無路地帶行駛，推薦選用極限可逆式轉(zhuǎn)向器，但當系統(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，因為路面的沖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。 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)量較小；傳動效率高達 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，如圖 所示。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) 向器占用的體積小；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。 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要缺點是：因逆效率高（ 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不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器有四種形式：中間輸入，兩端輸出（圖 ）；側(cè)面輸入，兩端輸出（圖 ）；側(cè)面輸入，中間輸出（圖 ）側(cè)面輸入，一端輸出（ 圖 ）。 11 圖 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的四種形式 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，前軸梯形；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，如圖 。 圖 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器四種布置形式 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由齒輪機構(gòu)將來自轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)力進行減速，使轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)闇u輪蝸桿的旋轉(zhuǎn)運動，滾珠螺桿和螺母夾著鋼球嚙合，因而滾珠螺桿的旋轉(zhuǎn)運動變 為直線運動，螺母再與扇形齒輪嚙合，直線運動再次變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，使連桿臂搖動，連桿臂再使連動拉桿和橫拉桿做直線運動，改變車輪的方向。 12 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點：在螺桿和螺母之間因為有可以循環(huán)流動的鋼球，將滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，因而傳動效率可達到 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)整工作容易進行；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：逆效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，制造精度要求高。 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)點是：結(jié)構(gòu)簡單；制造容易；因為滾輪的齒面和蝸桿上的螺紋呈面接觸，所以有比較高的強度，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)動裝置 [9]，其功用是增大轉(zhuǎn)向盤傳動轉(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械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，本文為輕型車轉(zhuǎn)向器設(shè)計，故采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。 在齒輪齒條式機械轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)向助力裝置，就成了齒輪齒條式動力轉(zhuǎn)向器，其工作原理圖如圖 和圖 所示。 13 1活塞； 2齒條； 3右轉(zhuǎn)彎油管 圖 右轉(zhuǎn)彎時液壓油缸動作 1—橫拉桿； 2—左轉(zhuǎn)進 油管； 3—右轉(zhuǎn)進油管； 4—右轉(zhuǎn)進油口； 5—轉(zhuǎn)向輸入軸； 6—旋轉(zhuǎn)式控制閥； 7—出油口； 8—進油口； 9—左轉(zhuǎn)進油口； 10—動力缸； 11—活塞； 12—轉(zhuǎn)向齒條； 13—防塵套。 圖 左轉(zhuǎn)彎時液壓油缸動作 在齒輪齒條式動力轉(zhuǎn)向器中，活塞安裝在轉(zhuǎn)向齒條上，并置于齒條套管內(nèi)。齒條活塞兩邊的齒條套管都被密封起來，形成兩個分開的油液腔，連接左、右轉(zhuǎn)向回路。轉(zhuǎn)向盤右轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)閥在齒條活塞兩邊形成壓力差，使齒條朝低壓方向移動，從而減輕轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤所需的總操縱力。 齒輪齒條式液壓動力轉(zhuǎn)向器與其他形式的轉(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)量較??；傳動效率高達 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??；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。 在機械轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)上增加一套轉(zhuǎn)向助力裝置，就成了動力轉(zhuǎn)向器。根據(jù)這套助 14 力裝置提供能源不同分為液壓式 動力轉(zhuǎn)向器和電動式動力轉(zhuǎn)向器。以下主要敘述液壓式動力轉(zhuǎn)向器的工作原理。 液壓式動力轉(zhuǎn)向器有常壓式和常流式兩種。對于常壓式動力轉(zhuǎn)向器，其液壓系統(tǒng)設(shè)有儲能裝置，故無論轉(zhuǎn)向盤保持靜止還是運動狀態(tài)，液壓系統(tǒng)工作管路中總是保持高壓。對于常流式動力轉(zhuǎn)向器，其液壓泵始終處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)。當汽車處于直線行駛狀態(tài)時，轉(zhuǎn)向油泵輸出的油液流入轉(zhuǎn)向控制閥，又由此流回轉(zhuǎn)向油罐，因轉(zhuǎn)向控制閥的節(jié)流阻力很小，故油泵輸出壓力也很低，油泵實際上處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。當駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤，通過機械轉(zhuǎn)向器使轉(zhuǎn)向控制閥 (轉(zhuǎn)閥或者滑閥 )處于與某一轉(zhuǎn)彎方向相應(yīng)的工 作位置時，轉(zhuǎn)向動力缸的相應(yīng)工作腔與回油管路隔絕，轉(zhuǎn)而與油泵輸出管路相同，而動力缸的另一腔仍然通回油管路。地面轉(zhuǎn)向阻力經(jīng)轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)傳到轉(zhuǎn)向動力缸的推桿和活塞上，形成比轉(zhuǎn)向控制閥節(jié)流阻力高得多的油泵輸出管路阻力。于是轉(zhuǎn)向油泵輸出壓力急劇升高，直到足以推動轉(zhuǎn)向動力缸活塞為止。轉(zhuǎn)向盤停止轉(zhuǎn)動后，轉(zhuǎn)向控制閥隨即回復(fù)到中間位置，使動力缸停止工作。 比較而言，常流式結(jié)構(gòu)較簡單、油泵壽命較長、泄漏量較少、功率消耗也較少，因此，目前除少數(shù)重型汽車采用常壓式動力轉(zhuǎn)向器外，其他大量的汽車均采用常流式動力轉(zhuǎn)向器。 如果動力轉(zhuǎn)向機 構(gòu)的機械轉(zhuǎn)向部分、轉(zhuǎn)向動力缸和轉(zhuǎn)向控制閥組裝成一體，這種結(jié)構(gòu)稱為整體式動力轉(zhuǎn)向器。也有將各部分分離組裝的產(chǎn)品，但是這種產(chǎn)品目前已不多見。 齒輪齒條液壓動力轉(zhuǎn)向器是把活塞安裝在轉(zhuǎn)向齒條上，并至于齒條套管內(nèi)，齒條活塞兩邊的齒條套管被密封起來，形成兩個分開的油液腔，連接左右轉(zhuǎn)向回路，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時，旋轉(zhuǎn)伐在齒條活塞兩邊形成壓力差，使齒條朝低壓方向移動，從而減輕轉(zhuǎn)動方向盤所需的總操縱力。 如圖 所示，汽車直線行駛時，轉(zhuǎn)閥處于中間位置。來自轉(zhuǎn)向油泵的工作液從轉(zhuǎn)向器殼體舶進油口 0 流到閥體 13 的中間油環(huán)槽中，經(jīng)過其槽底的通孔進入閥體 13 和閥芯 12 之間，此時因閥芯處于中間位置，所以進入的油液分別通過閥體和閥芯縱槽和槽肩形成的兩邊相等的間隙，再通過閥芯的縱槽以及閥體的徑向孔流向閥體外圓上、下油環(huán)槽，然后通過殼體中的兩條油道分別流到動力缸的 15 R—接右轉(zhuǎn)向動力腔； L—接左轉(zhuǎn)向動力腔； B—接轉(zhuǎn)向液壓泵； G—接轉(zhuǎn)向油罐 2—齒條 活塞； 12—進油口； 13—閥體； 22—閥心 圖 汽車直線行駛時轉(zhuǎn)閥的 工作情況 上、下腔中去，即左轉(zhuǎn)向動力腔 L和右轉(zhuǎn)向動力腔 R，流人閥體內(nèi)腔的油液在通過閥芯縱槽流向閥體上、油環(huán)槽的同時，通過閥芯槽肩上的徑向油孔流到轉(zhuǎn)向螺桿和輸入軸之間的空隙中，經(jīng)閥體組件和調(diào)整螺塞之間的空隙流到回油口，經(jīng)油管回到油罐中去，形成了常流式油液循環(huán)。此時，上、下腔油壓相等且很小，齒條一活塞 19 既沒有受到轉(zhuǎn)向螺桿的軸向推力，也沒有受到上、下腔因壓力差造成的軸向推力。所以齒條一活塞處于中間位置，動力轉(zhuǎn)向器不工作。 參見圖 ，汽車左轉(zhuǎn)彎時，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤使短軸逆時針轉(zhuǎn)動，通過其下端軸銷子帶動閥芯同步轉(zhuǎn)動， 這個扭距也通過具有彈性的扭桿軸傳給下端軸蓋，下端軸蓋邊緣上的缺口通過固定在閥體上的銷子帶動閥體轉(zhuǎn)動，閥體通過其下端缺口和銷子，把轉(zhuǎn)向力矩傳給螺桿。由于轉(zhuǎn)向阻力的存在，要有足夠的轉(zhuǎn)向力矩才能使轉(zhuǎn)向螺桿轉(zhuǎn)動。這個轉(zhuǎn)矩促使扭桿軸發(fā)生彈性扭轉(zhuǎn)，造成閥體的轉(zhuǎn)動角度小于閥芯的轉(zhuǎn)動角度，兩者產(chǎn)生相對角位移。通下動力腔的進油縫隙減小 (或封閉 )，回油縫隙增大，油壓降低 。通上動力腔的進油縫隙增大而回油縫隙減小 (或關(guān)閉 )，油壓升高，上、下動力腔產(chǎn)生油壓差，齒條一活塞便在上、下動力腔油壓差的作用下移動，產(chǎn)生助力作用。此時，來自轉(zhuǎn)向 油泵的壓力油通過槽隙流向動力缸上腔，動力缸下腔的油則通過閥體徑向孔、槽隙、閥芯徑向孔和回油口流回流向儲油罐。 16 (a)左行駛 (b)右行駛 圖 左右行駛時轉(zhuǎn)閥的工作情況 右轉(zhuǎn)彎時轉(zhuǎn)向器工作過程與左轉(zhuǎn)彎時基本相似，如圖 所示。不同的是由于轉(zhuǎn)向方向相反，造成閥體和閥芯的角位移相反，齒條一活塞下腔油壓升高而上腔油壓降低，產(chǎn)生右轉(zhuǎn)向助力。 當轉(zhuǎn)向盤停在某一位置不再繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，閥體隨轉(zhuǎn)向螺桿在液力和扭桿軸彈力的作用下，沿轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn) 動方向旋轉(zhuǎn)一個角度，使之與閥芯的相對角位移量減小，上、下動力腔油壓差減小，但仍有一定的助力作用。此時的助力轉(zhuǎn)矩與車輪的回正力矩相平衡，使車輪維持在某一轉(zhuǎn)向位置上。在轉(zhuǎn)向過程中，若轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的速度快，閥體與閥芯的相對角位移量也大，上、下動力腔的油壓差也相應(yīng)加大，前輪偏轉(zhuǎn)的速度也加快，如轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的慢，前輪偏轉(zhuǎn)的也慢 。若轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)在某一位置上不變，對應(yīng)著前輪也轉(zhuǎn)在某一位置上不變。此即稱 “漸進隨動原理 ”，也就是 “快轉(zhuǎn)快助，大轉(zhuǎn)大助，不轉(zhuǎn)不助 ”原理。轉(zhuǎn)向后需回正時，如果駕駛員放松轉(zhuǎn)向盤，閥芯回到中間位置，失去了助力作 用，此時轉(zhuǎn)向輪在回正力矩的作用下自動回位 :若駕駛員同時回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)向助力器助力，幫助車輪回正。 當汽車直線行駛偶遇外界阻力使轉(zhuǎn)向輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)，阻力矩通過轉(zhuǎn)向傳動機 構(gòu)，作用在閥體上，使之與閥心之間產(chǎn)生相對角位移，產(chǎn)生了反相的推力作用， 在此力作用下，轉(zhuǎn)回輪迅速回正。 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 ?? 表示， 17 反之稱為逆效率，用符號 ?? 表示，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 [10]；為了保證汽車轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤能自動返回直線行駛位置，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、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銷和蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的正效率要