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目 錄
摘要 1
Abstract 2
第一章 緒論. 3
1.1簡介 3
1.2課題目的與意義 4
1.3循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的發(fā)展史 4
1.4循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的前景與市場 7
1.5本課題研究的難點 7
第二章 汽車轉(zhuǎn)向器的組成與分類. 9
2.1汽車轉(zhuǎn)向器的類型與組成 9
2.1.1 機械式轉(zhuǎn)向系 10
2.1.2 動力轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向系 11
第三章 轉(zhuǎn)向系設(shè)計概述. 12
3.1對轉(zhuǎn)向系的要求 12
3.2轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu) 13
3.3轉(zhuǎn)向器 14
3.4轉(zhuǎn)角及最小轉(zhuǎn)彎半徑 14
第四章 汽車轉(zhuǎn)向器的組成與分類. 17
4.1齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 17
4.2循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器 18
4.3蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器 19
4.4蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器 19
第五章 轉(zhuǎn)向系的主要性能參數(shù). 21
5.1轉(zhuǎn)向系的效率 21
5.1.1 轉(zhuǎn)向系的正效率 21
5.1.2 轉(zhuǎn)向系的逆效率 21
5.2傳動比變化特性 22
5.2.1 轉(zhuǎn)向系傳動比 22
5.2.2 力傳動比與轉(zhuǎn)向系角傳動比的關(guān)系 23
5.2.3 轉(zhuǎn)向器角傳動比的選擇 24
5.3轉(zhuǎn)向器傳動副的傳動間隙 24
5.4轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動圈數(shù) 25
第六章 轉(zhuǎn)向器的設(shè)計計算. 26
6.1轉(zhuǎn)向系計算載荷的確定 26
6.2轉(zhuǎn)向器設(shè)計 26
6.2.1 參數(shù)的選取 26
6.2.2 計算參數(shù) 27
6.3 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件強度計算 27
6.3.1 鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力 27
6.3.2 轉(zhuǎn)向搖臂直徑的確定 28
第七章 汽車轉(zhuǎn)向器的組成與分類. 29
7.1對動力轉(zhuǎn)向機構(gòu)的要求 29
7.2液壓式動力轉(zhuǎn)向機構(gòu)的計算 29
7.2.1 動力缸尺寸計算 29
7.2.2 分配閥的參數(shù)選擇與設(shè)計計算 30
7.3動力轉(zhuǎn)向的評價指標(biāo) 32
第八章 轉(zhuǎn)向器傳動機構(gòu)設(shè)計. 35
8.1轉(zhuǎn)向傳送機構(gòu)的臂、桿與球銷 35
8.2 桿件設(shè)計結(jié)果 35
結(jié)論 37
致謝 38
參考文獻 39
英文翻譯 40
50
摘 要
汽車轉(zhuǎn)向器是汽車的重要組成部分，也是決定汽車主動安全性的關(guān)鍵總成，它的質(zhì)量嚴重影響汽車的操縱穩(wěn)定性。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車轉(zhuǎn)向器也在不斷的得到改進，雖然電子轉(zhuǎn)向器已開始應(yīng)用，但機械式轉(zhuǎn)向器仍然廣泛地被世界各國汽車及汽車零部件生產(chǎn)廠商所采用。而在機械式轉(zhuǎn)向器中，循環(huán)球齒條-齒扇式轉(zhuǎn)向器由于其自身的特點被廣泛應(yīng)用于各級各類汽車上。本文的主要內(nèi)容：汽車轉(zhuǎn)向器的組成分類；轉(zhuǎn)向器總成方案分析及其數(shù)據(jù)確定和轉(zhuǎn)向器的設(shè)計過程。
這種轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點是，操縱輕便，磨損小，壽命長。缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，轉(zhuǎn)向靈敏度不如齒輪齒條式。因此逐漸被齒輪齒條式取代。但隨著動力轉(zhuǎn)向的應(yīng)用，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器近年來又得到廣泛使用。
關(guān)鍵詞；轉(zhuǎn)向器 操縱穩(wěn)定性 循環(huán)球齒條-齒扇式轉(zhuǎn)向器
Abstract
Gear cars an important component of the initiative is decided automobile safety of the key assembly, It seriously affected the quality of the vehicle handling and stability. Along with the development of the auto industry, automobile steering gear is continuously improved, although the electronic steering gear has begun to use But mechanical steering gear is still widely been world motor vehicles and parts manufacturers adopted. And the mechanical steering gear, Rack cycle ball-type steering gear tooth fans as its own characteristics has been widely used in various types vehicles. The graduation design options main contents are : automotive steering gear components classification; assembly was to program analysis and data to identify and steering gear design process.
The advantage of such steering gear, and manipulating light, wear and tear, long life. The disadvantage is that the structure is complicated and costly, than steering rack and pinion sensitivity. Therefore gradually being replaced by rack and pinion. However, with the power steering applications, the ball-type steering gear cycle and are widely used in recent years.
Keywords； Diverter Ball handling and stability Cycle rack-type steering gear diverter
第一章 緒 論
1.1.簡介
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的英文名稱是Recirculating Ball Steering Gear。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由兩對傳動副組成，一對是螺桿、螺母，另一對是齒條、齒扇或曲柄銷。在螺桿和螺母之間裝有可循環(huán)滾動的鋼球，使滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，從而提高了傳動效率。
循環(huán)球式：這種轉(zhuǎn)向裝置是由齒輪機構(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?yōu)橹本€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，這是一種古典的機構(gòu)，現(xiàn)代轎車已大多不再使用，但又被最新方式的助力轉(zhuǎn)向裝置所應(yīng)用。它的原理相當(dāng)于利用了螺母與螺栓在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的相對移動，而在螺紋與螺紋之間夾入了鋼球以減小阻力，所有鋼球在一個首尾相連的封閉的螺旋曲線內(nèi)循環(huán)滾動，循環(huán)球式故而得名
這種轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點是，操縱輕便，磨損小，壽命長。缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，轉(zhuǎn)向靈敏度不如齒輪齒條式。因此逐漸被齒輪齒條式取代。但隨著動力轉(zhuǎn)向的應(yīng)用，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器近年來又得到廣泛使用。
轉(zhuǎn)向器按結(jié)構(gòu)形式可分為多種類型。歷史上曾出現(xiàn)過許多種形式的轉(zhuǎn)向器，目前較常用的有齒輪齒條式、蝸桿曲柄指銷式、循環(huán)球-齒條齒扇式、循環(huán)球曲柄指銷式、蝸桿滾輪式等。
在《當(dāng)前國家重點鼓勵發(fā)展的產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品和技術(shù)目錄》中，汽車關(guān)鍵零部件開發(fā)和制造被列為重點扶持的項目，國家計委和科技部也將汽車關(guān)鍵零部件劃入當(dāng)前國家優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點領(lǐng)域，所以，具有先進水平的汽車轉(zhuǎn)向器的研發(fā)、生產(chǎn)將會得到有力的政策支持。隨著全球汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車的需求量大幅攀升，汽車制造已向發(fā)展中國家轉(zhuǎn)移。隨著國際上汽車行業(yè)開始實行零部件“全球化采購”策略及國際跨國汽車企業(yè)推行本土化策略，國內(nèi)汽車市場將出現(xiàn)巨大的零部件配件缺口。到2010年，中國汽車零部件國內(nèi)產(chǎn)值將突破1萬億元，市場前景廣闊。按照汽車零部件工業(yè)“十五”發(fā)展目標(biāo)，到2005年中國汽車保有量為2198—2315萬輛，其中轎車843—860萬輛。當(dāng)年汽車需求量為：271—310萬輛，其中轎車110——121萬輛，汽車工業(yè)增加值占GDP的1%左右，汽車零部件工業(yè)產(chǎn)值將占汽車工業(yè)總產(chǎn)值的25%左右。因此作為關(guān)鍵零部件的汽車轉(zhuǎn)向器在中國銷售市場上前景廣闊。
“十五”期間，我國機動車行業(yè)包括汽車、農(nóng)用車、工程機械等將發(fā)展成為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，汽車轉(zhuǎn)向器是符合國家重點扶持和優(yōu)惠政策的汽車關(guān)鍵零部件，是汽車重要的保安件之一。
1.2.課題的目的與意義
用來改變或保持汽車行駛或倒退方向的一系列裝置稱為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能就是按照駕駛員的意愿控制汽車的行駛方向。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對汽車的行駛安全至關(guān)重要，因此汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的零件都稱為保安件。 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)也有很大變化。汽車轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)很多，從目前使用的普遍程度來看，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器已成為當(dāng)今世界汽車上主要應(yīng)用的轉(zhuǎn)向器之一，本文針對微型汽車進行循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計與研究。
1.3循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的發(fā)展史
100多年前，汽車剛剛誕生后不久，其轉(zhuǎn)向操作是模仿馬車和自行車的轉(zhuǎn)向方式，用一個操縱桿或手柄來使前輪偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的。由于操縱費力且不可靠，以致時常發(fā)生車毀人亡的事故。
第一輛不用馬拉的四輪汽車問世時，它已經(jīng)吧前橋和前輪組成為了一總成。該總成別安裝在樞軸上，可以繞前橋中心的一個點轉(zhuǎn)動，利用一個桿柱連接前橋的中點，通過地板往上延伸，轉(zhuǎn)向盤就緊固再桿柱上端，以此操縱汽車。
這種裝置在汽車車速不超過馬車的速度時，還是很好用的，但當(dāng)車速提高后，駕駛員就要求提高轉(zhuǎn)向的準(zhǔn)確性，以減少輪胎的磨損，延長輪胎的使用壽命。后來他們發(fā)現(xiàn)，正在探索的這種理論在1817年就已經(jīng)唄闡明了。
1817年，德國人林肯斯潘杰提出了類似于現(xiàn)代汽車的將前輪用轉(zhuǎn)向節(jié)與前梁連接方式。（即改進轉(zhuǎn)向器的想法）。他研制了一種允許汽車前輪在主軸上獨立回轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)—把車輪與轉(zhuǎn)向節(jié)連接起來，轉(zhuǎn)向節(jié)又用可轉(zhuǎn)動的銷軸與前軸連接，從而發(fā)明了轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)，并與第二年將其向英國政府申請專利的權(quán)力轉(zhuǎn)讓給了出版商、英籍德國人阿克曼。不久，阿曼克向英國專利局申請了“平行連桿式轉(zhuǎn)向機構(gòu)”專利。
1879年，法國四輪馬車制造商杰特發(fā)明了第一個平行四邊形轉(zhuǎn)向聯(lián)動機構(gòu)。杰特的轉(zhuǎn)向機構(gòu)可以把轉(zhuǎn)向中心點移向兩側(cè)。他把一根桿子與帶有兩個連接臂的轉(zhuǎn)向節(jié)相連。當(dāng)時稱為轉(zhuǎn)向臂和隨動臂。杰特把轉(zhuǎn)向柱的一端與轉(zhuǎn)向臂連接，當(dāng)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向柱時，通過轉(zhuǎn)向臂和隨動臂、橫拉桿和車輪軸轉(zhuǎn)動車輪，實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向。
1857年，英國的達吉恩蒸汽汽車是第一輛采用轉(zhuǎn)向盤來實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的機動車輛。
1872年蘇格蘭的查理士第一個把轉(zhuǎn)向盤安裝到煤氣發(fā)動機車輛上。此前，想把轉(zhuǎn)向盤安裝到車輛上的多次嘗試均未得到認可。
1878年，“現(xiàn)代汽車之父”、德國的卡爾?本茨在他的三輪乘坐車上首次采用了所謂的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，但卻考一根操縱桿來控制汽車行使方向。
1886年，英國的弗雷德里克?斯特里克蘭說服了他的朋友、汽車制造商雷克，把一個用于輪船上的轉(zhuǎn)向柱和轉(zhuǎn)向盤裝到了一輛新的戴姆勒?弗頓敞蓬車上。斯特里克是以建造蒸汽機船為職業(yè)的，德雷克則是戴姆勒英國公司的領(lǐng)導(dǎo)人。后來，向大西洋兩岸銷售的每一輛戴姆勒?弗頓汽車都裝上了舵柄（轉(zhuǎn)向盤）。早期的那些試驗，包括戴姆勒?弗頓敞篷汽車上的轉(zhuǎn)向器都已消亡，因為高踞在垂直轉(zhuǎn)向柱上短的轉(zhuǎn)向盤的高度幾乎已達到駕駛員眼睛的位置，因此，對任何一個人來說，駕駛這種車輛都會感到困難。
汽車轉(zhuǎn)向盤是關(guān)系著駕駛員與乘客生命安危的重要部件，它控制著車輛的行使方向。早期的蒸汽汽車上安裝的轉(zhuǎn)向盤都心愛用垂直安裝方式，專項通過向上或下旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)。這種安裝方式不利于駕駛員操縱，也常常妨礙駕駛視線。這一切在1887年秋因一次意外事故而發(fā)生了改變。1887年，一輛戴姆勒?弗頓汽車唄送往英國考文垂的戴姆勒工廠作一次大修，當(dāng)時汽車上的轉(zhuǎn)向器仍能使用。大修需要把 車身與底盤分離，當(dāng)車身落到轉(zhuǎn)向柱上，把轉(zhuǎn)向柱崖城傾斜狀態(tài)。當(dāng)一個工人上車做到駕駛員座位上時，立即發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向柱和轉(zhuǎn)向盤的傾斜角使駕駛條件大為改善。這個偶然的發(fā)現(xiàn)，促成了戴妙勒?帕利生于1890年制成世界上第一輛轉(zhuǎn)向柱與轉(zhuǎn)向盤傾斜的汽車，從此，人類的汽車駕駛就踏上了更舒適、安全的旅程。此后，各國汽車公司紛紛效仿，使轉(zhuǎn)向盤日臻完善并最終定性，于是轉(zhuǎn)向盤就以現(xiàn)在的樣子出現(xiàn)在我們的面前。
最早采用的傳動減速機構(gòu)蝸輪副，被安裝在轉(zhuǎn)向柱的末端。蝸桿驅(qū)動一個蝸輪，再有蝸輪副被裝配在鑄鐵殼里，這個殼被固定在汽車的大橋梁上。基于蝸輪副的減速機構(gòu)在汽車工業(yè)中應(yīng)用已有很多年了，但還有兩種結(jié)構(gòu)是值得注意的。其中一種是于1908年投產(chǎn)的美國福特T型車采用的轉(zhuǎn)向齒輪結(jié)構(gòu)（行星齒輪轉(zhuǎn)向器）。福特T型車裝置了一套周轉(zhuǎn)（或行星）輪系，把齒輪安裝在減速器殼體內(nèi)直接固定到轉(zhuǎn)向盤的下方，行星齒輪盤直接驅(qū)動緊固在轉(zhuǎn)軸上的主齒輪。這就把轉(zhuǎn)向裝置置于駕駛員的手下方，即轉(zhuǎn)向柱的上端，而不是在轉(zhuǎn)向柱的下端。
所謂“現(xiàn)在”齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，是奔馳汽車于1885年首先采用的。這種形式的轉(zhuǎn)向器同樣也使用在1905年生產(chǎn)的凱迪拉克汽車和1911～1920年制造的許多其他型式的汽車上。
在20世紀(jì)初，汽車已經(jīng)是一個沉重而又高速疾馳的車輛，充氣輪胎代替了實心車輪。由于轉(zhuǎn)向柱直接于轉(zhuǎn)向節(jié)連接，所以轉(zhuǎn)動車輪式很費勁的。即使是一個健壯的駕駛員，要控制轉(zhuǎn)向仍然是很勞累的事情。因此，汽車常常沖出路外。于是，降低轉(zhuǎn)向操縱力的問題就變得賜教迫切了。
為了使轉(zhuǎn)向操縱輕便，工程師設(shè)計了在轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向節(jié)之間安裝齒輪減速機構(gòu)的轉(zhuǎn)向器。從那時起，轉(zhuǎn)向機構(gòu)就一直被這樣沿用下來。
從1903年開始，助力輔助轉(zhuǎn)向機構(gòu)不斷出現(xiàn)，多數(shù)是用在可車上。助力輔助轉(zhuǎn)向機構(gòu)中，有一些采用真空助力，還有一些是采用壓縮空氣助力。
1905年出版的《汽車時代》雜志談到了哥倫比亞汽車的助力轉(zhuǎn)向器。據(jù)說這總簡單的裝置在車速為29公里/小時時，仍能使汽車保持不偏離路線。
1923年，美國底特律市的亨利?馬爾斯為了減少蝸輪副和滾動軸之間的接觸摩擦力，在兩者之間接觸處放置滾珠支撐，這就出現(xiàn)了滾珠蝸輪轉(zhuǎn)向器。這種型式的轉(zhuǎn)向器就成為現(xiàn)在大家所熟知的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，目前仍被廣泛地應(yīng)用在美國和日本制造的汽車上。
1928年，弗朗西斯?戴維斯所研制成功并首次應(yīng)用了液壓助力輔助轉(zhuǎn)向器。這種轉(zhuǎn)向器由維克斯公司制造，該公司并制定了此項標(biāo)準(zhǔn)，26后為汽車工業(yè)所采納。第二次世界大戰(zhàn)時期，汽車轉(zhuǎn)向雖然采用了轉(zhuǎn)向器，但對其實施操縱仍然不是一鍵輕松的事。當(dāng)汽車質(zhì)量增大、轉(zhuǎn)向費勁時，駕駛員要求能有更好的辦法來解決，這才重新推廣了一種已經(jīng)大約有3/4個世紀(jì)歷史的助力輔助轉(zhuǎn)向器。
1954年，凱迪拉克汽車公司首先把液壓助力轉(zhuǎn)向器應(yīng)用于汽車上，助力專項的歷史又回到了以前的道路。
早在第二次世界大戰(zhàn)期間，較高級的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就開始應(yīng)用于各種軍用車輛。20世紀(jì)50年代初期，由于出現(xiàn)了重型的汽車以及速度很高的高級小客車，指靠轉(zhuǎn)向器本身的結(jié)構(gòu)，既要是汽車轉(zhuǎn)向操縱省力，又要靈活，顯然已難以兼顧，于是把戰(zhàn)爭時期使用的助力轉(zhuǎn)向器經(jīng)過改進，使用在了中型汽車和高級小客車上。后來，因為得到普遍使用，在20世紀(jì)50年代末就研制出了質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)緊湊、自行潤滑的助力轉(zhuǎn)向器。這種助力轉(zhuǎn)向器使轉(zhuǎn)向操縱十分省力，只要適當(dāng)選擇轉(zhuǎn)向器傳動比，就可以同時滿足轉(zhuǎn)向靈敏的要求。
1967年，美國的湯姆森制造了一輛四輪專項的印迪賽車，但未進行實際使用。
1981年，日本研制出能原地轉(zhuǎn)向的汽車。他們在車身尾部下邊裝設(shè)了一直橫向小車輪，只需按一下電鈕就可使小車輪落地并把后輪抬起，在轉(zhuǎn)動橫向小車輪，汽車變以前輪為中心原地轉(zhuǎn)向。
1985年，日本豐田公司的克雷西達汽車成了第一個采用計算機控制輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車產(chǎn)品，豐田公司稱此系統(tǒng)為先進的動力齒輪齒條轉(zhuǎn)向系。該機構(gòu)在變速器力有個傳感器，它可以監(jiān)視車輛車速度，把信號輸入計算機，計算機再根據(jù)此信號控制電磁液流控制閥，通過液壓系統(tǒng)供給轉(zhuǎn)向齒條高壓動力油流。汽車在公路上高速行使使，轉(zhuǎn)向需要的動力需要的動力較少，計算機液流控制閥降低油壓，同時把轉(zhuǎn)向器穩(wěn)住，當(dāng)停車或汽車低速行駛轉(zhuǎn)向時，計算機液流控制閥提高油流壓力，這就使得駕駛員很容易操縱轉(zhuǎn)向盤。
1986年10月8日，日本本田汽車公司宣布，已研制出一種被稱為4WS的四輪轉(zhuǎn)向汽車。汽車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的角度首先使前輪轉(zhuǎn)向，同時經(jīng)輸出軸帶動后轉(zhuǎn)向機，使后輪與前輪同向或反向轉(zhuǎn)動。
現(xiàn)在，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已成為一些轎車的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，全世界約有一半的轎車采用動力轉(zhuǎn)向。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，目前一些轎車已經(jīng)使用電動助力轉(zhuǎn)向器，使汽車的經(jīng)濟性、動力性和機動性都有所提高。
電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的英文縮寫叫“EPS”（Electrical Power Steering），它利用電動機產(chǎn)生的動力協(xié)助駕車者進行轉(zhuǎn)向。此類系統(tǒng)一般由轉(zhuǎn)矩傳感器(3)、電控單元（微處理器）(5)、電動機(4)、減速器(2)、機械轉(zhuǎn)向器(1)和蓄電池電源(6)所組成。
1.4循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的前景與市場
不過，隨著轉(zhuǎn)向助力技術(shù)的廣泛應(yīng)用，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器很快后來居上，因為它的結(jié)構(gòu)更簡單從而更利于安裝助力裝置，另外，和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器相比，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向更直接，反饋也更靈敏，這在強調(diào)路感的運動風(fēng)格乘用車上更受歡迎，但對于經(jīng)常在復(fù)雜路況上駕駛的越野車來說，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器倒是更加安全也更加皮實，比如奔馳G級、吉普牧馬人，以及過去的大小切諾基、豐田巡洋艦、三菱帕杰羅等等。
在中、大型商用汽車上循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器還扮演著重要角色，但是在小型乘用車當(dāng)中，采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的已經(jīng)越來越少了，就連一直堅持用循環(huán)球轉(zhuǎn)向的奔馳也逐步轉(zhuǎn)變?yōu)辇X輪齒條。
1.5本課題研究的難點
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要由螺桿、螺母、轉(zhuǎn)向器殼體以及許多小鋼球等部件組成，所謂的循環(huán)球指的就是這些小鋼球，它們被放置于螺母與螺桿之間的密閉管路內(nèi)，起到將螺母螺桿之間的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)樽枇^小的滾動摩擦的作用，當(dāng)與方向盤轉(zhuǎn)向管柱固定到一起的螺桿轉(zhuǎn)動起來后，螺桿推動螺母上下運動，螺母在通過齒輪來驅(qū)動轉(zhuǎn)向搖臂往復(fù)搖動從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。在這個過程當(dāng)中，那些小鋼球就在密閉的管路內(nèi)循環(huán)往復(fù)的滾動，所以這種轉(zhuǎn)向器就被稱為循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。
相比齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由于更多依靠滾動摩擦，所以具有較高的傳動效率，操縱起來比較請便舒適，機械部件的磨損較小，使用壽命相對較長，因此如何提高傳動效率、減小部件磨損是我要考慮的重要問題。
第二章 汽車轉(zhuǎn)向系的組成及分類
2.1汽車轉(zhuǎn)向系的類型和組成
汽車轉(zhuǎn)向系可按轉(zhuǎn)向能源的不同分為機械式轉(zhuǎn)向系和動力轉(zhuǎn)向系兩大類。汽車轉(zhuǎn)向器是用來保持或改變汽車形式方向的機構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行使時，還要保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。駕駛員通過操縱轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使汽車保持直線或轉(zhuǎn)彎運動狀態(tài)，或者上述兩種運動狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換。
機械轉(zhuǎn)向系的能量來源是人力，所有傳力件都是機械的，由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)(方向盤)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)三大部分組成。其中轉(zhuǎn)向器是將操縱機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃訖C構(gòu)的直線運動(嚴格講是近似直線運動)的機構(gòu)，是轉(zhuǎn)向系的核心部件。? 動力轉(zhuǎn)向系除具有以上三大部件外，其最主要的動力來源是轉(zhuǎn)向助力裝置。由于轉(zhuǎn)向助力裝置最常用的是一套液壓系統(tǒng)，因此也就離不開泵、油管、閥、活塞和儲油罐，它們分別相當(dāng)于電路系統(tǒng)中的電池、導(dǎo)線、開關(guān)、電機和地線的作用。? 轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)? 轉(zhuǎn)向盤即通常所說的方向盤。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。由圓環(huán)狀的盤圈、插入轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)向盤轂，以及連接盤圈和盤轂的輻條構(gòu)成。采用焊接或鑄造等工藝制造，轉(zhuǎn)向軸是由細齒花鍵和螺母連接的。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，手感良好，能防止手心出汗打滑的材質(zhì)，還需要有耐熱、耐候性。? 轉(zhuǎn)向盤的功能：轉(zhuǎn)向盤位于司機的正前方，是碰撞時最可能傷害到司機的部件，因此需要轉(zhuǎn)向盤具有很高的安全性，在司機撞在轉(zhuǎn)向盤上時，骨架能夠產(chǎn)生變形，吸收沖擊能，減輕對司機的傷害。轉(zhuǎn)向盤的慣性力矩也是很重要的，慣性力矩小，我們就會感到“輪輕”，操做感良好，但同時也容易受到轉(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。? 現(xiàn)在的轉(zhuǎn)向盤與以前的看似沒有太大變化，但實際上已經(jīng)有了改進。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)的觸點就象奔跑在軌道上的電車，時刻保持接通的狀態(tài)。由于是機械接觸，長時間使用觸點會因磨損影響導(dǎo)電性，導(dǎo)致緊急時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構(gòu)，在轉(zhuǎn)向盤旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，電線*卷筒自由伸縮。
2.1.1 機械式轉(zhuǎn)向系
機械式轉(zhuǎn)向器的能量來源是人力，所有傳力件都是機械的，由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)(方向盤)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)三大部分組成。其中轉(zhuǎn)向器是將操縱機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃訖C構(gòu)的直線運動(嚴格講是近似直線運動)的機構(gòu)，是轉(zhuǎn)向系的核心部件。這種轉(zhuǎn)向器有兩對傳動副組成，一對是螺桿、螺母，另一對是齒條、齒扇或曲柄銷。在螺桿和螺母之間裝有可循環(huán)滾動的鋼球，使滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，從而提高了傳動效率。 這種轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點是，操縱輕便，磨損小，壽命長。缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，轉(zhuǎn)向靈敏度不如齒輪齒條式。因此逐漸被齒輪齒條式取代。但隨著動力轉(zhuǎn)向的應(yīng)用，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器近年來又得到廣泛使用。
當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時，駕駛員對轉(zhuǎn)向盤施加一個轉(zhuǎn)向力矩。該力矩通過轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向萬向節(jié)、和轉(zhuǎn)向傳動軸輸入轉(zhuǎn)向器。經(jīng)轉(zhuǎn)向器放大后的力矩和減速后的運動傳到轉(zhuǎn)向搖臂，再通過轉(zhuǎn)向直拉桿傳給固定于左轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向節(jié)臂，使左轉(zhuǎn)向節(jié)和它所支撐的左轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。
從轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向傳動軸這一系列零件和部件，均屬于轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)。有轉(zhuǎn)向搖臂至轉(zhuǎn)向梯形這一系列零件和部件（不含轉(zhuǎn)向節(jié)），均屬于轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)。
目前較常用的機械式轉(zhuǎn)向器有齒輪齒條式、蝸桿曲柄指銷式、循環(huán)球-齒條齒扇式、蝸桿滾輪式等。其中第二、第四種分別是第一、第三種的變形形式，而蝸桿滾輪式則更少見。方向盤轉(zhuǎn)動使方向機蝸桿轉(zhuǎn)動、渦桿與蝸輪咬合（也有循環(huán)球咬合的）渦輪軸帶動方向機搖臂前后擺動，方向機搖臂通過球頭銷與豎拉桿相連、豎拉桿另一端與左前輪軸頭搖臂相連，軸頭搖臂通過立銷（主銷）與前橋相連，搖臂前后擺動就可使車輪軸頭（沿主銷）左右轉(zhuǎn)向了，左前輪通過橫拉桿與右車輪相連，這樣轉(zhuǎn)動方向盤就可以讓左右前輪同時轉(zhuǎn)向了[2] 汽車行駛中經(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意志使汽車轉(zhuǎn)向的機構(gòu)，它將司機轉(zhuǎn)動方向盤的動作轉(zhuǎn)變?yōu)檐囕?通常是前輪)的偏轉(zhuǎn)動作。
按轉(zhuǎn)向力能源的不同，可將轉(zhuǎn)向系分為機械轉(zhuǎn)向系和動力轉(zhuǎn)向系。
機械轉(zhuǎn)向系的能量來源是人力，所有傳力件都是機械的，由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)(方向盤)、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)三大部分組成。其中轉(zhuǎn)向器是將操縱機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃訖C構(gòu)的直線運動(嚴格講是近似直線運動)的機構(gòu)，是轉(zhuǎn)向系的核心部件。
動力轉(zhuǎn)向系除具有以上三大部件外，其最主要的動力來源是轉(zhuǎn)向助力裝置。由于轉(zhuǎn)向助力裝置最常用的是一套液壓系統(tǒng)，因此也就離不開泵、油管、閥、活塞和儲油罐，它們分別相當(dāng)于電路系統(tǒng)中的電池、導(dǎo)線、開關(guān)、電機和地線的作用。
2.1.2 動力轉(zhuǎn)向器
動力轉(zhuǎn)向器是兼用駕駛員體力和發(fā)動機動力為轉(zhuǎn)向能源的轉(zhuǎn)向系。在正常情況下，汽車轉(zhuǎn)向所需的能量，只有一小部分由駕駛員提供，而大部分是由發(fā)動機通過轉(zhuǎn)向加力裝置提供的。但在轉(zhuǎn)向加力裝置失效時，一般還應(yīng)當(dāng)能由駕駛員獨立承擔(dān)汽車轉(zhuǎn)向任務(wù)。因此，動力轉(zhuǎn)向器是在機械轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)上加設(shè)一套轉(zhuǎn)向加力裝置而形成的。
動力轉(zhuǎn)向器除具有以上三大部件外，其最主要的動力來源是轉(zhuǎn)向助力裝置。由于轉(zhuǎn)向助力裝置最常用的是一套液壓系統(tǒng)，因此也就離不開泵、油管、閥、活塞和儲油罐，它們分別相當(dāng)于電路系統(tǒng)中的電池、導(dǎo)線、開關(guān)、電機和地線的作用。轉(zhuǎn)向助力裝置有以下幾種：
(1)液壓式動力轉(zhuǎn)向裝置
(2)電動式動力轉(zhuǎn)向裝置
(3)電動液壓式動力轉(zhuǎn)向裝置
第三章. 轉(zhuǎn)向系設(shè)計概述
3.1對轉(zhuǎn)向系的要求[3]
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)，任何車輪不應(yīng)有側(cè)滑。不滿足這項要求會加速輪胎磨損，并降低汽車的行駛穩(wěn)定性。
2）汽車轉(zhuǎn)向行駛時，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)向輪都不得產(chǎn)生自振，轉(zhuǎn)向盤沒有擺動。
4）轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置共同工作時，由于運動不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺動應(yīng)最小。
5）保證汽車有較高的機動性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力。
6）操縱輕便。
7) 轉(zhuǎn)向輪碰撞到占該物以后，傳給轉(zhuǎn)向盤的反沖力要盡可能小。
8) 轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的球頭處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機構(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上海的防傷裝置。
10) 進行運動校核，保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動方向一致。
3.2轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)
轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)包括轉(zhuǎn)向盤，轉(zhuǎn)向軸，轉(zhuǎn)向管柱。有時為了布置方便，減小由于裝置位置誤差及部件相對運動所引起的附加載荷，提高汽車正面碰撞的安全性以及便于拆裝，在轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向器的輸入端之間安裝轉(zhuǎn)向萬向節(jié)，如圖2-1。采用柔性萬向節(jié)可減少傳至轉(zhuǎn)向軸上的振動，但柔性萬向節(jié)如果過軟，則會影響轉(zhuǎn)向系的剛度。采用動力轉(zhuǎn)向時，還應(yīng)有轉(zhuǎn)向動力系統(tǒng)。但對于中級以下的轎車和前軸負荷不超過3t的載貨汽車，則多數(shù)僅在用機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而無動力轉(zhuǎn)向裝置。
圖3-1轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)
1-方向盤；2-轉(zhuǎn)向軸；3-橡膠墊；4-轉(zhuǎn)向柱管支架；5-轉(zhuǎn)向柱管支座；6-轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)支架；7-轉(zhuǎn)向軸限位彈簧；8-上萬向節(jié)；9-轉(zhuǎn)向傳動軸；10-花鍵防護套；11-下萬向節(jié)；12-轉(zhuǎn)向柱管；5-轉(zhuǎn)向節(jié)襯套。
3.2轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)[4]
轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)包括轉(zhuǎn)向臂、轉(zhuǎn)向縱拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向梯形臂以及轉(zhuǎn)向橫拉桿等。（見圖3-2）
轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)用于把轉(zhuǎn)向器輸出的力和運動傳給左、右轉(zhuǎn)向節(jié)并使左、右轉(zhuǎn)向輪按一定關(guān)系進行偏轉(zhuǎn)。
圖3-2 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)
1-轉(zhuǎn)向搖臂；2-轉(zhuǎn)向縱拉桿；3-轉(zhuǎn)向節(jié)臂；4-轉(zhuǎn)向梯形臂；5-轉(zhuǎn)向橫拉桿
3.3轉(zhuǎn)向器[5]
機械轉(zhuǎn)向器是將司機對轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動變?yōu)檗D(zhuǎn)向搖臂的擺動（或齒條沿轉(zhuǎn)向車軸軸向的移動），并按一定的角轉(zhuǎn)動比和力轉(zhuǎn)動比進行傳遞的機構(gòu)。
機械轉(zhuǎn)向器與動力系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)成動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。高級轎車和重型載貨汽車為了使轉(zhuǎn)向輕便，多采用這種動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。采用液力式動力轉(zhuǎn)向時，由于液體的阻尼作用，吸收了路面上的沖擊載荷，故可采用可逆程度大、正效率又高的轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)。
為了避免汽車在撞車時司機受到的轉(zhuǎn)向盤的傷害，除了在轉(zhuǎn)向盤中間可安裝安全氣囊外，還可在轉(zhuǎn)向系中設(shè)置防傷裝置。為了緩和來自路面的沖擊、衰減轉(zhuǎn)向輪的擺振和轉(zhuǎn)向機構(gòu)的震動，有的還裝有轉(zhuǎn)向減振器。
多數(shù)兩軸及三軸汽車僅用前輪轉(zhuǎn)向；為了提高操縱穩(wěn)定性和機動性，某些現(xiàn)代轎車采用全四輪轉(zhuǎn)向；多軸汽車根據(jù)對機動性的要求，有時要增加轉(zhuǎn)向輪的數(shù)目，制止采用全輪轉(zhuǎn)向 。
3.4轉(zhuǎn)角及最小轉(zhuǎn)彎半徑
汽車的機動性，常用最小轉(zhuǎn)彎半徑來衡量，但汽車的高機動性則應(yīng)由兩個條件保證。即首先應(yīng)使左、右轉(zhuǎn)向輪處于最大轉(zhuǎn)角時前外輪的轉(zhuǎn)彎值在汽車軸距的2~2.5倍范圍內(nèi)；其次，應(yīng)這樣選擇轉(zhuǎn)向系的角傳動比，即由轉(zhuǎn)向盤處于中間的位置向左或右旋轉(zhuǎn)至極限位置的總旋轉(zhuǎn)全書，對轎車應(yīng)不超過1.8圈，對貨車不應(yīng)超過3.0圈。
兩軸汽車在轉(zhuǎn)向時，若不考慮輪胎的側(cè)向偏離，則為了滿足上述對轉(zhuǎn)向系的第(2)條要求，其內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪理想的轉(zhuǎn)角關(guān)系如圖3-3所示，由下式?jīng)Q定：
(3-1)
式中：—外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；
—內(nèi)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；
K—兩轉(zhuǎn)向主銷中心線與地面交點間的距離；
L—軸距
內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的合理匹配是由轉(zhuǎn)向梯形來保證。
圖3-3 理想的內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角間的關(guān)系
汽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑與其內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪在最大轉(zhuǎn)角與、軸距L、主銷距K及轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)臂a等尺寸有關(guān)。在轉(zhuǎn)向過程中除內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角外，其他參數(shù)是不變的。最小轉(zhuǎn)彎半徑是指汽車在轉(zhuǎn)向輪處于最大轉(zhuǎn)角的條件下以低速轉(zhuǎn)彎時前外輪與地面接觸點的軌跡構(gòu)成圓周的半徑?？砂聪率接嬎悖?
(3-2)
通常為35o～40o，為了減小值，值有時可達到45o
操縱輕便型的要求是通過合理地選擇轉(zhuǎn)向系的角傳動比、力傳動比和傳動效率來達到。
對轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向盤或轉(zhuǎn)向輪能自動回正的要求和對汽車直線行駛穩(wěn)動性的要求則主要是通過合理的選擇主銷后傾角和內(nèi)傾角，消除轉(zhuǎn)向器傳動間隙以及選用可逆式轉(zhuǎn)向器來達到。但要使傳遞到轉(zhuǎn)向盤上的反向沖擊小，則轉(zhuǎn)向器的逆效率有不宜太高。至于對轉(zhuǎn)向系的最后兩條要求則主要是通過合理地選擇結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)布置來解決。
轉(zhuǎn)向器及其縱拉桿與緊固件的稱重，約為中級以及上轎車、載貨汽車底盤干重的1.0%～1.4%；小排量以及下轎車干重的1.5%～2.0%。轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)型式隊汽車的自身質(zhì)量影響較小。
第四章. 機械式轉(zhuǎn)向器方案分析
4.1齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器[6]
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)量比較小；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，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。
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要缺點是：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不同，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向起有四種形式：中間輸入，兩端輸出；側(cè)面輸入，兩端輸出；側(cè)面輸入，中間輸出；側(cè)面輸入，一端輸出。
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)向機構(gòu)產(chǎn)生運動干涉。
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。
容易齒輪齒條式轉(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。因為斜齒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。
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?。晃挥邶X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，前輪采用獨立懸架的貨車和客車有些也用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。
4.2循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器有螺桿和螺母共同形成的落選槽內(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3-1所示。
圖4-1 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器示意圖
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點是：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，因而傳動效率可以達到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)整工作容易進行，（圖4-2）；適合用來做整體式動力轉(zhuǎn)向器。
圖4-2 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的間隙調(diào)整機構(gòu)
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要缺點是：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。
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。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。
4.4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。
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，作用力達到最大值，所以設(shè)計師要注意核算其強度。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。
第五章.轉(zhuǎn)向系的主要性能參數(shù)
5.1轉(zhuǎn)向系的效率
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轉(zhuǎn)向器的正效率，用符號表示，；反之稱為逆效率，用符號表示。
正效率計算公式：
（5-1）
逆效率計算公式：
（5-2）
式中， 為作用在轉(zhuǎn)向軸上的功率；為轉(zhuǎn)向器中的磨擦功率；為作用在轉(zhuǎn)向搖臂軸上的功率。
正效率高，轉(zhuǎn)向輕便；轉(zhuǎn)向器應(yīng)具有一定逆效率，以保證轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤的自動返回能力。但為了減小傳至轉(zhuǎn)向盤上的路面沖擊力，防止打手，又要求此逆效率盡可能低。
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、結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造質(zhì)量等。
5.1.1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、結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造質(zhì)量等。
（1）轉(zhuǎn)向器類型、結(jié)構(gòu)特點與效率
在四種轉(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。選用滾針軸承時，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，故這種軸向器的效率η+僅有54%。另外兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向器效率分別為70%和75%。
轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)向器，其效率可用下式計算
（5-3）
式中，a0為蝸桿（或螺桿）的螺線導(dǎo)程角；ρ為摩擦角，ρ=arctanf；f為磨擦因數(shù)。
5.1.2轉(zhuǎn)向器的逆效率
根據(jù)逆效率不同，轉(zhuǎn)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(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)向輪和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)向器有齒輪齒條式和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。
不可逆式和極限可逆式轉(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。該沖擊力轉(zhuǎn)向傳動機構(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)向器介于可逆式與不可逆式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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
（5-4）
式（5-3）和式（5-4）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)程角小于或等于磨擦角時，逆效率為負值或者為零，此時表明該轉(zhuǎn)向器是不可逆式轉(zhuǎn)向器。為此，導(dǎo)程角必須大于磨擦角。
5.2傳動比變化特性
5.2.1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。
轉(zhuǎn)向系的力傳動比:
（5-5）
＝81.22
轉(zhuǎn)向系的角傳動比:
（5-6）
轉(zhuǎn)向系的角傳動比由轉(zhuǎn)向器角傳動比和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)角傳動比
組成，
即 （5-7）
轉(zhuǎn)向器的角傳動比:
（5-8）
＝22
轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的角傳動比:
?。?-9）
5.2.2力傳動比與轉(zhuǎn)向系角傳動比的關(guān)系
轉(zhuǎn)向阻力與轉(zhuǎn)向阻力矩的關(guān)系式：
（5-10）
作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力與作用在轉(zhuǎn)向盤上的力矩的關(guān)系式：
（5-11）
=41.54 N
將式（5-10）、式（5-11）代入 后得到
（5-12）
=81.22
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
（5-13）
將式（5-10）代入式（5-11）后得到
（5-14）
當(dāng)a和Dsw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。
5.2.3轉(zhuǎn)向器角傳動比的選擇
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)律的主要因素是轉(zhuǎn)向軸負荷大小和對汽車機動能力的要求。
若轉(zhuǎn)向軸負荷小或采用動力轉(zhuǎn)向的汽車，不存在轉(zhuǎn)向沉重問題，應(yīng)取較小的轉(zhuǎn)向器角傳動比，以提高汽車的機動能力。若轉(zhuǎn)向軸負荷大，汽車低速急轉(zhuǎn)彎時的操縱輕便性問題突出，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，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。汽車高速直線行駛時，轉(zhuǎn)向盤在中間位置的轉(zhuǎn)向器角傳動比不宜過小。否則轉(zhuǎn)向過分敏感，使駕駛員精確控制轉(zhuǎn)向輪的運動有困難。
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，如圖5-1所示。
圖5-1轉(zhuǎn)向器角傳動比變化特性曲線
5.3轉(zhuǎn)向器傳動副的傳動間隙△t
傳動間隙是指各種轉(zhuǎn)向器中傳動副之間的間隙。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5-2）。
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)。
傳動副的傳動間隙在轉(zhuǎn)向盤處于中間及其附近位置時要極小，最好無間隙。若轉(zhuǎn)向器傳動副存在傳動間隙，一旦轉(zhuǎn)向輪受到側(cè)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。
為此，傳動副傳動間隙特性應(yīng)當(dāng)設(shè)計成圖5-2所示的逐漸加大的形狀。
圖5-2 轉(zhuǎn)向器傳動副傳動間隙特性
轉(zhuǎn)向器傳動副傳動間隙特性 圖中曲線1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。
5.4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。
第六章 .轉(zhuǎn)向器設(shè)計計算
6.1轉(zhuǎn)向系計算載荷的確定[8]
為了保證行駛安全，組成轉(zhuǎn)向系的各零件應(yīng)有足夠的強度。欲驗算轉(zhuǎn)向系零件的強度，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)向軸的負荷，地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。
精確地計算這些力是困難的，為此推薦用足夠精確的半經(jīng)驗公式來計算汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力距（N?mm),即
(6-1)
＝147623.29 N?mm
式中，f為輪胎和路面見的摩擦因素，一般取0.7；為轉(zhuǎn)向軸負荷（N）;p為輪胎氣壓（MPa）。
作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力為
（6-2）
＝41.54 N
式中， 為轉(zhuǎn)向搖臂長；為轉(zhuǎn)向節(jié)臂長；為轉(zhuǎn)向盤直徑；為轉(zhuǎn)向器角傳動比；為轉(zhuǎn)向器正效率。
6.2轉(zhuǎn)向器設(shè)計
6.2.1參數(shù)的選取[9]
搖臂軸直徑/mm
26
鋼球中心距D/mm
25
螺桿外徑/mm
23
鋼球直徑d /mm
5.556
螺距P /mm
8.731
工作圈數(shù)W
1.5
螺母長度L /mm
45
導(dǎo)管壁厚 /mm
1.5
鋼球直徑與導(dǎo)管內(nèi)徑之間的間隙e/mm
0.5
螺線導(dǎo)程角/o
7
法向壓力角/o
20
接觸角/o
45
環(huán)流行數(shù)
2
6.2.2計算參數(shù)
1.螺母內(nèi)徑應(yīng)大于，一般要求
（6-3）
=+（5%~10%）D=25+8%*25
=27
2. 鋼球數(shù)量n
n=個 （6-4）
≈22個
3. 滾道截面半徑R
R=（0.51~0.53）d=0.525.556=2.889 mm （6-5）
6.3循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器零件強度計算[10]
6.3.1鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力
=k （6-6）
=2253.34
式中，k為系數(shù)，根據(jù)A/B值查表，A=[（1/r）-(1/)]/2, B=[(1/r)+(1/)]/2; 為滾道截面半徑，k取2.271；r為鋼球半徑；為螺桿外徑；E為材料彈性模量，等于2.110MP；為鋼球與螺桿之間的正壓力，即
= （6-7）
＝342.43
式中，為螺桿螺線的導(dǎo)程角；為接觸角；n為參與工作的鋼球數(shù)；為作用在螺桿上的軸向力當(dāng)接觸表面硬度為58~64HRC；拍－時，許用接觸應(yīng)力[]=2500 MP
由于<[],因此滿足強度。
6.3.2轉(zhuǎn)向搖臂直徑的確定
轉(zhuǎn)向搖臂直徑d為
式中，K為安全系數(shù)，根據(jù)汽車使用條件不同可取2.5~3.5；為轉(zhuǎn)向阻力矩；為扭轉(zhuǎn)強度極限。
搖臂軸用20CrMnTi鋼制造，表面滲碳，滲碳層深度在0.8~1.2mm。對于前軸負荷大的汽車，滲碳層深度為1.05~1.45mm。表面硬度為58~63HRC
第七章 動力轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計
7.1對動力轉(zhuǎn)向機構(gòu)的要求[11]
1.運動學(xué)上應(yīng)保持轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角和駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角之間保持一定的比例關(guān)系。
2.隨著轉(zhuǎn)向輪阻力的增大（或減?。饔迷谵D(zhuǎn)向盤上的手力必須增大（或減?。?，稱之為“路感”。
3.當(dāng)作用在轉(zhuǎn)向盤上的切向力≥0.025～0.190kN時，動力轉(zhuǎn)向器就應(yīng)開始工作。
4.轉(zhuǎn)向后,轉(zhuǎn)向盤應(yīng)自動回正，并使汽車保持在穩(wěn)定的直線行駛狀態(tài)。
5.工作靈敏，即轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動后，系統(tǒng)內(nèi)壓力能很快增長到最大值。
6.動力轉(zhuǎn)向失靈時，仍能用機械系統(tǒng)操縱車輪轉(zhuǎn)向。
7.密封性能好，內(nèi)、外泄漏少。
7.2液壓式動力轉(zhuǎn)向機構(gòu)的計算
7.2.1動力缸尺寸計算
動力缸的主要尺寸有動力缸內(nèi)徑、活塞行程、活塞桿直徑和動力缸體壁厚。
動力缸產(chǎn)生的推力F為
式中，為轉(zhuǎn)向搖臂長度；L為轉(zhuǎn)向搖臂軸到動力缸活塞之間的距離。
推力F與工作油液壓力p和動力缸截面面積S之間有如下關(guān)系