2.3.1 转向器的效率
功率P1从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率称为正效率，用符号??表示，???(P1?P2)/P1；反之称为逆效率，用符号??表示，???(P3?P2)/P3。式中，P2为转向器的摩擦功率；P3为作用在转向摇臂上的功率。为了保证转向时驾驶员转动转向盘轻便，要求正效率高；为了保证汽车转向后转向轮和转向盘能自动返回到直线行驶位置，又需要有一定的逆效率。为了减轻在不平路面上的行驶时驾驶员的疲劳，车轮与路面之间的作用力传至转向盘上要尽可能小，防止打手，这又要求此逆效率尽可能低。
影响转向器正效率的因素有：转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等。 （1）转向器类型、结构特点与效率，在前述四种转向器中，齿轮齿条式、循环球式转向器的正效率比较高，而蜗杆指销式特别是固定销和蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显低一些。同一类型转向器，因结构不同效率也不一样。如蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支持轴之间的轴承可以选用滚针轴承、圆锥滚子轴承和球轴承等三种结构之一。第一种结构除滚轮与滚针之间有摩擦损失外，滚轮侧翼与垫片之间还存在滑动摩擦损失，故这种转向器的效率??仅有54%[9]。另外两种结构的转向器效率，根据试验结果分别为70%和75%。转向摇臂轴轴承的形式对效率也有影响，用滚针轴承比用滑动轴承可使正或逆效率提高约10%。
（2）转向器的结构参数与效率，如果忽略轴承和其他地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于蜗杆和螺杆类转向器，其正效率为
???tan?0 （2.1）
tan(?0??)式中，?0为蜗杆（或螺杆）的螺线导成角；?为摩擦角，??arctanf；f为摩擦因数。取?0为8?；f取0.03，??arctanf?1.146?；
tan8?tan?0 ?????87.3% （2.2） ??tan(8?1.146）tan(?0??) 根据逆效率大小不同，转向器又有可逆式和不可逆式之分。路面作用在车轮上的力，
经过转向系可大部分传递至转向盘，这种逆效率较高的转向器属于可逆式。它能保证转向后，转向轮和转向盘自动回正。这既减轻了驾驶员的疲劳，又提高了行驶安全性。但是，在不平路面上行驶时，车轮受到的冲击力能大部分传至转向盘，造成驾驶员“打手”，使之精神紧张；如果长时间在不平路面上行驶，易使驾驶员疲劳，影响安全驾驶[10]。属于可逆式的有齿轮齿条式和循环球式转向器。不可逆时转向器，是指车轮受到的冲击力不能传到转向盘的转向器。该冲击力由转向传动机构的零件承受，因而这些零件容易损坏。同时，它既不能保证车轮自动回正，驾驶员又缺乏路面感觉，因此，现代汽车不采用这种转向器。极限可逆式转向器介于上述两者之间，在车轮受到冲击力作用时，此力
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只有较小一部分传至转向盘。它的逆效率极低，在不平路面上行驶时，驾驶员并不十分紧张，同时转向传动机构的零件所承受的冲击力也比不可逆时转向器要小。
如果忽略轴承和其他地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，则逆效率为
tan(?0??)tan(8?-1.146?） ?????85.5% （2.3）
tan?0tan8?由式（2.2）和式（2.3）可见，增加导程角?0，正、逆效率均增大。受??增大的影响，?0不宜取得过大。当导程角小于或等于摩擦角时，逆效率为负值或者为零。此时表明，该转向器是不可逆时转向器。为此，导程角必须大于摩擦角，通常螺线导程角选在8?~10?之间，取8°。
2.3.2 传动比的变化特性
转向系的传动比包括转向系的角传动比i?0和转向系的力传动比ip。从轮胎接地面中心作用在两个转向轮上合力2Fw与作用在转向盘的手力Fh之比，称为力传动比，即
ip?2Fw/Fh
转向盘角速度?w与同侧转向节偏转角速度?k之比，称为转向系角传动比i?0，即
i?0??wd?/dtd? （2.4） ???kd?k/dtd?k式中，d?为转向盘转角增量；d?k为转向节转角增量；dt为时间增量。i?0又由转向器
'角传动比i?和转向传动机构角传动比i?所组成，即
' i?0?i?i? （2.5）
转向盘角速度?w与摇臂轴角速度?p之比，称为转向器角传动比i?，即
i???wd?/dtd??? （2.6） ?pd?p/dtd?p式中，d?p为摇臂轴转角增量。此定义适用于除齿轮齿条式之外的转向器。
摇臂轴角速度?p与同侧转向节偏转角速度?k之比，称为转向传动机的角传动比
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'， i??pd?p/dtd?p?? i?? （2.7） ?kd?k/dtd?k' 轮胎与地面之间的转向阻力Fw和作用在转向节上的转向阻力矩Mr之间有如下关系
Mr （2.8） a式中，a为主销偏移距，指从转向节主销轴线的延长线与支撑平面的交点至车轮中心平
Fw?面与支承平面交线间的距离。作用在转向盘上的手力Fh为
Fh?2Mh （2.9） Dsw式中，Mh为作用在转向盘上的力矩；Dsw为转向盘直径。 将式（2.8）代入式（2.9）ip?2Fw/Fh后得到
ip?MrDsw （2.10） Mha 由式（2.10）可见，当主销偏移距a小时，力传动比ip应取大些才能保持转向轻便。通常乘用车的a值在0.4~0.6倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取，而货车的a值在40~60mm范围内选取[11]。转向盘直径Dsw对轻便性有影响，选用尺寸小些的转向盘，虽然占用的空间少，但转向时需对转向盘施以较大的力；而选用尺寸大些的转向盘又会使驾驶员进、出驾驶室时入座困难。根据车型不同，转向盘直径Dsw在380~550mmd标准系列内选取,这里取Dsw=420mm。
如果忽略摩擦损失，根据能量守恒原理，2Mr/Mh为
2Mrd???i?0 （2.11） Mhd?k将式（2.11）代入式（2.10）后得到 iD ip??0sw （2.12）
2a 当a和Dsw不变时，力传动比ip越大，虽然转向越轻，但i?0也越大，表明转向不灵
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敏。
'?d?p/d?k表示以外，还可以近似地用转向节臂臂 转向传动机构角传动比，除用i?'?L2/L1。现代汽车结构中，L2与L1的比值大约在长L2与摇臂臂长L1之比来表示，即i?0.85~1.10之间，可近似认为其比值为1，则i?0?i??d?/d?。由此可见，研究转向系的传动比特性，只需研究转向器的角传动比i?及其变化规律即可。考虑到i?0?i?，由i?0的定义可知：对于一定的转向盘角速度，转向轮偏转角速度与转向器角传动比成反比。
角传动比增加后，转向轮偏转角速度对转向盘角速度的响应变得迟钝，使转向操纵时间
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增长，汽车转向灵敏性降低，所以“轻”和“灵”构成一对矛盾。为解决这对矛盾，可采用变速比转向器。
齿轮齿条式、循环球式、蜗杆指销式转向器都可以制成变速比转向器。下面介绍齿轮齿条式转向器变速比工作原理。相互啮合齿轮的基圆齿距必须相等，即Pb1?Pb2。其中，齿轮基圆齿距Pb1??m1cos?1，齿条基圆齿距Pb2??m2cos?2。由上述两式可知：当具有标准模数m1和标准压力角?1的齿轮与一个具有变模数m2、变压力角?2的齿条相啮合，并始终保持m1cos?1?m2cos?2时，它们就可以啮合运转。如果齿条中部（相当于汽车直线行驶位置）齿的压力角最大，向两端逐渐减小（模数也随之减小),则主动齿轮啮合半径也减小，致使转向盘每转动某同一角度时，齿条行程也随之减小。因此，转向器的传动比是变化的。
循环球齿条齿扇式转向器的角传动比i??2?r/p。因结构原因，螺距P不能变化，但可以用改变齿扇啮合半径r的方法，达到使循环球齿条齿扇式转向器实现变速比的目的。
随转向盘转角的变化，转向器角传动比可以设计成减小、增大或保持不变的。影响选取角传动比变化规律的因素，主要是转向轴负荷大小和对汽车机动能力的要求。若转
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向轴负荷小，则在转向盘全转角范围内，驾驶员不存在转向沉重问题。装有动力转向的汽车，因转向阻力矩由动力装置克服，所以在上述两中情况下，均应取较小的转向器角传动比并能减少转向盘转动的总圈数，以提高汽车的机动能力。
转向轴负荷大又没有装动力转向的汽车，因转向阻力矩大致与车轮偏转角度的大小成正比变化，汽车低速急转弯行驶时的操纵轻便性问题突出，故应选用大些的转向器角传动比。汽车以较高车速转向行驶时，转向轮转角较小，转向阻力矩也小，此时要求转向器应当小写。因此，转向器角传动比变化曲线应选用大致呈中间小两端大些的下凹形曲线，转向盘在中间位置时的转向器角传动比不宜过小，否则在汽车高速直线行驶时，对转向盘转角过分敏感和使反冲效应加大，使驾驶员精确控制转向轮的运动有困难。相当于汽车直行位置时的转向器角传动比不宜低于15~16。对乘用车，推荐转向器角传动比i?在17~25范围内选取；对商用车，i?在23~32范围内选取，有原始数据得i?=20.25。
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2.3.3 转向器传动副的传动间隙?t
传动间隙是指各种转向器中传动副（如循环球式转向器的齿扇和齿条）之间的间隙该间隙随转向盘转角?的大小不同而改变，这种变化关系称为转向器传动副传动间隙特性。研究该特性的意义在于，它与直线行驶的稳定性和转向器的使用寿命有关。直线行驶时，转向器传动副若存在传动间隙，一旦转向轮受到侧向力作用，就能在间隙的?t范围内，允许车轮偏离原行驶位置，是汽车失去稳定。为防止出现这种情况，要求传动副的传动间隙在转向盘处于中间及其附近位置时要极小，最好无间隙。转向器传动副在中
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间及其附近位置因使用频繁，磨损速度要比两端快。在中间附近位置因磨损造成的间隙大到无法确保直线行驶的稳定性时，必须经调整消除该处的间隙。调整后，要求转向盘能圆滑地从中间位置转到两端，而无卡住现象。为此，传动副的传动间隙特性，应当设计成在离开中间位置以后呈逐渐加大的形状。
循环球式转向器的齿条齿扇传动副的传动间隙特性，可通过将齿扇齿做成不同厚度来获取必要的传动间隙，即将中间齿设计成正常齿吼，从靠近中间齿的两侧齿到离开中间齿最远的齿，其厚度依次递减。如图2-2所示，齿扇工作时绕摇臂轴的轴线中心O转动，加工齿扇时使之绕切齿轴线O1转动。两轴线之间的距离n称为偏心距。用这种方法切齿，可获得厚度不同的齿扇齿。其传动特性为
2R?ncos?p?n2cos2?p?R1?n2? （2.13） ?t?2tan?d?????式中，?d为端面压力角；R为节圆半径；?p为摇臂轴转角；R1为中心O1到b点的距离；
n为偏心距。偏心距n不同，传动副的传动间隙特性也不同。偏心距n不同时的传动间
隙变化特性。n越大，在同一摇臂轴条件下，其传动间隙也越大。一般偏心距n去0.5mm左右为宜。
图2-2 确定齿扇齿切齿轴线偏移的传动副径向间隙△R及传动间隙△t的示意图
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