广东工业大学 汽车前轮转向系统的设计
盘和转向轮转动方向一致。
7、当转向轮受到地面冲击时，转向系统传递到方向盘上的反冲力要尽可能小 8、在任何行使状态下，转向轮不应产生摆振。
9、保证轿车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。机动性是通过汽车的最小转弯半径来体现的，而最小转弯半径由内转向车轮的极限转角、汽车的轴距、主销偏移距决定的，一般的极限转角越大，轴距和主销偏移距越小，则最小转弯半径越小。
10、合理设计转向梯形。转向时内外车轮间的转角协调关系是通过合理设计转向梯形来保证的。对于采用齿轮齿条转向器的转向系来说，转向盘与转向轮转角间的协调关系是通过合理选择小齿轮与齿条的参数、合理布置小齿轮与齿条的相对位置来实现的，而且前置转向梯形和后置转向梯形恰恰相反。转向系的间隙主要是通过各球头皮碗和转向器的调隙机构来调整的。合理的选择转向梯形的断开点可以减小转向传动机构与悬架导向机构的运动干涉。 2.3 转向系的效率
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转向器的正效率，符号η+表示，反之称为逆效率，用符号η-表示。
正效率η+计算公式：
???P1?P2 (2.1) P1 逆效率η-计算公式：
???P3?P2 (2.2) P3式中，P1为作用在转向轴上的功率；P2为转向器中的磨擦功率；P3为作用在转向摇臂轴上的功率。
正效率高，转向轻便；转向器应具有一定逆效率，以保证转向轮和转向盘的自动返回能力。但为了减小传至转向盘上的路面冲击力，防止打手，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[3]。 1、转向器的正效率
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
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别是固定销和蜗杆滚轮式转向器的正效率要明显的低些。
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。选用滚针轴承时，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，故这种轴向器的效率η+仅有54%。另外两种结构的转向器效率分别为70%和75%[3]。
转向摇臂轴的轴承采用滚针轴承比采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
如果忽略轴承和其经地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于蜗杆类转向器，其效率可用下式计算
???tan?0 (2.3)
tan(?0??)式中，?0为蜗杆（或螺杆）的螺线导程角；ρ为摩擦角，ρ=arctanf；f为磨擦系数。
2、转向器的逆效率
根据逆效率不同，转向器有可逆式、极限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到转向盘，这种逆效率较高的转向器属于可逆式。它能保证转向轮和转向盘自动回正，既可以减轻驾驶员的疲劳，又可以提高行驶安全性。但是，在不平路面上行驶时，传至转向盘上的车轮冲击力，易使驾驶员疲劳，影响安全行驾驶。
属于可逆式的转向器有齿轮齿条式和循环球式转向器。
不可逆式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可逆式与不可逆式转向器两者之间。在车轮受到冲击力作用时，此力只有较小一部分传至转向盘。
如果忽略轴承和其它地方的磨擦损失，只考虑啮合副的磨擦损失，则逆效率可用下式计算
???tan(a0??) （2.4）
tana0 8
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式（2.3）和式（2.4）表明：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磨擦角时，逆效率为负值或者为零，此时表明该转向器是不可逆式转向器。为此，导程角必须大于磨擦角。 2.4 传动比特性
1、转向系传动比
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。
ip?2FW/Fh （2.5）
式中FW为从轮胎接地面中心作用在两个转向轮上的合力，Fh为作用在转向盘上的手力。
转向系的角传动比:
i?0??wd?/dtd??? （2.6） ?kd?k/dtd?k式中?w为转向盘角速度；?k为转向节偏转角速度；d?为转向盘转向角增量；d?k为转向节转向增量； dt为时间增量。
?组成，即： 转向系的角传动比i?0由转向器角传动比i?和转向传动机构角传动比i?? （2.7） i?0?i?i?转向器的角传动比:
i???wd?/dtd? （2.8） ???pd?p/dtd?p式中?p为摇臂轴角速度；d?p为摇臂轴转角增量。
转向传动机构的角传动比:
?pd?p/dtd?p?? （2.9） i????kd?k/dtd?k2、力传动比与转向系角传动比的关系 转向阻力Fw与转向阻力矩Mr的关系式：
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Fw?Mr （2.10） aa为主销偏距。
作用在转向盘上的手力Fh与作用在转向盘上的力矩Mh的关系式：
Fh?Mh （2.11） Dsw式中Dsw为方向盘直径
将式（2-10）、式（2-11）代入 ip?2FW/Fh后得到：
ip?MrDsw （2.12） Mha如果忽略磨擦损失，根据能量守恒原理，2Mr/Mh可用下式表示
2Mrd???i?0 （2.13） Mhd?k将式（2.13）代入式（2.12）后得到：
ip?i?0Dsw （2.14） 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，表明转向不灵敏。
3、转向器角传动比的选择
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主要因素是转向轴负荷大小和对汽车机动能力的要求。
若转向轴负荷小或采用动力转向的汽车，不存在转向沉重问题，应取较小的转向器角传动比，以提高汽车的机动能力。若转向轴负荷大，汽车低速急转弯时的操纵轻便性问题突出，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，要求转向轮反应灵敏，转向器角传动比应当小些。汽车高速直线行驶时，转向盘在中间位置的转向器角传动比不宜过小。否则转向过分敏感，使驾驶员精确控制转向轮的运动有困难。
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，如图2.1[3]所示。其中横轴为转向轮转角?，纵轴为转向角传动比。
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图2.1 转向器角传动比变化特性曲线
2.5 转向器传动副的传动间隙
传动间隙是指各种转向器中传动副之间的间隙。该间隙随转向盘转角的大小不同而改变，并把这种变化关系称为转向器传动副传动间隙特性（图2.2）。
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。 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。若转向器传动副存在传动间隙，一旦转向轮受到侧向力作用，车轮将偏离原行驶位置，使汽车失去稳定。
传动副在中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过大时，必须经调整消除该处间隙。
图2.2 转向器传动副传动间隙
转向器传动副传动间隙特性 图中曲线1表明转向器在磨损前的间隙变化特性；曲线2表明使用并磨损后的间隙变化特性，并且在中间位置处已出现较大间隙；曲线3表明调整后并消除中间位置处间隙的转向器传动间隙变化特性。
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