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第3章 汽车转向系方案的选择
3.1 转向系主要性能参数
转向系的主要性能参数有转向系的效率，转向系的角传动比与力传动比，转向器传动副的传动间隙特性，转向系的刚度以及转向盘的总转动圈数。
3.1.1 转向器的效率
'???0转向系的效率由转向器的效率和转向操纵机构的效率决定，即：
?0????' （3-1）
转向器效率?又有正效率??与逆效率??之分。功率P1由转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率称为正效率，反之为逆效率。
??????(P1?P2) （3-2）
P1(P3?P2) （3-3） P3式中 P1——作用在转向轴上的功率；
P2——转向器中的摩擦功率； P3——作用在转向摇臂轴上的功率。
1.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）转向器的类型、结构特点与效率
汽车上常用的转向器形式有循环球式、蜗杆滚轮式、齿轮齿条式和蜗杆指销式等几种。齿轮齿条式。循环球式转向器的正效率比较高，其正效率??可达到85%。同一类型的转向器，因结构不同，效率也有较大差别。如蜗杆滚轮式转向器的滚轮与支持轴之间的轴承可以有滚针轴承、锥轴承和滚珠轴
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承三种结构。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有滑动摩擦损失，故这种转向器的效率??仅达54%左右。根据试验，其余两种转向器结构的效率分别为70%和75%。
（2）转向器的结构参数与效率
蜗杆滚轮式转向器的传动副存在较大滑动摩擦，效率较低。对于蜗杆和螺杆类转向器，如果忽略轴承和其他地方的抹茶损失，只考虑啮合副的摩擦损失，其效率为
???
tan?0tan(?0??) （3-4）
式中 ?0——蜗杆或螺杆的螺线导程角；
?——摩擦角，?=arctanf； f——摩擦系数。 2. 转向器逆效率??
跟据逆效率大小不同，转向器又有可逆式、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，这种转向器是可逆式的。它能保证汽车转向后，转向轮和转向盘自动回正。这既减少驾驶员疲劳，又提高了行驶安全性。但是，在坏路上行驶时，车轮受到的冲击力，大部分都传给转向盘，驾驶员容易“打手”，使之精神状态紧张，如长时间在坏路上行驶，易使驾驶员疲劳，影响安全行驶。因此，这类转向器适用于在良好路面上行驶的车辆。齿轮齿条式和循环球式都属于可逆式转向器。
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，现代汽车基本不采用这种转向器。
极限可逆式转向器介于上述两者之间。当车轮受有冲击力作用时，此力只有较小的一部分传至转向盘。它的逆效率较低，因此在坏路上行驶时，驾驶员并不十分紧张，同时转向传动机构的零件，所受冲击力也比不可逆式转
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向器要小。
如果只考虑啮合副的摩擦，忽略轴承和其他地方的摩擦损失，则逆效率可以用下式计算：
???tan(?0??)tan?0 （3-5）
式（3-5）表明：增加导程角，逆效率也增大。因此，虽然增加导程角能提高正效率，但此时因为逆效率也增大，故导程角不应取得过大；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式转向器。为此，导程角的最小值必须大于摩擦角。通常螺线的导程角选在8°～10°之间。
3.1.2 传动比的变化特性
1.转向系传动比
转向系的传动比包括转向系的角传动比iw0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的合力2F?与作用在转向盘上的手力Fh之比，称为力传动比，即ip?2F?/Fh。
转向盘角速度wW与同侧转向节偏转角速度wk之比，称为转向系角传动比iw0，即
iw0?wWd?dtd???wkd?k/dtd?k （3-6）
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。
iw0又由转向器角传动比iw和转向传动机构角传动比iw'所组成，即
'i?ii w0ww （3-7）
转向盘角速度wW与摇臂轴角速度wP之比，称为转向器角传动比iw，即
iw?wWd?dtd???wPd?P/dtd?P （3-8）
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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wP与同侧转向节偏转角速度wK之比，称为转向传动机构的角传动比iw'，即
iw'?wPd?Pdtd?P??wKd?K/dtd?K （3-9）
2.力传动比与转向系角传动比的关系
轮胎与地面之间的转向阻力F?和作用在转向节上的转向阻力矩Mr有如下关系：
F??Mra （3-10）
式中,为a为主销偏移距，指从转向节主销轴线的延长线与支承平面的交点至车轮中心平面与支承平面的交线的距离。
作用在转向盘上的手力Fh可用下式表示：
Fh?2MhDs? （3-11）
式中，Mh为作用在转向盘上的力矩；Ds?为转向盘直径。
将式（3-10），式（3-11）代入ip?2F?后得到 Fhip?
MrDs?Mha （3-12）
分析式（3-12）可知，主销偏移距a越小，力传动比ip越大，转向越轻便。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。转向盘直径Ds?对轻便性有影响，选用尺寸小写的转向盘，虽然占用的空间少，但转向时需要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。根据齿
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形不同，转向盘直径Ds?在380~550mm的标准系列内选取。如果忽略摩擦损失，2Mr/Mh可以用下式表示：
2Mrd???i?0Mhd?k （3-13）
将式（3-12）代入式（3-13）后得到
ip?i?0Ds?2a （3-14）
当a和Ds?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.转向系的角传动比i?0
转向传动机构的角传动比，还可以近似地用转向节臂臂长l2与摇臂臂长
l1之比来表示，即：
i?'?d?pd?k?l2l1 （3-15）
在现代汽车结构中，l2与l1的比值大约在0.85～1.10之间，可粗略认为其比值为1，即i?'近似为1，则：
i?0?i??d?d?p （3-16）
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及其变化规律即可。
4.转向器角传动比及其变化规律
式（3-14）表明：增大角传动比可以增加力传动比。当转向阻力F?一定时，增大力传动比能减少作用在转向盘上的手力Fh，使操纵轻便。
考虑到i?0?i?，由i?0的定义可知：对于一定的转向盘转角，转向轮转角与转向器角传动比成反比。角传动比增加后，转向轮转角对同一转向盘转角