图2-1 转向操纵机构
2.3 转向器
转向器是完成由旋转运动到直线运动或近似直线运动的一组齿轮机构，同时也是转向系中减速传动装置。循环球式转向器和齿轮齿条式转向器，已成为当今世界汽车上主要的两种转向器。
循环球式转向器效率高，操纵轻便，有平滑的操纵力特性曲线，容易布置。很适合大、中型车辆和动力转向系统；易于反馈驾驶员操纵的信号；逆效率高回位很好，与液压助力装置配合得很好。可以实现变速比，满足了操纵轻便性的要求。中间位置转向力小且经常使用，要求转向灵敏，希望中间位置附近速比小来提高灵敏性。大角度转向位置转向阻力大，但使用次数少，希望大角度位置速比大一些来减小转向力。由于循环球式转向器的众多优点得到广泛应用。
通过大量钢球的滚动接触来传递转向力，具有较大的强度和较好的耐磨性。并且该转向器可以被设计成具有等强度结构，这也是它应用广泛的原因之一。
变速比结构具有较高的刚度，特别适宜高速车辆车速的提高。高速车辆需要在高速时有较好的转向稳定性，必须保证转向器具有较高的刚度。
齿条齿扇副磨损后可以重新调整间隙，使之具有合适的转向器传动间隙，从而提高转向器寿命，也是这种转向器的优点之一。
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图2-2 循环球式转向器
循环球式转向器有一蜗杆。您可以将此转向器想象为两部分。第一部分是带有螺纹孔的金属块。此金属块外围有切入的轮齿，这些轮齿与驱动转向摇臂的齿轮相结合。方向盘连接在类似螺栓的螺杆上，螺杆则插在金属块的孔内。转动方向盘时，它便会转动螺栓。由于螺栓与金属块之间相对固定，因此旋转时，它不会像普通螺栓那样钻入金属块中，而是带动金属块旋转，进而驱动转动车轮的齿轮。
螺栓并不直接与金属块上的螺纹结合在一起，所有螺纹中都填满了滚珠轴承，当齿轮转动时，这些滚珠将循环转动。滚珠轴承有两个作用：一，减少齿轮的摩擦和磨损；二，减少齿轮的溢出。如果齿轮溢出会在转动方向盘时感觉到。而如果转向器中没有滚珠，轮齿之间会暂时脱离造成方向盘松动。汽车转向系统对汽车的行驶安全至关重要。转向螺杆和螺母上都加工出断面轮廓为两段不同心圆弧组成的半圆的螺旋槽。螺母与螺杆的螺旋槽能形成近似圆形断面的螺旋管状通道。螺母侧面有两对通孔，可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内。转向螺母上有两根钢球导管，导管两端分别插入螺母侧面的一对通孔中。导管内也装满了钢球。两根导管和螺母内的螺旋管状通道组合成两条各自独立的封闭的钢球流道。 2.4 转向传动机构
转向传动机构是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，使两个转向轮偏转角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能的小。
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第三章 转向器设计
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之为正效率，用符号??表示，
???(P1?P2)/P1；反之则称为逆效率，用符号??表示，???(P2为转向器3?P2)/P3。式中P中的摩擦功率；P3为转向摇臂轴上的功率。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行驶时驾驶员的疲劳，车轮于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、参数和制造质量等。 (1) 转向器类型、结构特点与效率
滚针轴承和圆锥滚子轴承、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%，另外两种结构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) 转向器的结构参数和效率
如果忽略轴承和其它地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，对于蜗杆和螺杆类转向器，其效率为
tan?0 （1-1）
tan(?0??)????为摩擦角，式中，（或蜗杆）的螺线导程角通常为8°-10°之间；??arctanf；?0为螺杆f为摩擦因数。取?0为8°；f取0.03，??arctanf?1.718?；
根据逆效率大小不同，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，这种逆效率较高的转向器属于可逆式。它能
???tan?0tan8?（1-2） ??82.1%tan(?0??)tan(8??1.718?)
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。属于可逆式的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。
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如果忽略轴承和其它地方的摩擦损失，只考虑啮合副的摩擦损失，则逆效率为 ???tan(?0??) （1-3）
tan?0
式（1-1）和（1-3）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。 3.2 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的合力2Fw与作用在转向盘上的手力Fh之比，称为力传动比，即 ip?2Fw/Fh （1-5）
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????tan(?0??)tan(8??1.718?)（1-4） ??78.3%tan?0tan8?
?wd?/dtd??? （1-6） ?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。它又由转向器角
?所组成，即i?0?i?i??。 传动比i?和转向传动机构角传动比i?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? （1-7） ???pd?p/dtd?p式中，d?p为摇臂轴转角增量。此定义适应于除齿轮齿条式之外的转向器。摇臂轴角速
?,即 度?p与同侧转向节偏转角速度?k之比，称为转向机构的角传动比i??? i??pd?p/dtd?p （1-8） ???kd?L/dtd?L(2) 力传动比与转向系角传动比的关系
轮胎与地面之间的阻力FW和作用在转向节上的转向阻力矩Mr之间有如下关系
FW?Mr （1-9） 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面与支承平面交线间的距离。
作用在方向盘上的手力Fh可用下式表示
Fh?2Mh （1-10） Dsw7
式中，Mh为作用在转向盘上的力矩；DSW为转向盘直径。 将式（1-9）和（1-10）带入ip?2Fw/Fh后得到
iP?MrDsw （1-11） Mha分析式（1-11）可知，当主销偏移距a小时，力传动比ip应取大些才能保证转向轻便。通常轻型越野车的a值在0.4～0.6倍轮胎的胎面宽度尺寸范围内选取。转向盘直径DSW应根据车型不同在GB5911—86转向盘尺寸标准中规定的系列内选取。本次设计用原有车型的数据。
如果忽略摩擦损失，根据能量守恒原理，2Mr/Mh可用下式表示
2Mrd???i?0 （1-12） Mhd?k将式（1-12）代入（1-11）后得到
iP?i?0Dsw （1-13） 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) 转向系的角传动比i?0
??d?P/d?k表示以外，还可以近似地用转向节臂臂长L2转向传动机构角传动比，除用i???d?P/d?k?L2/L1。现代汽车结构中，L2与L1的比值大约在与摇臂长L1之比来表示，即i?0.85～1.1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。
(4) 转向器角传动比及其变化规律
式（1-9）表明：增大角传动比可以增加力传动比。从ip?2Fw/Fh可知，当FW一定时，增大ip能减少作用在方向盘上的手力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影响应变得迟钝，使转向操纵时间增长，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。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，但可用改变齿扇啮合半径
r的方法，使循环球齿条齿扇式转向器实现变速比的目的。
3.3 主要尺寸参数的选择
BJ2020前轴载荷根据表（3-1）取得为780kg，再根据表（3-2）选择齿扇模数为4。在确定齿扇模数后，转向器其他参数根据表（3-3）进行选取。
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