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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
目 錄
摘要……………………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract …………………………………………………………………………………Ⅱ
第1章 緒論……………………………………………………………………………1
1.1課題研究的目的及意義………………………………………………………………1
1.2汽車轉(zhuǎn)向器研究的發(fā)展及趨勢概況…………………………………………………1
1.3 不同類型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點……………………………………………………4
1.3.1 傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)……………………………………………………………4
1.3.2 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）………………………………………………………4
1.3.3電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）……………………………………………5
1.3.4 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）………………………………………………………6
1.3.5 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）…………………………………………………………7
1.4轉(zhuǎn)向器設(shè)計要求………………………………………………………………………7
1.5設(shè)計主要內(nèi)容…………………………………………………………………………8
第2章 液壓動力轉(zhuǎn)向器方案分析及確定……………………………………………9
2.1轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點分析和選擇……………………………………………………9
2.1.1齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器………………………………………………………………9
2.1.2循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器………………………………………………………………10
2.1.3蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器……………………………………………………………11
2.1.4蝸桿指銷式……………………………………………………………………11
2.2齒輪齒條式動力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)…………………………………………………………11
2.3液壓動力轉(zhuǎn)向器工作原理及過程……………………………………………………12
2.3.1工作原理………………………………………………………………………12
2.3.2工作過程………………………………………………………………………13
2.4轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù)………………………………………………………………15
2.4.1轉(zhuǎn)向系的效率…………………………………………………………………15
2.4.2 轉(zhuǎn)向系傳動比…………………………………………………………………16
2.4.3 轉(zhuǎn)向器的傳動副的間隙特性…………………………………………………17
2.4.4轉(zhuǎn)向系的剛度…………………………………………………………………18
2.4.5轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動圈數(shù)…………………………………………………………18
2.5本章小結(jié)………………………………………………………………………………19
第3章 液壓轉(zhuǎn)向器的設(shè)計計算…………………………………………………………20
3.1轉(zhuǎn)向系計算載荷的確定………………………………………………………………20
3.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計……………………………………………………………21
3.2.1選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)………………………………………21
3.2.2按齒面接觸硬度設(shè)計…………………………………………………………21
3.2.3按齒根抗彎強(qiáng)度設(shè)計…………………………………………………………23
3.2.4幾何尺寸計算…………………………………………………………………25
3.3液壓式動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的計算…………………………………………………………26
3.3.1動力缸尺寸的計算……………………………………………………………26
3.3.2活塞行程S的計算…………………………………………………………26
3.3.3分配閥的回位彈簧…………………………………………………………27
3.3.4動力轉(zhuǎn)向器的評價指標(biāo)………………………………………………………27
3.4 本章小結(jié)………………………………………………………………………………28
結(jié)論……………………………………………………………………………………………29
參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………………30
致謝……………………………………………………………………………………………31
附錄……………………………………………………………………………………………32
第1章 緒 論
1.1課題研究的目的及意義
隨著社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步以及人民生活水平的提高，汽車已經(jīng)慢慢的走進(jìn)了人們的生活當(dāng)中，它從以前簡單的代步工具慢慢升級成為一種生活的品質(zhì)，人們不再滿足于簡單的行駛，而更關(guān)注駕駛樂趣對于汽車的安全性、穩(wěn)定性、操縱性等更高要求。而人們除了從外觀及內(nèi)飾等反面了解汽車外，最能直接體驗駕駛樂趣的就是擁有一個良好、先進(jìn)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，一個先進(jìn)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)帶給駕駛者更多的是駕駛的樂趣而不是負(fù)擔(dān)。同時，轉(zhuǎn)向系又是底盤的重要組成部分，其好壞優(yōu)劣會直接關(guān)系到汽車的駕駛舒適性，安全性和操縱穩(wěn)定性，從而影響人們的生命及財產(chǎn)的安全。同時就我國的國情而言，汽車工業(yè)己成為我國的支柱產(chǎn)業(yè)，為了提高汽車的產(chǎn)品質(zhì)量，保證汽車行駛的安全性，操縱穩(wěn)定性，發(fā)展我國的汽車工業(yè)，這就要求汽車轉(zhuǎn)向器綜合性能就成為汽車安全性能的一個重要項目。
汽車轉(zhuǎn)向器屬于對行駛安全影響較大的零部件，在汽車系統(tǒng)中占據(jù)了一個重要的位置，其規(guī)模和質(zhì)量已成為衡量汽車工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。在重型汽車、大型客車等載重量較大的汽車中，通常用動力轉(zhuǎn)向器來操縱汽車行駛方向。由于動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有著傳統(tǒng)機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點，例如：轉(zhuǎn)向輕便靈敏，回位性能及手感良好，極大的減輕了汽車駕駛員的工作強(qiáng)度，特別適用于汽車在高速行駛時的轉(zhuǎn)向。因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的汽車越來越多地配置了動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
而液壓動力轉(zhuǎn)向器具有無噪聲、靈敏度高、體積小、能夠吸收來自不平路面的壓力等優(yōu)點，因此在現(xiàn)代汽車上得到了十分廣泛的應(yīng)用。
1.2 汽車轉(zhuǎn)向器研究的發(fā)展及趨勢概況
隨著科技的迅猛發(fā)展以及汽車的逐步普及，人們對汽車的操縱性、安全性，穩(wěn)定性等方面的性能已經(jīng)有了更進(jìn)一步的要求，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)品的需求也隨著汽車化的提高而發(fā)生著變化。最初駕駛員們只希望比較容易地操縱轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而后則追求在高速行駛時的穩(wěn)定性、舒適性和良好的操縱感。在早期的汽車上，轉(zhuǎn)向機(jī)械非常簡單，主要由一級齒輪傳動機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向拉桿等構(gòu)成。其基本功能是將駕駛員的手動旋轉(zhuǎn)操作轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)向拉桿的左右移動，從而帶動車輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向，隨著汽車技術(shù)的進(jìn)步又出現(xiàn)了更為復(fù)雜些的機(jī)械式轉(zhuǎn)向器，這時的轉(zhuǎn)向器是通過駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤，并通過一系列的桿件傳遞到轉(zhuǎn)向車輪上來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的，而著種傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向器又分為四種形式，分別為：齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式。其中齒輪齒條式和循環(huán)球式應(yīng)用比較廣泛， 在1923年，美國底特律的亨利·馬爾斯（HenryManes）為了減少蝸輪副和滾輪軸之間的接觸摩擦力，在兩者之間接觸處放置滾珠支承，這就出現(xiàn)了滾珠蝸輪轉(zhuǎn)向器。這種形式的轉(zhuǎn)向器就成為現(xiàn)在大家所熟知的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，它目前仍很廣泛地在汽車上應(yīng)用。所謂“現(xiàn)代”齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，是奔馳（Benz）于1885年首先采用的。這種形式的轉(zhuǎn)向器同樣也使用在1905年的凱迪拉克（Cadillac）和1911一1920年間制造的許多其它形式的汽車上。據(jù)了解，在全世界范圍內(nèi)，汽車循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占45%左右，有繼續(xù)發(fā)展之勢；齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器在40%左右；蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器占10%左右；其它型式的轉(zhuǎn)向器占5%。所以可以說循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器在穩(wěn)步發(fā)展。而西歐小客車中，齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器有很大的發(fā)展。日本汽車轉(zhuǎn)向器的特點是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占的比重越來越大，日本裝用不同類型發(fā)動機(jī)的各類型汽車，采用不同類型轉(zhuǎn)向器，在公共汽車中因使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，由60年代占總數(shù)的62.5%發(fā)展到現(xiàn)今的100%了(蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器在公共汽車上已經(jīng)淘汰)。大、小型貨車中，也大都采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器;但齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器有所發(fā)展；微型貨車用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占65 %，齒條齒輪式占35 % 。20世紀(jì)初汽車已經(jīng)是一個沉重而又高速疾駛的車輛，充氣輪胎代替了實心車輪。由于轉(zhuǎn)向柱直接與轉(zhuǎn)向節(jié)連接，所以轉(zhuǎn)動車輪是很費勁的。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，于是要降低轉(zhuǎn)向力的問題就變得比較迫切了。為了轉(zhuǎn)向輕便，工程師設(shè)計了在方向盤和轉(zhuǎn)向節(jié)之間裝置齒輪減速機(jī)構(gòu)。從那時起，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)一直就是這樣沿用下來。汽車轉(zhuǎn)向雖然采用了轉(zhuǎn)向器，但轉(zhuǎn)向的操縱仍非輕松的事當(dāng)汽車重量增大、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)的動力輔助轉(zhuǎn)向器。
從上世紀(jì)四十年代起，為減輕駕駛員體力負(fù)擔(dān)，在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了液壓助力系統(tǒng)它是建立在機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的，額外增加了一個液壓系統(tǒng)HPS(hydraulic?power?steering)，一般有油泵、V形帶輪、油管、供油裝置、助力裝置和控制閥。它具有工作無噪聲，其靈觸度高、體積小，能夠吸收來自不平路面的沖擊力等方面的優(yōu)點并且其工作可靠、技術(shù)成熟至今仍被廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在實際中應(yīng)用的最多。在當(dāng)時這個助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最重要的新功能是液力支持轉(zhuǎn)向的運動，因此可以減少駕駛員作用在方向盤上的力。
隨著轎車車速的不斷提高，傳統(tǒng)的液壓動力轉(zhuǎn)向暴露出一個致命的缺點，即若要保證汽車在停車或低速掉頭時轉(zhuǎn)向輕便的話，汽車在高速行駛時就會感到有“發(fā)飄”的感覺：反之，若要保證汽車在高速行駛時操縱有適度感的話，那么當(dāng)其要停車或低速掉頭時就會感到轉(zhuǎn)向太重，兩者不能兼顧，這是由傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向的結(jié)構(gòu)所決定的。由于動力轉(zhuǎn)向在轎車上的日益普及，對其性能上的要求已不再是單純的為了減輕操作強(qiáng)度，而是要求其在低速掉頭時保證轉(zhuǎn)向輕便性的同時又能保證高速行駛時的操縱穩(wěn)定性。近年來，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中愈來愈多的采用電子器件。相應(yīng)的就出現(xiàn)了電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。電液助力轉(zhuǎn)向可以分為兩大類：電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EHPS、電控液壓助力轉(zhuǎn)向ECHPS[2]。EHPS是在液壓助力系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其特點是原來有發(fā)動機(jī)帶動的液壓助力泵改由電機(jī)驅(qū)動，取代了由發(fā)動機(jī)驅(qū)動的方式，節(jié)省了燃油消耗。ECHPS是在傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了電控裝置構(gòu)成的。
國外在汽車動力轉(zhuǎn)向器的研究和開發(fā)方面進(jìn)行得比較早，進(jìn)行了大量的研究，已經(jīng)成功地開發(fā)出了電動式動力轉(zhuǎn)向器，并在越來越多的轎車和輕型車輛上成功使用。該裝置優(yōu)于普通的動力轉(zhuǎn)向器，在不同車速下可通過轉(zhuǎn)向電腦ECU自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向盤的操作力，在低速行駛或車輛就位時，駕駛員只需用較小的操作力就能靈活進(jìn)行轉(zhuǎn)向；而在高速行駛時，則自動控制使操作力逐漸增大，實現(xiàn)操縱的穩(wěn)定性。當(dāng)然，在目前的技術(shù)水準(zhǔn)下它仍然存在某些不足，如助力較小等，目前仍處在發(fā)展階段。和液壓動力轉(zhuǎn)向器相比，電動轉(zhuǎn)向器具有許多優(yōu)點，如：效率高，路感好、符合環(huán)保要求等，它是轉(zhuǎn)向器未來發(fā)展趨勢。
20世紀(jì)末，隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，電子控制技術(shù)也在汽車上得到逐步廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)的主動安全裝置，有電子控制四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(4WS)、電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)等。
電子控制四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(4WS):傳統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。為了使所有車輪處于純滾動而無滑動，要求全部車輪都繞同一個瞬時轉(zhuǎn)向中心做圓周運動，轉(zhuǎn)向的同一時刻，每個車輪的轉(zhuǎn)向半徑都是不同的。但實際上，汽車轉(zhuǎn)向時若僅前輪轉(zhuǎn)向，車身的前進(jìn)方向與車身的中心線不一致，由于離心力的作用，將使后輪側(cè)偏，導(dǎo)致車輪橫擺。而且車速越高，后輪側(cè)偏越大，結(jié)果使車輪轉(zhuǎn)向在高速時的操縱穩(wěn)定性明顯降低。電子控制四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)則是在前輪轉(zhuǎn)向的同時，主動地控制后輪也進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)向（一般最大為50）。后輪相對于前輪的轉(zhuǎn)向，分為同向轉(zhuǎn)向(后輪與前輪的轉(zhuǎn)動方向一致)和逆向轉(zhuǎn)向（后輪與前輪的轉(zhuǎn)動方向相反）。由于汽車在拐急彎時，通常以低速行駛，而在直道或較平緩的彎道上時，通常以高速行駛。因此，采用電子控制四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車，電子控制單元(ECU)根據(jù)多個傳感器提供的數(shù)據(jù)，計算出后輪距目標(biāo)轉(zhuǎn)角的差值，再向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出指令使后輪偏轉(zhuǎn)。低速行駛時，依據(jù)方向盤的轉(zhuǎn)角值使后輪逆向轉(zhuǎn)向，以減小轉(zhuǎn)彎半徑；中速行駛時，可減少后輪轉(zhuǎn)動，以減輕轉(zhuǎn)向操縱的不自然感覺；而在高速行駛時，可使后輪實現(xiàn)同向轉(zhuǎn)向，減少甚至基本避免車身橫擺，提高轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性。四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自1978年在馬自達(dá)·卡配拉轎車上最初試用以來，世界各大汽車公司已分別研究多種四輪轉(zhuǎn)向裝置，并已批量生產(chǎn)。
動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)日益廣泛的被采用，不僅在重型汽車L必須采用，在高級轎車上采用的也較多，就是在中型汽車上也逐漸推廣。主要是從減輕駕駛員疲勞，提高操縱輕便性和穩(wěn)定性出發(fā)。雖然帶來成本較高和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，但由于它的優(yōu)點明顯，還是得到很快的發(fā)展。
而從國內(nèi)角度來說近年來對于EPS的研究發(fā)展很快，尤其是在控制策略的研究上，已經(jīng)將不同的控制方法引如ECU中，并通過實驗和分析不斷地完善和改進(jìn)，但是在對于細(xì)節(jié)的優(yōu)化上距離國外還有相當(dāng)?shù)牟罹?，而且目前國?nèi)除了吉利汽車，還尚未自主知識產(chǎn)權(quán)的EPS，距離EPS的批量化生產(chǎn)也還有一段路要走
從發(fā)展趨勢上看，國外整體式轉(zhuǎn)向器發(fā)展較快而整體式轉(zhuǎn)向器中轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)是目前發(fā)展的方向。由寸動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還是新的結(jié)構(gòu)，各國的生產(chǎn)廠家都正在組織力量，大力開展試驗研究工作，提高使用性能、減小總成體積、降低生產(chǎn)成本、使之產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。以便逐步推廣和普及。
1.3 不同類型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點
1.3.1 傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
汽車的轉(zhuǎn)向運動是由駕駛員操縱方向盤，通過轉(zhuǎn)向器和一系列的桿件傳遞到轉(zhuǎn)向輪來完成的。機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作過程為：駕駛員對轉(zhuǎn)向盤施加的轉(zhuǎn)向力矩通過轉(zhuǎn)向軸輸入轉(zhuǎn)向器，減速傳動裝置的轉(zhuǎn)向器中有1、2級減速傳動副，經(jīng)轉(zhuǎn)向器放大后的力矩和減速后的運動傳到轉(zhuǎn)向橫拉桿，再傳給固定于轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向節(jié)臂，使轉(zhuǎn)向節(jié)和它所支承的轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)向器形式可以分為：齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式。純機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為了產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)向扭矩需要使用大直徑的轉(zhuǎn)向盤，需占用較大的空間，整個機(jī)構(gòu)笨拙，，特別是對轉(zhuǎn)向阻力較大的重型汽車，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向難度很大，這就大大限制了其使用范圍。但因結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價低廉，目前該類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)除在一些轉(zhuǎn)向操縱力不大、對操控性能要求不高的農(nóng)用車上使用外已很少被采用。
1.3.2 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）
裝配機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車，在泊車和低速行駛時駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱負(fù)擔(dān)過于沉重，為解決這個問題，美國GM公司在20世紀(jì)50年代率先在轎車上采用了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)是建立在機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，額外增加了一個液壓系統(tǒng)。液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由液壓和機(jī)械等兩部分組成，它是以液壓油做動力傳遞介質(zhì)，通過液壓泵產(chǎn)生動力來推動機(jī)械轉(zhuǎn)向器，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般由機(jī)械轉(zhuǎn)向器、液壓泵、油管、分配閥、動力缸、溢流閥和限壓閥、油缸等部件組成。為確保系統(tǒng)安全，在液壓泵上裝有限壓閥和溢流閥。其分配閥、轉(zhuǎn)向器和動力缸置于一個整體，分配閥和主動齒輪軸裝在一起（閥芯與齒輪軸垂直布置），閥芯上有控制槽，閥芯通過轉(zhuǎn)向軸上的撥叉撥動。轉(zhuǎn)向軸用銷釘與閥中的彈性扭桿相接，該扭桿起到閥的中心定位作用。在齒條的一端裝有活塞，并位于動力缸之中，齒條左端與轉(zhuǎn)向橫拉桿相接。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)向軸（連主動齒輪軸）帶動閥芯相對滑套運動，使油液通道發(fā)生變化，液壓油從油泵排出，經(jīng)控制閥流向動力缸的一側(cè)，推動活塞帶動齒條運動，通過橫拉桿使車輪偏轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)向。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在駕駛員的控制下，借助于汽車發(fā)動機(jī)帶動液壓泵產(chǎn)生的壓力來實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向。由于液壓轉(zhuǎn)向可以減少駕駛員手動轉(zhuǎn)向力矩，從而改善了汽車的轉(zhuǎn)向輕便性和操縱穩(wěn)定性。為保證汽車原地轉(zhuǎn)向或者低速轉(zhuǎn)向時的輕便性，液壓泵的排量是以發(fā)動機(jī)怠速時的流量來確定。汽車起動之后，無論車子是否轉(zhuǎn)向，系統(tǒng)都要處于工作狀態(tài)，而且在大轉(zhuǎn)向車速較低時，需要液壓泵輸出更大的功率以獲得比較大的助力，所以在一定程度上浪費了發(fā)動機(jī)動力資源。并且轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還存在低溫工作性能差等缺點。
1.3.3電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）
由于液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法兼顧車輛低速時的轉(zhuǎn)向輕便性和高速時的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性，因此，在1983年日本Koyo公司推出了具備車速感應(yīng)功能的電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）。EHPS是在液壓助力系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)了電控裝置，其特點是原來由發(fā)動機(jī)帶動的液壓助力泵改由電機(jī)驅(qū)動，取代了由發(fā)動機(jī)驅(qū)動的方式，節(jié)省了燃油消耗；具有失效保護(hù)系統(tǒng)，電子元件失靈后仍可依靠原轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安全工作；低速時轉(zhuǎn)向效果不變，高速時可以自動根據(jù)車速逐步減小助力，增大路感，提高車輛行使穩(wěn)定性。電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是將液壓助力轉(zhuǎn)向與電子控制技術(shù)相結(jié)合的機(jī)電一體化產(chǎn)品。一般由電氣和機(jī)械2部分組成，電氣部分由車速傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器和電控單元ECU組成；機(jī)械部分包括齒輪齒條轉(zhuǎn)向器、控制閥、管路和電動泵。其中電動泵的工作狀態(tài)由電子控制單元根據(jù)車輛的行駛速度、轉(zhuǎn)向角度等信號計算出的最理想狀態(tài)。簡單地說，在低速大轉(zhuǎn)向時，電子控制單元驅(qū)動液壓泵以高速運轉(zhuǎn)輸出較大功率，使駕駛員打方向省力；汽車在高速行駛時，液壓控制單元驅(qū)動液壓泵以較低的速度運轉(zhuǎn)，在不至于影響高速打轉(zhuǎn)向的需要的同時，節(jié)省一部分發(fā)動機(jī)功率。電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理：在汽車直線行駛時，方向盤不轉(zhuǎn)動，電動泵以很低的速度運轉(zhuǎn)，大部分工作油經(jīng)過轉(zhuǎn)向閥流回儲油罐，少部分經(jīng)液控閥然后流回儲油罐；當(dāng)駕駛員開始轉(zhuǎn)動方向盤時，ECU根據(jù)檢測到的轉(zhuǎn)角、車速以及電動機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋信號等，判斷汽車的轉(zhuǎn)向狀態(tài)，決定提供助力大小，向驅(qū)動單元發(fā)出控制指令，使電動機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)速以驅(qū)動油泵，進(jìn)而輸出相應(yīng)流量和壓力的高壓油。高壓油經(jīng)轉(zhuǎn)向控制閥進(jìn)入齒條上的動力缸，推動活塞以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)闹Γ瑓f(xié)助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作，從而獲得理想的轉(zhuǎn)向效果。電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上有了較大的改進(jìn)，但液壓裝置的存在，使得該系統(tǒng)仍有難以克服如滲油、不便于安裝維修及檢測等問題。電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)向電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的過渡。
1.3.4 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）
1988年日本Suzuki公司首先在小型轎車Cervo上配備了Koyo公司研發(fā)的轉(zhuǎn)向柱助力式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。1990年日本Honda公司也在運動型轎車NSX上采用了自主研發(fā)的齒條助力式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，從此揭開了電動助力轉(zhuǎn)向在汽車上應(yīng)用的歷史。EPS是在EHPS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它取消EHPS的液壓油泵、油管、油缸和密封圈等部件,完全依靠電動機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),其結(jié)構(gòu)簡單、零件數(shù)量大大減少、可靠性增強(qiáng),解決了長期以來一直存在的液壓管路泄漏和效率低下的問題。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在本田飛度、思域以及豐田新皇冠、奔馳新A-class等車型上紛紛被采用。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般是由轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)向）傳感器、電子控制單元ECU、電動機(jī)、電磁離合器以及減速機(jī)構(gòu)組成。其工作過程為：扭矩傳感器檢測駕駛員打方向盤的扭矩，然后根據(jù)這個扭矩給控制單元一個信號。同時控制單元也會收到來自方向盤位置傳感器的信號，這個傳感器一般是和扭矩傳感器裝在一起的（有些傳感器已經(jīng)將這2個功能集成為一體）。扭矩和方向盤位置信息經(jīng)過控制單元處理，連同傳入控制單元的車速信號，根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的程序產(chǎn)生助力指令。該指令傳到電機(jī)，由電機(jī)產(chǎn)生扭矩傳到助力機(jī)構(gòu)上去，這里的齒輪機(jī)構(gòu)則起到增大扭矩的作用。這樣，助力扭矩就傳到了轉(zhuǎn)向柱并最終完成了助力轉(zhuǎn)向。節(jié)約了能源消耗與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，沒有系統(tǒng)要求的常運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向油泵，且電動機(jī)只是在需要轉(zhuǎn)向時才接通電源，所以動力消耗和燃油消耗均可降到最低。還消除了由于轉(zhuǎn)向油泵帶來的噪音污染。液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要發(fā)動機(jī)帶動液壓油泵，使液壓油不停地流動，再加上存在管流損失等因素，浪費了部分能量。相反EPS僅在需要轉(zhuǎn)向操作時才需零部件要向電機(jī)提供的能量。而且，EPS系統(tǒng)能量的消耗與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向及當(dāng)前的車速有關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤不轉(zhuǎn)向時，電機(jī)不工作；需要轉(zhuǎn)向時，電機(jī)在控制模塊的作用下開始工作，輸出相應(yīng)大小及方向的轉(zhuǎn)矩以產(chǎn)生助動轉(zhuǎn)向力矩。該系統(tǒng)真正實現(xiàn)了“按需供能”，是真正的“按需供能型”（on-demand）系統(tǒng)，在各種行駛條件下可節(jié)能80%左右。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤一角度然后松開時，EPS系統(tǒng)能夠自動調(diào)整使車輪回到正中。同時還可利用軟件在最大限度內(nèi)調(diào)整設(shè)計參數(shù)以獲得最佳的回正特性。通過靈活的軟件編程，容易得到電機(jī)在不同車速及不同車況下的轉(zhuǎn)矩特性，這些轉(zhuǎn)矩特性使得該系統(tǒng)能顯著地提高轉(zhuǎn)向能力，提供了與車輛動態(tài)性能相匹配的轉(zhuǎn)向回正特性。而在傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)中，要改善這種特性必須改造底盤的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)起來很困難。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是影響汽車操縱穩(wěn)定性的重要因素之一。傳統(tǒng)液壓動力轉(zhuǎn)向由于不能很好地對助力進(jìn)行實時調(diào)節(jié)與控制，所以協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向力與路感的能力較差，特別是汽車高速行駛時，仍然會提供較大助力，使駕駛員缺乏路感，甚至感覺汽車發(fā)飄，從而影響操縱穩(wěn)定性。但EPS是由電動機(jī)提供助力，助力大小由電子控制單元（ECU）根據(jù)車速、方向盤輸入扭矩等信號進(jìn)行實時調(diào)節(jié)與控制，可以很好地解決這個矛盾。EPS系統(tǒng)控制單元ECU具有故障自診斷功能，當(dāng)ECU檢測到某一組件工作異常，如各傳感器、電磁離合器、電動機(jī)、電源系統(tǒng)及汽車點火系統(tǒng)等，便會立即控制電磁離合器分離停止助力，轉(zhuǎn)為手動轉(zhuǎn)向，按普通轉(zhuǎn)向控制方式進(jìn)行工作，確保了行車的安全。
1.3.5 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（SBW）
在車輛高速化、駕駛?cè)藛T大眾化、車流密集化的今天，針對更多不同水平的駕駛?cè)巳海嚨囊撞倏v性設(shè)計顯得尤為重要。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steering-By-Wire Systerm，簡稱SBW）的發(fā)展，正是滿足這種客觀需求。它是繼EPS后發(fā)展起來的新一代轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，具有比EPS操縱穩(wěn)定性更好的特點，它取消轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，完全由電能實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，徹底擺脫傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所固有的限制，提高了汽車的安全性和駕駛的方便性。SBW系統(tǒng)一般由轉(zhuǎn)向盤模塊、轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊和主控制器ECU、自動防故障系統(tǒng)以及電源等模塊組成。轉(zhuǎn)向盤模塊包括路感電機(jī)和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器等，轉(zhuǎn)向盤模塊向駕駛員提供合適的轉(zhuǎn)向感覺（也稱為路感）并為前輪轉(zhuǎn)角提供參考信號。轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊包括轉(zhuǎn)向電機(jī)、齒條位移傳感器等,實現(xiàn)2個功能:跟蹤參考前輪轉(zhuǎn)角、向轉(zhuǎn)向盤模塊反饋輪胎所受外力的信息以反饋車輛行駛狀態(tài)。主控制器控制轉(zhuǎn)向盤模塊和轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊的協(xié)調(diào)工作。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時,轉(zhuǎn)向傳感器和轉(zhuǎn)向角傳感器檢測到駕駛員轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角并轉(zhuǎn)變成電信號輸入到ECU,ECU根據(jù)車速傳感器和安裝在轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)上的位移傳感器的信號來控制轉(zhuǎn)矩反饋電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向,并根據(jù)轉(zhuǎn)向力模擬,生成反饋轉(zhuǎn)矩,控制轉(zhuǎn)向電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)矩大小和旋轉(zhuǎn)角度,通過機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向位置，使汽車沿著駕駛員期望的軌跡行駛。
1.4轉(zhuǎn)向器設(shè)計要求
汽車轉(zhuǎn)向系的作用是保持或者改變汽車行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛中，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。保證汽車在行駛中能按駕駛員的操縱要求，適時地改變行駛方向，并能在受到路面干擾偏離行駛方向時，與行駛系配合，共同保持汽車穩(wěn)定地直線行駛。轉(zhuǎn)向系對汽車行駛的適應(yīng)性、安全性都具有重要的意義。
對轉(zhuǎn)向系提出的要求有：
（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。不滿組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)向行駛后，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的位置，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(jī)構(gòu)和懸架導(dǎo)向裝置共同作用時，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(jī)動性，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力。
（6）操縱輕便。
（7）轉(zhuǎn)向輪碰撞到障礙物以后，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(jī)構(gòu)的球頭處，有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整機(jī)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傷害的防傷裝置。
（10）進(jìn)行運動校核，保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動方向一致。
（11）方向盤左置。
（12）不得裝用全動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。
（13）當(dāng)汽車前行向左或向右轉(zhuǎn)彎時，轉(zhuǎn)向盤向左向右的回轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向力不能有顯著的差別。
（14）轉(zhuǎn)向器應(yīng)有合適的角傳動比，既能使轉(zhuǎn)向省力，減輕駕駛員的勞動強(qiáng)度，又能使駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)向輪應(yīng)立即獲得相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角，且轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的總?cè)?shù)不能太多。
1.5設(shè)計主要內(nèi)容
本章主要研究內(nèi)容：總結(jié)分析相關(guān)文獻(xiàn)，分析各轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)劣所在，結(jié)合實際情況初步選定所設(shè)計的轉(zhuǎn)向器類型。利用所選定的轉(zhuǎn)向器參數(shù)，完成轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)布置和設(shè)計。
第2章 液壓動力轉(zhuǎn)向器方案分析及確定
2.1轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點分析和選擇
汽車的轉(zhuǎn)向系根據(jù)其轉(zhuǎn)向能源的不同，可分為機(jī)械式轉(zhuǎn)向系和動力式轉(zhuǎn)向系。而根據(jù)所采用的轉(zhuǎn)向傳動副的不同，轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)型式有多種。常見的有齒輪齒條式、循環(huán)球式、球面蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式等。對轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)型式的選擇，主要是根據(jù)汽車的類型、前軸負(fù)荷、使用條件等來決定，并要考慮其效率特性、角傳動比變化特性等對使用條件的適應(yīng)性以及轉(zhuǎn)向器的其他性能、壽命、制造工藝等。中、小型轎車以及前軸軸荷小于1.2t的客車、貨車，多采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。球面蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器曾廣泛用在輕型和中型汽車上，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器則是當(dāng)前廣泛使用的一種結(jié)構(gòu)，高級轎車和輕型及以上的客車、貨車均多采用。轎車、客車多行駛于好路面上，可以選用正效率高、可逆程度大些的轉(zhuǎn)向器。礦山、工地用汽車和越野汽車，經(jīng)常在壞路或無路地帶行駛，推薦選用極限可逆式轉(zhuǎn)向器，但當(dāng)系統(tǒng)中裝有液力式動力轉(zhuǎn)向或在轉(zhuǎn)向橫拉桿上裝有減振器時，則可采用正、逆效率均高的轉(zhuǎn)向器，因為路面的沖擊可由液體或減振器吸收，轉(zhuǎn)向盤不會產(chǎn)生“打手”現(xiàn)象。
2.1.1齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器
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)量較?。粋鲃有矢哌_(dá)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，如圖1.1所示。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（60%-70%），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)向器有四種形式：中間輸入，兩端輸出（圖2.1a）；側(cè)面輸入，兩端輸出（圖2.1b）；側(cè)面輸入，中間輸出（圖2.1c）側(cè)面輸入，一端輸出（圖2.1d）。
圖2.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的四種形式
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，前軸梯形；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，如圖2.2。
圖2.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器四種布置形式
2.1.2循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器由齒輪機(jī)構(gòu)將來自轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)力進(jìn)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。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要優(yōu)點：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，因而傳動效率可達(dá)到75％—80％；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，使之有足夠的硬度和耐磨損性能，可保證有足夠的使用壽命；轉(zhuǎn)向器的傳動比可以變化；工作平穩(wěn)可靠；齒條與齒扇之間的間隙調(diào)整工作容易進(jìn)行；適合用來做整體式動力轉(zhuǎn)向器。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要缺點：逆效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，制造精度要求高。
2.1.3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。蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的主要優(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(qiáng)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；工作齒面磨損后，調(diào)整嚙合間隙比較困難；轉(zhuǎn)向器的傳動比不能變化。
2.1.4蝸桿指銷式
蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器根據(jù)其銷子能否自轉(zhuǎn)分為固定銷式蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器和旋轉(zhuǎn)銷式轉(zhuǎn)向器。根據(jù)銷子數(shù)量不同，又分為單銷和雙銷之分。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(jìn)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。
轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系中的減速增扭轉(zhuǎn)動裝置[9]，其功用是增大轉(zhuǎn)向盤傳動轉(zhuǎn)向節(jié)的力并改變力的傳遞方向。曾經(jīng)出現(xiàn)過的轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)型式很多，但有些已趨于淘汰?，F(xiàn)代汽車的轉(zhuǎn)向器已演變定型，中型和重型汽車多采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，小型車多采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。在循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器中，輸入轉(zhuǎn)向圈與輸出的轉(zhuǎn)向搖臂擺角是成正比的；在齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器中，輸入轉(zhuǎn)向圈數(shù)與輸出的齒條位移是成正比的。目前大部分低端轎車采用的就是齒輪齒條式機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，本文為輕型車轉(zhuǎn)向器設(shè)計，故采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。
2.2齒輪齒條式動力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)
在齒輪齒條式機(jī)械轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)向助力裝置，就成了齒輪齒條式動力轉(zhuǎn)向器，其工作原理圖如圖2.3和圖2.4所示。
1-活塞；2-齒條；3-右轉(zhuǎn)彎油管
圖2.3 右轉(zhuǎn)彎時液壓油缸動作
1—橫拉桿；2—左轉(zhuǎn)進(jìn)油管；3—右轉(zhuǎn)進(jìn)油管；4—右轉(zhuǎn)進(jìn)油口；5—轉(zhuǎn)向輸入軸；6—旋轉(zhuǎn)式控制閥；7—出油口；8—進(jìn)油口；9—左轉(zhuǎn)進(jìn)油口；10—動力缸；11—活塞； 12—轉(zhuǎn)向齒條；13—防塵套。
圖2.4左轉(zhuǎn)彎時液壓油缸動作
在齒輪齒條式動力轉(zhuǎn)向器中，活塞安裝在轉(zhuǎn)向齒條上，并置于齒條套管內(nèi)。齒條活塞兩邊的齒條套管都被密封起來，形成兩個分開的油液腔，連接左、右轉(zhuǎn)向回路。轉(zhuǎn)向盤右轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)閥在齒條活塞兩邊形成壓力差，使齒條朝低壓方向移動，從而減輕轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤所需的總操縱力。
齒輪齒條式液壓動力轉(zhuǎn)向器與其他形式的轉(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)量較小；傳動效率高達(dá)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)向器占用的體積小；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。
2.3液壓動力轉(zhuǎn)向器工作原理及過程
2.3.1工作原理
在機(jī)械轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)上增加一套轉(zhuǎn)向助力裝置，就成了動力轉(zhuǎn)向器。根據(jù)這套助力裝置提供能源不同分為液壓式動力轉(zhuǎn)向器和電動式動力轉(zhuǎn)向器。以下主要敘述液壓式動力轉(zhuǎn)向器的工作原理。
液壓式動力轉(zhuǎn)向器有常壓式和常流式兩種。對于常壓式動力轉(zhuǎn)向器，其液壓系統(tǒng)設(shè)有儲能裝置，故無論轉(zhuǎn)向盤保持靜止還是運動狀態(tài)，液壓系統(tǒng)工作管路中總是保持高壓。對于常流式動力轉(zhuǎn)向器，其液壓泵始終處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)汽車處于直線行駛狀態(tài)時，轉(zhuǎn)向油泵輸出的油液流入轉(zhuǎn)向控制閥，又由此流回轉(zhuǎn)向油罐，因轉(zhuǎn)向控制閥的節(jié)流阻力很小，故油泵輸出壓力也很低，油泵實際上處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤，通過機(jī)械轉(zhuǎn)向器使轉(zhuǎn)向控制閥(轉(zhuǎn)閥或者滑閥)處于與某一轉(zhuǎn)彎方向相應(yīng)的工作位置時，轉(zhuǎn)向動力缸的相應(yīng)工作腔與回油管路隔絕，轉(zhuǎn)而與油泵輸出管路相同，而動力缸的另一腔仍然通回油管路。地面轉(zhuǎn)向阻力經(jīng)轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)傳到轉(zhuǎn)向動力缸的推桿和活塞上，形成比轉(zhuǎn)向控制閥節(jié)流阻力高得多的油泵輸出管路阻力。于是轉(zhuǎn)向油泵輸出壓力急劇升高，直到足以推動轉(zhuǎn)向動力缸活塞為止。轉(zhuǎn)向盤停止轉(zhuǎn)動后，轉(zhuǎn)向控制閥隨即回復(fù)到中間位置，使動力缸停止工作。
比較而言，常流式結(jié)構(gòu)較簡單、油泵壽命較長、泄漏量較少、功率消耗也較少，因此，目前除少數(shù)重型汽車采用常壓式動力轉(zhuǎn)向器外，其他大量的汽車均采用常流式動力轉(zhuǎn)向器。
如果動力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的機(jī)械轉(zhuǎn)向部分、轉(zhuǎn)向動力缸和轉(zhuǎn)向控制閥組裝成一體，這種結(jié)構(gòu)稱為整體式動力轉(zhuǎn)向器。也有將各部分分離組裝的產(chǎn)品，但是這種產(chǎn)品目前已不多見。
齒輪齒條液壓動力轉(zhuǎn)向器是把活塞安裝在轉(zhuǎn)向齒條上，并至于齒條套管內(nèi)，齒條活塞兩邊的齒條套管被密封起來，形成兩個分開的油液腔，連接左右轉(zhuǎn)向回路，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時，旋轉(zhuǎn)伐在齒條活塞兩邊形成壓力差，使齒條朝低壓方向移動，從而減輕轉(zhuǎn)動方向盤所需的總操縱力。
2.3.2工作過程
如圖2.5所示，汽車直線行駛時，轉(zhuǎn)閥處于中間位置。來自轉(zhuǎn)向油泵的工作液從轉(zhuǎn)向器殼體舶進(jìn)油口0流到閥體13的中間油環(huán)槽中，經(jīng)過其槽底的通孔進(jìn)入閥體13和閥芯12之間，此時因閥芯處于中間位置，所以進(jìn)入的油液分別通過閥體和閥芯縱槽和槽肩形成的兩邊相等的間隙，再通過閥芯的縱槽以及閥體的徑向孔流向閥體外圓上、下油環(huán)槽，然后通過殼體中的兩條油道分別流到動力缸的
R—接右轉(zhuǎn)向動力腔；L—接左轉(zhuǎn)向動力腔；B—接轉(zhuǎn)向液壓泵；G—接轉(zhuǎn)向油罐
2—齒條-活塞；12—進(jìn)油口；13—閥體；22—閥心
圖2.5汽車直線行駛時轉(zhuǎn)閥的工作情況
上、下腔中去，即左轉(zhuǎn)向動力腔L和右轉(zhuǎn)向動力腔R，流人閥體內(nèi)腔的油液在通過閥芯縱槽流向閥體上、油環(huán)槽的同時，通過閥芯槽肩上的徑向油孔流到轉(zhuǎn)向螺桿和輸入軸之間的空隙中，經(jīng)閥體組件和調(diào)整螺塞之間的空隙流到回油口，經(jīng)油管回到油罐中去，形成了常流式油液循環(huán)。此時，上、下腔油壓相等且很小，齒條一活塞19既沒有受到轉(zhuǎn)向螺桿的軸向推力，也沒有受到上、下腔因壓力差造成的軸向推力。所以齒條一活塞處于中間位置，動力轉(zhuǎn)向器不工作。
參見圖2.6，汽車左轉(zhuǎn)彎時，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤使短軸逆時針轉(zhuǎn)動，通過其下端軸銷子帶動閥芯同步轉(zhuǎn)動，這個扭距也通過具有彈性的扭桿軸傳給下端軸蓋，下端軸蓋邊緣上的缺口通過固定在閥體上的銷子帶動閥體轉(zhuǎn)動，閥體通過其下端缺口和銷子，把轉(zhuǎn)向力矩傳給螺桿。由于轉(zhuǎn)向阻力的存在，要有足夠的轉(zhuǎn)向力矩才能使轉(zhuǎn)向螺桿轉(zhuǎn)動。這個轉(zhuǎn)矩促使扭桿軸發(fā)生彈性扭轉(zhuǎn)，造成閥體的轉(zhuǎn)動角度小于閥芯的轉(zhuǎn)動角度，兩者產(chǎn)生相對角位移。通下動力腔的進(jìn)油縫隙減小(或封閉)，回油縫隙增大，油壓降低;通上動力腔的進(jìn)油縫隙增大而回油縫隙減小(或關(guān)閉)，油壓升高，上、下動力腔產(chǎn)生油壓差，齒條一活塞便在上、下動力腔油壓差的作用下移動，產(chǎn)生助力作用。此時，來自轉(zhuǎn)向油泵的壓力油通過槽隙流向動力缸上腔，動力缸下腔的油則通過閥體徑向孔、槽隙、閥芯徑向孔和回油口流回流向儲油罐。
(a)左行駛 (b)右行駛
圖2.6 左右行駛時轉(zhuǎn)閥的工作情況
右轉(zhuǎn)彎時轉(zhuǎn)向器工作過程與左轉(zhuǎn)彎時基本相似，如圖2.5b所示。不同的是由于轉(zhuǎn)向方向相反，造成閥體和閥芯的角位移相反，齒條一活塞下腔油壓升高而上腔油壓降低，產(chǎn)生右轉(zhuǎn)向助力。
當(dāng)轉(zhuǎn)向盤停在某一位置不再繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，閥體隨轉(zhuǎn)向螺桿在液力和扭桿軸彈力的作用下，沿轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動方向旋轉(zhuǎn)一個角度，使之與閥芯的相對角位移量減小，上、下動力腔油壓差減小，但仍有一定的助力作用。此時的助力轉(zhuǎn)矩與車輪的回正力矩相平衡，使車輪維持在某一轉(zhuǎn)向位置上。在轉(zhuǎn)向過程中，若轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的速度快，閥體與閥芯的相對角位移量也大，上、下動力腔的油壓差也相應(yīng)加大，前輪偏轉(zhuǎn)的速度也加快，如轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的慢，前輪偏轉(zhuǎn)的也慢;若轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)在某一位置上不變，對應(yīng)著前輪也轉(zhuǎn)在某一位置上不變。此即稱“漸進(jìn)隨動原理”，也就是“快轉(zhuǎn)快助，大轉(zhuǎn)大助，不轉(zhuǎn)不助”原理。轉(zhuǎn)向后需回正時，如果駕駛員放松轉(zhuǎn)向盤，閥芯回到中間位置，失去了助力作用，此時轉(zhuǎn)向輪在回正力矩的作用下自動回位:若駕駛員同時回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向盤時，轉(zhuǎn)向助力器助力，幫助車輪回正。
當(dāng)汽車直線行駛偶遇外界阻力使轉(zhuǎn)向輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)，阻力矩通過轉(zhuǎn)向傳動機(jī)
構(gòu)，作用在閥體上，使之與閥心之間產(chǎn)生相對角位移，產(chǎn)生了反相的推力作用，
在此力作用下，轉(zhuǎn)回輪迅速回正。
2.4轉(zhuǎn)向系主要性能參數(shù)
2.4.1轉(zhuǎn)向系的效率
功率p從轉(zhuǎn)向軸輸入，經(jīng)轉(zhuǎn)向搖臂軸輸出所求得的效率為正效率，用符號表示，反之稱為逆效率，用符號表示，為了保證轉(zhuǎn)向時駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤輕便，要求正效率高[10]；為了保證汽車轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤能自動返回直線行駛位置，又需要有一定的逆效率。
轉(zhuǎn)向器的正效率與轉(zhuǎn)向器的類型、結(jié)構(gòu)特點、結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造質(zhì)量等有關(guān)。在前述四種轉(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鼓動銷和蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的正效率要明顯低一些。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的正效率可達(dá)90%，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的傳動副為滾動摩擦，摩擦損失小，其正效率可達(dá)85%，球面蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器正效率可達(dá)77%-82%，蝸桿指銷式轉(zhuǎn)向器和蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的傳動副存在較大滑動摩擦，正效率68%-75%比較低。同一類型轉(zhuǎn)向器，因結(jié)構(gòu)不同效率也不一樣。
逆效率表示轉(zhuǎn)向器的可逆性。根據(jù)逆效率值的大小，轉(zhuǎn)向器又可分為可逆式、極限可逆式與不可逆試三種。
可逆式轉(zhuǎn)向器的逆效率較高，這種轉(zhuǎn)向器可將路面作用在車輪上的大部分力傳遞到轉(zhuǎn)向盤上，使司機(jī)的路感好。在汽車轉(zhuǎn)向后也能保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤的自動回正，使轉(zhuǎn)向輪行駛穩(wěn)定。但在壞路面上，當(dāng)轉(zhuǎn)向輪上作用有側(cè)向力時，轉(zhuǎn)向輪受到的沖擊大部分會傳給轉(zhuǎn)向盤，為了減輕在不平路面上行駛時駕駛員的疲勞，車輪與路面之間的作用力傳至轉(zhuǎn)向盤上要盡可能小，防止打手，這又要求此逆效率盡可能低。因此，可逆式轉(zhuǎn)向器宜用于在良好路面上行駛的車輛。循環(huán)球式和齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器均屬于這一類。本文設(shè)計齒輪齒條轉(zhuǎn)向器逆效率為60％-70％。
不可逆式轉(zhuǎn)向器不會將轉(zhuǎn)向輪受到的沖擊力傳到轉(zhuǎn)向盤上。由于它既使司機(jī)沒有路感，又不能保證轉(zhuǎn)向輪的自動回正，現(xiàn)代汽車已不采用。
極限可逆式轉(zhuǎn)向器介于上述兩者之間。其逆效率較低，適用于在壞路面上行駛的汽車。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪受到?jīng)_擊力時，其中只有較小的一部分傳給轉(zhuǎn)向盤。
通常，由轉(zhuǎn)向盤至轉(zhuǎn)向輪的效率即轉(zhuǎn)向系的正效率的平均值為67%-82%；當(dāng)向上述相反方向傳遞力時逆效率的平均值為58%-63%。
在循環(huán)球式機(jī)械轉(zhuǎn)向器的基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)向助力裝置，就成了循環(huán)球式動力轉(zhuǎn)向器，其工作原理如圖2.1所示。
2.4.2 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。
從輪胎接地面中心作用在兩個轉(zhuǎn)向輪上的合力2 與作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力之比，稱為力傳動比。轉(zhuǎn)向盤角速度與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度之比，稱為轉(zhuǎn)向系角傳動比。
轉(zhuǎn)向盤角速度與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)偏轉(zhuǎn)角速度之比，稱為轉(zhuǎn)向系角傳動比，即
（3.1）
式中：—轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角增量；
—轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角增量；
—時間增量。
又由轉(zhuǎn)向器角傳動比和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)角傳動比所組成，即
（3.2）
式中：—轉(zhuǎn)向器的角傳動比；
—轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的角傳動比。
現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的角傳動比多在0.85-1.1之間，即近似于1?，F(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向器的角傳動比也常采用不變的數(shù)值：轎車取=14-22；貨車取=20-25。本次設(shè)計取20。
=120=20
轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的力傳動比與轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置型式及其桿件所處的轉(zhuǎn)向位置有關(guān)。
=100 （3.3）
式中：—主銷偏移距，取值在40-60mm，取40mm；
—轉(zhuǎn)向盤直徑，取360mm。
2.4.3 轉(zhuǎn)向器的傳動副的間隙特性
轉(zhuǎn)向器的傳動間隙是指轉(zhuǎn)向器傳動副之間的間隙[11]。該間隙隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的改變而改變。通常將這種變化關(guān)系稱為轉(zhuǎn)向器的傳動間隙特性。研究該傳動間隙特性的意義在于它對汽車直線行駛時的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向器的壽命都有直接影響。
當(dāng)轉(zhuǎn)向盤處于中間位置即汽車作直線行駛時，如果轉(zhuǎn)向器有傳動間隙則將使轉(zhuǎn)向輪在該間隙范圍內(nèi)偏離直線行駛位置而失去穩(wěn)定性。為防止這種情況發(fā)生，要求當(dāng)轉(zhuǎn)向盤處于中間位置時轉(zhuǎn)向器的傳動副為無隙嚙合。這一要求應(yīng)在汽車使用的全部時間內(nèi)得到保證。汽車多直行行駛，因此轉(zhuǎn)向器傳動副在中間部位的磨損量大于其兩端。為了保證轉(zhuǎn)向器傳動副磨損最大的中間部位能通過調(diào)整來消除因磨損而形成的間隙，調(diào)整后當(dāng)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時又不致于使轉(zhuǎn)向器傳動副在其他嚙合部位卡住。為此應(yīng)使傳動間隙從中間部位到兩端逐漸增大，并在端部達(dá)到其最大值，如圖3.1，利于間隙的調(diào)整及提高轉(zhuǎn)向器的使用壽命。不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向器其傳動間隙特性亦不同。
圖3.1 轉(zhuǎn)向器傳動副傳動間隙特性
2.4.4轉(zhuǎn)向系的剛度
轉(zhuǎn)向系的各零件尤其是一些桿件具有一定的彈性，這使得轉(zhuǎn)向輪的實際轉(zhuǎn)角要比司機(jī)轉(zhuǎn)動方向盤并按轉(zhuǎn)向系角傳動比換算到轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角要小，這樣就會有不足轉(zhuǎn)向的趨勢。轉(zhuǎn)向系剛度對輪胎的側(cè)偏剛度影響也很大。轉(zhuǎn)向系剛度不足會使前輪的側(cè)偏剛度減小，使汽車的轉(zhuǎn)向靈敏度減小。
2.4.5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)動圈數(shù)較少，一般約在3.6圈以內(nèi)；貨車一般不宜超過6圈。
單從轉(zhuǎn)向操縱的靈敏性而言，最好是轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向節(jié)的運動能同步開始并同步終止。然而，這在實際上是不可能實現(xiàn)的。因為在整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，各傳動件之間都必然存在著裝配間隙，而且這些間隙將隨著零件的磨損而增大。在轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動過程的開始階段，駕駛員對轉(zhuǎn)向盤所施加的力矩很小，因為只是用來克服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部的摩擦的，使各傳動件運動到其間的間隙完全消失，故可以認(rèn)為這個階段是轉(zhuǎn)向盤空轉(zhuǎn)階段。此后，才需要對轉(zhuǎn)向盤施加更大的轉(zhuǎn)向力矩，以克服經(jīng)車輪傳到轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向阻力矩，從而實現(xiàn)使各轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)向盤在空轉(zhuǎn)階段中的角行程稱為轉(zhuǎn)向盤自由行程。轉(zhuǎn)向盤自由行程對于緩沖路面沖擊及避免使駕駛員過度緊張是有利的，但不宜過大，以免影響靈敏性。一般來說，轉(zhuǎn)向盤從相應(yīng)于汽車直線行駛的中間位置向任一方向的自由行程最好不超過10～15。當(dāng)零件磨損嚴(yán)重到使轉(zhuǎn)向盤自由行程超過25～30 時，必須進(jìn)行調(diào)整。
2.5本章小結(jié)
本章首先介紹了轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)和分類，本次設(shè)計主要選用齒輪齒條式液壓助力轉(zhuǎn)向器，其次介紹了幾種典型汽車液壓式動力轉(zhuǎn)向器的工作原理及過程，再次，對液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計，確定了液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和主要性能參數(shù)，這為以下的設(shè)計計算奠定了基礎(chǔ)。
第3章 液壓轉(zhuǎn)向器的設(shè)計計算
3.1轉(zhuǎn)向系計算載荷的確定
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(qiáng)度。欲驗算轉(zhuǎn)向系零件的強(qiáng)度，需3首先確定作用在各零件上的力。影響這些力的只要因素有轉(zhuǎn)向軸的負(fù)荷，路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徑公式來計算汽車在瀝青或者混凝土路面上原地轉(zhuǎn)向阻力矩mm)，即
（3.1）
式中：
—輪胎和路面間的滑動摩擦因數(shù)，一般取0.7；
—轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷（N）7987N ；（整備質(zhì)量為815kg）。
—輪胎氣壓（MPa）。0.6 MPa
作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力為
（3.2）
式中：
—轉(zhuǎn)向盤直徑；360mm
—轉(zhuǎn)向系的角傳動比；=20
—轉(zhuǎn)向器的正效率；75%
對給定的汽車，用式（3.2）計算出來的作用力是最大值。因此，可以用此值作為計算載荷。然而，對于前軸負(fù)荷大的貨車，用式（3.2）計算的力往往超過駕駛員生理上的可能。在此情況下，對轉(zhuǎn)向器和動力轉(zhuǎn)向器動力缸以前的零件的計算載荷，應(yīng)取駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤輪緣上的最大瞬時力，此力為700N。
3.2齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的設(shè)計
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒輪多采用斜齒圓柱齒輪。齒輪模數(shù)范圍多在2~3之間。主動小齒輪齒數(shù)多數(shù)在5~7個齒范圍變化，壓力角，齒輪螺旋角取值范圍多為。齒條齒數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪達(dá)到最大偏轉(zhuǎn)角時，相應(yīng)的齒條移動行程應(yīng)達(dá)到的值來確定。此外，設(shè)計時應(yīng)驗算齒輪的抗彎強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度。
已知：小齒輪傳遞功率P=6.125；小齒輪轉(zhuǎn)數(shù)n=;齒數(shù)比u=2.97
3.2.1選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
（1）按汽車轉(zhuǎn)向器的傳動方案 ，選用斜齒圓柱齒輪傳動。
（2）考慮此轉(zhuǎn)向器的功率及壽命，主動小齒輪、齒條都選用硬齒面。由機(jī)械設(shè)計手冊選得主動小齒輪采用低碳合金鋼15GrNi6制造并經(jīng)滲碳淬火；表面硬度在54~62HRC，芯部30~42HRC；齒條采用45號鋼制造并經(jīng)高頻淬火，表面硬度在58HRC以上。殼體常用鋁合金壓鑄。
（3）選取精度等級。因采用表面淬火，輪齒的變形不大，不需磨削；故初選7級精度。
（4）因為是閉式硬齒面齒輪傳動，故選主動小齒輪齒數(shù)；齒條齒數(shù)。
3.2.2按齒面接觸硬度設(shè)計
由機(jī)械原理與設(shè)計設(shè)計計算公式進(jìn)行計算，即
（3.3）
（1） 確定公式內(nèi)的各參數(shù)數(shù)值
a) 試選載荷系數(shù)1.6
b) 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
N·mm
c) 由機(jī)械原理與設(shè)計表9-12選取齒寬系數(shù)
d) 由機(jī)械設(shè)計圖3-14、圖3-15查取
對于鋼制標(biāo)準(zhǔn)斜齒輪，，取、時，、、； ；
e) 由機(jī)械設(shè)計圖3-21及圖3-28按齒面硬度中間值58HRC、MQ等級查得
；；
；；
f) 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
g) 由機(jī)械設(shè)計圖3-23查得
；1.28
h) 計算接觸疲勞許用應(yīng)力
由機(jī)械設(shè)計表3-9查得對于失效概率低于1%
（2） 計算齒輪參數(shù)
a) 計算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值
b) 計算圓周速度
c) 計算齒寬
=
d) 計算模數(shù)
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)
e) 計算當(dāng)量齒數(shù)
f) 計算重合度
3.2.3按齒根抗彎強(qiáng)度設(shè)計
由式機(jī)械原理與設(shè)計9-51得抗彎強(qiáng)度設(shè)計公式為
確定公式內(nèi)的各參數(shù)數(shù)值
（1）由機(jī)械設(shè)計設(shè)計圖3-21及3-28按MQ等級查得齒輪、齒條的抗彎疲勞強(qiáng)度極限：
；；
（2）由機(jī)械原理與設(shè)計圖9-38查得抗疲勞壽命系數(shù)
；；
（3）計算抗彎疲勞許用應(yīng)力
由式：
根據(jù)機(jī)械設(shè)計表3-10及3-31
；；
選擇齒面粗糙度
由機(jī)械設(shè)計圖3-30：