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摘 要
本論文基于整體式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)，以循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)為主線，綜合了液壓動(dòng)力的分析，對(duì)Jz100型貨車(chē)的轉(zhuǎn)向器進(jìn)行設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)向系作為現(xiàn)代車(chē)輛的重要系統(tǒng)之一，其主要作用是保證車(chē)輛按駕駛員設(shè)想的軌跡運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向器作為轉(zhuǎn)向系最為重要的組成部分，其性能的好壞不僅直接影響轉(zhuǎn)向靈敏度，而且對(duì)車(chē)輛的安全性也有重要影響。隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)轉(zhuǎn)向器也在不斷的得到改進(jìn)，過(guò)去采用循環(huán)球轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球變比轉(zhuǎn)向器只能相對(duì)的解決轉(zhuǎn)向輕便性和操縱靈敏性問(wèn)題, 要想從根本上解決這兩個(gè)問(wèn)題只有安裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。因此, 除重型汽車(chē)和高檔轎車(chē)早已安裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向器外, 近年來(lái)在中型貨車(chē)、豪華客車(chē)及中檔轎車(chē)上都已開(kāi)始安裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。隨著動(dòng)力轉(zhuǎn)向器技術(shù)水平的提高、生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和市場(chǎng)的需要, 其它一些車(chē)型也必將陸續(xù)安裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。
首先，簡(jiǎn)要介紹了汽車(chē)行業(yè)現(xiàn)在的情況和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
其次，對(duì)轉(zhuǎn)向器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，確定了轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)的整體方案。根據(jù)汽車(chē)轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)手冊(cè)和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了必要的計(jì)算。
最后，完成了轉(zhuǎn)向器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：整體式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器；液體壓力；結(jié)構(gòu)分析。
I
Abstract
In this paper, based on the overall hydraulic power steering device design, the main line of the recirculating ball type steering device, the analysis of the hydraulic power, the design of the steering gear of the Jz100 type truck. Steering system as one of the important systems of modern vehicles, its main role is to ensure that the vehicle according to the trajectory of the driver's track. As the most important part of the steering system, the performance of the steering system not only has a direct impact on the sensitivity, but also has an important influence on the safety of the vehicle. With the development of automobile industry, automobile steering gear is continuously improved, past the recirculating ball steering devices and recirculating ball ratio steering gear can only be relative solve steering portability and sensitivity control problem, want to fundamentally solve the two problems only with the installation of power steering gear. Therefore, in addition to heavy vehicles and luxury cars have been installed power steering gear, in recent years in the medium truck, luxury cars and mid-range cars have begun to install power steering gear. With the improvement of power steering technology, production scale and the market's need, some other models will also be installed power steering gear. Firstly, the present situation and future development trend of the automobile industry are introduced briefly.
Secondly, the structure of the steering gear is analyzed, and the overall scheme of the design of the steering gear is determined. According to the automobile steering gear design manual and relevant empirical formula for the calculation of the necessary.
Finally, the overall structure of the steering gear is designed.
Key phrase:Integral hydraulic power steering gear; fluid pressure; structural analysis.
1
目錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題研究的背景和意義 1
1.2 汽車(chē)轉(zhuǎn)向器的發(fā)展 2
1.3 我國(guó)汽車(chē)發(fā)展與國(guó)外的差距 3
1.4 我國(guó)汽車(chē)液壓轉(zhuǎn)向器工業(yè)的發(fā)展前景 4
1.5 畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求及設(shè)計(jì)內(nèi)容 4
1.5.1 設(shè)計(jì)要求 4
1.5.2 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 4
第2章 轉(zhuǎn)器主要參數(shù)、原理和方案的選定 6
2.1 轉(zhuǎn)向器的主要性能參數(shù) 6
2.1.1轉(zhuǎn)向器的效率 6
2.1.2轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比與力傳動(dòng)比 8
2.1.3轉(zhuǎn)向系的傳動(dòng)間隙特性 12
2.1.4轉(zhuǎn)向系的剛度 13
2.1.5轉(zhuǎn)向盤(pán)的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù) 14
2.1.6轉(zhuǎn)向盤(pán)自由行程 15
2.2 整體式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器工作原理 15
2.2.1轉(zhuǎn)閥式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器工作原理 16
2.2.2方向盤(pán)處于某一轉(zhuǎn)角時(shí) 17
2.2.3助力裝置的隨動(dòng)作用 17
2.2.4轉(zhuǎn)向后方向盤(pán)回位的工作狀況 17
2.2.5保證直線行駛穩(wěn)定的情況 17
2.2.6液壓助力裝置失效時(shí)的工作情況 17
2.3 方案的選擇 18
2.3.1轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)分類(lèi) 18
2.3.2液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置方案 20
2.3.3轉(zhuǎn)向分配閥的選擇 22
2.4 轉(zhuǎn)向器方案分析 22
2.5 防傷安全機(jī)構(gòu)方案分析 23
2.6 本章小結(jié) 25
第3章 主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和校核 26
3.1 轉(zhuǎn)向系計(jì)算載荷的確定 26
3.2 螺桿、鋼球和螺母?jìng)鲃?dòng)副 28
3.2.1鋼球中心距、螺桿外徑和螺母內(nèi)徑 28
3.2.2鋼球直徑和數(shù)量 28
3.2.3滾道截面 29
3.2.4接觸角 29
3.2.5螺距和螺線導(dǎo)程角 30
3.2.6工作鋼球圈數(shù) 30
3.2.7導(dǎo)管內(nèi)徑 30
3.3 齒條齒扇傳動(dòng)副的設(shè)計(jì) 32
3.4 零件強(qiáng)度校核 36
3.4.1 鋼球與滾道之間的接觸應(yīng)力 36
3.4.2 齒的彎曲應(yīng)力 38
3.4.3 轉(zhuǎn)向搖臂軸直徑的確定 38
3.5 扭桿的設(shè)計(jì) 41
3.6 動(dòng)力缸的計(jì)算 43
3.6.1 動(dòng)力缸徑的計(jì)算 43
3.6.2 螺母行程的計(jì)算 44
3.6.3 動(dòng)力缸缸筒壁厚的計(jì)算 44
3.7 本章小結(jié) 47
第4章 閥口結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 48
4.1 簡(jiǎn)單閥口的轉(zhuǎn)閥 48
4.2 短切口轉(zhuǎn)閥 50
4.3 本章小結(jié) 52
第5章 液壓回路的設(shè)計(jì) 53
5.1 轉(zhuǎn)向油泵的選擇 53
5.2 轉(zhuǎn)向油罐 54
5.3 本章小結(jié) 55
總結(jié) 56
致謝 58
參考文獻(xiàn) 59
第1章 緒論
1.1 課題研究背景和意義
伴隨著人們生活水平的不斷提高，汽車(chē)在人們的日常生活中正變得越來(lái)越必不可缺少。2014年，我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量雙雙實(shí)現(xiàn)世界第一，汽車(chē)保有量將近1.54億輛。轉(zhuǎn)向系作為現(xiàn)代車(chē)輛的重要系統(tǒng)之一，其主要作用是保證車(chē)輛按駕駛員設(shè)想的軌跡運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向器作為轉(zhuǎn)向系最為重要的組成部分，其性能的好壞不僅直接影響轉(zhuǎn)向靈敏度，而且對(duì)車(chē)輛的安全性也有重要影響。而伴隨著我國(guó)農(nóng)村購(gòu)買(mǎi)能力的提高以及對(duì)安全高效運(yùn)輸工具的需求，低速貨車(chē)在最近幾年發(fā)展尤為迅速。但是，由于低速貨車(chē)是從早期的四輪農(nóng)用車(chē)發(fā)展而來(lái)，設(shè)計(jì)理念及制造工藝相對(duì)比較粗糙，車(chē)輛的整體性能相對(duì)不完善，加之駕駛員的駕駛水平參差不齊，以及低速貨車(chē)長(zhǎng)期處于重載、惡劣路況等相對(duì)復(fù)雜的駕駛操縱環(huán)境下,使得車(chē)輛的操作穩(wěn)定性顯得尤為重要。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為直接控制汽車(chē)的行動(dòng)方向的系統(tǒng)，其性能的惡劣直接影響汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性。汽車(chē)的操作穩(wěn)定性包含兩方面的內(nèi)容：操作性和穩(wěn)定性。汽車(chē)操穩(wěn)性主要影響汽車(chē)行駛安全性和操作復(fù)雜程度，隨著汽車(chē)行駛速度的不斷提高，為了保證行駛的安全性，汽車(chē)操作穩(wěn)定性得到越來(lái)越多的關(guān)注，已經(jīng)成為汽車(chē)性能優(yōu)劣的重要標(biāo)志之一。針對(duì)分析汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)低速貨車(chē)操作穩(wěn)定性的影響就成為了眾研究單位和汽車(chē)廠商一致追求的目標(biāo)。汽車(chē)轉(zhuǎn)向器作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中能夠精確傳遞駕駛員意志的關(guān)鍵部件，其性能好壞會(huì)直接影響整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行能力?？梢哉f(shuō)，一個(gè)合格的轉(zhuǎn)向器是汽車(chē)擁有良好轉(zhuǎn)向性能的前提。
目前，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和線性控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。由于各自性能和特點(diǎn)的不同，各類(lèi)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展情形和使用范圍都不盡相同，而液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由于具備輸出力大、轉(zhuǎn)向平穩(wěn)、安全性能高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為中大型噸位貨車(chē)的最佳選擇。整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向作為目前市場(chǎng)上最為主要的助力轉(zhuǎn)向器，它將機(jī)械轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸和轉(zhuǎn)向控制閥整合到一起，大大減小轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所占的空間，方便轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車(chē)上的布置。機(jī)械轉(zhuǎn)向器和缸體形成左右兩個(gè)工作腔，它們分別通過(guò)油道和轉(zhuǎn)向控制閥相連。整體式液壓轉(zhuǎn)向器通過(guò)控制油壓的大小實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的轉(zhuǎn)動(dòng)。液壓系統(tǒng)工作時(shí)無(wú)噪音，工作滯后時(shí)間短，而且能吸收來(lái)自不平路面的沖擊。因此，液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器已在各類(lèi)各級(jí)汽車(chē)上獲得廣泛應(yīng)用。因此，本課題以Jz100型商用貨車(chē)為基礎(chǔ)，將循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器為研究對(duì)象，闡述整體式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)過(guò)程。
1.2 汽車(chē)轉(zhuǎn)向器的發(fā)展
據(jù)了解，在世界范圍內(nèi)，汽車(chē)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占45％左右，齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器占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％。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器一直在穩(wěn)步發(fā)展。在西歐小客車(chē)中，齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器有很大的發(fā)展。日本汽車(chē)轉(zhuǎn)向器的特點(diǎn)是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占的比重越來(lái)越大，日本裝備不同類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)的各類(lèi)型汽車(chē)，采用不同類(lèi)型轉(zhuǎn)向器，在公共汽車(chē)中使用的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，已由60年代的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(chē)上已經(jīng)被淘汰)。大、小型貨車(chē)大都采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，但齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器也有所發(fā)展。微型貨車(chē)用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占65％，齒條齒輪式占35％。
在國(guó)外，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器實(shí)現(xiàn)了專業(yè)化生產(chǎn)，同時(shí)以專業(yè)廠為主、大力進(jìn)行試驗(yàn)和研究，大大提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。在日本“精工”(NSK)公司的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器就以成本低、質(zhì)量好、產(chǎn)量大，逐步占領(lǐng)日本市場(chǎng)，并向全世界銷(xiāo)售它的產(chǎn)品。德國(guó)ZF公司也作為一個(gè)大型轉(zhuǎn)向器專業(yè)廠著稱于世。它從1948年開(kāi)始生產(chǎn)ZF型轉(zhuǎn)向器，年產(chǎn)各種轉(zhuǎn)向器200多萬(wàn)臺(tái)。還有一些比較大的轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)廠，如美國(guó)德?tīng)柛９維AGINAW分部；英國(guó)AN公司是比較有名的專業(yè)廠家，有很大的產(chǎn)量和銷(xiāo)售面。專業(yè)化生產(chǎn)已成為一種趨勢(shì)，只有走這條道路，才能使產(chǎn)品質(zhì)量高、產(chǎn)量大、成本低，在市場(chǎng)上有競(jìng)爭(zhēng)力。
從發(fā)展趨勢(shì)上看，國(guó)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。由于動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還是新的結(jié)構(gòu)，各國(guó)的生產(chǎn)廠家都正在組織力量，大力開(kāi)展試驗(yàn)研究工作，提高使用性能、減小總成體積、降低生產(chǎn)成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，以便逐步推廣和普及。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的變化對(duì)汽車(chē)乃至汽車(chē)轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)都有很大影響。特別是西方國(guó)家實(shí)行石油禁運(yùn)以來(lái)，世界經(jīng)濟(jì)形勢(shì)受沖擊很大。隨著能源危機(jī)的發(fā)展，汽車(chē)工業(yè)首當(dāng)其沖，其發(fā)展方向有很大變化。從汽車(chē)設(shè)計(jì)、制造到各總成部件的生產(chǎn)都隨著能源危機(jī)的發(fā)生而變化，表現(xiàn)在能源消耗、材料消耗、操縱輕便等各個(gè)方面。我國(guó)加入WTO，給汽車(chē)工業(yè)帶來(lái)新的機(jī)遇，也帶來(lái)挑戰(zhàn)，國(guó)產(chǎn)汽車(chē)及零部件將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。
我國(guó)的轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)，除早期投產(chǎn)的解放牌汽車(chē)用蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器，東風(fēng)汽車(chē)用蝸桿肖式轉(zhuǎn)向器之外，其它大部分車(chē)型都采用循環(huán)球式結(jié)構(gòu)，并都具有一定的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)
。目前解放、東風(fēng)也都在積極發(fā)展循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，并已在第二代換型車(chē)上普遍采用了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。由此看出，我國(guó)的轉(zhuǎn)向器也在向大量生產(chǎn)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器發(fā)展。
隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車(chē)轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)水平也有了很大提高。在汽車(chē)轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)行業(yè)里，70年代推廣了循環(huán)球轉(zhuǎn)向器，80年代開(kāi)發(fā)它推廣了循環(huán)球變傳動(dòng)比轉(zhuǎn)向器。對(duì)提高我國(guó)汽車(chē)轉(zhuǎn)向輕便性水平起了很大的推動(dòng)作用。到了90年代，駕駛員對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向性能的要求有了進(jìn)一步的提高，要求轉(zhuǎn)向更輕便、操縱更靈敏。過(guò)去采用循環(huán)球轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球變比轉(zhuǎn)向器只能相對(duì)的解決轉(zhuǎn)向輕便性和操縱靈敏性問(wèn)題，要想從根本上解決這兩個(gè)問(wèn)題只有安裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。因此，除重型汽車(chē)各高檔轎車(chē)早已安裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向器外，近年來(lái)在中型貨車(chē)、豪華客車(chē)及中檔轎車(chē)上都已開(kāi)始安裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。隨著動(dòng)力轉(zhuǎn)向器技術(shù)水平的提高、生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和市場(chǎng)的需要，其它一些車(chē)型也必將陸續(xù)安裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。
目前國(guó)內(nèi)這些車(chē)型和國(guó)外同類(lèi)汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)一樣，都采用了整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。除轎車(chē)全部采用了齒輪齒條整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器外，其它車(chē)型大都采用循環(huán)球整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。在這些轉(zhuǎn)向器中，其控制閥也由過(guò)去廣泛采用的滑閥式結(jié)構(gòu)幾乎全部改為轉(zhuǎn)閥式結(jié)構(gòu)。
1.3 我國(guó)汽車(chē)發(fā)展與國(guó)外差距
工業(yè)發(fā)展水平的不斷提高，工業(yè)產(chǎn)品更新速度加快，對(duì)汽車(chē)性能的要求越來(lái)越高，盡管改革開(kāi)放以來(lái)，汽車(chē)工業(yè)有了較大發(fā)展，但無(wú)論是數(shù)量還是質(zhì)量仍滿足不了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需要。造成產(chǎn)需矛盾突出的原因，一是專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化程度低，我國(guó)國(guó)內(nèi)的汽車(chē)生產(chǎn)商的專業(yè)化水平相對(duì)國(guó)外來(lái)說(shuō)較落后，各種國(guó)內(nèi)汽車(chē)品牌的汽車(chē)都有各自的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，使對(duì)汽車(chē)零部件的生產(chǎn)造成一定的困難。二是設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)落后，如汽車(chē)的主要部件，發(fā)動(dòng)機(jī)、ECU、傳感器等都需要從國(guó)外進(jìn)口回來(lái)，而在國(guó)內(nèi)只需要負(fù)責(zé)汽車(chē)的組裝，自主生產(chǎn)的能力相對(duì)國(guó)外來(lái)說(shuō)較落后。加之生產(chǎn)效率不高、周期長(zhǎng)。
1.4 我國(guó)汽車(chē)液壓轉(zhuǎn)向器工業(yè)的發(fā)展前景
據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)發(fā)布的2015年中國(guó)汽車(chē)轉(zhuǎn)向器市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)查與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)趨勢(shì)報(bào)告顯示，我國(guó)生產(chǎn)的汽車(chē)以配套安裝液壓助力循環(huán)球轉(zhuǎn)向器及液壓助力齒輪齒條轉(zhuǎn)向器為主。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上有140 余家轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件生產(chǎn)廠商，專業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)向器的廠商有30 余家，年產(chǎn)量達(dá)20 萬(wàn)臺(tái)以上的廠商有10 余家。目前我國(guó)轉(zhuǎn)向器行業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品種類(lèi)齊全，已形成一定規(guī)模并達(dá)到較高水平，并向經(jīng)濟(jì)規(guī)模型、科技創(chuàng)新型方向邁進(jìn)。根據(jù)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2014年末，我國(guó)汽車(chē)轉(zhuǎn)向行業(yè)產(chǎn)能約為3600 萬(wàn)臺(tái)（套），總銷(xiāo)售額約350 億元。
1.5 畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求及設(shè)計(jì)內(nèi)容
1.5.1 設(shè)計(jì)要求
（1）設(shè)計(jì)整體式液壓轉(zhuǎn)向器總裝圖，零號(hào)圖一張；
（2）完成轉(zhuǎn)向器其余零部件的設(shè)計(jì)。2或3號(hào)圖若干張；
（3）撰寫(xiě)畢業(yè)論文：10000～12000字。
1.5.2 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
本論文主要是對(duì)Jz100型整體式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究
3
和探討，所做的工作主要有以下幾個(gè)方面：
（1）介紹了轉(zhuǎn)向器在當(dāng)前社會(huì)上發(fā)展?fàn)顩r，以這些情況為主要思路，設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)形式；
（2）根據(jù)整體式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)形式，選出整體式轉(zhuǎn)向器的零部件形式，然后根據(jù)整體式轉(zhuǎn)向器的工藝性能要求設(shè)計(jì)出整體式轉(zhuǎn)向器的所有構(gòu)件；
（3）對(duì)整體式轉(zhuǎn)向器進(jìn)行分析、調(diào)整。以得到符合實(shí)際生產(chǎn)要求的整體式轉(zhuǎn)向器。
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第2章 轉(zhuǎn)向器主要參數(shù)、原理和方案的選定
2.1 轉(zhuǎn)向系的主要性能參數(shù)
轉(zhuǎn)向器的主要性能參數(shù)有轉(zhuǎn)向器的效率、轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比與力傳動(dòng)比、轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副的傳動(dòng)間隙特性、轉(zhuǎn)向器的剛度以及轉(zhuǎn)向盤(pán)的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。
2.1.1轉(zhuǎn)向器的效率
轉(zhuǎn)向器的輸出功率與輸入功率之比，稱為轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)效率。轉(zhuǎn)向器的效率又有正效率與逆效率之分。轉(zhuǎn)向搖臂軸輸出的功率()與轉(zhuǎn)向軸輸入功率之比，稱為轉(zhuǎn)向器的正效率：
(2-1)
式中——轉(zhuǎn)向器的摩擦功率。
反之，即轉(zhuǎn)向軸輸出的功率()與轉(zhuǎn)向搖臂軸輸入的功率之比，稱為轉(zhuǎn)向器的逆效率：
(2-2)
為了保證轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)輕便，要求正效率高。為了保證汽車(chē)轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤(pán)能自動(dòng)返回到直線行駛位置，又需要有一定的逆效率。為了減輕在不平路面上行駛時(shí)駕駛員的疲勞，車(chē)輪與路面之間的作用力傳至轉(zhuǎn)向盤(pán)上要盡可能小，防止打手又要求此逆效率盡可能低。
1、轉(zhuǎn)向器的正效率
影響轉(zhuǎn)向器正效率的因素有：轉(zhuǎn)向器的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造質(zhì)量等。
（1）轉(zhuǎn)向器類(lèi)型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與正效率
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(xiāo)式特別是蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的正效率要明顯的低些。
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同一類(lèi)型轉(zhuǎn)向器，因結(jié)構(gòu)不同其正效率也不一樣。另外兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向器正效率，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分別為70％和75％。
轉(zhuǎn)向搖臂軸軸承的形式對(duì)效率也有影響，用滾針軸承比用滑動(dòng)軸承可使正逆效率提高約10％。
(2) 轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與正效率
如果忽略軸承和其他地方的摩擦損失而只考慮嚙合副的摩擦，則其正效率為:
（2-3）
式中 ——蝸桿或螺桿的螺線導(dǎo)程角；
——摩擦角，；
——摩擦系數(shù)。
2、 轉(zhuǎn)向器逆效率
根據(jù)逆效率的大小，轉(zhuǎn)向器可分為可逆式、極限可逆式與不可逆式三種。
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轉(zhuǎn)向輪上的大部分力傳遞到轉(zhuǎn)向盤(pán)上，使司機(jī)的路感好。在汽車(chē)轉(zhuǎn)向后也能保證轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向盤(pán)的自動(dòng)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(shí)，轉(zhuǎn)向輪受到的沖擊大部分會(huì)傳給轉(zhuǎn)向盤(pán)，容易產(chǎn)生“打手”現(xiàn)象，同時(shí)轉(zhuǎn)向輪容易產(chǎn)生擺振。因此，可逆式轉(zhuǎn)向器宜用于良好路面上行駛的車(chē)輛。循環(huán)球式和齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器均屬于這一類(lèi)。
不可逆式轉(zhuǎn)向器不會(huì)將轉(zhuǎn)向輪受到的沖擊力傳到轉(zhuǎn)向盤(pán)上。由于它既使司機(jī)沒(méi)有路感，又不能保證轉(zhuǎn)向輪的自動(dòng)回正，現(xiàn)代汽車(chē)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(chē)。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪受到?jīng)_擊力時(shí)，其中只有較小的一部分傳給轉(zhuǎn)向盤(pán)。
如果忽略軸承和其他地方的摩擦損失而只考慮嚙合副的摩擦，則蝸桿和
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螺桿類(lèi)轉(zhuǎn)向器的逆效率為：
（2-4）
式中及見(jiàn)式（2-3）下的說(shuō)明。
式（2-4）、式（2-5）可見(jiàn)：增大導(dǎo)程角不僅能提高正效率，也會(huì)提高逆效率，故不宜取得過(guò)大。當(dāng)≤時(shí)，逆效率≤0，這時(shí)轉(zhuǎn)向器為不可逆式。因此應(yīng)使≥，通常螺線的導(dǎo)程角取為8°～10°。
2.1.2轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比與力傳動(dòng)比
（1）角傳動(dòng)比
轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的增量與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角的相應(yīng)增量之比，稱為轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比。轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的增量與相應(yīng)的轉(zhuǎn)向搖臂軸轉(zhuǎn)角增量之比，稱為轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比。轉(zhuǎn)向搖臂軸轉(zhuǎn)角的增量與轉(zhuǎn)向盤(pán)所在一側(cè)的轉(zhuǎn)向節(jié)相應(yīng)的轉(zhuǎn)角增量之比，稱為轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比。它們之間的關(guān)系為：
（2-5）
（2-6）
（2-7）
式中：——轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比;
——轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比；
——轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比；
——轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的增量；
——轉(zhuǎn)向搖臂軸轉(zhuǎn)角的增量；
——同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角的相應(yīng)增量。
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轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置，通常取其在中間位置時(shí)使轉(zhuǎn)向搖臂及轉(zhuǎn)向節(jié)臂均垂直于其轉(zhuǎn)向縱拉桿，而在向左和向右轉(zhuǎn)到底的位置時(shí)，應(yīng)使轉(zhuǎn)向搖臂與轉(zhuǎn)向節(jié)臂分別與轉(zhuǎn)向縱拉桿的交角相等。這時(shí)，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比亦可取為：
（2-8）
式中 ——轉(zhuǎn)向搖臂長(zhǎng)；
——轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)。
現(xiàn)代汽車(chē)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比多在0.85～1.1，即近似為1。故研究轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比時(shí)，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)往往只研究轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比及其變化規(guī)律即可。
（2） 力傳動(dòng)比
轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力傳動(dòng)比等于轉(zhuǎn)向車(chē)輪的轉(zhuǎn)向阻力矩與轉(zhuǎn)向搖臂的力矩之比值。與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)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)。
在最?lèi)毫拥霓D(zhuǎn)向條件下，例如在干而粗糙的轉(zhuǎn)向輪支承面上做原地轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向車(chē)輪的轉(zhuǎn)向阻力距由轉(zhuǎn)向車(chē)輪相對(duì)于主銷(xiāo)軸線的滾動(dòng)阻力距、輪胎與地面接觸部分的滑動(dòng)摩擦力矩以及轉(zhuǎn)向車(chē)輪的穩(wěn)定力矩或自動(dòng)回正力矩所形成的阻力距組成。即:
(2-9)
（2-10）
(2-11)
(2-12)
式中 ——轉(zhuǎn)向軸的載荷；
——滾動(dòng)阻力的力臂，或主銷(xiāo)偏移距。即由轉(zhuǎn)向節(jié)主銷(xiāo)軸線的延長(zhǎng)
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線與支撐面的交點(diǎn)至車(chē)輪中心平面與支承平面的交線的距離。通常貨車(chē)的值為40～60mm；轎車(chē)取0.4～0.6倍的臺(tái)面寬度；
——車(chē)輪的滾動(dòng)阻力系數(shù)，計(jì)算時(shí)可?。?
——主銷(xiāo)內(nèi)傾角；
——主銷(xiāo)后傾角；
、——內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪的平均轉(zhuǎn)角；
——附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)取；
——滑動(dòng)摩擦力矩的力臂：
（2-13）
、——車(chē)輪的自由半徑和靜半徑，計(jì)算時(shí)可近似地取
在實(shí)際計(jì)算中常取轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力傳動(dòng)比計(jì)算轉(zhuǎn)向搖臂軸上的力矩,即：
（2-14）
式中 ——轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，一般取
則轉(zhuǎn)向器在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的切向力，可由下式求得：
（2-15）
式中 ——轉(zhuǎn)向器的力傳動(dòng)比；
——轉(zhuǎn)向盤(pán)的半徑，根據(jù)車(chē)型不同可在范圍內(nèi)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)系列選取；
——轉(zhuǎn)向器的正效率。
由（2-14）和（2-15）兩式可見(jiàn)：當(dāng)轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向阻力距一定時(shí)，增大轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力傳動(dòng)比就能減小作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的切向力，使操縱輕便。
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這里還應(yīng)指出：當(dāng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中轉(zhuǎn)向時(shí)，上述轉(zhuǎn)向輪與地面間的滑動(dòng)摩擦阻力距比汽車(chē)在原地轉(zhuǎn)向時(shí)的要小許多倍，且與車(chē)速有關(guān)。
（3） 轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比的變化規(guī)律
轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比是一個(gè)重要參數(shù)，它影響著汽車(chē)的許多轉(zhuǎn)向性能。由于增大角傳動(dòng)比可以增大力傳動(dòng)比，因此轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比不僅對(duì)轉(zhuǎn)向靈敏度和穩(wěn)定性有直接影響，而且也影響著汽車(chē)的操縱輕便性。由式（2-5）可以看出：轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比成反比。增大會(huì)使同一轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角下的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角變小，使轉(zhuǎn)向操縱時(shí)間變長(zhǎng)，汽車(chē)轉(zhuǎn)向靈敏性降低。因此轉(zhuǎn)向“輕便性”與“靈敏性”是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中遇到的一對(duì)矛盾。采用可變角傳動(dòng)比的轉(zhuǎn)向器可協(xié)調(diào)對(duì)“輕便性”和“靈敏性”的要求。而轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比的變化規(guī)律又因轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)型式和參數(shù)的不同而異。圖2-1給出了幾種典型的轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比變化規(guī)律。由該圖可見(jiàn)：轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)隨轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角的變化特性有不變（曲線3）和可變之分。后者又有多種變化規(guī)律。其中曲線1為轉(zhuǎn)向盤(pán)在中間位置時(shí)，較小，向左、右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)則逐步增大；曲線4則與之相反。曲線2為蝸桿雙銷(xiāo)式轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比特性曲線，是周期重復(fù)的。曲線5則為蝸桿單銷(xiāo)式轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比特性曲線，這時(shí)轉(zhuǎn)向器蝸桿在中間位置的螺距較小，而至兩端則逐漸增大。
應(yīng)根據(jù)車(chē)型和使用條件的不同來(lái)合理選擇及其變化特性。對(duì)于高速車(chē)輛來(lái)說(shuō)轉(zhuǎn)向盤(pán)處于中間位置時(shí)的轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比不宜過(guò)小，否則會(huì)在高速直線行駛時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)的轉(zhuǎn)角過(guò)分敏感。轉(zhuǎn)向盤(pán)處于中間位置即汽車(chē)直行時(shí)的轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比不宜小于15～16。
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圖2-1 轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比的變化特性曲線
對(duì)于轎車(chē)和輕型以下的貨車(chē)，因前軸負(fù)荷不大，在轉(zhuǎn)向盤(pán)的全轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)不存在轉(zhuǎn)向沉重問(wèn)題，而具有動(dòng)力轉(zhuǎn)向的車(chē)輛，其轉(zhuǎn)向阻力距由動(dòng)力裝置克服，故在上述兩種情況下均有可能選擇較小的角傳動(dòng)比和減少轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的總?cè)?shù)，以提高汽車(chē)的轉(zhuǎn)向的靈敏性。其角傳動(dòng)比宜采用轉(zhuǎn)向盤(pán)處于中間位置時(shí)具有較大值而在左、右兩端具有較小值的變化特性，如圖2-1曲線4及5所示。
對(duì)于沒(méi)有裝動(dòng)力轉(zhuǎn)向的大客車(chē)和中型及以上的載貨汽車(chē)，因轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷大，而轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力傳動(dòng)比在轉(zhuǎn)向過(guò)程中是變化的，使急轉(zhuǎn)彎時(shí)的操縱輕便性問(wèn)題顯得十分突出，故轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)的理想特性應(yīng)當(dāng)是中間小兩端大的曲線，如圖2-1的曲線1所示。
現(xiàn)代汽車(chē)轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比也常采用不變的數(shù)值：轎車(chē)取=14～22；貨車(chē)取=20～25。汽車(chē)的轉(zhuǎn)向車(chē)軸負(fù)荷較輕時(shí)，應(yīng)選用較小值。
2.1.3轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)間隙特性
轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)間隙是指轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副之間的間隙。該間隙隨轉(zhuǎn)向盤(pán)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(dòng)間隙特性。研究該傳動(dòng)間隙特性的意義在于它對(duì)汽車(chē)直線行駛時(shí)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(pán)處于中間位置即汽車(chē)做直線行駛時(shí)，如果轉(zhuǎn)向器有傳動(dòng)間隙則
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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(pán)處于中間位置時(shí)轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)副為無(wú)隙嚙合。這一要求應(yīng)在汽車(chē)使用的全部時(shí)間內(nèi)得到保證。
汽車(chē)多直行行駛，因此轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)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(dòng)副磨損最大的中間部位能通過(guò)調(diào)整來(lái)消除因磨損而形成的間隙，調(diào)整后當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)又不致于使轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)副在其他嚙合部位卡住。為此應(yīng)使傳動(dòng)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（礦量轉(zhuǎn)角約為25°～35°），如圖2-2所示，以利于對(duì)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(dòng)間隙特性亦不同。
圖2-2 轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)間隙特性
1—轉(zhuǎn)向器的徑向礦量；2—轉(zhuǎn)向器的軸向礦量
2.1.4轉(zhuǎn)向系的剛度
轉(zhuǎn)向系的各零、部件尤其是一些桿件均具有一定的彈性，這就使得轉(zhuǎn)向輪的實(shí)際轉(zhuǎn)角要比司機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)并按轉(zhuǎn)向系角傳動(dòng)比換算至轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角要小，這樣就會(huì)有不足轉(zhuǎn)向的趨勢(shì)。轉(zhuǎn)向系剛度對(duì)輪胎的側(cè)偏剛度影響也很大。如果令為不考慮轉(zhuǎn)向系剛度時(shí)的輪胎側(cè)偏剛度，而為考慮轉(zhuǎn)向系剛度時(shí)的輪胎側(cè)偏剛度（稱為等價(jià)剛度），則有以下關(guān)系：
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（2-16）
式中 ——整個(gè)轉(zhuǎn)向系的剛度；
——拖后距（后傾拖距與輪胎拖距之和），見(jiàn)圖2-3。
圖2-3 考慮轉(zhuǎn)向剛度時(shí)的輪胎等價(jià)側(cè)偏剛度
——前輪側(cè)偏角； ——前輪速度；
——側(cè)偏后的前輪速度； ——前輪的側(cè)向反作用力
由上式可見(jiàn)：當(dāng)值很大時(shí)，，即前輪的側(cè)偏剛度近似為考慮轉(zhuǎn)向系剛度時(shí)的輪胎側(cè)偏剛度；當(dāng)值很小時(shí)，前輪的側(cè)偏剛度接近0。后者表明：轉(zhuǎn)向系剛度不足會(huì)使前輪的側(cè)偏剛度減小，并導(dǎo)致汽車(chē)不足轉(zhuǎn)向傾向的加劇，這是汽車(chē)的轉(zhuǎn)向靈敏性變差的原因。
2.1.5轉(zhuǎn)向盤(pán)的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)
轉(zhuǎn)向盤(pán)從一個(gè)極端位置轉(zhuǎn)到另一個(gè)極端位置時(shí)所轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)稱為轉(zhuǎn)向盤(pán)的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。它與轉(zhuǎn)向輪的最大轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比有關(guān)，并影響轉(zhuǎn)向的操縱輕便性和靈敏性。轎車(chē)轉(zhuǎn)向盤(pán)的總轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)較少，一般約在3.6圈以內(nèi)；貨車(chē)一般不宜超過(guò)6圈。
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2.1.6轉(zhuǎn)向盤(pán)自由行程
轉(zhuǎn)向盤(pán)在空轉(zhuǎn)階段中的角行程，稱為轉(zhuǎn)向盤(pán)自由行程。轉(zhuǎn)向盤(pán)自由行程對(duì)于緩和路面沖擊及避免使駕駛員過(guò)度緊張是有利的，但不宜過(guò)大，以免過(guò)分影響靈敏性。一般說(shuō)來(lái)，轉(zhuǎn)向盤(pán)從相應(yīng)于汽車(chē)直線行駛的中間位置向任一方向的自由行程最好不超過(guò)10°～15°。當(dāng)零件磨損嚴(yán)重到十轉(zhuǎn)向盤(pán)自由行程超過(guò)25°～35°時(shí)，必須進(jìn)行調(diào)整。
造成轉(zhuǎn)向盤(pán)自由行程過(guò)大的原因，主要有如下幾個(gè)方面：
(1)轉(zhuǎn)向器蝸桿與滾輪(或齒扇、指銷(xiāo)等)間隙過(guò)大；
(2)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置松動(dòng)；
(3)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置的球鉸鏈間隙過(guò)大(松動(dòng))；
(4)前輪軸承或轉(zhuǎn)向節(jié)主銷(xiāo)與襯套配合不緊等。
2.2 整體式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器工作原理
動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加一套動(dòng)力輔助裝置組成的。如下圖，轉(zhuǎn)向油泵6安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，由曲軸通過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)并向外輸出液壓油。轉(zhuǎn)向油罐5有進(jìn)、出油管接頭，通過(guò)油管分別與轉(zhuǎn)向油泵和轉(zhuǎn)向控制閥2聯(lián)接。轉(zhuǎn)向控制閥用以改變油路。機(jī)械轉(zhuǎn)向器和缸體形成左右兩個(gè)工作腔，它們分別通過(guò)油道和轉(zhuǎn)向控制閥聯(lián)接。
當(dāng)汽車(chē)直線行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向控制閥2將轉(zhuǎn)向油泵6泵出來(lái)的工作液與油罐相通，轉(zhuǎn)向油泵處于卸荷狀態(tài)，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器不起助力作用。當(dāng)汽車(chē)需要向右轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員向右轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)，轉(zhuǎn)向控制閥將轉(zhuǎn)向油泵出來(lái)的工作液與R腔接通，將L腔與油罐接通，在油壓的作用下，活塞向下移動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)使左、右輪向右偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)向。向左轉(zhuǎn)向時(shí)，情況與上述相反。
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圖2-4 液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖
l.轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)2.轉(zhuǎn)向控制閥3.機(jī)械轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸總成4.轉(zhuǎn)向傳動(dòng)結(jié)構(gòu)
5.轉(zhuǎn)向油罐6.轉(zhuǎn)向油泵R.轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸右腔L.轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸左腔
2.2.1 轉(zhuǎn)閥式液壓助力轉(zhuǎn)向器工作原理
汽車(chē)直線行駛時(shí)，閥芯與閥套的位置關(guān)系如圖中所示。自泵來(lái)的液壓油經(jīng)閥芯與閥套間的間隙，流向動(dòng)力缸兩端，動(dòng)力缸兩端油壓相等。駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，閥芯與閥套的相對(duì)位置發(fā)生改變，使得大部分或全部來(lái)自泵的液壓油流入動(dòng)力缸某一端，而另一端與回油管路接通，動(dòng)力缸促進(jìn)汽車(chē)左傳或右轉(zhuǎn)。
圖2-5液壓動(dòng)力原理示意圖
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2.2.2方向盤(pán)處于某一轉(zhuǎn)向角度時(shí)
當(dāng)方向盤(pán)停在某一位置不再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 此時(shí)閥體隨螺桿在油液和扭桿彈力的作用下沿方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度, 使之與轉(zhuǎn)閥相對(duì)角位移量減小, 動(dòng)力缸左、右腔油壓差減小, 但仍有助力作用。助力扭矩與車(chē)輪的回正力矩相平衡, 使車(chē)輪維持在某一轉(zhuǎn)向位置。
2.2.3助力裝置的隨動(dòng)作用
在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，若方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)加快，彈性扭桿的扭轉(zhuǎn)速度也加快，閥體和轉(zhuǎn)閥相對(duì)錯(cuò)開(kāi)的角位移量也迅速增大，動(dòng)力缸左、右腔油壓差也相應(yīng)加大，前輪偏轉(zhuǎn)速度加快?？梢?jiàn)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，前輪隨之偏轉(zhuǎn)； 方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)快，前輪偏轉(zhuǎn)快；方向盤(pán)停轉(zhuǎn), 前輪就停止偏轉(zhuǎn), 即處于平衡狀態(tài)。這就是助力裝置的隨動(dòng)作用。
2.2.4轉(zhuǎn)向后方向盤(pán)回位的工作情況
當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向后回位時(shí)，如果駕駛員放松方向盤(pán)，扭轉(zhuǎn)的彈性扭桿回位，轉(zhuǎn)閥回到中間位置，失去助力作用，此時(shí)轉(zhuǎn)向輪在回正力矩作用下自動(dòng)回位；若需要液壓助力時(shí)，駕駛員可回轉(zhuǎn)方向盤(pán), 使助力器幫助轉(zhuǎn)向輪回正。
2.2.5保證直線行駛穩(wěn)定的情況
前輪直線行駛偶遇外界阻力發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，阻力矩通過(guò)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向螺桿、螺桿與閥體的圓柱銷(xiāo)作用在閥體上，使之與轉(zhuǎn)閥產(chǎn)生相對(duì)角位移, 這樣通向動(dòng)力缸左、右腔油壓不相等，產(chǎn)生助力作用, 通過(guò)循環(huán)球式傳動(dòng)副以及轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使前輪迅速向正。假設(shè)前輪突然遇到外界阻力向左偏轉(zhuǎn)，阻力矩通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使閥體逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，閥體與轉(zhuǎn)閥有相對(duì)角位移量，動(dòng)力缸的左腔油壓升高而右腔油壓降低，產(chǎn)生助力作用，又通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使左偏的前輪迅速回正，保證了汽車(chē)直線行駛的穩(wěn)定性。
2.2.6液壓助力裝置失效時(shí)的工作情況
一旦液壓助力裝置失效，該動(dòng)力轉(zhuǎn)向器即變成機(jī)械轉(zhuǎn)向器。當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向
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時(shí)，閥芯下端有凸塊，轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后, 通過(guò)螺桿上端轉(zhuǎn)閥限位結(jié)構(gòu)，帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn), 以保證汽車(chē)轉(zhuǎn)向。不過(guò)方向盤(pán)的空行程加大，轉(zhuǎn)向時(shí)有沉重感。
2.3 方案的選擇
整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器主要由三部分構(gòu)成：1）機(jī)械式轉(zhuǎn)向器；2）動(dòng)力缸；3）轉(zhuǎn)向分配閥。
2.3.1轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)的分類(lèi)
轉(zhuǎn)向器按結(jié)構(gòu)形式可分為多種類(lèi)型。歷史上曾出現(xiàn)過(guò)許多種形式的轉(zhuǎn)向器，目前較常用的有齒輪齒條式、蝸桿曲柄指銷(xiāo)式、循環(huán)球-齒條齒扇式、循環(huán)球曲柄指銷(xiāo)式、蝸桿滾輪式等。其中第二、第四種分別是第一、第三種的變形形式，而蝸桿滾輪式則更少見(jiàn)。如果按照助力形式，又可以分為機(jī)械式（無(wú)助力），和動(dòng)力式（有助力）兩種，其中動(dòng)力轉(zhuǎn)向器又可以分為氣壓動(dòng)力式、液壓動(dòng)力式、電動(dòng)助力式、電液助力式等種類(lèi)。
1、 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器
它是一種最常見(jiàn)的轉(zhuǎn)向器。其基本結(jié)構(gòu)是一對(duì)相互嚙合的小齒輪和齒條，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。轉(zhuǎn)向軸帶動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒條便做直線運(yùn)動(dòng)。有時(shí)，靠齒條來(lái)直接帶動(dòng)橫拉桿，就可使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向。所以，這是一種最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)向器。在汽車(chē)上得到廣泛應(yīng)用。與其它形式轉(zhuǎn)向器比較，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器最主要的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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)量比較小；傳動(dòng)效率高達(dá)90％；齒輪與齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙后，利用裝在齒條背部、靠近主動(dòng)小齒輪處的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧，可自動(dòng)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(shí)產(chǎn)生沖擊和噪聲；轉(zhuǎn)向器占用的體積?。粵](méi)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。
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齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是：因逆效率高(60％～70％)，汽車(chē)在不平路面上行駛時(shí)，發(fā)生在轉(zhuǎn)向輪與路面之間的沖擊力，大部分能傳至轉(zhuǎn)向盤(pán)，稱之為反沖。反沖現(xiàn)象會(huì)使駕駛員精神緊張，并難以準(zhǔn)確控制汽車(chē)行駛方向，轉(zhuǎn)向盤(pán)突然轉(zhuǎn)動(dòng)又會(huì)造成打手，對(duì)駕駛員造成傷害。
2、 蝸桿曲柄銷(xiāo)式轉(zhuǎn)向器
它是以蝸桿為主動(dòng)件，曲柄銷(xiāo)為從動(dòng)件的轉(zhuǎn)向器。蝸桿具有梯形螺紋，手指狀的錐形指銷(xiāo)用軸承支承在曲柄上，曲柄與轉(zhuǎn)向搖臂軸制成一體。轉(zhuǎn)向時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)蝸桿、嵌于蝸桿螺旋槽中的錐形指銷(xiāo)一邊自轉(zhuǎn)，一邊繞轉(zhuǎn)向搖臂軸做圓弧運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)曲柄和轉(zhuǎn)向垂臂擺動(dòng)，再通過(guò)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。這種轉(zhuǎn)向器通常用于轉(zhuǎn)向力較大的載貨汽車(chē)上。
3、 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器
循環(huán)球式：這種轉(zhuǎn)向裝置是由齒輪機(jī)構(gòu)將來(lái)自轉(zhuǎn)向盤(pán)的旋轉(zhuǎn)力進(jìn)行減速，使轉(zhuǎn)向盤(pán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)闇u輪蝸桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滾珠螺桿和螺母夾著鋼球嚙合，因而滾珠螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，螺母再與扇形齒輪嚙合，直線運(yùn)動(dòng)再次變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使連桿臂搖動(dòng)，連桿臂再使連動(dòng)拉桿和橫拉桿做直線運(yùn)動(dòng)，改變車(chē)輪的方向。 這是一種古典的機(jī)構(gòu)，現(xiàn)代轎車(chē)已大多不再使用，但又被最新方式的助力轉(zhuǎn)向裝置所應(yīng)用。它的原理相當(dāng)于利用了螺母與螺栓在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的相對(duì)移動(dòng)，而在螺紋與螺紋之間夾入了鋼球以減小阻力，所有鋼球在一個(gè)首尾相連的封閉的螺旋曲線內(nèi)滾動(dòng)，循環(huán)球式故而得名。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點(diǎn)是：在螺桿和螺母之間因?yàn)橛锌梢匝h(huán)流動(dòng)的鋼球，將滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，因而傳動(dòng)效率可達(dá)到75％～85％；在結(jié)構(gòu)和工藝上采取措施，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
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證有足夠的使用壽命；轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比可以變化；工作平穩(wěn)可靠；齒條和齒扇之間的間隙調(diào)整工作容易進(jìn)行；適合用來(lái)做整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的主要缺點(diǎn)是：逆效率高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，制造精度要求高。
綜上，整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向的機(jī)械部分選用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。
2.3.2液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置方案
液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是由分配閥、轉(zhuǎn)向器、動(dòng)力缸、液壓泵、儲(chǔ)油罐和油管等組成。根據(jù)分配閥、轉(zhuǎn)向器和動(dòng)力缸三者相互位置的不同，液壓式動(dòng)力機(jī)構(gòu)可分為整體式、半整體式、轉(zhuǎn)向加力器。機(jī)械轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸設(shè)計(jì)成一體，并與轉(zhuǎn)向控制閥組裝在一起，這種三合一的部件稱為整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器（如圖2-6）；結(jié)構(gòu)緊湊、管路較短、易于布置；但拆裝困難；主要零件（如：轉(zhuǎn)向臂軸、轉(zhuǎn)向臂球頭銷(xiāo)、縱拉桿等）都承受由加力油缸建立起來(lái)的載荷，所以必須加大其尺寸；對(duì)轉(zhuǎn)向器的密封性能要求高。另一種方案是只將轉(zhuǎn)向控制閥同機(jī)械轉(zhuǎn)向器組合成一個(gè)部件，該部件稱為半整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器（如圖2-7），轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸則做成獨(dú)立部件。第三種方案是將機(jī)械轉(zhuǎn)向器作為獨(dú)立部件，而將轉(zhuǎn)向控制閥和轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸組合成一個(gè)部件，稱為轉(zhuǎn)向加力器（如圖2-8）。
圖2-6 整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器
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圖2-7 半整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器
圖2-8 轉(zhuǎn)向加力器
本次設(shè)計(jì)著重介紹循環(huán)球結(jié)構(gòu)的整體轉(zhuǎn)閥式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器（ZJ100型整體式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向器）。
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2.3.3轉(zhuǎn)向分配閥的選擇
分配閥有兩種結(jié)構(gòu)方案：分配閥中的閥與閥體以軸向移動(dòng)方式來(lái)控制油路的稱為滑閥式，以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)控制油路的稱為轉(zhuǎn)閥式。
滑閥式分配閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)工藝性較好，易于布置，使用性能較好，曾得到廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)閥式與滑閥式比較，靈敏度高、密封件少而且結(jié)構(gòu)較為先進(jìn)。由于轉(zhuǎn)閥是利用扭桿彈簧使轉(zhuǎn)閥回位，所以結(jié)構(gòu)復(fù)雜。轉(zhuǎn)閥式分配閥在國(guó)內(nèi)、外均得到廣泛應(yīng)用。
因此，擇轉(zhuǎn)閥式分配閥作為整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的分配閥。
2.4 轉(zhuǎn)向器方案分析
轉(zhuǎn)閥式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器屬整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的一種, 是整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的最新結(jié)構(gòu), 代表著整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的發(fā)展方向。這種動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)主要由機(jī)械部分和液壓部分組成。其機(jī)械部分與循環(huán)球機(jī)械轉(zhuǎn)向器基本一樣, 由殼體、循環(huán)球螺桿螺母部分、齒條齒扇部分、側(cè)蓋及調(diào)整螺栓等組成。其液壓部分由控制閥、油缸及活塞等主要件組成。
在這種動(dòng)力轉(zhuǎn)向器中, 殼體是承受高壓的, 最大工作壓力已達(dá)15MPa, 殼體上部又作為油缸的缸筒。在控制閥部分, 閥體又作為轉(zhuǎn)向器上蓋用, 轉(zhuǎn)向軸同時(shí)又作為轉(zhuǎn)閥的閥芯, 二者之間是閥套。轉(zhuǎn)向軸與螺桿由扭桿連接。螺母和齒條是一體的, 同時(shí)又起活塞的作用。齒扇與齒扇軸仍為一體, 同時(shí)又作為動(dòng)力轉(zhuǎn)向器輸出力矩傳力件, 所以比一般機(jī)械轉(zhuǎn)向器齒扇軸直徑加大。這類(lèi)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器中主要件的結(jié)構(gòu)類(lèi)似, 但不同動(dòng)力轉(zhuǎn)向器在結(jié)構(gòu)上又各有特點(diǎn)。
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圖2-9整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器示意圖
1-扭桿 2-閥芯 3-上蓋 4-上蓋防松螺母 5-閥體 6-密封環(huán) 7-轉(zhuǎn)向螺桿 8-外殼 9-轉(zhuǎn)向螺母10-閥套 11-隔套 12-螺桿軸承外圈 13-鎖環(huán) 14-螺桿軸承 15-防塵蓋
A-進(jìn)油口 B-出油口C-進(jìn)油道 D-回油道
整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（圖2-9），助力方式為扭桿轉(zhuǎn)閥式。動(dòng)力轉(zhuǎn)向部分與循環(huán)球式機(jī)械轉(zhuǎn)向器做成一體，扭桿1隨轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸一起旋轉(zhuǎn)，由扭桿的彈性控制轉(zhuǎn)閥和轉(zhuǎn)向助力油的流向，起動(dòng)力轉(zhuǎn)向作用。
2.5 防傷安全機(jī)構(gòu)方案分析
根據(jù)交通事故統(tǒng)計(jì)資料和對(duì)汽車(chē)碰撞試驗(yàn)結(jié)果的分析表明：汽車(chē)正面碰撞時(shí)，轉(zhuǎn)向盤(pán)、轉(zhuǎn)向管柱是使駕駛員受傷的主要元件。因此，要求汽車(chē)在以48km/h的速度、正面同其他物體碰撞的試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向軸在水平方
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向的后移量不得大于127mm；在臺(tái)架試驗(yàn)中，用人體模型的軀干以6.7m/s的速度碰撞轉(zhuǎn)向盤(pán)時(shí)，作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的水平力不得超過(guò)11123N。為此，需要在轉(zhuǎn)向系中設(shè)計(jì)并安裝能防止或者減輕駕駛員受傷的機(jī)構(gòu)。如在轉(zhuǎn)向系中，使有關(guān)零件在撞擊時(shí)產(chǎn)生塑性變形、彈性變形或是利用摩擦等來(lái)吸收沖擊能量。當(dāng)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸中采用萬(wàn)向節(jié)連接的結(jié)構(gòu)時(shí)，只要布置合理，即可在汽車(chē)正面碰撞時(shí)防止轉(zhuǎn)向軸等向乘客艙或駕駛室內(nèi)移動(dòng)，如圖2-10。這種結(jié)構(gòu)雖然不能吸收碰撞能量，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只要萬(wàn)向節(jié)連接的兩軸之間存在夾角，正面撞車(chē)后轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸和轉(zhuǎn)向盤(pán)處在圖中雙點(diǎn)劃線的位置，轉(zhuǎn)向盤(pán)沒(méi)有后移便不會(huì)危及駕駛員安全。轉(zhuǎn)向軸上設(shè)置有萬(wàn)向節(jié)不僅能提高安全性，而且有利于使轉(zhuǎn)向盤(pán)和轉(zhuǎn)向器在汽車(chē)上得到合理布置，提高了操縱方便性并且拆裝容易。
圖2-11所示為乘用車(chē)上應(yīng)用的防傷安全機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，制造容易。轉(zhuǎn)向軸分為兩段，上轉(zhuǎn)向軸的下端經(jīng)彎曲成形后，其軸線與主軸線之間偏移一段距離，其端面與焊有兩個(gè)圓頭圓柱銷(xiāo)的緊固板焊接，兩圓柱銷(xiāo)的中心線對(duì)稱于上轉(zhuǎn)向軸的主軸線。下轉(zhuǎn)向軸呈T字形，其上端與一個(gè)壓鑄件上鑄有兩孔，孔內(nèi)壓人橡膠套與塑料襯套后再與上轉(zhuǎn)向軸呈倒鉤狀連接，構(gòu)成安全轉(zhuǎn)向軸。該軸在使用過(guò)程中國(guó)除傳遞轉(zhuǎn)矩外，在受到一定數(shù)值的軸向力時(shí)，上下轉(zhuǎn)向軸能自動(dòng)脫開(kāi)，如圖2-11b所示，以確保駕駛員安全。
圖2-10防傷轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸簡(jiǎn)圖 圖2-11防傷轉(zhuǎn)向軸簡(jiǎn)圖
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位于兩萬(wàn)向節(jié)之間的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸，是由套管和軸組成。套管經(jīng)過(guò)擠壓處理后形成與兩側(cè)經(jīng)銑削加工后所形成的軸斷面形狀與尺寸完全一致。裝配后從兩側(cè)的孔中注入塑料，形成塑料銷(xiāo)釘將套管與軸連接為一體。汽車(chē)與其他物體正面碰撞時(shí)，作用在套管與軸之間的軸向力使塑料銷(xiāo)釘受到剪切作用，達(dá)到一定值以后剪斷銷(xiāo)釘，然后套管與軸相對(duì)移動(dòng)，存在其間的塑料能增大摩擦阻力吸收沖擊能量。此外，套管與軸相互壓縮，長(zhǎng)度縮短，可以減少轉(zhuǎn)向盤(pán)向駕駛員一側(cè)的移動(dòng)量，起到保護(hù)駕駛員的作用。這種防傷機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，只要合理地選取鉚釘數(shù)量與直徑，便能保證它可靠地工作和吸收沖擊能量。撞擊后因套管與軸仍處于連接狀態(tài)，所以汽車(chē)仍有可能轉(zhuǎn)向行駛到不妨礙交通的路邊。
2.6 本章小結(jié)
本章主要介紹了轉(zhuǎn)向器評(píng)價(jià)的幾個(gè)重要參數(shù)，對(duì)整體式液壓轉(zhuǎn)向器的工作原理進(jìn)行了全面的介紹，并根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)給出的數(shù)據(jù)，選定了循環(huán)球機(jī)械轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)閥式控制裝置作為本次設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向器方案。
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第3章 主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和校核
3.1 轉(zhuǎn)向系計(jì)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(yàn)算轉(zhuǎn)向系零件的強(qiáng)度，需首先確定作用在各零件上的力。影響這些力的主要因數(shù)有轉(zhuǎn)向軸的負(fù)荷，路面阻力和輪胎氣壓等。為轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪要克服的阻力包括轉(zhuǎn)向輪繞主銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力、車(chē)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(jì)算這些力是困難的，為此推薦用足夠精確的半經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算汽車(chē)在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力距（），即
（3-1）
式中，—為輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)，一般取0.7;
—為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷（）;
—為輪胎氣壓().
作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的手力為:
（3-2）
式中，—轉(zhuǎn)向搖臂長(zhǎng)；
—轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)；
—轉(zhuǎn)向盤(pán)直徑；
—轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比；
—轉(zhuǎn)向器正效率.
轉(zhuǎn)向系載荷的具體計(jì)算見(jiàn)表3-1。
表3-1 轉(zhuǎn)向系載荷的計(jì)算
31
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算內(nèi)容
計(jì)算結(jié)果
已知：滿載時(shí)轉(zhuǎn)向軸軸荷分配=4800kg, 輪胎氣壓=0.67
轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷
=g=4800×9.8=47000N
=47000N
輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)
一般取0.7
轉(zhuǎn)向阻力距
=N﹒mm
轉(zhuǎn)向盤(pán)直徑
根據(jù)GB/T 5911-1986《轉(zhuǎn)向盤(pán)尺寸》，
選取=500mm
=500mm
初選轉(zhuǎn)向器
角轉(zhuǎn)動(dòng)比
參考同類(lèi)轉(zhuǎn)向器，選取
25
球摩擦系數(shù)
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》，表4-1知：球摩擦與液體動(dòng)力潤(rùn)滑相近。液體動(dòng)力潤(rùn)滑：0.01~0.001
取
當(dāng)量摩擦角
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算內(nèi)容
計(jì)算結(jié)果
33
初選螺桿
導(dǎo)程角
通常導(dǎo)程角取，選取
轉(zhuǎn)向器正效率
轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的
角傳動(dòng)比
通常轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比在0.85～1.1之間，選取
作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)的
切向力
3.2 螺桿、鋼球和螺母?jìng)鲃?dòng)副
3.2.1鋼球中心距D、螺桿外徑D1和螺母內(nèi)徑D2
尺寸D、、如圖3-1所示。鋼球中心距是基本尺寸。螺桿外徑D1、螺母內(nèi)徑D2及鋼球直徑d對(duì)確定鋼球中心距D的大小有影響，而D又對(duì)轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)尺寸和強(qiáng)度有影響。在保證足夠的強(qiáng)度條件下，盡可能將D值取小些。選取D值的規(guī)律是:隨著扇齒模數(shù)的增大，鋼球中心距D也相應(yīng)增加。螺桿外徑通常在20～38mm范圍內(nèi)變化，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷的不同來(lái)選定。螺母內(nèi)徑應(yīng)大于一般要求（5﹪～10﹪）D。
圖3-1 螺桿、鋼球和螺母?jìng)鲃?dòng)副
3.2.2鋼球直徑d及數(shù)量n
鋼球直徑尺寸d取得大，能提高承載能力，同時(shí)螺桿和螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向器的尺寸也隨之增大。鋼球直徑應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，一般長(zhǎng)在7～9mm范
29
圍內(nèi)選用。
增加鋼球數(shù)量n，能提高承載能力；但使鋼球流動(dòng)性變壞，從而使傳動(dòng)效率降低。因?yàn)殇撉蛑睆奖旧碛姓`差，所以共同參加工作的鋼球數(shù)量并不是全部鋼球數(shù)。經(jīng)驗(yàn)證明，每個(gè)環(huán)路中的鋼球數(shù)以不超過(guò)60個(gè)為好。為保證盡可能多的鋼球都承載，應(yīng)分組裝配。每個(gè)環(huán)路中的鋼球數(shù)為：
(3-3)
式中， —鋼球中心距；
—個(gè)環(huán)路中的鋼球工作數(shù)；
—不包括環(huán)流導(dǎo)管中的鋼球數(shù)；
—螺線導(dǎo)程角，常取=5°～8°，故≈1。
3.2.3滾道截面
當(dāng)螺桿和螺母各有兩條圓弧組成，形成四段圓弧滾道截面時(shí),見(jiàn)圖3-2，鋼球與滾道有四點(diǎn)接觸,傳動(dòng)時(shí)軸向間隙最小，可滿足轉(zhuǎn)向盤(pán)自由行程小的要求。圖中滾道與鋼球之間的間隙，除用來(lái)貯存潤(rùn)滑油之外，還能貯存磨損雜質(zhì)。為了減少摩擦，螺桿與螺母溝槽的半徑應(yīng)大于鋼球半徑，一般取=(0.51～0.53)d。
圖3-2 四段圓弧滾道截面
3.2.4接觸角θ
鋼球與螺桿滾道接觸點(diǎn)的正壓力方向與螺桿滾道法面軸線間的夾角稱為接觸角,如圖3-2所示。角多取45°,以使軸向力和徑向力分配均勻。
35
3.2.5螺距P和螺線導(dǎo)程角
轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角,對(duì)應(yīng)螺母移動(dòng)的距為：
（3-4）
式中，–螺紋螺距。
與此同時(shí),齒扇節(jié)圓轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)等于s,相應(yīng)搖臂轉(zhuǎn)過(guò)角,其間關(guān)系可表示如下:
（3-5）
式中，r-齒扇節(jié)圓半徑。
聯(lián)立式（3-4）、式（3-5）得：
（3-6）
將對(duì)求導(dǎo)得循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比為：
（3-7）
由式（3-7）可知,螺距影響轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比的值。在螺距不變的條件下,鋼球直徑越大,圖3.1中的尺寸越小,要求。螺距一般在12～18mm內(nèi)選取。
3.2.6工作鋼球圈數(shù)W
多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)向器用兩個(gè)環(huán)路，而每個(gè)環(huán)路的工作鋼球圈數(shù)又與接觸強(qiáng)度有關(guān)：增加工作鋼球圈數(shù)，參加工作的鋼球增多，能降低接觸應(yīng)力，提高承載能力；但鋼球受力不均勻、螺桿增長(zhǎng)而使剛度降低。工作鋼球圈數(shù)有1.5和2.5圈兩種。
3.2.7導(dǎo)管內(nèi)徑
容納鋼球而且鋼球在其內(nèi)部流動(dòng)的導(dǎo)管,式中，為鋼球直徑
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與導(dǎo)管內(nèi)徑之間的間隙。不易過(guò)大，否則鋼球流經(jīng)導(dǎo)管時(shí)球心偏離導(dǎo)管中心線的距離增大，并使流動(dòng)阻力增大。推薦=0.4～0