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摘 要
本論文基于整體式液壓動力轉(zhuǎn)向器設(shè)計，以循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計為主線，綜合了液壓動力的分析，對Jz100型貨車的轉(zhuǎn)向器進行設(shè)計。轉(zhuǎn)向系作為現(xiàn)代車輛的重要系統(tǒng)之一，其主要作用是保證車輛按駕駛員設(shè)想的軌跡運動。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，而且對車輛的安全性也有重要影響。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車轉(zhuǎn)向器也在不斷的得到改進，過去采用循環(huán)球轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球變比轉(zhuǎn)向器只能相對的解決轉(zhuǎn)向輕便性和操縱靈敏性問題, 要想從根本上解決這兩個問題只有安裝動力轉(zhuǎn)向器。因此, 除重型汽車和高檔轎車早已安裝動力轉(zhuǎn)向器外, 近年來在中型貨車、豪華客車及中檔轎車上都已開始安裝動力轉(zhuǎn)向器。隨著動力轉(zhuǎn)向器技術(shù)水平的提高、生產(chǎn)規(guī)模的擴大和市場的需要, 其它一些車型也必將陸續(xù)安裝動力轉(zhuǎn)向器。
首先，簡要介紹了汽車行業(yè)現(xiàn)在的情況和未來的發(fā)展趨勢。
其次，對轉(zhuǎn)向器進行了結(jié)構(gòu)分析，確定了轉(zhuǎn)向器設(shè)計的整體方案。根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向器設(shè)計手冊和相關(guān)經(jīng)驗公式進行了必要的計算。
最后，完成了轉(zhuǎn)向器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。
關(guān)鍵詞：整體式液壓動力轉(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.
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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 汽車轉(zhuǎn)向器的發(fā)展 2
1.3 我國汽車發(fā)展與國外的差距 3
1.4 我國汽車液壓轉(zhuǎn)向器工業(yè)的發(fā)展前景 4
1.5 畢業(yè)設(shè)計的要求及設(shè)計內(nèi)容 4
1.5.1 設(shè)計要求 4
1.5.2 設(shè)計的主要內(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)向系的角傳動比與力傳動比 8
2.1.3轉(zhuǎn)向系的傳動間隙特性 12
2.1.4轉(zhuǎn)向系的剛度 13
2.1.5轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動圈數(shù) 14
2.1.6轉(zhuǎn)向盤自由行程 15
2.2 整體式液壓動力轉(zhuǎn)向器工作原理 15
2.2.1轉(zhuǎn)閥式液壓動力轉(zhuǎn)向器工作原理 16
2.2.2方向盤處于某一轉(zhuǎn)角時 17
2.2.3助力裝置的隨動作用 17
2.2.4轉(zhuǎn)向后方向盤回位的工作狀況 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)計分類 18
2.3.2液壓動力轉(zhuǎn)向機構(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)計和校核 26
3.1 轉(zhuǎn)向系計算載荷的確定 26
3.2 螺桿、鋼球和螺母傳動副 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 齒條齒扇傳動副的設(shè)計 32
3.4 零件強度校核 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 41
3.6 動力缸的計算 43
3.6.1 動力缸徑的計算 43
3.6.2 螺母行程的計算 44
3.6.3 動力缸缸筒壁厚的計算 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 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 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，汽車在人們的日常生活中正變得越來越必不可缺少。2014年，我國汽車產(chǎn)銷量雙雙實現(xiàn)世界第一，汽車保有量將近1.54億輛。轉(zhuǎn)向系作為現(xiàn)代車輛的重要系統(tǒng)之一，其主要作用是保證車輛按駕駛員設(shè)想的軌跡運動。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，而且對車輛的安全性也有重要影響。而伴隨著我國農(nóng)村購買能力的提高以及對安全高效運輸工具的需求，低速貨車在最近幾年發(fā)展尤為迅速。但是，由于低速貨車是從早期的四輪農(nóng)用車發(fā)展而來，設(shè)計理念及制造工藝相對比較粗糙，車輛的整體性能相對不完善，加之駕駛員的駕駛水平參差不齊，以及低速貨車長期處于重載、惡劣路況等相對復(fù)雜的駕駛操縱環(huán)境下,使得車輛的操作穩(wěn)定性顯得尤為重要。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為直接控制汽車的行動方向的系統(tǒng)，其性能的惡劣直接影響汽車的操縱穩(wěn)定性。汽車的操作穩(wěn)定性包含兩方面的內(nèi)容：操作性和穩(wěn)定性。汽車操穩(wěn)性主要影響汽車行駛安全性和操作復(fù)雜程度，隨著汽車行駛速度的不斷提高，為了保證行駛的安全性，汽車操作穩(wěn)定性得到越來越多的關(guān)注，已經(jīng)成為汽車性能優(yōu)劣的重要標志之一。針對分析汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對低速貨車操作穩(wěn)定性的影響就成為了眾研究單位和汽車廠商一致追求的目標。汽車轉(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，其性能好壞會直接影響整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行能力。可以說，一個合格的轉(zhuǎn)向器是汽車擁有良好轉(zhuǎn)向性能的前提。
目前，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動助力轉(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的不同，各類動力轉(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，已經(jīng)成為中大型噸位貨車的最佳選擇。整體式動力轉(zhuǎn)向作為目前市場上最為主要的助力轉(zhuǎn)向器，它將機械轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向動力缸和轉(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)在汽車上的布置。機械轉(zhuǎn)向器和缸體形成左右兩個工作腔，它們分別通過油道和轉(zhuǎn)向控制閥相連。整體式液壓轉(zhuǎn)向器通過控制油壓的大小實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)動。液壓系統(tǒng)工作時無噪音，工作滯后時間短，而且能吸收來自不平路面的沖擊。因此，液壓動力轉(zhuǎn)向器已在各類各級汽車上獲得廣泛應(yīng)用。因此，本課題以Jz100型商用貨車為基礎(chǔ)，將循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器為研究對象，闡述整體式液壓動力轉(zhuǎn)向器的設(shè)計過程。
1.2 汽車轉(zhuǎn)向器的發(fā)展
據(jù)了解，在世界范圍內(nèi)，汽車循環(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，日本裝備不同類型發(fā)動機的各類型汽車，采用不同類型轉(zhuǎn)向器，在公共汽車中使用的循環(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)向器在公共汽車上已經(jīng)被淘汰)。大、小型貨車大都采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，但齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器也有所發(fā)展。微型貨車用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器占65％，齒條齒輪式占35％。
在國外，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器實現(xiàn)了專業(yè)化生產(chǎn)，同時以專業(yè)廠為主、大力進行試驗和研究，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，并向全世界銷售它的產(chǎn)品。德國ZF公司也作為一個大型轉(zhuǎn)向器專業(yè)廠著稱于世。它從1948年開始生產(chǎn)ZF型轉(zhuǎn)向器，年產(chǎn)各種轉(zhuǎn)向器200多萬臺。還有一些比較大的轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)廠，如美國德爾福公司SAGINAW分部；英國AN公司是比較有名的專業(yè)廠家，有很大的產(chǎn)量和銷售面。專業(yè)化生產(chǎn)已成為一種趨勢，只有走這條道路，才能使產(chǎn)品質(zhì)量高、產(chǎn)量大、成本低，在市場上有競爭力。
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。由于動力轉(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、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，國際經(jīng)濟形勢的變化對汽車乃至汽車轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)都有很大影響。特別是西方國家實行石油禁運以來，世界經(jīng)濟形勢受沖擊很大。隨著能源危機的發(fā)展，汽車工業(yè)首當其沖，其發(fā)展方向有很大變化。從汽車設(shè)計、制造到各總成部件的生產(chǎn)都隨著能源危機的發(fā)生而變化，表現(xiàn)在能源消耗、材料消耗、操縱輕便等各個方面。我國加入WTO，給汽車工業(yè)帶來新的機遇，也帶來挑戰(zhàn)，國產(chǎn)汽車及零部件將會得到進一步發(fā)展。
我國的轉(zhuǎn)向器生產(chǎn)，除早期投產(chǎn)的解放牌汽車用蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器，東風汽車用蝸桿肖式轉(zhuǎn)向器之外，其它大部分車型都采用循環(huán)球式結(jié)構(gòu)，并都具有一定的生產(chǎn)經(jīng)驗
。目前解放、東風也都在積極發(fā)展循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，并已在第二代換型車上普遍采用了循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。由此看出，我國的轉(zhuǎn)向器也在向大量生產(chǎn)循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器發(fā)展。
隨著我國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車轉(zhuǎn)向器的生產(chǎn)水平也有了很大提高。在汽車轉(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年代開發(fā)它推廣了循環(huán)球變傳動比轉(zhuǎn)向器。對提高我國汽車轉(zhuǎn)向輕便性水平起了很大的推動作用。到了90年代，駕駛員對汽車轉(zhuǎn)向性能的要求有了進一步的提高，要求轉(zhuǎn)向更輕便、操縱更靈敏。過去采用循環(huán)球轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球變比轉(zhuǎn)向器只能相對的解決轉(zhuǎn)向輕便性和操縱靈敏性問題，要想從根本上解決這兩個問題只有安裝動力轉(zhuǎn)向器。因此，除重型汽車各高檔轎車早已安裝動力轉(zhuǎn)向器外，近年來在中型貨車、豪華客車及中檔轎車上都已開始安裝動力轉(zhuǎn)向器。隨著動力轉(zhuǎn)向器技術(shù)水平的提高、生產(chǎn)規(guī)模的擴大和市場的需要，其它一些車型也必將陸續(xù)安裝動力轉(zhuǎn)向器。
目前國內(nèi)這些車型和國外同類汽車的發(fā)展趨勢一樣，都采用了整體式動力轉(zhuǎn)向器。除轎車全部采用了齒輪齒條整體式動力轉(zhuǎn)向器外，其它車型大都采用循環(huán)球整體式動力轉(zhuǎn)向器。在這些轉(zhuǎn)向器中，其控制閥也由過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 我國汽車發(fā)展與國外差距
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，對汽車性能的要求越來越高，盡管改革開放以來，汽車工業(yè)有了較大發(fā)展，但無論是數(shù)量還是質(zhì)量仍滿足不了國內(nèi)市場的需要。造成產(chǎn)需矛盾突出的原因，一是專業(yè)化、標準化程度低，我國國內(nèi)的汽車生產(chǎn)商的專業(yè)化水平相對國外來說較落后，各種國內(nèi)汽車品牌的汽車都有各自的標準，標準化程度低，使對汽車零部件的生產(chǎn)造成一定的困難。二是設(shè)計和工藝技術(shù)落后，如汽車的主要部件，發(fā)動機、ECU、傳感器等都需要從國外進口回來，而在國內(nèi)只需要負責汽車的組裝，自主生產(chǎn)的能力相對國外來說較落后。加之生產(chǎn)效率不高、周期長。
1.4 我國汽車液壓轉(zhuǎn)向器工業(yè)的發(fā)展前景
據(jù)中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)發(fā)布的2015年中國汽車轉(zhuǎn)向器市場現(xiàn)狀調(diào)查與未來發(fā)展趨勢趨勢報告顯示，我國生產(chǎn)的汽車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。目前國內(nèi)市場上有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20 萬臺以上的廠商有10 余家。目前我國轉(zhuǎn)向器行業(yè)企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品種類齊全，已形成一定規(guī)模并達到較高水平，并向經(jīng)濟規(guī)模型、科技創(chuàng)新型方向邁進。根據(jù)汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2014年末，我國汽車轉(zhuǎn)向行業(yè)產(chǎn)能約為3600 萬臺（套），總銷售額約350 億元。
1.5 畢業(yè)設(shè)計的要求及設(shè)計內(nèi)容
1.5.1 設(shè)計要求
（1）設(shè)計整體式液壓轉(zhuǎn)向器總裝圖，零號圖一張；
（2）完成轉(zhuǎn)向器其余零部件的設(shè)計。2或3號圖若干張；
（3）撰寫畢業(yè)論文：10000～12000字。
1.5.2 設(shè)計的主要內(nèi)容
本論文主要是對Jz100型整體式液壓動力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)和設(shè)計進行了研究
3
和探討，所做的工作主要有以下幾個方面：
（1）介紹了轉(zhuǎn)向器在當前社會上發(fā)展狀況，以這些情況為主要思路，設(shè)計出轉(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)計出整體式轉(zhuǎn)向器的所有構(gòu)件；
（3）對整體式轉(zhuǎn)向器進行分析、調(diào)整。以得到符合實際生產(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)向器的角傳動比與力傳動比、轉(zhuǎn)向器傳動副的傳動間隙特性、轉(zhuǎn)向器的剛度以及轉(zhuǎn)向盤的總轉(zhuǎn)動圈數(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)向時駕駛員轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤輕便，要求正效率高。為了保證汽車轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤能自動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)向器的類型、結(jié)構(gòu)特點、結(jié)構(gòu)參數(shù)和制造質(zhì)量等。
（1）轉(zhuǎn)向器類型、結(jié)構(gòu)特點與正效率
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，而蝸桿指銷式特別是蝸桿滾輪式轉(zhuǎn)向器的正效率要明顯的低些。
5
同一類型轉(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)試驗結(jié)果分別為70％和75％。
轉(zhuǎn)向搖臂軸軸承的形式對效率也有影響，用滾針軸承比用滑動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)向盤上，使司機的路感好。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，容易產(chǎn)生“打手”現(xiàn)象，同時轉(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輛。循環(huán)球式和齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器均屬于這一類。
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。
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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螺桿類轉(zhuǎn)向器的逆效率為：
（2-4）
式中及見式（2-3）下的說明。
式（2-4）、式（2-5）可見：增大導(dǎo)程角不僅能提高正效率，也會提高逆效率，故不宜取得過大。當≤時，逆效率≤0，這時轉(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)向系的角傳動比與力傳動比
（1）角傳動比
轉(zhuǎn)向盤轉(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)向系的角傳動比。轉(zhuǎn)向盤轉(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)向器的角傳動比。轉(zhuǎn)向搖臂軸轉(zhuǎn)角的增量與轉(zhuǎn)向盤所在一側(cè)的轉(zhuǎn)向節(jié)相應(yīng)的轉(zhuǎn)角增量之比，稱為轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的角傳動比。它們之間的關(guān)系為：
（2-5）
（2-6）
（2-7）
式中：——轉(zhuǎn)向系的角傳動比;
——轉(zhuǎn)向器的角傳動比；
——轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的角傳動比；
——轉(zhuǎn)向盤轉(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)向傳動機構(gòu)的布置，通常取其在中間位置時使轉(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，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，轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的角傳動比亦可取為：
（2-8）
式中 ——轉(zhuǎn)向搖臂長；
——轉(zhuǎn)向節(jié)臂長。
現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的角傳動比多在0.85～1.1，即近似為1。故研究轉(zhuǎn)向系的角傳動比時，為簡化起見往往只研究轉(zhuǎn)向器的角傳動比及其變化規(guī)律即可。
（2） 力傳動比
轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的力傳動比等于轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)向阻力矩與轉(zhuǎn)向搖臂的力矩之比值。與轉(zhuǎn)向傳動機構(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)。
在最惡劣的轉(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)向車輪的轉(zhuǎn)向阻力距由轉(zhuǎn)向車輪相對于主銷軸線的滾動阻力距、輪胎與地面接觸部分的滑動摩擦力矩以及轉(zhuǎn)向車輪的穩(wěn)定力矩或自動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；
——滾動阻力的力臂，或主銷偏移距。即由轉(zhuǎn)向節(jié)主銷軸線的延長
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線與支撐面的交點至車輪中心平面與支承平面的交線的距離。通常貨車的值為40～60mm；轎車取0.4～0.6倍的臺面寬度；
——車輪的滾動阻力系數(shù)，計算時可??；
——主銷內(nèi)傾角；
——主銷后傾角；
、——內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪的平均轉(zhuǎn)角；
——附著系數(shù)，計算時取；
——滑動摩擦力矩的力臂：
（2-13）
、——車輪的自由半徑和靜半徑，計算時可近似地取
在實際計算中常取轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的力傳動比計算轉(zhuǎn)向搖臂軸上的力矩,即：
（2-14）
式中 ——轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的效率，一般取
則轉(zhuǎn)向器在轉(zhuǎn)向盤上的切向力，可由下式求得：
（2-15）
式中 ——轉(zhuǎn)向器的力傳動比；
——轉(zhuǎn)向盤的半徑，根據(jù)車型不同可在范圍內(nèi)按國家標準系列選取；
——轉(zhuǎn)向器的正效率。
由（2-14）和（2-15）兩式可見：當轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向阻力距一定時，增大轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的力傳動比就能減小作用在轉(zhuǎn)向盤上的切向力，使操縱輕便。
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這里還應(yīng)指出：當汽車在行駛過程中轉(zhuǎn)向時，上述轉(zhuǎn)向輪與地面間的滑動摩擦阻力距比汽車在原地轉(zhuǎn)向時的要小許多倍，且與車速有關(guān)。
（3） 轉(zhuǎn)向器角傳動比的變化規(guī)律
轉(zhuǎn)向器的角傳動比是一個重要參數(shù)，它影響著汽車的許多轉(zhuǎn)向性能。由于增大角傳動比可以增大力傳動比，因此轉(zhuǎn)向器的角傳動比不僅對轉(zhuǎn)向靈敏度和穩(wěn)定性有直接影響，而且也影響著汽車的操縱輕便性。由式（2-5）可以看出：轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向器的角傳動比成反比。增大會使同一轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角下的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角變小，使轉(zhuǎn)向操縱時間變長，汽車轉(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)計中遇到的一對矛盾。采用可變角傳動比的轉(zhuǎn)向器可協(xié)調(diào)對“輕便性”和“靈敏性”的要求。而轉(zhuǎn)向器角傳動比的變化規(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)向器角傳動比變化規(guī)律。由該圖可見：轉(zhuǎn)向器的角傳動隨轉(zhuǎn)向盤轉(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)向盤在中間位置時，較小，向左、右轉(zhuǎn)動時則逐步增大；曲線4則與之相反。曲線2為蝸桿雙銷式轉(zhuǎn)向器的角傳動比特性曲線，是周期重復(fù)的。曲線5則為蝸桿單銷式轉(zhuǎn)向器的角傳動比特性曲線，這時轉(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)車型和使用條件的不同來合理選擇及其變化特性。對于高速車輛來說轉(zhuǎn)向盤處于中間位置時的轉(zhuǎn)向器角傳動比不宜過小，否則會在高速直線行駛時對轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角過分敏感。轉(zhuǎn)向盤處于中間位置即汽車直行時的轉(zhuǎn)向器角傳動比不宜小于15～16。
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圖2-1 轉(zhuǎn)向器角傳動比的變化特性曲線
對于轎車和輕型以下的貨車，因前軸負荷不大，在轉(zhuǎn)向盤的全轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)不存在轉(zhuǎn)向沉重問題，而具有動力轉(zhuǎn)向的車輛，其轉(zhuǎn)向阻力距由動力裝置克服，故在上述兩種情況下均有可能選擇較小的角傳動比和減少轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的總?cè)?shù)，以提高汽車的轉(zhuǎn)向的靈敏性。其角傳動比宜采用轉(zhuǎn)向盤處于中間位置時具有較大值而在左、右兩端具有較小值的變化特性，如圖2-1曲線4及5所示。
對于沒有裝動力轉(zhuǎn)向的大客車和中型及以上的載貨汽車，因轉(zhuǎn)向軸負荷大，而轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的力傳動比在轉(zhuǎn)向過程中是變化的，使急轉(zhuǎn)彎時的操縱輕便性問題顯得十分突出，故轉(zhuǎn)向器角傳動的理想特性應(yīng)當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。汽車的轉(zhuǎn)向車軸負荷較輕時，應(yīng)選用較小值。
2.1.3轉(zhuǎn)向器的傳動間隙特性
轉(zhuǎn)向器的傳動間隙是指轉(zhuǎn)向器傳動副之間的間隙。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。
當轉(zhuǎn)向盤處于中間位置即汽車做直線行駛時，如果轉(zhuǎn)向器有傳動間隙則
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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，并在端部達到其最大值（礦量轉(zhuǎn)角約為25°～35°），如圖2-2所示，以利于對間隙的調(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2-2 轉(zhuǎn)向器的傳動間隙特性
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)向輪的實際轉(zhuǎn)角要比司機轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤并按轉(zhuǎn)向系角傳動比換算至轉(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。如果令為不考慮轉(zhuǎn)向系剛度時的輪胎側(cè)偏剛度，而為考慮轉(zhuǎn)向系剛度時的輪胎側(cè)偏剛度（稱為等價剛度），則有以下關(guān)系：
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（2-16）
式中 ——整個轉(zhuǎn)向系的剛度；
——拖后距（后傾拖距與輪胎拖距之和），見圖2-3。
圖2-3 考慮轉(zhuǎn)向剛度時的輪胎等價側(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：當值很大時，，即前輪的側(cè)偏剛度近似為考慮轉(zhuǎn)向系剛度時的輪胎側(cè)偏剛度；當值很小時，前輪的側(cè)偏剛度接近0。后者表明：轉(zhuǎn)向系剛度不足會使前輪的側(cè)偏剛度減小，并導(dǎo)致汽車不足轉(zhuǎn)向傾向的加劇，這是汽車的轉(zhuǎn)向靈敏性變差的原因。
2.1.5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。
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2.1.6轉(zhuǎn)向盤自由行程
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和路面沖擊及避免使駕駛員過度緊張是有利的，但不宜過大，以免過分影響靈敏性。一般說來，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°。當零件磨損嚴重到十轉(zhuǎn)向盤自由行程超過25°～35°時，必須進行調(diào)整。
造成轉(zhuǎn)向盤自由行程過大的原因，主要有如下幾個方面：
(1)轉(zhuǎn)向器蝸桿與滾輪(或齒扇、指銷等)間隙過大；
(2)轉(zhuǎn)向傳動裝置松動；
(3)轉(zhuǎn)向傳動裝置的球鉸鏈間隙過大(松動)；
(4)前輪軸承或轉(zhuǎn)向節(jié)主銷與襯套配合不緊等。
2.2 整體式液壓動力轉(zhuǎn)向器工作原理
動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加一套動力輔助裝置組成的。如下圖，轉(zhuǎn)向油泵6安裝在發(fā)動機上，由曲軸通過皮帶驅(qū)動并向外輸出液壓油。轉(zhuǎn)向油罐5有進、出油管接頭，通過油管分別與轉(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。機械轉(zhuǎn)向器和缸體形成左右兩個工作腔，它們分別通過油道和轉(zhuǎn)向控制閥聯(lián)接。
當汽車直線行駛時，轉(zhuǎn)向控制閥2將轉(zhuǎn)向油泵6泵出來的工作液與油罐相通，轉(zhuǎn)向油泵處于卸荷狀態(tài)，動力轉(zhuǎn)向器不起助力作用。當汽車需要向右轉(zhuǎn)向時，駕駛員向右轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，轉(zhuǎn)向控制閥將轉(zhuǎn)向油泵出來的工作液與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，通過傳動結(jié)構(gòu)使左、右輪向右偏轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)右轉(zhuǎn)向。向左轉(zhuǎn)向時，情況與上述相反。
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圖2-4 液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖
l.轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)2.轉(zhuǎn)向控制閥3.機械轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向動力缸總成4.轉(zhuǎn)向傳動結(jié)構(gòu)
5.轉(zhuǎn)向油罐6.轉(zhuǎn)向油泵R.轉(zhuǎn)向動力缸右腔L.轉(zhuǎn)向動力缸左腔
2.2.1 轉(zhuǎn)閥式液壓助力轉(zhuǎn)向器工作原理
汽車直線行駛時，閥芯與閥套的位置關(guān)系如圖中所示。自泵來的液壓油經(jīng)閥芯與閥套間的間隙，流向動力缸兩端，動力缸兩端油壓相等。駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤時，閥芯與閥套的相對位置發(fā)生改變，使得大部分或全部來自泵的液壓油流入動力缸某一端，而另一端與回油管路接通，動力缸促進汽車左傳或右轉(zhuǎn)。
圖2-5液壓動力原理示意圖
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2.2.2方向盤處于某一轉(zhuǎn)向角度時
當方向盤停在某一位置不再繼續(xù)轉(zhuǎn)動時, 此時閥體隨螺桿在油液和扭桿彈力的作用下沿方向盤旋轉(zhuǎn)方向扭轉(zhuǎn)一個角度, 使之與轉(zhuǎn)閥相對角位移量減小, 動力缸左、右腔油壓差減小, 但仍有助力作用。助力扭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。
2.2.3助力裝置的隨動作用
在轉(zhuǎn)向過程中，若方向盤轉(zhuǎn)動加快，彈性扭桿的扭轉(zhuǎn)速度也加快，閥體和轉(zhuǎn)閥相對錯開的角位移量也迅速增大，動力缸左、右腔油壓差也相應(yīng)加大，前輪偏轉(zhuǎn)速度加快?？梢姺较虮P轉(zhuǎn)動，前輪隨之偏轉(zhuǎn)； 方向盤轉(zhuǎn)動快，前輪偏轉(zhuǎn)快；方向盤停轉(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作用。
2.2.4轉(zhuǎn)向后方向盤回位的工作情況
當汽車轉(zhuǎn)向后回位時，如果駕駛員放松方向盤，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，此時轉(zhuǎn)向輪在回正力矩作用下自動回位；若需要液壓助力時，駕駛員可回轉(zhuǎn)方向盤, 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，阻力矩通過轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向螺桿、螺桿與閥體的圓柱銷作用在閥體上，使之與轉(zhuǎn)閥產(chǎn)生相對角位移, 這樣通向動力缸左、右腔油壓不相等，產(chǎn)生助力作用, 通過循環(huán)球式傳動副以及轉(zhuǎn)向傳動機構(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)，阻力矩通過傳動機構(gòu)使閥體逆時針轉(zhuǎn)動，閥體與轉(zhuǎn)閥有相對角位移量，動力缸的左腔油壓升高而右腔油壓降低，產(chǎn)生助力作用，又通過傳動機構(gòu)使左偏的前輪迅速回正，保證了汽車直線行駛的穩(wěn)定性。
2.2.6液壓助力裝置失效時的工作情況
一旦液壓助力裝置失效，該動力轉(zhuǎn)向器即變成機械轉(zhuǎn)向器。當汽車轉(zhuǎn)向
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時，閥芯下端有凸塊，轉(zhuǎn)過一定角度后, 通過螺桿上端轉(zhuǎn)閥限位結(jié)構(gòu)，帶動螺桿旋轉(zhuǎn), 以保證汽車轉(zhuǎn)向。不過方向盤的空行程加大，轉(zhuǎn)向時有沉重感。
2.3 方案的選擇
整體式動力轉(zhuǎn)向器主要由三部分構(gòu)成：1）機械式轉(zhuǎn)向器；2）動力缸；3）轉(zhuǎn)向分配閥。
2.3.1轉(zhuǎn)向器設(shè)計的分類
轉(zhuǎn)向器按結(jié)構(gòu)形式可分為多種類型。歷史上曾出現(xiàn)過許多種形式的轉(zhuǎn)向器，目前較常用的有齒輪齒條式、蝸桿曲柄指銷式、循環(huán)球-齒條齒扇式、循環(huán)球曲柄指銷式、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。如果按照助力形式，又可以分為機械式（無助力），和動力式（有助力）兩種，其中動力轉(zhuǎn)向器又可以分為氣壓動力式、液壓動力式、電動助力式、電液助力式等種類。
1、 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器
它是一種最常見的轉(zhuǎn)向器。其基本結(jié)構(gòu)是一對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)向軸帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)時，齒條便做直線運動。有時，靠齒條來直接帶動橫拉桿，就可使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向。所以，這是一種最簡單的轉(zhuǎn)向器。在汽車上得到廣泛應(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)量比較??；傳動效率高達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、靠近主動小齒輪處的壓緊力可以調(diào)節(jié)的彈簧，可自動消除齒間間隙，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。
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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)向輪與路面之間的沖擊力，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，并難以準確控制汽車行駛方向，轉(zhuǎn)向盤突然轉(zhuǎn)動又會造成打手，對駕駛員造成傷害。
2、 蝸桿曲柄銷式轉(zhuǎn)向器
它是以蝸桿為主動件，曲柄銷為從動件的轉(zhuǎn)向器。蝸桿具有梯形螺紋，手指狀的錐形指銷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，通過轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動蝸桿、嵌于蝸桿螺旋槽中的錐形指銷一邊自轉(zhuǎn)，一邊繞轉(zhuǎn)向搖臂軸做圓弧運動，從而帶動曲柄和轉(zhuǎn)向垂臂擺動，再通過轉(zhuǎn)向傳動機構(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)向裝置是由齒輪機構(gòu)將來自轉(zhuǎn)向盤的旋轉(zhuǎn)力進行減速，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。 這是一種古典的機構(gòu)，現(xiàn)代轎車已大多不再使用，但又被最新方式的助力轉(zhuǎn)向裝置所應(yīng)用。它的原理相當于利用了螺母與螺栓在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的相對移動，而在螺紋與螺紋之間夾入了鋼球以減小阻力，所有鋼球在一個首尾相連的封閉的螺旋曲線內(nèi)滾動，循環(huán)球式故而得名。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)點是：在螺桿和螺母之間因為有可以循環(huán)流動的鋼球，將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，因而傳動效率可達到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，整體式動力轉(zhuǎn)向的機械部分選用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。
2.3.2液壓動力轉(zhuǎn)向機構(gòu)布置方案
液壓式動力轉(zhuǎn)向機構(gòu)是由分配閥、轉(zhuǎn)向器、動力缸、液壓泵、儲油罐和油管等組成。根據(jù)分配閥、轉(zhuǎn)向器和動力缸三者相互位置的不同，液壓式動力機構(gòu)可分為整體式、半整體式、轉(zhuǎn)向加力器。機械轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向動力缸設(shè)計成一體，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、縱拉桿等）都承受由加力油缸建立起來的載荷，所以必須加大其尺寸；對轉(zhuǎn)向器的密封性能要求高。另一種方案是只將轉(zhuǎn)向控制閥同機械轉(zhuǎn)向器組合成一個部件，該部件稱為半整體式動力轉(zhuǎn)向器（如圖2-7），轉(zhuǎn)向動力缸則做成獨立部件。第三種方案是將機械轉(zhuǎn)向器作為獨立部件，而將轉(zhuǎn)向控制閥和轉(zhuǎn)向動力缸組合成一個部件，稱為轉(zhuǎn)向加力器（如圖2-8）。
圖2-6 整體式動力轉(zhuǎn)向器
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圖2-7 半整體式動力轉(zhuǎn)向器
圖2-8 轉(zhuǎn)向加力器
本次設(shè)計著重介紹循環(huán)球結(jié)構(gòu)的整體轉(zhuǎn)閥式動力轉(zhuǎn)向器（ZJ100型整體式液壓動力轉(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方式來控制油路的稱為滑閥式，以旋轉(zhuǎn)運動來控制油路的稱為轉(zhuǎn)閥式。
滑閥式分配閥結(jié)構(gòu)簡單，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。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力轉(zhuǎn)向器的分配閥。
2.4 轉(zhuǎn)向器方案分析
轉(zhuǎn)閥式動力轉(zhuǎn)向器屬整體式動力轉(zhuǎn)向器的一種, 是整體式動力轉(zhuǎn)向器的最新結(jié)構(gòu), 代表著整體式動力轉(zhuǎn)向器的發(fā)展方向。這種動力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)主要由機械部分和液壓部分組成。其機械部分與循環(huán)球機械轉(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。
在這種動力轉(zhuǎn)向器中, 殼體是承受高壓的, 最大工作壓力已達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, 同時又起活塞的作用。齒扇與齒扇軸仍為一體, 同時又作為動力轉(zhuǎn)向器輸出力矩傳力件, 所以比一般機械轉(zhuǎn)向器齒扇軸直徑加大。這類動力轉(zhuǎn)向器中主要件的結(jié)構(gòu)類似, 但不同動力轉(zhuǎn)向器在結(jié)構(gòu)上又各有特點。
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圖2-9整體式動力轉(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-進油口 B-出油口C-進油道 D-回油道
整體式動力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡圖（圖2-9），助力方式為扭桿轉(zhuǎn)閥式。動力轉(zhuǎn)向部分與循環(huán)球式機械轉(zhuǎn)向器做成一體，扭桿1隨轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向傳動軸一起旋轉(zhuǎn)，由扭桿的彈性控制轉(zhuǎn)閥和轉(zhuǎn)向助力油的流向，起動力轉(zhuǎn)向作用。
2.5 防傷安全機構(gòu)方案分析
根據(jù)交通事故統(tǒng)計資料和對汽車碰撞試驗結(jié)果的分析表明：汽車正面碰撞時，轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向管柱是使駕駛員受傷的主要元件。因此，要求汽車在以48km/h的速度、正面同其他物體碰撞的試驗中，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；在臺架試驗中，用人體模型的軀干以6.7m/s的速度碰撞轉(zhuǎn)向盤時，作用在轉(zhuǎn)向盤上的水平力不得超過11123N。為此，需要在轉(zhuǎn)向系中設(shè)計并安裝能防止或者減輕駕駛員受傷的機構(gòu)。如在轉(zhuǎn)向系中，使有關(guān)零件在撞擊時產(chǎn)生塑性變形、彈性變形或是利用摩擦等來吸收沖擊能量。當轉(zhuǎn)向傳動軸中采用萬向節(jié)連接的結(jié)構(gòu)時，只要布置合理，即可在汽車正面碰撞時防止轉(zhuǎn)向軸等向乘客艙或駕駛室內(nèi)移動，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)簡單，只要萬向節(jié)連接的兩軸之間存在夾角，正面撞車后轉(zhuǎn)向傳動軸和轉(zhuǎn)向盤處在圖中雙點劃線的位置，轉(zhuǎn)向盤沒有后移便不會危及駕駛員安全。轉(zhuǎn)向軸上設(shè)置有萬向節(jié)不僅能提高安全性，而且有利于使轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器在汽車上得到合理布置，提高了操縱方便性并且拆裝容易。
圖2-11所示為乘用車上應(yīng)用的防傷安全機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)最簡單，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，其端面與焊有兩個圓頭圓柱銷的緊固板焊接，兩圓柱銷的中心線對稱于上轉(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。該軸在使用過程中國除傳遞轉(zhuǎn)矩外，在受到一定數(shù)值的軸向力時，上下轉(zhuǎn)向軸能自動脫開，如圖2-11b所示，以確保駕駛員安全。
圖2-10防傷轉(zhuǎn)向傳動軸簡圖 圖2-11防傷轉(zhuǎn)向軸簡圖
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位于兩萬向節(jié)之間的轉(zhuǎn)向傳動軸，是由套管和軸組成。套管經(jīng)過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，形成塑料銷釘將套管與軸連接為一體。汽車與其他物體正面碰撞時，作用在套管與軸之間的軸向力使塑料銷釘受到剪切作用，達到一定值以后剪斷銷釘，然后套管與軸相對移動，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，長度縮短，可以減少轉(zhuǎn)向盤向駕駛員一側(cè)的移動量，起到保護駕駛員的作用。這種防傷機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單，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)向器評價的幾個重要參數(shù)，對整體式液壓轉(zhuǎn)向器的工作原理進行了全面的介紹，并根據(jù)設(shè)計任務(wù)書給出的數(shù)據(jù)，選定了循環(huán)球機械轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)閥式控制裝置作為本次設(shè)計的轉(zhuǎn)向器方案。
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第3章 主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計和校核
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)有足夠的強度。欲驗算轉(zhuǎn)向系零件的強度，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經(jīng)驗公式來計算汽車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摩擦因數(shù)，一般取0.7;
—為轉(zhuǎn)向軸負荷（）;
—為輪胎氣壓().
作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力為:
（3-2）
式中，—轉(zhuǎn)向搖臂長；
—轉(zhuǎn)向節(jié)臂長；
—轉(zhuǎn)向盤直徑；
—轉(zhuǎn)向器角傳動比；
—轉(zhuǎn)向器正效率.
轉(zhuǎn)向系載荷的具體計算見表3-1。
表3-1 轉(zhuǎn)向系載荷的計算
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計算項目
計算內(nèi)容
計算結(jié)果
已知：滿載時轉(zhuǎn)向軸軸荷分配=4800kg, 輪胎氣壓=0.67
轉(zhuǎn)向軸負荷
=g=4800×9.8=47000N
=47000N
輪胎和路面間的滑動摩擦因數(shù)
一般取0.7
轉(zhuǎn)向阻力距
=N﹒mm
轉(zhuǎn)向盤直徑
根據(jù)GB/T 5911-1986《轉(zhuǎn)向盤尺寸》，
選取=500mm
=500mm
初選轉(zhuǎn)向器
角轉(zhuǎn)動比
參考同類轉(zhuǎn)向器，選取
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球摩擦系數(shù)
查《機械設(shè)計》，表4-1知：球摩擦與液體動力潤滑相近。液體動力潤滑：0.01~0.001
取
當量摩擦角
計算項目
計算內(nèi)容
計算結(jié)果
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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)向機構(gòu)的
角傳動比
通常轉(zhuǎn)向機構(gòu)的角傳動比在0.85～1.1之間，選取
作用在轉(zhuǎn)向盤的
切向力
3.2 螺桿、鋼球和螺母傳動副
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對確定鋼球中心距D的大小有影響，而D又對轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)尺寸和強度有影響。在保證足夠的強度條件下，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)計時應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)向軸負荷的不同來選定。螺母內(nèi)徑應(yīng)大于一般要求（5﹪～10﹪）D。
圖3-1 螺桿、鋼球和螺母傳動副
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，同時螺桿和螺母傳動機構(gòu)和轉(zhuǎn)向器的尺寸也隨之增大。鋼球直徑應(yīng)符合國家標準，一般長在7～9mm范
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圍內(nèi)選用。
增加鋼球數(shù)量n，能提高承載能力；但使鋼球流動性變壞，從而使傳動效率降低。因為鋼球直徑本身有誤差，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)驗證明，每個環(huán)路中的鋼球數(shù)以不超過60個為好。為保證盡可能多的鋼球都承載，應(yīng)分組裝配。每個環(huán)路中的鋼球數(shù)為：
(3-3)
式中， —鋼球中心距；
—個環(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
當螺桿和螺母各有兩條圓弧組成，形成四段圓弧滾道截面時,見圖3-2，鋼球與滾道有四點接觸,傳動時軸向間隙最小，可滿足轉(zhuǎn)向盤自由行程小的要求。圖中滾道與鋼球之間的間隙，除用來貯存潤滑油之外，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。
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3.2.5螺距P和螺線導(dǎo)程角
轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動角,對應(yīng)螺母移動的距為：
（3-4）
式中，–螺紋螺距。
與此同時,齒扇節(jié)圓轉(zhuǎn)過的弧長等于s,相應(yīng)搖臂轉(zhuǎn)過角,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）
將對求導(dǎo)得循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器角傳動比為：
（3-7）
由式（3-7）可知,螺距影響轉(zhuǎn)向器傳動比的值。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)向器用兩個環(huán)路，而每個環(huán)路的工作鋼球圈數(shù)又與接觸強度有關(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。不易過大，否則鋼球流經(jīng)導(dǎo)管時球心偏離導(dǎo)管中心線的距離增大，并使流動阻力增大。推薦=0.4～0