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1、汽车整体式动力转向器的设计摘 要 转向系作为现代车辆的重要系统之一，其主要作用是保证车辆按驾驶员设想的轨迹运动。转向器作为转向系最为重要的组成部分，其性能的好坏不仅直接影响转向灵敏度，而且对车辆的安全性也有重要影响。整体转阀式动力转向器作为目前应用最为广泛的转向器，不但结构紧凑，便于在车辆上的布置，而且转向轻便、灵活，有效减轻了驾驶员的疲劳，提高了车辆行驶的安全性。 本文以重型载货汽车为对象，为其设计了一种转向器总成，该转向器采用整体式循环球转向器，由液压进行助力，用转阀进行控制。然后依据载货汽车的参数，围绕整体转阀式转向器进行设计，计算和校核了主要结构件，优化了转阀刃口形式，完成了转向液压回

2、路的设计。关键词：整体式动力转向;转阀;刃口优化The Design of Automotive Integral Power SteeringAbstractThe steering system, as one of the important modern vehicle systems, is mainly to ensure that vehicles shall move as drivers assume. The power steering is the most important part of this system, whose performance doesnt

3、not only influence the agility of steering directly but only plays a vital role in security of vehicles. The integral power steering which is the most widely applied power steering, is not only compact confirmed that is convenient to be installed in the car but also turns lightly and flexibly that c

4、an reduce drivers tiredness efficiently and increase security of driving. In this paper, I design a power steering for the heavy freight cars. The steering using recirculating ball steering assisted by hydraulic power, controlled with a rotary valve. Then according to the data of freight cars, I beg

5、in to design with the rotary valve power steering, calculate and proofread major parts of the power steering, optimize the pattern of rotary valve cutting edge, accomplish the design of circuit for hydraulic steering.Key words: Integral power steering; rotary valve; edgeoptimization目 录摘 要IAbstractII

6、1 绪论11.1 课题研究背景和意义11.2 转向系统的发展11.2.1 机械转向系统11.2.2 液压动力转向系统21.2.3 电控液压动力转向系统21.2.4 电动助力转向系统31.2.5 四轮转向系统31.2.6主动前轮转向系统41.2.7 线控转向51.3 本文主要内容62 转向器主要参数、原理和方案选定72.1 转向系的主要性能参数72.1.1 转向系效率72.1.2 转向系的角传动比与力传动比82.1.3转向器的传动间隙特性112.1.4 转向系的刚度122.1.5 转向盘的总转动圈数132.2 整体式动力转向器工作原理132.2.1 汽车直线行驶时132.2.2 向左转向时工作情

7、况142.2.3 向右转向时142.2.4 方向盘处于某一转向角度时142.2.5 助力装置的随动作用142.2.6 转向后方向盘回位的工作情况152.2.7 保证直线行驶稳定的情况152.2.8 液压助力装置失效时的工作情况152.3 方案的选择152.3.1 机械式转向器的选择152.3.2 动力缸的选择152.3.3 转向分配阀的选择162.4 本章小结163 主要结构的设计和校核173.1转向系计算载荷的确定173.2 螺杆、钢球和螺母传动副193.2.1 钢球中心距D、螺杆外径D1和螺母内径D2193.2.2钢球直径d及数量n193.2.3 滚道截面193.2.4 接触角203.2.

8、5螺距P和螺线导程角0203.2.6 工作钢球圈数W203.2.7 导管内径d1203.3 齿条齿扇传动副的设计223.4 零件强度校核253.4.1 钢球与滚道之间的接触应力j253.4.2 齿的弯曲应力w263.4.3 转向摇臂轴直径的确定263.5 扭杆的设计293.6 动力缸的计算323.6.1 动力缸径的计算323.6.2 螺母行程的计算333.6.3 动力缸缸筒壁厚的计算333.7 本章小结364 阀口结构的优化374.1 简单阀口的转阀374.2 短切口转阀384.3 Matlab模拟414.3.1 简单阀口模拟414.3.2 短切口阀口模拟424.4 本章小结435 液压回路的

9、设计445.1 转向油泵的选择445.2 转向油罐455.3 本章小结476 UG三维建模486.1 变厚齿扇建模486.1.1建立0-0截面486.1.2 建立最大变位系数截面496.1.3 建立最小变位系数截面506.1.4 扫掠出齿扇齿形外廓506.2 创建齿扇长、短轴516.3 创建渐开线花键526.4 创建调整孔及退刀槽546.5 本章小结54总 结55参考文献56致谢57附录一 三维图58附录二 工艺分析61附录三 文献翻译641 绪论1.1 课题研究背景和意义伴随着人们生活水平的不断提高，汽车在人们的日常生活中正变得越来越必不可缺少。2010年，我国汽车产销量双双实现世界第一，汽

10、车保有量将近7500万辆。转向系统作为汽车必不可少的系统之一，其性能的好坏，直接影响着汽车的安全性和操纵稳定性。转向系统能让汽车按照驾驶员的意志经常改变行驶方向。在所有机械故障引起的交通事故中，转向失效造成的交通事故占了很大一部分比例。伴随着车辆技术的发展，人们对转向系统的性能要求也越来越高，开发出一款满足人们需求的高性能转向系统是我们需要解决的一个问题。汽车转向一直存在“轻”与“灵”的矛盾。为了保证转向轻便性，要求增大转向器的角传动比，但是这将造成汽车对操纵的反应减慢，即不够“灵”。为了缓解这一矛盾，人们针对机械转向器，从两方面解决这一矛盾。一是提高转向器效率，二是将转向器设计成变速比，但这

11、并不能从根本上解决这一矛盾。动力转向的出现较好地缓解了转向系统“轻”与“灵”的矛盾，可见助力转向对整车性能有着很大的影响。整体式动力转向作为目前市场上最为主要的助力转向器，它将机械转向器，转向动力缸和转向控制阀整合到一起，大大减小转向系统所占的空间，方便转向系统在汽车上的布置。伴随着人们汽车占有量的不断增大，设计出一款高性能的整体式转向，不仅可以提高车辆的操控性，而且对降低因转向失效引起的交通事故也是意义重大的。因此，转向系统的好坏直接影响到整车设计的成功与否。通过本次课题研究，不仅可以系统地掌握整体式转向系统的原理和各参数的选择，设计出合理的转向系，还可以将大学四年所学的课程进行一次全面的梳

12、理，为即将到来的实际工作打下基础。1.2 转向系统的发展汽车转向系统主要经历以下几个阶段：机械转向系统、液压动力转向系统、电控液压动力转向系统、电动助力转向系统、四轮转向系统、主动前轮转向系统、线控转向系统1。1.2.1 机械转向系统 机械转向系统结构简单, 性能可靠, 但是转向力全部来自驾驶员的手力, 因此, 转向盘操纵比较沉重。为了解决汽车转向“轻”与“ 灵” 的矛盾, 可以增大转向器的角传动比。增加角传动比虽然可以减小转向盘上的手力, 但是同时也造成汽车对转向操纵的反应减慢; 为此人们将转向器设计成变速比，在转向盘小转角时以“灵”为主，在转向盘大转角时以“轻”为主。但是由于“灵”的范围只

13、在转向盘中间位置附近, 仅对高速行驶有意义，并且传动比不能随车速变化，所以不能从根本上解决“轻”与“灵”的矛盾。目前基本处于淘汰边缘。1.2.2 液压动力转向系统 液压动力转向系统(Hydraulic Power Steering System，简称HPS)是在传统机械转向系统的基础上，增加转向控制阀、动力缸、油泵、储油罐和进回油罐管路等液压动力装置组成。转向控制阀根据转向盘转动方向和力矩大小控制助力油缸的油压大小，从而控制助力大小，如图1.1所示。虽然液压动力转向系统可提供转向助力，使转向较为轻便，但存在很多缺点: 如能量消耗大，助力特性不能改变，低温助力性能不好。由于液压动力转向技术成熟，

14、在成本上有着巨大的优势，提供的助力也较大，现今的大部分车都采用该系统。图1.1 液压动力转向系统1.2.3 电控液压动力转向系统随着人们对汽车经济性、环保性、安全性的日益重视，为了克服液压动力转向系统的不足，人们在液压动力转向系统的基础上，增加了电子控制单元和执行元件，将车速信号引入到系统中，开发了车速感应型电控液压动力转向系统(Electro Hydraulic Power Steering System，简称EHPS)，如图1.2所示。图1.2 电控液压动力转向系统控制单元根据车速信号改变电液转换装置的助力特性,达到在低速或急转弯行驶时助力较大,以满足转向轻便性的要求;高速时助力较小,以满

15、足路感和操纵稳定性的要求。虽然电控液压动力转向系统较于传统的液压动力转向系统有所改进，但仍然难以克服液压系统本身所具有的缺点,同时由于在液压系统的基础上增加了传感器和控制单元,使系统成本增加。1.2.4 电动助力转向系统电动助力转向系统(Electric Power Steering System，简称EPS)是在机械转向系统的基础上，用电池作能源，电动机为动力装置，直接依靠电动机提供辅助转矩的动力转向系统。整个系统由转矩传感器、车速传感器、控制器、助力电动机及减速机构等组成。根据电动机助力位置的不同。EPS系统可分为:转向管柱助力式、齿轮助力式、齿条助力式3种，如图1.3所示。图1.3 电动

16、助力转向系统驾驶员转动转向盘时，控制器根据转向盘转矩的大小进行助力控制，转向盘转矩越大，助力电动机提供的助力转矩也越大，提高汽车的转向轻便性；同时，控制器根据车速的高低来控制路感，车速低时提供较大的助力，车速高时提供较小的助力，增强驾驶员的路感。与液压动力转向系统和电控液压动力转向系统相比, 电动助力转向系统具有以下优：1)可获得优化的助力特性，转向轻便，路感好,提高了操纵稳定性；2)助力特性通过软件设置和修改，可以快速与车型匹配；3)当汽车不转向时，电动机不工作；转向时，电动机才工作，提供助力力矩，实现真正的“按需功能”，减少能量消耗。4)结构紧凑，便于模块化安装；5)对环境无污染；6)低温

17、工作性能好。作为新一代的转向系统，目前有替代液压助力转向系统的趋势。1.2.5 四轮转向系统四轮转向系统（4 Wheel Steering，简称4WS）是指车辆在转向的过程中，后轮直接参与对车辆质心侧偏角及侧向运动的控制，这样不仅可以减少转向力产生的滞后，而且还可以独立地控制车辆的运动轨迹与姿态，使车辆的方向角与航向角重合, 所以能有效地提高车辆的侧向稳定性和操纵灵活性。低速时，在后轮上附加一个与前轮转角相反的转角，进行逆相位转向，以减小车辆的转弯半径，提高汽车的机动灵活性；高速时，前、后轮进行同相位转向，可以极大地改善横摆角速度和侧向加速度的瞬态响应指标，提高汽车的操纵稳定性。如图1.4所示

18、,1、2为前、后轮侧偏角。目前在大型车辆和SUV上有少量应用。图1.4 四轮转向1.2.6主动前轮转向系统在传统的转向系统中，转向传动比是固定的，在低速时，驾驶员要花很大的力气转动转向盘，转向不灵敏；高速时，转向灵敏性会增加，但是稳定性和安全性随之下降, 这就构成了无法避免的矛盾。德国宝马公司和ZF公司联合开发的主动前轮转向系统( Active Front Steering，简称 AFS)很好地解决了上述矛盾。宝马的AFS系统本质是一套可变传动比的转向系统，它保留了传统转向系统的机械构件,其最大特点就是在转向盘和齿轮齿条转向机之间的转向柱上集成了一套双行星齿轮机构,如图1.5所示。AFS系统能

19、在驾驶员通过转向盘施加给前轮的转向角的基础上,通过双行星齿轮机构给前轮叠加一个额外的转向角。这个齿轮组包括两个输入轴和一个固定在转向柱上的输出轴,其中一个驱动轴连接在转向盘上,另一个驱动轴由一个电动机通过一个自锁式涡轮蜗杆机构驱动行星架转动。输出轴输出的转向角度就是由转向盘转角与电动机驱动的行星架转向角度叠加得到,也就是汽车的实际转向角度。低速时,电动机驱动的行星架转动方向与转向盘转动方向相同,叠加后增加了实际的转向角度,可以减少转向力的需求,提高了汽车的转向灵敏性; 高速时,电动机驱动的行星架转动方向与转向盘转动方向相反,叠加后减少了实际的转向角度,汽车的转向变得更为间接,提高了汽车的稳定性

20、和安全性。图1.5 主动前轮转向系统主动前轮转向作为一项主动安全技术具有很大的潜在市场需求， 但由于增加了一套行星齿轮机构，因此成本较高, 目前主要应用于高档轿车。1.2.7 线控转向线控转向( Steer-by-W ire System，简称SBW )是更新一代的汽车电子转向系统，线控转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，其结构如图1.6所示。线控转向系统主要由3个模块组成：转向盘总成、控制器和前轮转向总成。转向盘总成包括转向盘、较短的转向柱、转向盘转角传感器、路感电动机等，路感电动机向驾驶员反馈路感，转向盘转角传感器提供驾驶员的转向意图，控制器根据此信号向前轮转向总成提供目标前轮转角

21、。前轮转向总成包括齿条位移传感器、转向电动机等，转向电动机驱动转向轮，跟踪目标前轮转角，实现主动转向；齿条位移传感器测量前轮的运动状态，以进行前轮转角的反馈控制，并为路感反馈提供参考信号，将车辆运动状况反馈给驾驶员。图1.6 线控转向系统1-路感电动机 2-转向盘转角传感器 3-齿条位移传感器4-齿轮齿条转向器 5-转向电动机 6-ECU 线控转向系统有如下优点：1)取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，消除了撞车事故中转向柱引起伤害驾驶员的可能性，且不必设置转向防伤装置；2)由于取消了机械连接，地面不平和转向轮的不平衡造成的冲击不会传到转向盘，从而减轻了驾驶员的疲劳；3)消除了转向干涉问题,

22、为实现多功能全方位的自动控制，以及汽车动态控制系统和汽车平顺性控制系统的集成提供了先决条件；4)转向回正力矩能够通过软件依据驾驶员的要求进行调整；5)由于转向盘与转向轮之间没有机械连接，使线控转向系统在汽车上的布置更加灵活, 转向盘的位置可以方便地布置在需要的位置；6)转向盘与转向轮之间没有机械连接，增大了驾驶员腿部活动空间，使驾驶员出入更加方便。线控转向系统的缺点是：由于转向盘和转向车轮之间没有机械连接，当电控系统出现故障时，车辆将无法保证转向，处于失控状态；而且线控转向系统本身的成本较高，很难在家用轿车上普及。但是随着电控技术的发展，电子元器件性能的不断提升，而成本不断的下降，以及线控转向

23、系统本身的优点，决定了它将具有更加广阔的应用前景。1.3 本文主要内容 本文首先介绍了评价转向器的几个主要参数，重点介绍了整体式转向器的工作原理及转向器的方案的选定。接着根据设计任务书所给定的已知条件，对主要零部件进行了设计和校核。由于Matlab所预测的简单阀口灵敏度曲线的不足，选取了短切口对阀口进行了优化并设计了转向液压回路。最后绘制了整体式动力转向器的UG三维模型和二维图纸，并对齿扇轴的建模过程进行了建模过程说明和工艺分析。2 转向器主要参数、原理和方案选定2.1 转向系的主要性能参数转向系的主要性能参数有转向系的效率、转向系的角传动比与力传动比、转向器传动副的传动间隙特性、转向系的刚度

24、以及转向盘的总转动圈数2。2.1.1 转向系效率转向系的效率0由转向器的效率和转向操纵及传动机构的效率决定，即 （2-1）转向器的效率又有正效率+与逆效率_之分。转向摇臂轴输出的功率(P1-P2)与转向轴输入功率P1之比，称为转向器的正效率： （2-2）式中P2转向器的摩擦功率。反之，即转向轴输出的功率(P3-P2)与转向摇臂轴输入的功率P3之比，称为转向器的逆效率： （2-3）正效率愈大，转动转向轮时转向器的摩擦损失就愈小，转向操纵就愈容易。转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等是影响转向器正效率的主要因素。循环球式转向器的传动副为滚动摩擦，摩擦损失小，正效率+可达85%；蜗杆指销式和

25、蜗杆滚轮式转向器的传动副存在较大滑动摩擦，效率较低。对于蜗杆和螺杆类转向器，如果忽略轴承和其他地方的摩擦损失而只考虑啮合副的摩擦，则其正效率+为 （2-4）式中 蜗杆或螺杆的螺线导程角； 摩擦角，； 摩擦系数。 逆效率表示转向器的可逆性。根据逆效率的大小，转向器可分为可逆式、极限可逆式与不可逆式三种。可逆式转向器的逆效率较高，这种转向器可将路面作用在转向轮上的大部分力传递到转向盘上，使司机的路感好。在汽车转向后也能保证转向轮与转向盘的自动回正，使转向轮行驶稳定。但在坏路面上，当转向轮上作用有侧向力时，转向轮受到的冲击大部分会传给转向盘，容易产生“打手”现象，同时转向轮容易产生摆振。因此，可逆式

26、转向器宜用于良好路面上行驶的车辆。循环球式和齿轮齿条式转向器均属于这一类。不可逆式转向器不会将转向轮受到的冲击力传到转向盘上。由于它既使司机没有路感，又不能保证转向轮的自动回正，现代汽车已不采用。极限可逆式转向器介于上述两者之间。其逆效率较低，适用于在坏路面上行驶的汽车。当转向轮受到冲击力时，其中只有较小的一部分传给转向盘。如果忽略轴承和其他地方的摩擦损失而只考虑啮合副的摩擦，则蜗杆和螺杆类转向器的逆效率为 （2-5）式中0及见式（2-4）下的说明。由式（2-4）、式（2-5）可见：增大导程角0不仅能提高正效率，也会提高逆效率，故0不宜取得过大。当0时，逆效率_0，这时转向器为不可逆式。因此应

27、使0min，通常螺线的导程角取为810。通常，由转向盘至转向轮的效率即转向系的正效率0+的平均值为0.670.82；当向上述相反方向传递力时逆效率0-的平均值为0.580.63。转向操纵机构的效率用于评价在这些机构中的摩擦损失，其中转向轮转向主销等的摩擦损失约为转向系总损失的40%50%，而拉杆球销的摩擦损失约为转向系总损失10%15%。2.1.2 转向系的角传动比与力传动比1)角传动比转向盘转角的增量与同侧转向节转角的相应增量之比，称为转向系的角传动比i0w。转向盘转角的增量与转向摇臂轴转角的相应增量之比，称为转向器的角传动比iw。转向摇臂轴转角的增量与同侧转向节转角的相应增量之比，称为转向

28、传动机构的角传动比iw。它们之间的关系为 （2-6） （2-7） （2-8）式中 转向系的角传动比; 转向器的角传动比； 转向传动机构的角传动比； 转向盘转角的增量； 转向摇臂轴转角的增量；同侧转向节转角的相应增量。转向传动机构的布置，通常取其再中间位置时使转向摇臂及转向节臂均垂直于其转向纵拉杆，而在向左和向右转到底的位置时，应使转向摇臂与转向节臂分别与转向纵拉杆的交角相等。这时，转向传动机构的角传动比亦可取为 （2-9）式中 转向摇臂长； 转向节臂长。 现代汽车转向传动机构的角传动比多在0.851.1，即近似为1。故研究转向系的角传动比时，为简化起见往往只研究转向器的角传动比及其变化规律即可

29、。2)力传动比 转向传动机构的力传动比iP等于转向车轮的转向阻力矩Tr与转向摇臂的力矩T之比值。iP与转向传动机构的结构布置型式及其杆件所处的转向位置有关。 在最恶劣的转向条件下，例如在干而粗糙的转向轮支承面上做原地转向，转向车轮的转向阻力距Tr由转向车轮相对于主销轴线的滚动阻力距T1、轮胎与地面接触部分的滑动摩擦力矩T2以及转向车轮的稳定力矩或自动回正力矩所形成的阻力距T3组成。即 （2-10）且 （2-11） （2-12） （2-13）式中 G1转向轴的载荷； 滚动阻力的力臂，或主销偏移距。即由转向节主销轴线的延长线与支撑面的交点至车轮中心平面与支承平面的交线的距离。通常货车的值为4060

30、mm；轿车取0.40.6倍的台面宽度； 车轮的滚动阻力系数，计算时可取； 主销内倾角； 主销后倾角； 、内、外转向轮的平均转角； 附着系数，计算时取； 滑动摩擦力矩T2的力臂： （2-14） r、rj车轮的自由半径和静半径，计算时可近似地取rj=0.96 r。在实际计算中常取转向传动机构的力传动比计算转向摇臂轴上的力矩 （2-15）式中 转向传动机构的效率，一般取。则转向是在转向盘上的切向力可由下式求得 （2-16）式中 转向器的力传动比； 转向盘的半径，根据车型不同可在范围内按国家标准系列选取； 转向器的正效率。 由以上两式可见：当转向阻力距Tr一定时，增大力传动比iP，iP就能减小作用在转

31、向盘上的切向力Fh，使操纵轻便。 这里还应指出：当汽车在行驶过程中转向时，上述转向轮与地面间的滑动摩擦阻力距T2比汽车在原地转向时的要小许多倍，且与车速有关。3) 转向器角传动比的变化规律 转向器的角传动比iw是一个重要参数，它影响着汽车的许多转向性能。由于增大角传动比可以增大力传动比，因此转向器的角传动比不仅对转向灵敏度和稳定性有直接影响，而且也影响着汽车的操纵轻便性。由式（2-6）并考虑到iw1，可以看出：转向轮的转角与转向器的角传动比iw成反比。iw增大会使同一转向盘转角下的转向轮转角变小，使转向操纵时间变长，汽车转向灵敏性降低。因此转向“轻便性”与“灵敏性”是产品设计中遇到的一对矛盾。

32、采用可变角传动比的转向器可协调对“轻便性”和“灵敏性”的要求。而转向器角传动比的变化规律又因转向器的结构型式和参数的不同而异。图2.1给出了几种典型的转向器角传动比变化规律。由该图可见：转向器的角传动iw随转向盘转角的变化特性有不变（曲线3）和可变之分。后者又有多种变化规律。其中曲线1为转向盘在中间位置时，iw较小，向左、右转动时则逐步增大；曲线4则与之相反。曲线2为蜗杆双销式转向器的角传动比特性曲线，是周期重复的。曲线5则为蜗杆单销式转向器的角传动比特性曲线，这时转向器蜗杆在中间位置的螺距较小，而至两端则逐渐增大。应根据车型和使用条件的不同来合理选择iw及其变化特性。对于高速车辆来说转向盘处

33、于中间位置时的转向器角传动比iw不宜过小，否则会在高速直线行驶时对转向盘的转角过分敏感。转向盘处于中间位置即汽车直行时的转向器角传动比不宜小于1516。图2.1 转向器角传动比iw的变化特性曲线对于轿车和轻型以下的货车，因前轴负荷不大，在转向盘的全转角范围内不存在转向沉重问题，而具有动力转向的车辆，其转向阻力距由动力装置克服，故在上述两种情况下均有可能选择较小的角传动比和减少转向盘转动的总圈数，以提高汽车的转向的灵敏性。其角传动比iw宜采用转向盘处于中间位置时具有较大值而在左、右两端具有较小值的变化特性，如图2.1曲线4及5所示。对于没有装动力转向的大客车和中型及以上的载货汽车，因转向轴负荷大

34、，而转向传动机构的力传动比iP在转向过程中是变化的，使急转弯时的操纵轻便性问题显得十分突出，故转向器角传动的理想特性应当是中间小两端大的曲线，如图2.1的曲线1所示。现代汽车转向器的角传动比也常采用不变的数值：轿车取iw=1422；货车取iw=2025。汽车的转向车轴负荷较轻是，应选用较小值。2.1.3转向器的传动间隙特性转向器的传动间隙是指转向器传动副之间的间隙。该间隙随转向盘转角的改变而改变。通常将这种变化关系称为转向器的传动间隙特性。研究该传动间隙特性的意义在于它对汽车直线行驶时的稳定性和转向器的寿命都有直接影响。当转向盘处于中间位置即汽车做直线行驶时，如果转向器有传动间隙则将使转向轮在

35、该间隙范围内偏离直线行驶位置而失去稳定性。为防止这种情况发生，要求当转向盘处于中间位置时转向器的传动副为无隙啮合。这一要求应在汽车使用的全部时间内得到保证。汽车多直行行驶，因此转向器传动副在中间部位的磨损量大于其两端。为了保证转向器传动副磨损最大的中间部位能通过调整来消除因磨损而形成的间隙，调整后当转动转向盘时又不致于使转向器传动副在其他啮合部位卡住。为此应使传动间隙从中间部位到两端逐渐增大，并在端部达到其最大值（矿量转角约为2535），如图2.2所示，以利于对间隙的调整及提高转向器的使用寿命。不同结构的转向器其传动间隙特性亦不同。图2.2 转向器的传动间隙特性1 转向器的径向矿量；2转向器的

36、轴向矿量2.1.4 转向系的刚度转向系的各零、部件尤其是一些杆件均具有一定的弹性，这就使得转向轮的实际转角s要比司机转动转向盘并按转向系角传动比换算至转向轮的转角0要小，这样就会有不足转向的趋势。转向系刚度Cs对轮胎的侧偏刚度影响也很大。如果令C为不考虑转向系刚度时的轮胎侧偏刚度，而C为考虑转向系刚度时的轮胎侧偏刚度（称为等价刚度），则有以下关系： （2-17）式中 Cs整个转向系的刚度； b拖后距（后倾拖距与轮胎拖距之和），见图2.3.图2.3 考虑转向刚度时的轮胎等价侧偏刚度前轮侧偏角； 前轮速度；侧偏后的前轮速度； 前轮的侧向反作用力由上式可见：当Cs值很大时，CC，即前轮的侧偏刚度近似

37、为C；当Cs值很小时，前轮的侧偏刚度为C且CC。后者表明：转向系刚度不足会使前轮的侧偏刚度减小，并导致汽车不足转向倾向的加剧。是汽车的转向灵敏性变差。2.1.5 转向盘的总转动圈数 转向盘从一个极端位置转到另一个极端位置时所转过的圈数称为转向盘的总转动圈数。它与转向轮的最大转角及转向系的角传动比有关，并影响转向的操纵轻便性和灵敏性。轿车转向盘的总转动圈数较少，一般约在3.6圈以内；货车一般不宜超过6圈。2.2 整体式动力转向器工作原理2.2.1 汽车直线行驶时图2.4直线行驶转阀工作状态1-阀套；2-扭杆；3-阀芯当汽车直线行驶时，转阀处于中间位置（如图2.4所示），来自转向泵的工作油从转向器

38、壳体的进油口流进阀体，经通孔进入阀套和阀芯之间。此时因转阀处于中间位置，进入的油液分别通过阀套和阀芯纵槽槽肩形成的两边相同的间隙、阀套的径向油孔、阀芯径向油孔，与动力缸上、下腔室同时相通，两腔油压相等,齿条活塞保持在中间平衡位置，不存在助力作用。此时流入阀体的油液通过阀套的径向通孔，经壳体回油口流回转向油泵储油缸,形成了油液循环3。2.2.2 向左转向时工作情况图2.5 向左转向时转阀工作状态1-阀套；2-扭杆；3-阀芯如图2.5所示，左转向时，阀芯向左转动，阀芯上的销子带动扭杆上端也同向转动。由于转向阻力的存在，要必须有足够的转动力矩才能使转向螺杆转动。这个力矩促使扭杆发生弹性扭转，造成阀体

39、转动的角度小于转阀转动的角度，两者产生相对角位移（如图2.5所示）。进入下动力腔的进油槽隙减小或封闭而回油槽增大，油压降低；通上动力腔的进油槽隙增大而回油槽隙减小或封闭，油压升高，上、下动力腔产生油压差。齿条活塞便在油压差作用下移动，产生助力作用。此时来自转向油泵的压力油通过槽隙流向动力缸上腔, 动力缸下腔的油则通过阀体径向孔、槽隙、转阀径向孔、回油口，流回储油缸。2.2.3 向右转向时向右转向时，动力转向器的工作原理与左转向基本相同，只是阀体内油路发生相反方向的变化，齿条活塞的下动力腔油压升高而上腔油液自由回流，油压很低，从而产生反方向的助力作用。扭杆的反作用力能成比例地反映到方向盘上，驾驶

40、员可以感到转向阻力的变化情况，即有“路感”。2.2.4 方向盘处于某一转向角度时当方向盘停在某一位置不再继续转动时, 此时阀体随螺杆在油液和扭杆弹力的作用下沿方向盘旋转方向扭转一个角度, 使之与转阀相对角位移量减小, 上、下动力腔油压差减小, 但仍有助力作用。助力扭矩与车轮的回正力矩相平衡, 使车轮维持在某一转向位置。2.2.5 助力装置的随动作用在转向过程中，若方向盘转动加快，弹性扭杆的扭转速度也加快，阀体和转阀相对错开的角位移量也迅速增大，上、下动力腔的油压差也相应加大，前轮偏转速度加快。可见方向盘转动，前轮随之偏转； 方向盘转动快，前轮偏转快；方向盘停转, 前轮就停止偏转, 即处于平衡状

41、态（前面已分析）。这就是助力装置的随动作用。2.2.6 转向后方向盘回位的工作情况当汽车转向后回位时，如果驾驶员放松方向盘，扭转的弹性扭杆回位，转阀回到中间位置，失去助力作用，此时转向轮在回正力矩作用下自动回位；若需要液压助力时，驾驶员可回转方向盘, 使助力器帮助转向轮回正。2.2.7 保证直线行驶稳定的情况前轮直线行驶偶遇外界阻力发生偏转时，阻力矩通过转向传动机构、转向螺杆、螺杆与阀体的圆柱销作用在阀体上，使之与转阀产生相对角位移, 这样通向上、下动力腔的油压不相等，产生助力作用, 通过齿条齿扇传动副以及转向传动机构使前轮迅速向正。假设前轮突然遇到外界阻力向左偏转，阻力矩通过传动机构使阀体逆

42、时针转动，阀体与转阀有相对角位移量，动力缸的下动力腔油压升高而上腔油压降低，产生助力作用，又通过传动机构使左偏的前轮迅速回正，保证了汽车直线行驶的稳定性。2.2.8 液压助力装置失效时的工作情况一旦液压助力装置失效，该动力转向器即变成机械转向器。当汽车转向时，阀芯下端有凸块，转过一定角度后, 通过螺杆上端转阀限位结构，带动螺杆旋转, 以保证汽车转向。不过方向盘的空行程加大，转向时有沉重感。2.3 方案的选择整体式动力转向器主要由三部分构成：1）机械式转向器；2）动力缸；3）转向分配阀。2.3.1 机械式转向器的选择根据所采用的转向传动副的不同，转向器的结构形式有多种。常见的有齿轮齿条式、循环球

43、、球面蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等。对转向器结构型式的选择，主要根据汽车的类型、使用条件等来决定，并要考虑其效率特性、角传动比变化特性等对使用条件的适应性以及转向器的其他性能、寿命、制造工艺等。中、小型轿车以及前轴轴荷小于1.2t的客车、货车，多采用齿轮齿条式转向器。球面蜗杆滚轮式转向器曾广泛用在轻型和中型汽车上。循环球式转向器转向器则是当前广泛使用的一种结构，高级轿车和轻型及以上的客车、货车均多采用。轿车、客车多行驶于好路面上，可以选择正效率高、可逆程度大些的转向器。矿山、工地用汽车和越野汽车，经常在坏路或无路地带行驶，推荐选用极限可逆转向器，但当系统中装有液力式动力转向或在横向拉杆上装有减振器

44、时，则可采用正、逆效率均高的转向器，因为路面的冲击可由液体或减振器吸收，转向盘不会产生“打手”现象。综上，整体式动力转向的机械部分选用循环球式转向器。2.3.2 动力缸的选择转向器的转向螺母和齿条被制成圆柱形，安装在转向器壳体的油压缸孔内，形成上、下两个密封腔室，通过动力转向器壳体上的两条油道分别与分配阀相通，上腔为左转向动力腔, 下腔为右转向动力腔。2.3.3 转向分配阀的选择分配阀有两种结构方案：分配阀中的阀与阀体以轴向移动方式来控制油路的称为滑阀式，以旋转运动来控制油路的称为转阀式。滑阀式分配阀结构简单，生产工艺性较好，易于布置，使用性能较好，曾得到广泛应用。转阀式与滑阀式比较，灵敏度高、密封件少而且结构较为先进。由于转阀是利用扭杆弹簧使转阀回位，所以结构复杂。转阀式分配阀在国内、外均得到广泛应用。因此，作者选择转阀式分配阀作为整体式动力转向器的分配阀。2.4 本章小结 本章主要介绍了转向器评价的几个重要参数，对整体式转向器的工作原理进行了全面