【溫馨提示】 dwg后綴的文件為CAD圖，可編輯，無水印，高清圖，，壓縮包內文檔可直接點開預覽，需要原稿請自助充值下載，請見壓縮包內的文件及預覽，所見才能所得，請細心查看有疑問可以咨詢QQ：414951605或1304139763
黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計
第1章 緒 論
1.1 汽車轉向系設計的目的及意義
汽車在行駛過程中，為了適應各種道路情況和行駛條件，經常需要改變行駛方向或修正行駛方向，如轉向、超車和避讓等。因此，轉向系對汽車行駛的適應性、安全性都具有重要的意義，轉向系統(tǒng)的性能直接影響著汽車的操縱穩(wěn)定性。如何設計汽車的轉向系統(tǒng)，使汽車具有良好的操縱性能，始終是各汽車廠家和科研機構的重要課題。特別是在車輛高速化、駕駛人員非職業(yè)化、車流密集化的今天，針對更多不同的駕駛人群，汽車的操縱性設計顯得尤為重要。
汽車是在一個世紀前出現(xiàn)的，大規(guī)模的汽車制造可以遠溯到1911年[1]。相關技術的發(fā)展及二次世界大戰(zhàn)中的技術更新促進了汽車工業(yè)的發(fā)展和進步。今天，汽車工業(yè)在世界上大部分國家的經濟中起到了中心作用。1999年，全球轎車的總產量大約為3866萬輛，比1998年增加大約2.2%；2000年世界汽車產量達到5733萬輛，比1999年增長2.8%，創(chuàng)歷史新記錄。汽車生產大國日本在1999年生產了810萬輛汽車，比1998年增加了0.6%。由于中國及其他亞洲國家汽車市場的擴大，這種增長趨勢還會持續(xù)下去。1992-2001年的10年里，我國汽車產量平均年增長15%，是同期世界汽車年均增長率的10倍。然而這種增長也具有負面影響，那就是會導致空氣污染和其他負面的社會和環(huán)保問題。
對轉向系統(tǒng)產品的需求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。傳統(tǒng)的汽車轉向系統(tǒng)是機械系統(tǒng)，汽車的轉向運動是由駕駛員操縱方向盤，通過轉向器和一系列的桿件傳遞到轉向車輪而實現(xiàn)的。普通的轉向系統(tǒng)建立在機械轉向的基礎上，通常根據(jù)機械式轉向器形式可以分為：齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿滾輪式、蝸桿指銷式。常用的有兩種是齒輪齒條式和循環(huán)球式(用于需要較大的轉向力時)。這種轉向系統(tǒng)是我們最常見的，目前大部分低端轎車采用的就是齒輪齒條式機械轉向系統(tǒng)。
從上世紀四十年代起，為減輕駕駛員體力負擔，在機械轉向系統(tǒng)基礎上增加了液壓助力系統(tǒng)它是建立在機械系統(tǒng)的基礎之上的，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。由于其工作可靠、技術成熟至今仍被廣泛應用。現(xiàn)在液壓助力轉向系統(tǒng)在實際中應用的最多，根據(jù)控制閥形式有轉閥式和滑閥式之分。這個助力轉向系統(tǒng)最重要的新功能是液力支持轉向的運動，因此可以減少駕駛員作用在方向盤上的力。
近年來，隨著電子技術的不斷發(fā)展，轉向系統(tǒng)中愈來愈多的采用電子器件。相應的就出現(xiàn)了電液助力轉向系統(tǒng)。電液助力轉向可以分為兩大類：電動液壓助力轉向系統(tǒng)EHPS、電控液壓助力轉向ECHPS[2]。EHPS是在液壓助力系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的，其特點是原來有發(fā)動機帶動的液壓助力泵改由電機驅動，取代了由發(fā)動機驅動的方式，節(jié)省了燃油消耗。ECHPS是在傳統(tǒng)的液壓助力轉向系統(tǒng)的基礎上增加了電控裝置構成的。電液助力轉向系統(tǒng)的助力特性可根據(jù)轉向速率、車速等參數(shù)設計為可變助力特性，使駕駛員能夠更輕松便捷的操縱汽車。?現(xiàn)代電液動力轉向系統(tǒng)主要通過車速傳感器將車速傳遞給電子元件，或微型計算機系統(tǒng)，控制電液轉換裝置改變動力轉向的助力特性，使駕駛員的轉向手力根據(jù)車速和行駛條件變化而改變，即在低速行駛或轉急彎時能以很小的轉向手力進行操作，在高速行駛時能以稍重的轉向手力進行穩(wěn)定操作，使操縱輕便性和穩(wěn)定性達到最合適的平衡狀態(tài)。?為了保證轉向輕便性，要求增大轉向器的傳動比。但是，增大角傳動比雖然可以減小轉向盤上的手力，但同時也造成汽車對操縱的反應減慢，甚至有可能導致駕駛員沒有能力來轉動轉向盤進行緊急避障等轉向操作，即不夠“靈”。 EHPS相比傳統(tǒng)HPS降低了能源損耗。但電液動力轉向系統(tǒng)，不論ECHPS還是EHPS都與傳統(tǒng)的HPS一樣存在液壓油泄漏問題。
上世紀50年代，通用汽車公司推出循環(huán)球式液壓動力轉向系統(tǒng)。上世紀80年代出現(xiàn)的電動轉向系統(tǒng)為動力轉向器增添了品種，歐洲汽車制造商在研究配有電動轉向系統(tǒng)的汽車比較早，日本的KOYO、NSK、HONDA及美國的DELPHI等公司也開發(fā)了多種類型的電動轉向系統(tǒng)[3]。現(xiàn)在人們更加關注具有節(jié)能、環(huán)保特點的產品，因此也可預測從液壓轉向系統(tǒng)到電動轉向系統(tǒng)的轉變過程會在將來很快的發(fā)生。
因現(xiàn)代汽車發(fā)動機功率在不斷增大，行車速度也不斷提高，對于兩輪轉向的汽車在高速行駛時將使其操縱穩(wěn)定性變差。從20世紀80年代末四輪轉向系統(tǒng)已進入實用階段，不僅保證了汽車低速行駛的轉向靈活，也保證了汽車高速行駛的操縱穩(wěn)定性[3]。
1.2 汽車轉向系統(tǒng)現(xiàn)狀
改革開放以來，我國汽車工業(yè)發(fā)展迅猛。作為汽車關鍵部件之一的轉向系統(tǒng)也得到了相應的發(fā)展，基本已形成了專業(yè)化、系列化生產的局面。有資料顯示，國外有很多國家的轉向器廠，都已發(fā)展成大規(guī)模生產的專業(yè)廠，年產超過百萬臺，壟斷了轉向器的產生，并且銷售點遍布了世界。
現(xiàn)代汽車轉向系統(tǒng)應適應汽車高速行駛的需要，從操縱輕便性、穩(wěn)定性及安全行駛的角度，汽車制造廣泛使用更先進的工藝方法，使用變速比轉向器、高剛性轉向器?！白兯俦群透邉傂浴笔悄壳笆澜缟仙a的轉向器結構的方向[4]。還應該充分考慮安全性、輕便性。隨著汽車車速的提高，駕駛員和乘客的安全非常重要，目前國內外在許多汽車上已普遍增設能量吸收裝置，如防碰撞安全轉向柱、安全帶、安全氣囊等，并逐步推廣。從人類工程學的角度考慮操縱的輕便性，已逐步采用可調整的轉向管柱和動力轉向系統(tǒng)。隨著國際經濟形勢的惡化，石油危機造成經濟衰減，汽車生產愈來愈重經濟性，因此，要設計成本、低油耗的汽車和低成本、合理化生產線，盡量實現(xiàn)大批量專業(yè)化生產。對零部件生產，特別是轉向器的生產，更表現(xiàn)突出。人類逐漸意識到全球變暖的問題，從而需要改進燃燒效率，并且對具有環(huán)保、節(jié)能型特點的產品需求不斷增加。因此，可以預測從液壓轉向系統(tǒng)到電動轉向系統(tǒng)的轉變過程會在將來很快發(fā)生。未來汽車的轉向器裝置，必定是以電腦化為唯一的發(fā)展途徑。
隨著汽車電子技術的迅猛發(fā)展，人們對汽車轉向操縱性能的要求也日益提高。汽車轉向系統(tǒng)已從傳統(tǒng)機械轉向、液壓助力轉向（Hydraulic Power Steering）、電控液壓助力轉向（Electric Hydraulic Power），發(fā)展到電動助力轉向系統(tǒng)（Electric Power Steering），最終還將過渡到線控轉向系統(tǒng)（Steer By Wire）。
在早期的汽車上，轉向機械非常簡單，主要由一級齒輪傳動機構和轉向拉桿等構成。其基本功能是將駕駛員的手動旋轉操作轉變?yōu)檗D向拉桿的左右移動，從而帶動車輪轉動，實現(xiàn)汽車的轉向。隨著汽車技術的發(fā)展，出現(xiàn)了更為復雜的機械式轉向機構。
機械轉向機械中的一個重要性能參數(shù)是傳動效率。因轉向器結構的不同，轉向效率也有較大的差別。一般應要求正效率高而逆效率適當。若逆效率太低，則“路感”差，且不能保證車輪自動回正。有關資料介紹正、逆效率之差最好保持在10%左右。
對于機械式轉向機構不斷提高轉向器的傳動效率已成為產品競爭的重要方面，它對轉向輕便性影響極大。另一個影響轉向輕便性的參數(shù)是轉向系統(tǒng)的角傳動比，其中轉向器傳動比是系統(tǒng)傳動比的主要構成部分。轉向的輕便性要求系統(tǒng)具有較大的傳動比，同時方向盤旋轉圈數(shù)不宜太多。
現(xiàn)在國外變速比轉向器正進入完全成熟的階段，可以看出它是解決汽車轉向輕便性的一個最廉價而有效的措施。我們要想減小轉向時的操舵力，提高傳動效率和提高傳動比效果是相同的，但傳動效率每提高一個百分之二、三，在結構和工藝上都要付出巨大的努力，然而若使兩端的傳動比高出中間位置20%，或者50%，都是比較容易辦到的，而部件的制造成本增加甚少。此外，轉向系統(tǒng)的剛性對操縱穩(wěn)定性和前輪擺振的問題也是一個很重要的指標。一般來說，轉向操縱的不靈敏區(qū)是自由行程和低剛度區(qū)造成。為了縮小不靈敏區(qū)，一是限制自由行程，一般認為自由行程超過方向盤轉角 是不能允許的，其次是增大系統(tǒng)剛度。為此，歐洲一些國家已經取消了縱拉桿內的彈蓋，日本也在淘汰這種結構。
隨著車輛載重的增加以及人們對車輛操縱性能要求的提高，簡單的機械式轉向系統(tǒng)已經無法滿足需要，動力轉向系統(tǒng)應運而生，它能在駕駛員轉動方向盤的同時提供助力，動力轉向系統(tǒng)分為液壓轉向系統(tǒng)和電動轉向系統(tǒng)兩種。其中液壓轉向系統(tǒng)是目前使用最為廣泛的轉向系統(tǒng)。
液壓轉向系統(tǒng)在機械系統(tǒng)的基礎上增加了液壓系統(tǒng)，包括液壓泵、 形帶輪、油管、供油裝置、助力裝置和控制閥。它借助于汽車發(fā)動機的動力驅動液壓泵、空氣壓縮機和發(fā)電機等，以液力、氣力或電力增大駕駛員操縱前輪轉向的力量，使駕駛員可以輕便靈活地操縱汽車轉向，減輕了勞動強度，提高了行駛安全性。
液壓助力轉向系統(tǒng)從發(fā)明到現(xiàn)在已經有了大約半個世紀的歷史，可以說是一種比較完善的系統(tǒng)，由于其工作可靠、技術成熟至今仍被廣泛應用。它由液壓泵作為動力源，經油管道控制閥向動力液壓缸供油，通過活塞桿帶動轉向機構動作，可通過改變缸徑及油壓的大小來改變助力的大小，由此達到轉向助力的作用。傳統(tǒng)液壓式動力轉向系統(tǒng)一般按液流的形式可以分為：常流式和常壓式兩種類型，也可以根據(jù)控制閥形式分為轉閥式和滑閥式。
隨著液壓動力轉向系統(tǒng)在汽車上的日益普及，人們對操作時的輕便性和路感的要求也日益提高，然而液壓動力轉向系統(tǒng)卻存在許多缺點：由于其本身的結構決定了其無法保證車輛在任何工況下轉動轉向盤實，都有較理想的操縱穩(wěn)定性，即無法同時保證低速時的轉向輕便性和高速時的操縱穩(wěn)定性；汽車的轉向特性受駕駛員的駕駛技術的嚴重影響；轉向傳動比固定，使汽車轉向響應特性隨車速、側向加速度等變化而變化，駕駛員必須提前針對汽車轉向特性幅值和相位的變化進行一定的操作補償，從而控制汽車按其意愿行駛。這樣增加了駕駛員的操縱負擔，也使汽車轉向行駛中存在不安全隱患；而此后出現(xiàn)了電控液壓助力系統(tǒng)，它在傳統(tǒng)的液壓動力轉向系統(tǒng)的基礎上增加了速度傳感器，使汽車能夠隨著車速的變化自動調節(jié)操縱力的大小，在一定程度上緩和了傳統(tǒng)的液壓轉向系統(tǒng)存在的問題。
目前我國生產的商用車和轎車上采用的大多是電控液壓助力轉向系統(tǒng)，它是比較成熟和應用廣泛的轉向系統(tǒng)。
電動助力轉向系統(tǒng)是現(xiàn)在汽車轉向系統(tǒng)的發(fā)展方向，其工作原理是：EPS系統(tǒng)的ECU對來自轉向盤轉矩傳感器和車速傳感器的信號進行分析處理后，控制電機產生適當?shù)闹D矩，協(xié)助駕駛員完成轉向操作。
近幾年來，隨著電子技術的發(fā)展，大幅度降低EPS的成本已成為可能，日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司、美國的Delphi汽車系統(tǒng)公司、TRW公司及德國的ZF公司都相繼研制出EPS。到目前為止，EPS系統(tǒng)在輕微型。
電動助力轉向系統(tǒng)主要是在機械式轉向系統(tǒng)的基礎上加上了傳感器（包括車速傳感器、轉矩傳感器和小齒輪位置傳感器）、電子控制單元（ECU）、助力電機、電磁離合器和減速機構而構成。
電動助力轉向系統(tǒng)可根據(jù)減速機構的不同分為蝸輪蝸桿式助力機構和差動輪系式的主力機構兩種形式。差動輪系機構具有轉向路感平滑穩(wěn)定、轉向靈敏性可調，更適合前軸負載小且對高速操縱性能要求較高的轎車上，而蝸輪蝸桿機構具有助力大小可調整，適合前軸負載大、轉向沉重、主要目的是降低轉向力且對高速操縱性能要求不高的載貨汽車上。
另外電動助力轉向系統(tǒng)還可以根據(jù)電動機和減速機構位置的不同分為：軸助力式EPS（電機和減速裝置裝在轉向傳動軸上），轉向小齒輪助力式（電機和減速裝置裝在輸入小齒輪上），另端小齒輪助力式（電機和減速裝置裝在另端小齒輪上），齒條助力式（電機和減速裝置套在齒條外側）。
電動助力轉向系統(tǒng)主要的優(yōu)點有：自由度高，助力特性可以靈活的依據(jù)轉向時的車速、橫向加速度、汽車重量、電池電壓、車輪氣壓等產生不同的助力，且修改方便；結構簡單，相交與液壓助力轉向系統(tǒng)少了液壓泵、轉閥、液壓管道等復雜的液壓機構，不僅節(jié)省了大量的空間，也減少了4—6kg的重量；節(jié)能，對于駕駛員來說，最大的優(yōu)點就是ESP能相較于傳統(tǒng)的液壓助力式的轉向系統(tǒng)提升約5%的燃油經濟性。這是由于EPS只在轉向時才工作，而液壓轉向系統(tǒng)不管需不需要助力都一直在運行，尤其在汽車高速行駛時，原本這時是最不需要轉向助力的，而這時液壓泵的功率消耗卻是最大的；減振，EPS系統(tǒng)具有較高的慣性力矩，對于來自輪胎的外部干擾可起到緩沖振動的作用。在高速相較于液壓轉向系統(tǒng)減振25%-30%；環(huán)保，由于不存在液壓油泄漏等問題使得EPS相較于液壓轉向更為環(huán)保。
從整體上來講國內近年來對于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，但是在對于細節(jié)的優(yōu)化上距離國外還有相當?shù)牟罹?，而且目前國內除了吉利汽車，還尚未自主知識產權的EPS，距離EPS的批量化生產也還有一段路要走。
盡管電控液壓助力裝置從一定程度上緩解了傳統(tǒng)的液壓轉向中輕便性和路感之間的矛盾，然而它還是沒有從根本上解決HPS系統(tǒng)存在的不足，隨著汽車微電子技術的發(fā)展，汽車燃油節(jié)能的要求以及全球性倡導環(huán)保，其在布置、安裝、密封性、操縱靈敏度、能量消耗、磨損與噪聲等方面的不足已越來越明顯，轉向系統(tǒng)向著電動助力轉向系統(tǒng)發(fā)展。
動力轉向系是在駕駛員的控制下，借助于汽車發(fā)動機產生的液壓力或電動機驅動力來實現(xiàn)車論轉向。由于采用動力轉向可以減少駕駛員手動轉向力矩，改善汽車的轉向輕便性和汽車的操縱穩(wěn)定性，因此在國外不僅在商用車上，而且在中高級轎車和輕型車上也逐漸普遍應用。動力轉向系統(tǒng)主要有液壓助力式、氣動助力式和電動助力式等三種形式。其中液壓助力轉向系統(tǒng)由于其工作壓力大，結構緊湊，而廣泛應用。
液壓助力轉向器自五十年代發(fā)展以來，已日趨成熟，得到廣泛應用，近幾年主要是提高現(xiàn)機構的輕量化，簡化結構；提升工作油壓。用壓鑄鋁代替鑄鐵的轉向器殼體；用塑料油箱代替鋼板沖壓油箱；對于微型車和轎車，用鋁合金轉向軸萬向節(jié)等措施，這些均可減輕50%以上重量，其次，改進“路感”特性，為了滿足高速直行位置附近“路感”效果，改變閥特性，使其靜特性曲線的中間部位比較平坦。
傳統(tǒng)的液壓助力動力轉向系統(tǒng)在多采用固定的放大倍率存在著一些缺點：如果所設計的固定放大倍率的動力轉向系統(tǒng)是為了減少汽車在停車或低速行駛狀態(tài)下轉向盤的操舵力，則當汽車以高速行駛時，這一固定放大倍率會使轉向盤的操舵力顯得太小，高速行駛時“路感”差，不利于汽車的方向控制；反之，如果設計的固定放大倍率的動力轉向系統(tǒng)是為了增加汽車在高速行駛時轉向力，則當汽車低速行駛時，轉向轉向盤的力顯得太大，破壞了低速狀況下的操縱輕便性，為了解決這個問題，目前汽車界將電子控制技術應用在汽車動力轉向系統(tǒng)中，使汽車轉向性能達到令人滿意的程度。迄今為止，電子控制液壓動力轉向系統(tǒng)已在轎車上獲得應用。電子控制液壓動力轉向是在傳統(tǒng)的液壓助力轉向基礎上增設了控制液體流量的電磁閥，車速傳感器和電子控制單元等。
現(xiàn)在，世界各國著名零件廠商正在大力研究開發(fā)一種新型的動力轉向系統(tǒng)，即電子控制電動動力轉向系統(tǒng)。電子控制電動動力轉向系統(tǒng)是在機械轉向系統(tǒng)的基礎上，根據(jù)作用在轉向盤上的轉矩信號和車速信號，通過電子控制裝置使電機產生相應大小和方向的輔助力，協(xié)助駕駛員進行轉向操縱，并獲得最佳轉向特性的伺服系統(tǒng)。
電子控制電動動力轉向系統(tǒng)（EPS）技術發(fā)展趨勢可歸結為：
（1）電力驅動技術：EPS系統(tǒng)中的電機要求端電壓、轉速較低、輸出轉矩相對較高、尺寸小。由于電機端電壓低，而功率相對較高。所以電機電流較大，這給驅動單元的電子器件選擇和電路設計帶來一定困難。
（2）非接觸式傳感器技術：EPS系統(tǒng)中的轉向盤轉矩傳感器要求結構簡單、工作可靠、價格便宜，精度適中?？紤]到可靠性問題，目前國外多采用非接觸式。而接觸式傳感器應用較少。
（3）轉向控制技術：由于EPS系統(tǒng)在原有的機械式轉向系統(tǒng)中增加了電機和減速器，使得轉向操縱機構的慣性增大，為此需引入慣性控制和阻力控制，避免在電機開始助力和結束助力時對轉向操縱產生影響。同時，為獲得更好的“路感”，必需根據(jù)汽車的行駛速度和轉向狀態(tài)確定合理的助力大小和方向。
（4）EPS系統(tǒng)與整車性能匹配：汽車本身是由各子系統(tǒng)組成的既相互聯(lián)系又相互制約的有機整體，當汽車某個子系統(tǒng)改變時，整車性能也產生相應的變化。因此，必須對EPS系統(tǒng)與汽車上的其它子系統(tǒng)進行匹配，以利整車性能達到最優(yōu)化。
隨著電子技術和控制方法的進一步發(fā)展，有人提出了一個大膽的假設：即取消轉向盤與轉向輪之間的機械連接，完全由電能實現(xiàn)轉向，這就是線控轉向系統(tǒng)。
線控電動轉向系統(tǒng)的特點：提高了駕駛員的安全性，由于減少了轉向柱等機械機構，使得駕駛員周圍空間變大，正面碰撞時對駕駛員的傷害得到了大大的降低。另外同樣安全氣囊與駕駛員間的距離加大，使得安全氣囊可以張得更大，以增加對駕駛員的保護；提高了汽車的操縱性，由于可以實現(xiàn)傳動比的任意設置，并針對不同的車速，轉向狀況進行參數(shù)補償，從而提高汽車的操縱性；提高汽車的全面智能化，線控轉向系統(tǒng)可以和其它的設備如ABS、防碰撞、自動導航、自動駕駛等系統(tǒng)結合起來，最終實現(xiàn)汽車的全面智能化；改善駕駛員的路感，在SBW中路感由模擬生成，使得在回正力矩控制方面可以從信號中提出最能夠反應汽車實際行駛狀態(tài)和路面狀況的信息，作為方向盤回正力矩的控制變量，使方向盤僅僅向駕駛員提供有用的信息，從而為駕駛員提供更為真實的“路感”。
線控轉向系統(tǒng)還存在著可靠性的問題，目前歐洲汽車法規(guī)還要求駕駛員與轉向車輪之間必須有機械連接，而閑空轉向系統(tǒng)作為一個還不成熟的技術目前還不能有足夠的證據(jù)證明其可靠性。其次，線控轉向系統(tǒng)還需要在可靠性與成本之間做出較好的平衡；線控轉向還將與其它的汽車電氣系統(tǒng)通過CAN總線連接在中央控制器上，由中央控制器統(tǒng)一協(xié)調控制汽車的運用，從而實現(xiàn)汽車電氣的一體化和智能化；
總之，線控轉向在EPS的基礎上，將轉向系統(tǒng)的發(fā)展又推進了一步，它將為實現(xiàn)汽車智能化駕駛提供技術支持。
1.3 設計的主要內容
根據(jù)題目確定轉向器的結構形式，并進行轉向器及轉向梯形的結構設計，轉向器的結構強度校核，及相應的轉向傳動機構、轉向操縱機構的布置。
第2章 轉向系的方案設計
2.1 汽車轉向系的功用和設計要求
汽車在行駛過程中，為了適應各種道路情況和行駛條件，經常需要經常改變行駛方向。改變行駛方向的方法是通過轉向輪（一般是前輪）相對于汽車縱軸線偏轉一定角度實現(xiàn)的[5]。汽車在直線行駛時，轉向輪也往往受到路面?zhèn)认蚋蓴_力的作用自動偏轉而改變行駛方向。因此，駕駛員需要通過一套機構隨時改變或恢復汽車行駛方向。該套專設機構既為汽車的轉向系統(tǒng)。
汽車轉向系的作用是保持或者改變汽車行駛方向的機構，在汽車轉向行駛中，保證各轉向輪之間有協(xié)調的轉角關系。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。轉向系對汽車行駛的適應性、安全性都具有重要的意義。
對轉向系提出的要求有：
（1）汽車轉彎行駛時，全部車輪應繞瞬時轉向中心旋轉，任何車輪不應有側滑。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）汽車轉向行駛后，在駕駛員松開轉向盤的條件下，轉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，轉向輪都不得產生自振，轉向盤沒有擺動。
（4）轉向傳動機構和懸架導向裝置共同作用時，由于運動不協(xié)調使車輪產生的擺動應最小。
（5）保證汽車有較高的機動性，具有迅速和小轉彎行駛能力。
（6）操縱輕便。
（7）轉向輪碰撞到障礙物以后，傳給轉向盤的反沖力要盡可能小。
（8）轉向器和轉向傳動機構的球頭處，有消除因磨損而產生間隙的調整機構。
（9）在車禍中，當轉向軸和轉向盤由于車架或車身變形而共同后移時，轉向系應有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。
（10）進行運動校核，保證轉向輪與轉向盤轉動方向一致。
（11）方向盤左置。
（12）不得裝用全動力轉向機構。
（13）當汽車前行向左或向右轉彎時，轉向盤向左向右的回轉角和轉向力不能有顯著的差別。
（14）轉向器應有合適的角傳動比，既能使轉向省力，減輕駕駛員的勞動強度，又能使駕駛員轉動轉向盤時，轉向輪應立即獲得相應的偏轉角，且轉向盤轉動的總圈數(shù)不能太多。
2.2 主要參數(shù)的確定
根據(jù)指導教師給出的題目及設計要求，將選用吉利熊貓2010款1.3L型的數(shù)據(jù)作為本次設計的基礎數(shù)據(jù)，主要參數(shù)為：
整車質量：985kg
最小轉彎直徑：9.5m 最小轉彎半徑：4.75m
車長：3598mm 車寬：1630mm
車高：1465mm 軸距：2340mm
最小離地間隙：121mm
最大功率：63/6000 kw/rpm 最大扭矩：110/5200 N·m/rpm
前輪胎規(guī)格：165/60R14 后輪胎規(guī)格：165/60R14
前/后輪距：1420/1410mm 最高車速：145km/h
2.3 轉向器形式的選擇
汽車行駛過程中，經常需要改變行駛方向，即所謂的轉向，這就需要有一套能夠按照司機意志使汽車轉向的機構，它將司機轉動方向盤的動作轉變?yōu)檐囕喌钠D動作。
汽車的轉向系根據(jù)其轉向能源的不同，可分為機械式轉向系和動力式轉向系。
2.3.1機械轉向系組成及其功用
機械式轉向系是依靠駕駛員的手力轉動轉向盤，經轉向器和一系列的桿件傳遞到轉向輪使其偏轉的，其中所有傳力件都是機械的。汽車轉向時，駕駛員作用于轉向盤上的力經轉向柱傳至轉向器，將轉向力放大后，再通過轉向傳動機構的傳遞，推動轉向輪偏轉，使汽車改變行駛方向。
普通的轉向系統(tǒng)建立在機械轉向的基礎上，機械轉向系由轉向操縱機構、轉向器、轉向傳動機構三大部分組成[6]。其中轉向器是將操縱機構的旋轉運動轉變?yōu)閭鲃訖C構的直線運動(嚴格講是近似直線運動)的機構，是轉向系的核心部件。機械式轉向系根據(jù)機械式轉向器分為齒輪齒條式轉向器、循環(huán)球式轉向器、蝸桿滾輪式轉向器、蝸桿指銷式轉向器等。轉向傳動機構的功用是將轉向器輸出的力傳給轉向輪，且使二轉向輪偏轉角按一定的關系變化，以實現(xiàn)汽車順利轉向。轉向傳動機構的功用是將轉向器輸出的力和運動傳到轉向橋兩側的轉向節(jié)，使兩側轉向輪偏轉，并使兩輪向輪偏轉角按一定關系變化，以保證汽車轉向時車輪與地面的相對滑動盡可能小。轉向傳動機構根據(jù)懸架的分類可分為與非獨立懸架配用的轉向傳動機構和與獨立懸架配用的轉向傳動機構兩大類，轉向傳動機構的桿系根據(jù)布置可分為前置式和后置式。有些汽車在轉向傳動機構中裝有轉向減振器，用來衰減轉向輪的擺振和緩和來自路面的沖擊載荷。從轉向盤到轉向傳動軸這一系列零部件屬于轉向操縱機構。包括：轉向盤、轉向管柱、轉向軸、上萬向節(jié)、下萬向節(jié)和傳動軸。
2.3.2動力轉向系組成及其功用
動力轉向系統(tǒng)是兼用駕駛員體力和發(fā)動機動力為轉向能源的轉向系。重型汽車或裝有超低壓胎的轎車轉向時阻力較大，為了減輕駕駛員的疲勞強度，改善轉向系統(tǒng)的技術性能，采用動力轉向裝置。動力轉向裝置按動力能源分為液壓式和氣壓式，按動力缸、控制閥及轉向器的相對位置分為整體式、半整體式、轉向加力器，轉向加力裝置主要包括轉向油泵、轉向油罐、轉向控制閥和轉向動力缸[7]。采用動力轉向的汽車轉向時，所需的能量在正常情況下，只有小部分是駕駛員提供的體能，而大部分是發(fā)動機驅動轉向油泵旋轉，將發(fā)動機輸出的部分機械能轉化為壓力能，并在駕駛員控制下，對轉向傳動裝置或轉向器中某一傳動件施加不同方向的隨動漸進壓力，從而實現(xiàn)轉向。但是在轉向加力裝置失效時，一般還應當能由駕駛員獨立承擔汽車轉向任務。因此，動力轉向系是早機械轉向系的基礎上加設一套轉向加力裝置而形成的。采用動力轉向裝置的汽車，不僅使汽車入庫等復雜情況下的操作容易，而且在高速行駛狀態(tài)下，能對動力加以限制，使轉向不會過輕，增加了安全性。
2.3.3轉向系統(tǒng)選擇
對于中高級以下的轎車和前軸負荷不超過3t的載貨汽車，則多數(shù)僅采用機械轉向系而無動力轉向裝置。汽車轉向時，駕駛員作用于轉向盤的力經轉向拄傳至轉向器，將轉向力放大后，再通過轉向傳動機構的傳遞，推動轉向輪偏轉，使汽車改變行駛方向。機械式轉向系完全由駕駛員的力量實現(xiàn)轉向，結構簡單、工作可靠、路感好。
高級轎車和重型載貨汽車為了使轉向輕便，多采用這種動力轉向系統(tǒng)。動力轉向系不僅使汽車入庫等復雜情況下的操作容易，而且在高速行駛狀態(tài)下，能對動力加以限制，使轉向不會過輕，增加了安全性。動力轉向機是利用外部動力協(xié)助司機輕便操作轉向盤的裝置。隨著最近汽車發(fā)動機馬力的增大和扁平輪胎的普遍使用，使車重和轉向阻力都加大了，因此動力轉向機構越來越普及。值得注意的是，轉向助力不應是不變的，因為在高速行駛時，輪胎的橫向阻力小，轉向盤變得輕飄，很難捕捉路面的感覺，也容易造成轉向過于靈敏而使汽車不易控制。
本次設計為微型汽車，采用機械式轉向器。
2.4 機械式轉向器類型的選擇
根據(jù)所采用的轉向傳動副的不同，轉向器的結構型式有多種。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[8]。
對轉向器結構型式的選擇，主要是根據(jù)汽車的類型、前軸負荷、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性以及轉向器的其他性能、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向器。球面蝸桿滾輪式轉向器曾廣泛用于輕型和中型汽車上，循環(huán)球式轉向器則是當前廣泛使用的一種結構，高級轎車和輕型及以上的客車、貨車均多采用。據(jù)了解，在世界范圍內，汽車循環(huán)球式轉向器占45%左右，齒輪齒條式轉向器占40%左右，蝸桿滾輪式轉向器占10%左右，其它型式的轉向器占5%。
2.4.1 齒輪齒條式轉向器
齒輪齒條轉向器由于轉向軸做成一體的轉向齒輪和常與轉向橫拉桿做成一體的齒條組成。與其他形式的轉向器比較，齒輪齒條轉向器最主要的優(yōu)點是：結構簡單、緊湊；殼體采用鋁合金或鎂合金壓鑄而成，轉向器的質量比較小；轉向器占用的體積小；沒有轉向搖臂和直拉桿，所以轉向輪轉角可以增大，制造成本低。其結構如圖2.1。
1-調整螺塞 2-罩蓋 3-壓簧 4-壓簧墊塊 5-轉向齒條 6-齒輪軸 7-球軸承
8-轉向器殼體 9-轉向齒輪 10-滾柱軸承 11-轉向橫拉桿 12-拉桿支架 13-轉向節(jié)
圖2.1 齒輪齒條式轉向器
齒輪齒條轉向器的主要缺點是：因逆效率高60%-70%面上行駛時，發(fā)生在轉向輪與路面之間沖擊力的大部分能傳至轉向盤產生反沖，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，轉向盤突然轉動又會造成打手，同時對駕駛員造成傷害。
2.4.2 循環(huán)球式轉向器
循環(huán)球式轉向器由齒輪機構將來自轉向盤的旋轉力進行減速，使轉向盤的旋轉運動變?yōu)闇u輪蝸桿的旋轉運動，滾珠螺桿和螺母夾著鋼球嚙合，因而滾珠螺桿的旋轉運動變?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。其結構如圖2.2。
1-螺母 2-彈簧墊圈 3-轉向螺母 4-轉向器殼體密封墊圈 5-轉向器殼體底蓋
6-轉向器殼體 7-導管夾 8-加油（通氣）螺塞 9-鋼球導管 10-球軸承
11、23-油封 12-轉向螺桿 13-鋼球 14-調整墊片 15-螺栓 16-調整墊圈
17-側蓋 18-調整螺釘 19-鎖緊螺母 20、22-滾針軸承 21-齒扇軸（搖臂軸）
圖2.2 循環(huán)球式轉向器
循環(huán)球式轉向器的主要優(yōu)點：在螺桿和螺母之間因為有可以循環(huán)流動的鋼球，將滑動摩擦轉變?yōu)闈L動摩擦，因而傳動效率可達到75％—80％；在結構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整工作容易進行；適合用來做整體式動力轉向器。循環(huán)球式轉向器的主要缺點：逆效率高，結構復雜，制造困難，制造精度要求高。
2.4.3 蝸桿滾輪式轉向器
蝸桿滾輪式轉向器由蝸桿和滾輪嚙合而構成。蝸桿滾輪式轉向器的主要優(yōu)點是：結構簡單；制造容易；因為滾輪的齒面和蝸桿上的螺紋呈面接觸，所以有比較高的強度，工作可靠，磨損小，壽命長；逆效率低。蝸桿滾輪式轉向器的主要缺點是：正效率低；工作齒面磨損后，調整嚙合間隙比較困難；轉向器的傳動比不能變化。
蝸桿指銷式轉向器根據(jù)其銷子能否自轉分為固定銷式蝸桿指銷式轉向器和旋轉銷式轉向器。根據(jù)銷子數(shù)量不同，又分為單銷和雙銷之分。蝸桿指銷式轉向器的優(yōu)點是：轉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，調整間隙工作容易進行。固定銷蝸桿指銷式轉向器的結構簡單、制造容易；但是因銷子不能自轉，銷子的工作部位基本保持不變，所以磨損快、工作效率低。旋轉銷式轉向器的效率高、磨損慢，但結構復雜。
轉向器是轉向系中的減速增扭轉動裝置[9]，其功用是增大轉向盤傳動轉向節(jié)的力并改變力的傳遞方向。曾經出現(xiàn)過的轉向器結構型式很多，但有些已趨于淘汰?，F(xiàn)代汽車的轉向器已演變定型，中型和重型汽車多采用循環(huán)球式轉向器，小型車多采用齒輪齒條式轉向器。在循環(huán)球式轉向器中，輸入轉向圈與輸出的轉向搖臂擺角是成正比的；在齒輪齒條式轉向器中，輸入轉向圈數(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械轉向系統(tǒng)，本次為微型車轉向器設計，故采用齒輪齒條式轉向器。
2.5 本章小結
本章主要講述轉向系統(tǒng)的各種形式，根據(jù)選用的參數(shù)采用機械式轉向系統(tǒng)。并在機械式轉向系統(tǒng)中進行轉向器的選擇，對比分析各種轉向器的優(yōu)缺點，最終選擇齒輪齒條轉向器。
第3章 機械式轉向系總體設計
3.1 轉向系的主要性能參數(shù)
轉向系的主要性能參數(shù)有轉向系的效率、傳動比的變化特性、轉向器傳動副的傳動間隙特性、轉向盤的總轉動圈數(shù)以及轉向盤的自由行程。
3.1.1 轉向系的效率
功率p從轉向軸輸入，經轉向搖臂軸輸出所求得的效率為正效率，用符號η+表示，反之稱為逆效率，用符號η-表示，為了保證轉向時駕駛員轉動轉向盤輕便，要求正效率高[10]；為了保證汽車轉向后轉向輪和轉向盤能自動返回直線行駛位置，又需要有一定的逆效率。
轉向器的正效率與轉向器的類型、結構特點、結構參數(shù)和制造質量等有關。在前述四種轉向器中，齒輪齒條式、循環(huán)球式轉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向器的正效率要明顯低一些。齒輪齒條式轉向器的正效率可達90%，循環(huán)球式轉向器的傳動副為滾動摩擦，摩擦損失小，其正效率可達85%，球面蝸桿滾輪式轉向器正效率可達77%-82%，蝸桿指銷式轉向器和蝸桿滾輪式轉向器的傳動副存在較大滑動摩擦，正效率68%-75%比較低。同一類型轉向器，因結構不同效率也不一樣。
逆效率表示轉向器的可逆性。根據(jù)逆效率值的大小，轉向器又可分為可逆式、極限可逆式與不可逆試三種。
可逆式轉向器的逆效率較高，這種轉向器可將路面作用在車輪上的大部分力傳遞到轉向盤上，使司機的路感好。在汽車轉向后也能保證轉向輪與轉向盤的自動回正，使轉向輪行駛穩(wěn)定。但在壞路面上，當轉向輪上作用有側向力時，轉向輪受到的沖擊大部分會傳給轉向盤，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向器均屬于這一類。本文設計齒輪齒條轉向器逆效率為60％-70％。
不可逆式轉向器不會將轉向輪受到的沖擊力傳到轉向盤上。由于它既使司機沒有路感，又不能保證轉向輪的自動回正，現(xiàn)代汽車已不采用。
極限可逆式轉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。當轉向輪受到沖擊力時，其中只有較小的一部分傳給轉向盤。
通常，由轉向盤至轉向輪的效率即轉向系的正效率的平均值為67%-82%；當向上述相反方向傳遞力時逆效率的平均值為58%-63%。
3.1.2 轉向系傳動比
轉向系的傳動比包括轉向系的角傳動比和轉向系的力傳動比。
從輪胎接地面中心作用在兩個轉向輪上的合力2 與作用在轉向盤上的手力之比，稱為力傳動比。轉向盤角速度與同側轉向節(jié)偏轉角速度之比，稱為轉向系角傳動比。
轉向盤角速度與同側轉向節(jié)偏轉角速度之比，稱為轉向系角傳動比，即
（3.1）
式中：—轉向盤轉角增量；
—轉向節(jié)轉角增量；
—時間增量。
又由轉向器角傳動比和轉向傳動機構角傳動比所組成，即
（3.2）
式中：—轉向器的角傳動比；
—轉向傳動機構的角傳動比。
現(xiàn)代汽車轉向傳動機構的角傳動比多在0.85-1.1之間，即近似于1?，F(xiàn)代汽車轉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。本次設計取15。
=115=15
轉向傳動機構的力傳動比與轉向傳動機構的結構布置型式及其桿件所處的轉向位置有關。
=75 （3.3）
式（3.3）中：—主銷偏移距，取值在40-60mm，取40mm；
—轉向盤直徑，取400mm。
3.1.3 轉向器的傳動副的間隙特性
轉向器的傳動間隙是指轉向器傳動副之間的間隙[11]。該間隙隨轉向盤轉角的改變而改變。通常將這種變化關系稱為轉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)定性和轉向器的壽命都有直接影響。
當轉向盤處于中間位置即汽車作直線行駛時，如果轉向器有傳動間隙則將使轉向輪在該間隙范圍內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，要求當轉向盤處于中間位置時轉向器的傳動副為無隙嚙合。這一要求應在汽車使用的全部時間內得到保證。汽車多直行行駛，因此轉向器傳動副在中間部位的磨損量大于其兩端。為了保證轉向器傳動副磨損最大的中間部位能通過調整來消除因磨損而形成的間隙，調整后當轉動轉向盤時又不致于使轉向器傳動副在其他嚙合部位卡住。為此應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，如圖3.1，利于間隙的調整及提高轉向器的使用壽命。不同結構的轉向器其傳動間隙特性亦不同。
圖3.1 轉向器傳動副傳動間隙特性
循環(huán)球式轉向器的齒條齒扇傳動副的傳動間隙特性，可通過將齒扇齒做成不同厚度來獲取必要的傳動間隙，既將中間齒設計成正常齒厚，從靠近中間齒的兩側齒到離開中間齒最遠的齒，其厚度依次遞減。齒輪齒條式轉向器轉向傳動副的主動件是一斜齒圓柱小齒輪，它和裝在外殼中的從動件——齒條相嚙合，齒輪齒條式轉向器是依靠齒條背部靠近主動小齒輪處裝置的可調節(jié)壓力的彈簧來消除齒輪齒條傳動副的齒間間隙的。球面蝸桿滾輪式轉向器的傳動副是球面蝸桿及滾輪，球面蝸桿滾輪式轉向器利用軸向移動搖臂以改變滾輪與蝸桿中心距的方法來調整傳動間隙。蝸桿指銷式轉向器的傳動副為圓柱蝸桿及指銷，雙銷型由于其結構復雜，尺寸及質量也較大，且對兩指銷間的位置精度、蝸桿上螺紋槽的形狀及尺寸精度要求較高，角傳動比的變化特性及傳動間隙特性的變化也受到限制，因此應用上多為齒輪齒條和循環(huán)球式轉向器所取代。本次設計中為使汽車保持一定的穩(wěn)定性，要求傳動副的傳動間隙在轉向盤處于及其附近位置時要極小，一般在10°～15°。
3.1.4轉向盤的總轉動圈數(shù)
轉向盤從一個極端位置轉到另一個極端位置時所轉過的圈數(shù)稱為轉向盤的總轉動圈數(shù)。它與轉向輪的最大轉角及轉向系的角傳動比有關，并影響轉向的操縱輕便性和靈敏性。轎車轉向盤的總轉動圈數(shù)較少，一般約在3.6圈以內；貨車一般不宜超過6圈。
單從轉向操縱的靈敏性而言，最好是轉向盤和轉向節(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。在轉向盤轉動過程的開始階段，駕駛員對轉向盤所施加的力矩很小，因為只是用來克服轉向系統(tǒng)內部的摩擦的，使各傳動件運動到其間的間隙完全消失，故可以認為這個階段是轉向盤空轉階段。此后，才需要對轉向盤施加更大的轉向力矩，以克服經車輪傳到轉向節(jié)上的轉向阻力矩，從而實現(xiàn)使各轉向輪的偏轉。轉向盤在空轉階段中的角行程稱為轉向盤自由行程。轉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，轉向盤從相應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°。當零件磨損嚴重到使轉向盤自由行程超過25°～30°時，必須進行調整。
3.1.5 轉向盤的選擇
轉向盤即通常所說的方向盤。轉向盤由輪緣、輪輻和輪轂組成。輪輻一般為三根輻條或四根輻條，也有用兩根輻條的。轉向盤輪轂孔具有細牙內花鍵，借此與轉向軸連接。轉向盤內部有金屬制成的骨架，是用鋼、鋁合金或鎂合金等材料制成，采用焊接或鑄造等工藝制造。骨架的外側一般包有柔軟的合成橡膠或樹脂，也有采用皮革包裹以及硬木制作的轉向盤。轉向盤外皮要求有某種程度的柔軟度，這樣可有良好的手感，而且能防止手心出汗時握轉向盤打滑，還需要有耐熱性，如圖3.2。
1-輪緣 2-喇叭按紐 3-輪轂 4-輪輻
圖3.2 轉向盤
轉向盤的功能：轉向盤位于司機的正前方，是碰撞時最可能傷害到司機的部件，因此需要轉向盤具有很高的安全性，在司機撞在轉向盤上時，骨架能夠產生變形，吸收沖擊能，減輕對司機的傷害。轉向盤的慣性力矩也是很重要的，慣性力矩小，我們就會感到“輪輕”，操做感良好，但同時也容易受到轉向盤的反彈(即“打手”)的影響，為了設定適當?shù)膽T性力矩，就要調整骨架的材料或形狀等。現(xiàn)在的轉向盤與以前的看似沒有太大變化，但實際上已經有了改進。由于轉向助力裝置的普及，轉向盤外徑變小了，而手握處卻變粗了，采用柔軟材料，使操作感得到了改善?，F(xiàn)在有越來越多的汽車在轉向盤里安裝了安全氣囊，也使汽車的安全性大大提高了。
現(xiàn)在的轉向盤與以前的看似沒有太大變化，但實際上已經有了改進。由于轉向助力裝置的普及，轉向盤外徑變小了，而手握處卻變粗了，采用柔軟材料，使操作感得到了改善。
現(xiàn)在有越來越多的汽車在轉向盤里安裝了安全氣囊，也使汽車的安全性大大提高了。轉向盤的集電環(huán)：轉向盤上有喇叭開關，必須時刻與車身電器線路相連，而旋轉的轉向盤與組合開關之間顯然不能用導線直接相連，因此就必須采用集電環(huán)裝置。集電環(huán)好比環(huán)形的地鐵軌道，喇叭開關的觸點就象奔跑在軌道上的電車，時刻保持接通的狀態(tài)。由于是機械接觸，長時間使用觸點會因磨損影響導電性，導致緊急時刻喇叭不鳴甚至氣囊不工作。因此，最近裝備氣囊的汽車開始裝用電纜盤，代替集電環(huán)。
轉向盤的端子與組合開關的端子用電纜線連接，電纜盤將電線卷入盤內，類似于吸塵器的電線卷取機構，在轉向盤旋轉范圍內，電線靠卷筒自由伸縮。這種裝置大大提高了電器裝置的可靠性。
轉向盤通過花鍵、螺母固定于轉向柱上端，平時有轉向盤中央蓋板遮擋，根據(jù)國家交通安全規(guī)定，轉向盤布置于駕駛室左側，便于拓寬駕駛員左側視野，有利安全行車。
方向盤直徑有一系列尺寸。在選用大直徑的方向盤時，會使駕駛員進出駕駛室感到困難，若是選用小直徑方向盤，轉向時則要求駕駛員施加較大的力量，從而使汽車難于操縱。選擇方向盤直徑與汽車類型有關，本次設計為微型車，方向盤直徑選擇為400mm。
3.2 機械式轉向器總體布置
根據(jù)輸入齒輪位置和輸出特點不同，齒輪齒條式轉向器有四種形式：中間輸入，兩端輸出，如圖3.3（a）；側面輸入，兩端輸出，如圖3.3（b）；側面輸入，中間輸出，如圖3.3（c）；側面輸入，一端輸出如圖3.3（d）。
（a）中間輸入，兩端輸出 (b) 側面輸入，兩端輸出
（c）側面輸入，中間輸出 （d）側面輸入，一端輸出
圖3.3 齒輪齒條轉向器的四種形式
轉向減振器布置位置：轉向減振器常水平的置于轉向橫拉桿附近，裝于轉向桿與車身或車架之間?？捎糜谒p轉向車輪的擺振以及緩和來自路面的沖擊載荷。
轉向傳動機構的桿系可布置在前軸之后，稱為后置式。若發(fā)動機的位置很低，或前橋為驅動橋時，因桿件的布置有困難，也可布置在前軸之前，稱為前置式。本文設計的轉向傳動機構為后置式。轉向傳動機構根據(jù)懸架的分類可分為與非獨立懸架配用的轉向傳動機構和與獨立懸架配用的轉向傳動機構兩大類。本文設計為與獨立懸架配用的轉向傳動機構。采用獨立懸架時，與齒輪齒條轉向器匹配的轉向桿系結構更簡單。如圖3.4
圖3.4 轉向系布置形式
3.3本章小結
本章主要介紹轉向系統(tǒng)的性能參數(shù)，對機械式轉向器的布置方案確定，簡單說明轉向器在汽車內的布置位置以及布置形式。
第4章 齒輪齒條轉向器的結構設計
4.1 轉向器齒輪的設計
齒輪齒條式轉向器由與轉向軸做成一體的轉向齒輪和常與轉向橫拉桿做成一體的齒條組成。主動小齒輪選用40Cr制造，而齒條常采用45鋼制造。為減輕質量，殼體用鋁合金壓鑄，通過螺栓固定于車身上，轉向齒輪與齒條安裝于殼體內，當轉向盤通過轉向柱帶動轉向齒輪轉動時，齒輪即帶動齒條向左或向右移動，實現(xiàn)汽車轉向，齒條靠背部的彈簧與齒輪嚙合。其結構簡單、布置方便，制造容易，但轉向傳動比較小，且齒條沿其長度方向磨損不均勻，故僅廣泛用于微型汽車和轎車上。為了轉向輕便，主動小齒輪的直徑應盡量小。通常，這類轉向器的齒輪模數(shù)多在2-3mm范圍內，壓力角為20°，主動小齒輪有5-8個齒，螺旋角為β取9°-15°。
本次設計中轉向傳動副主動件是一斜齒圓柱小齒輪，它和裝在外殼中的從動件齒條相嚙合。模數(shù)取3，齒輪有6個齒，螺旋角β=15°。
端面模數(shù):
=/=3/15°=3.11
端面壓力角:
= /=20.7°
（a取20°）
分度圓直徑:
d=z/=18/15°=18.6mm
齒頂高：
=(+)=3 mm
齒根高：
=(h+-)=1.25=3.75 mm
齒高：
mm
齒頂圓直徑：
mm
齒根圓直徑：
mm
齒距：
mm
齒輪中心到齒條基準線距離：
mm
基圓直徑：
=17.43 mm
端面重合度：
縱向重合度：
=
齒寬系數(shù)查表取值1.4
齒厚：
/ mm
齒寬：齒條長度根據(jù)齒輪圓周以及轉向盤的轉動圈數(shù)確定：
3 mm
4.2 轉向器齒條的設計
根據(jù)齒輪齒條的嚙合特點：
（1）齒輪的分度圓永遠與其節(jié)圓相重合，而齒條的中線只有當標準齒輪正確安裝時才與其節(jié)圓相嚙合。
（2）齒輪與齒條的嚙合角永遠等于壓力角。
因此，齒條模數(shù)取3，壓力角=15°。
齒條斷面形狀選取圓形，選擇齒數(shù)z=20，螺旋角=15°
端面模數(shù):
=/=3/15°=3.11
端面壓力角:
=/=20.7°
（取20°）
齒頂高：
= m=3 mm
齒根高：
=(h+)=1.25=3.75 mm
齒高：
mm
齒距：
mm
4.3 轉向器齒輪齒條的強度校核
接觸疲勞強度計算[14]
查表取119.8
在1.2—2之間取值1.2
U=3.625
方向盤能轉動3圈
（4.1）
[
=1304.471440
接觸疲勞強度滿足需要。
齒根抗彎疲勞強度[15]
（4.2）
=1/1.5=0.67
1＜＜2
查表取 取
[MPa
=260.8329MPa
對于轉向器的校核，汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉向阻力矩，下面由經驗公式計算
（4.3）
式中：—輪胎和路面間的滑動摩擦系數(shù)，一般取0.7左右
—前軸負荷；
—輪胎氣壓。
根據(jù)汽車的軸荷分配，前軸滿載時，前軸軸荷的大小為車重的32%-40%，本次設計取前軸軸荷取車重的55%。輪胎氣壓取0.45，為450000。
N
N·mm
轉向系統(tǒng)輸出力矩為：方向盤力矩、方向盤半徑和轉向系統(tǒng)傳動比乘積為輸出功率，在機械傳動時會有一定的損失，齒輪齒條的正效率為90%，傳動機構傳動效率為90%，計算出轉向系輸出力矩：
N·mm
轉向系統(tǒng)輸入力矩為：方向盤作用半徑、作用在轉向盤上的操縱載荷，對轎車該力不用超過150～200N,對于貨車不應超過500N
N·mm
4.4 本章小結
本章主要講述機械式轉向系統(tǒng)的設計過程及計算步驟和數(shù)據(jù)，包括齒輪齒條式轉向器的主動小齒輪及嚙合齒條的設計計算，以及其強度校核。
第5章 轉向操縱機構的布置形式
5.1轉向操縱機構的功用和組成
轉向操縱機構的功用是產生轉動轉向器所必需的操縱力，并具有一定的調節(jié)和安全性能。
轉向操縱機構要將駕駛員操縱轉向盤的力傳給轉向器，同時為了駕駛員的舒適駕駛，還要求轉向操縱機構可以進行調節(jié)，以滿足不同駕駛員的需求；為了防止車輛撞擊后對駕駛員的損傷，還要求轉向操縱機構具有一定的安全保護裝置。
如圖5.1所示，轉向操縱機構一般由轉向盤1、上轉向軸總成11、轉向管柱9、轉向傳動軸27、轉向萬向節(jié)叉總成20、滑動叉萬向節(jié)總成28等組成。轉向盤1由塑料制成，內有鋼制骨架，通過花鍵將轉向盤轂與上轉向軸11相連，用螺母18固定，上轉向軸上端支承在襯套12內，下端支承在軸承13中，由孔用彈性擋圈14和軸用鋼絲擋圈16進行軸向定位。轉向管柱9下端壓配在下固定支架8中，并通過兩個螺栓將下固定支架緊固在駕駛室地板上；上端通過橡膠套3、蓋板2，由兩個螺栓固定在駕駛室儀表板上。彈簧41可消除轉向管柱與上轉向軸間的軸向間隙。
下端的轉向萬向節(jié)叉20通過花鍵與轉向器的轉向螺桿相連接，滑動叉28通過內花鍵與轉向傳動軸27的外花鍵相連，轉向傳動軸可軸向移動，以適應駕駛室與車架的相對位移。滑動叉一端焊有塞片，另一端裝油封29和防塵套30防止灰砂和泥水進入，并由滑脂嘴31對滑動叉與轉向傳動軸的花鍵進行潤滑。
十字軸19有兩個，上裝滑脂嘴23，潤滑4個滾針軸承21，由彈性擋圈22固定在萬向節(jié)叉上。萬向節(jié)叉的結構與滑動叉基本相同，只是多一鎖緊螺栓與上端的萬向節(jié)叉和上轉向軸相連。
1-轉向盤總成 2-蓋板 3-橡膠套 4、24-螺栓 5、26、40-彈簧墊圈 6、39-墊圈
7、18、25-螺母 8-下固定支架 9-轉向管柱 10-楔形螺母 11-上轉向軸 12-襯套
13-球軸承 14、22-孔用彈性擋圈 15-軸承擋圈 16-軸用鋼絲擋圈 17-平墊圈
19-十字軸 20-轉向萬向節(jié)叉 21-滾針軸承總成 23、31-滑脂嘴總成 27-轉向傳動軸
28-轉向萬向節(jié)滑動叉 29-油封 30-防塵套 32-喇叭按鈕蓋 33-搭鐵接觸板總成
34-接觸彈簧 35-接觸罩 36-電刷總成 37-集電環(huán)總成 38-螺釘 41-彈簧
圖5.1 CA1091型汽車轉向操縱機構
5.2 安全式轉向柱
為了保證駕駛員的安全，同時也為