汽車機械式轉向系統傳動比分析

楊艷艷 王彥婷

摘要：基于對汽車轉向系統的分類以及機械式轉向系統結構的分析，研究汽車機械式轉向系統的傳動比構成，得出在汽車機械式轉向系統中，轉向器的角傳動比發揮的作用尤為重要，且對于定傳動比的機械式轉向系統而言，“輕便性”與“靈敏性”要求構成了一對矛盾，為在一定程度上將該矛盾緩解，應對變傳動比機械式轉向器予以采用，選擇性地將轉向器的角傳動比設計為減小、增大或是保持不變，在達到轉向操縱省力的目標的同時盡可能地將操縱靈敏性提高。

關鍵詞：汽車;機械式轉向系統;傳動比

中圖分類號：G71? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0059-02

0? 引言

改革開放戰略實施以來，我國汽車工業實現了突飛猛進式發展，而與此同時，作為汽車的一個關鍵部件，轉向系統的發展同樣迅速，現已從基本層面上實現了專業化與系列化生產，其特性的優劣會對整車性能的好壞產生直接影響，決定其操縱的穩定性、轉向的靈敏性與輕便性以及車輛行駛的安全性。由于結構簡單、成本比較低、具有可靠性能等優勢，目前機械式轉向系統依舊在市場中占據一席之地，應用價值不容忽視，學者們依舊圍繞機械式轉向系統展開了一系列的研究，本文以其傳動比為視角，進行相應的分析。

1? 汽車轉向系統

在行駛的整個過程中，汽車會經常改變行駛方向，也就是發生轉向行為，這要求所有的汽車均具備一套可以基于司機意志驅使的轉向機構。通常情況下，司機在汽車行駛過程中轉動方向盤的動作會在轉向機構的作用下轉變為前車輪的偏轉動作。若以轉向力能量來源的不同作為劃分依據，轉向系統可分為機械轉向系統與動力轉向系統兩大類型。

其中，機械轉向系統是本文的研究重點，其能量來源為人力，全部傳力件均為機械式，主要包括轉向操縱機構（亦即人們日常提到的方向盤）、轉向器以及轉向傳動機構3個組成部分，轉向器是最為核心的部件，發揮著將操縱機構的旋轉運動轉變為傳動機構的直線運動的重要作用。

動力轉向系統不僅具備以上3個組成部分，還多了一種轉向助力裝置，這是最為主要的動力來源，以液壓系統的應用最廣泛，這意味著其無法與泵、油管、閥、活塞及儲油罐等部件相脫離，對應地，這些部件依次發揮著相當于電路系統電池、導線、開關、電機以及地線的作用。

圖1所示為一種比較典型的機械式轉向系統。在汽車行駛過程中，司機對轉向盤施加轉向力，此時，轉向力矩會經由轉向軸向機械轉向器輸入，而由轉向盤至轉向傳動軸的所有零件，都屬于轉向操縱機構的部件。機械轉向器是一種減速傳動裝置，其內部包括1、2級減速傳動副。在經過機械轉向器的放大處理操作之后，力矩與減速之后的運動會向轉向橫拉桿傳遞，再傳遞給在轉向節上固定起來的轉向節臂。令轉向節同受其支撐的轉向輪發生偏轉，汽車的行駛方向由此而發生變化。此處，轉向橫拉桿以及轉向節臂均屬于轉向傳動機構的范疇。

2? 汽車機械式轉向系統傳動比構成與分析

此處，先設汽車機械式轉向系統傳動比由i表示，ip與i？棕則分別表示系統的力傳動比與角傳動比，其中，角傳動比又進一步對轉向器角傳動比以及轉向傳動機構角傳動比予以涉及，二者分別用i？棕1與i？棕2來表示。

轉向系統力傳動比可通過汽車輪胎與地面接觸之時，對2個轉向輪產生的轉向阻力之和同司機作用于轉向盤上的轉向力之間的比值得到;而其角傳動比則根據轉向盤的轉角增量同轉向盤所處一側的轉向輪的轉角增量之間的比值而確定;進一步地，轉向器的角傳動比的計算為轉向盤的轉角增量同轉向搖臂的轉角增量之間的比值，而轉向傳動機構的角傳動比的計算則為轉向搖臂的轉角增量同轉向節臂發揮直接帶動作用的轉向車輪的轉角增量之間的比值。實際上，轉向傳動機構的角傳動比和轉向節臂長度同轉向搖臂長度之間的比值大致相等，在現如今的機械式轉向系統汽車中，該值差不多為1。進一步也就是說，在汽車轉向行駛之時，雖然轉向傳動機構的角傳動比會在轉向輪轉角發生變化之時而有所改變，但這一變化并不是特別明顯。據此可以得到結論：汽車機械式轉向系統的角傳動比會受到轉向器的角傳動比變化的決定性影響而變大或變小，兩者之間近似相等。

當司機對轉向盤施加轉向力之時，轉向車輪的運動方向會發生變化，而這一變化是通過轉向節臂的帶動，圍繞主銷偏轉相應的角度來完成。具體的，主銷的偏移距離a應當是轉向車輪中心所在的平面同支撐路面兩者之間的交線到轉向節主銷軸線的延長線同支撐路面兩者之間的交點的距離，它是對轉向車輪產生作用的轉向阻力矩（用Mr來表示）的力臂。所以，若用Fw表示轉向輪輪胎同路面之間存在的轉向阻力，則可通過以下公式將其表示出來：

進一步地，用Dsw表示所選擇的轉向盤的直徑的話，在汽車轉向行駛的過程中，Mh表示對轉向盤產生作用的力矩，若用Fh表示司機施加在轉向盤上的手力，也就是前文所說的轉向力，則可通過以下公式將其表示出來：

由于轉向系統力傳動比ip的定義公式是已知的，有：

假設轉向系統的摩擦損失很小，可以忽略不計，則基于能量守恒定律的指導，在汽車轉向行駛的過程中，轉向車輪上的輸出功率會一致于轉向盤上的輸入功率，如此一來，轉向車輪上的轉向阻力矩Mr同司機向轉向盤施加的轉向力的力矩Mh兩者之間的比值，會與轉向車輪的轉角增量（用d？茲來表示）同轉向盤的轉角增量（用d？漬來表示）之間的比值相等，而后者的比值恰恰是轉向系統的角傳動比i？棕，由此，又有以下公式成立：

在此基礎之上，又可進一步地用以下公式來表示轉向系統的力傳動比ip：

在以上分析的基礎之上可以得到兩個結論：結論一：在汽車機械式轉向系統中，轉向器的角傳動比所發揮的作用尤為重要，它是整個機械式轉向系統傳動比的核心要素，其特性會對轉向系統傳動比的特性產生決定性影響;結論二：當轉向盤的直徑與轉向車輪的轉向阻力都是特定值之時，力傳動比會隨著機械轉向系統角傳動比（也可以被視作為轉向器的角傳動比）的增大而呈現出不斷增大之勢，這時，為了減小路面轉向過程中的阻力，需要向轉向盤施加的轉向力的力矩會不斷減小，意味著司機作用于轉向盤的轉向力也會越小，很顯然地，轉向操縱就會越輕便;然而，如果轉向系統的角傳動比越來越大，汽車在轉向行駛的過程中，為了獲取一定的轉向車輪偏轉角，司機需要轉動轉向盤的圈數就會越來越多，毋庸置疑，司機此時的轉向操作會越來越困難，也就是整車的轉向靈敏性是越來越低的。這兩個變化趨勢可以說明，在機械式轉向系統中，為了讓司機在轉向操縱時足夠省力，就必須將轉向系統的角傳動比增大，然而，為了達到轉向操縱靈敏的目的，又需要將轉向系統的角傳動比減小，這無疑是一組矛盾現象，也就是機械式轉向系統無法實現“最為輕便”與“最為靈敏”的兼顧。

3? 汽車機械式轉向系統轉向器的優化設計

由于“最輕便”與“最靈敏”兩個目的是無法同時實現的，這就需要設計人員作出相應的取舍，取一個“輕便”和“靈敏”的平衡值，在滿足操縱輕便性要求的同時對轉向靈敏性要求予以兼顧。這時，設計人員可以把轉向器的角傳動比設計為一種可變要素，也就是當汽車處在轉向過程中的不同階段之時，轉向器會以不同的角傳動比發生轉動，它的轉動與轉向盤轉角的變化相伴隨而有所改變，具體的變化規律根據轉向器的結構型式及相應的參數而定，通常，可以把這一類轉向器稱作變速比轉向器。

現階段，各國市場上應用比較多的機械式轉向器以齒輪齒條式與循環球齒條齒扇式兩種類型為主。前者的設計對相互嚙合齒輪的基圓齒距必須相等這一原則予以遵循，能夠令1個具有標準模數以及壓力角的小齒輪同1個模數及壓力角均會發生變化的齒條相互嚙合，同時，齒條上所有齒的模數與壓力角余弦的乘積一直同齒輪的模數與壓力角余弦的乘積相等，由此一來，齒輪與齒條兩者之間的正確嚙合得到保證，同時，可以在正常狀態下運轉。若齒條中間部位（也就是汽車以直線行駛時的中間位置）齒的壓力角是最大的，兩個端點的位置齒的壓力角最小，模數與其相伴隨也越來越小，這樣一來，齒輪的嚙合半徑不會很大，會導致轉向盤在每轉動一個相同的角度之時，齒條移動的行程會越來越小，很顯然，轉向車輪的偏轉角也會呈現出逐漸減小之勢。后者的設計應對以下原理予以遵循：先設t表示的是轉向螺桿的螺距，r表示齒扇的嚙合半徑，這時，轉向器角傳動比i？棕1可通過以下公式計算得到：■（6）

根據該式，轉向器角傳動比正相關于齒扇的嚙合半徑，但反相關于螺桿的螺距。受到自身結構的影響，螺桿的螺距通常是一個固定的值，所以需要通過改變齒扇嚙合半徑的方式將變速比改變，也就是在轉向搖臂軸轉過中間位置之后，齒扇與齒條相互嚙合的工作半徑會隨著角的變化而發生相應的改變，也會進一步引起角傳動比的改變。這種齒輪有一個特點，也就是工作半徑會隨著搖臂軸轉角的改變而變化，因而有變速齒輪之稱。

設計人員在進行設計之時，可以有選擇性地將轉向器的角傳動比設計為減小、增大或是保持不變，要說會對角傳動比的變化規律產生重要影響的因素，當屬轉向車軸的軸荷以及整車機動性能上所提出來的相關要求。

4? 結語

汽車機械式轉向系統的傳動比分析要求對轉向器的角傳動比特性進行相應的研究。對于定傳動比的機械式轉向系統而言，“輕便性”與“靈敏性”要求構成了一對無法同時滿足的矛盾，設計人員需要做的，只能是想辦法將這一矛盾緩解，在某種程度上達到平衡，這就需要對變傳動比的機械式轉向器予以采用，在達到轉向操縱省力的目標的同時盡可能地將操縱靈敏性提高。而雖然無法從本質上將以上矛盾徹底解決，但機械式變速比轉向器依舊基于自身結構簡單的優勢（僅通過將齒輪或是齒條的輪齒廓曲面形狀改變而令傳動比發生相應的變化，無需改變之前轉向器所具有的空間結構以及操縱要求）而在市場上有一定的應用，對其展開相應的研究依舊具有價值。

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