汽车机械式转向系统传动比分析

杨艳艳 王彦婷

摘要：基于对汽车转向系统的分类以及机械式转向系统结构的分析，研究汽车机械式转向系统的传动比构成，得出在汽车机械式转向系统中，转向器的角传动比发挥的作用尤为重要，且对于定传动比的机械式转向系统而言，“轻便性”与“灵敏性”要求构成了一对矛盾，为在一定程度上将该矛盾缓解，应对变传动比机械式转向器予以采用，选择性地将转向器的角传动比设计为减小、增大或是保持不变，在达到转向操纵省力的目标的同时尽可能地将操纵灵敏性提高。

关键词：汽车;机械式转向系统;传动比

中图分類号：G71                                        文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）12-0059-02

0  引言

改革开放战略实施以来，我国汽车工业实现了突飞猛进式发展，而与此同时，作为汽车的一个关键部件，转向系统的发展同样迅速，现已从基本层面上实现了专业化与系列化生产，其特性的优劣会对整车性能的好坏产生直接影响，决定其操纵的稳定性、转向的灵敏性与轻便性以及车辆行驶的安全性。由于结构简单、成本比较低、具有可靠性能等优势，目前机械式转向系统依旧在市场中占据一席之地，应用价值不容忽视，学者们依旧围绕机械式转向系统展开了一系列的研究，本文以其传动比为视角，进行相应的分析。

1  汽车转向系统

在行驶的整个过程中，汽车会经常改变行驶方向，也就是发生转向行为，这要求所有的汽车均具备一套可以基于司机意志驱使的转向机构。通常情况下，司机在汽车行驶过程中转动方向盘的动作会在转向机构的作用下转变为前车轮的偏转动作。若以转向力能量来源的不同作为划分依据，转向系统可分为机械转向系统与动力转向系统两大类型。

其中，机械转向系统是本文的研究重点，其能量来源为人力，全部传力件均为机械式，主要包括转向操纵机构（亦即人们日常提到的方向盘）、转向器以及转向传动机构3个组成部分，转向器是最为核心的部件，发挥着将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动的重要作用。

动力转向系统不仅具备以上3个组成部分，还多了一种转向助力装置，这是最为主要的动力来源，以液压系统的应用最广泛，这意味着其无法与泵、油管、阀、活塞及储油罐等部件相脱离，对应地，这些部件依次发挥着相当于电路系统电池、导线、开关、电机以及地线的作用。

图1所示为一种比较典型的机械式转向系统。在汽车行驶过程中，司机对转向盘施加转向力，此时，转向力矩会经由转向轴向机械转向器输入，而由转向盘至转向传动轴的所有零件，都属于转向操纵机构的部件。机械转向器是一种减速传动装置，其内部包括1、2级减速传动副。在经过机械转向器的放大处理操作之后，力矩与减速之后的运动会向转向横拉杆传递，再传递给在转向节上固定起来的转向节臂。令转向节同受其支撑的转向轮发生偏转，汽车的行驶方向由此而发生变化。此处，转向横拉杆以及转向节臂均属于转向传动机构的范畴。

2  汽车机械式转向系统传动比构成与分析

此处，先设汽车机械式转向系统传动比由i表示，ip与i？棕则分别表示系统的力传动比与角传动比，其中，角传动比又进一步对转向器角传动比以及转向传动机构角传动比予以涉及，二者分别用i？棕1与i？棕2来表示。

转向系统力传动比可通过汽车轮胎与地面接触之时，对2个转向轮产生的转向阻力之和同司机作用于转向盘上的转向力之间的比值得到;而其角传动比则根据转向盘的转角增量同转向盘所处一侧的转向轮的转角增量之间的比值而确定;进一步地，转向器的角传动比的计算为转向盘的转角增量同转向摇臂的转角增量之间的比值，而转向传动机构的角传动比的计算则为转向摇臂的转角增量同转向节臂发挥直接带动作用的转向车轮的转角增量之间的比值。实际上，转向传动机构的角传动比和转向节臂长度同转向摇臂长度之间的比值大致相等，在现如今的机械式转向系统汽车中，该值差不多为1。进一步也就是说，在汽车转向行驶之时，虽然转向传动机构的角传动比会在转向轮转角发生变化之时而有所改变，但这一变化并不是特别明显。据此可以得到结论：汽车机械式转向系统的角传动比会受到转向器的角传动比变化的决定性影响而变大或变小，两者之间近似相等。

当司机对转向盘施加转向力之时，转向车轮的运动方向会发生变化，而这一变化是通过转向节臂的带动，围绕主销偏转相应的角度来完成。具体的，主销的偏移距离a应当是转向车轮中心所在的平面同支撑路面两者之间的交线到转向节主销轴线的延长线同支撑路面两者之间的交点的距离，它是对转向车轮产生作用的转向阻力矩（用Mr来表示）的力臂。所以，若用Fw表示转向轮轮胎同路面之间存在的转向阻力，则可通过以下公式将其表示出来：

进一步地，用Dsw表示所选择的转向盘的直径的话，在汽车转向行驶的过程中，Mh表示对转向盘产生作用的力矩，若用Fh表示司机施加在转向盘上的手力，也就是前文所说的转向力，则可通过以下公式将其表示出来：

由于转向系统力传动比ip的定义公式是已知的，有：

假设转向系统的摩擦损失很小，可以忽略不计，则基于能量守恒定律的指导，在汽车转向行驶的过程中，转向车轮上的输出功率会一致于转向盘上的输入功率，如此一来，转向车轮上的转向阻力矩Mr同司机向转向盘施加的转向力的力矩Mh两者之间的比值，会与转向车轮的转角增量（用d？兹来表示）同转向盘的转角增量（用d？渍来表示）之间的比值相等，而后者的比值恰恰是转向系统的角传动比i？棕，由此，又有以下公式成立：

在此基础之上，又可进一步地用以下公式来表示转向系统的力传动比ip：

在以上分析的基础之上可以得到两个结论：结论一：在汽车机械式转向系统中，转向器的角传动比所发挥的作用尤为重要，它是整个机械式转向系统传动比的核心要素，其特性会对转向系统传动比的特性产生决定性影响;结论二：当转向盘的直径与转向车轮的转向阻力都是特定值之时，力传动比会随着机械转向系统角传动比（也可以被视作为转向器的角传动比）的增大而呈现出不断增大之势，这时，为了减小路面转向过程中的阻力，需要向转向盘施加的转向力的力矩会不断减小，意味着司机作用于转向盘的转向力也会越小，很显然地，转向操纵就会越轻便;然而，如果转向系统的角传动比越来越大，汽车在转向行驶的过程中，为了获取一定的转向车轮偏转角，司机需要转动转向盘的圈数就会越来越多，毋庸置疑，司机此时的转向操作会越来越困难，也就是整车的转向灵敏性是越来越低的。这两个变化趋势可以说明，在机械式转向系统中，为了让司机在转向操纵时足够省力，就必须将转向系统的角传动比增大，然而，为了达到转向操纵灵敏的目的，又需要将转向系统的角传动比减小，这无疑是一组矛盾现象，也就是机械式转向系统无法实现“最为轻便”与“最为灵敏”的兼顾。

3  汽车机械式转向系统转向器的优化设计

由于“最轻便”与“最灵敏”两个目的是无法同时实现的，这就需要设计人员作出相应的取舍，取一个“轻便”和“灵敏”的平衡值，在满足操纵轻便性要求的同时对转向灵敏性要求予以兼顾。这时，设计人员可以把转向器的角传动比设计为一种可变要素，也就是当汽车处在转向过程中的不同阶段之时，转向器会以不同的角传动比发生转动，它的转动与转向盘转角的变化相伴随而有所改变，具体的变化规律根据转向器的结构型式及相应的参数而定，通常，可以把这一类转向器称作变速比转向器。

现阶段，各国市场上应用比较多的机械式转向器以齿轮齿条式与循环球齿条齿扇式两种类型为主。前者的设计对相互啮合齿轮的基圆齿距必须相等这一原则予以遵循，能够令1个具有标准模数以及压力角的小齿轮同1个模数及压力角均会发生变化的齿条相互啮合，同时，齿条上所有齿的模数与压力角余弦的乘积一直同齿轮的模数与压力角余弦的乘积相等，由此一来，齿轮与齿条两者之间的正确啮合得到保证，同时，可以在正常状态下运转。若齿条中间部位（也就是汽车以直线行驶时的中间位置）齿的压力角是最大的，两个端点的位置齿的压力角最小，模数与其相伴随也越来越小，这样一来，齿轮的啮合半径不会很大，会导致转向盘在每转动一个相同的角度之时，齿条移动的行程会越来越小，很显然，转向车轮的偏转角也会呈现出逐渐减小之势。后者的设计应对以下原理予以遵循：先设t表示的是转向螺杆的螺距，r表示齿扇的啮合半径，这时，转向器角传动比i？棕1可通过以下公式计算得到：■（6）

根据该式，转向器角传动比正相关于齿扇的啮合半径，但反相关于螺杆的螺距。受到自身结构的影响，螺杆的螺距通常是一个固定的值，所以需要通过改变齿扇啮合半径的方式将变速比改变，也就是在转向摇臂轴转过中间位置之后，齿扇与齿条相互啮合的工作半径会随着角的变化而发生相应的改变，也会进一步引起角传动比的改变。这种齿轮有一个特点，也就是工作半径会随着摇臂轴转角的改变而变化，因而有变速齿轮之称。

设计人员在进行设计之时，可以有选择性地将转向器的角传动比设计为减小、增大或是保持不变，要说会对角传动比的变化规律产生重要影响的因素，当属转向车轴的轴荷以及整车机动性能上所提出来的相关要求。

4  结语

汽车机械式转向系统的传动比分析要求对转向器的角传动比特性进行相应的研究。对于定传动比的机械式转向系统而言，“轻便性”与“灵敏性”要求构成了一对无法同时满足的矛盾，设计人员需要做的，只能是想办法将这一矛盾缓解，在某种程度上达到平衡，这就需要对变传动比的机械式转向器予以采用，在达到转向操纵省力的目标的同时尽可能地将操纵灵敏性提高。而虽然无法从本质上将以上矛盾彻底解决，但机械式变速比转向器依旧基于自身结构简单的优势（仅通过将齿轮或是齿条的轮齿廓曲面形状改变而令传动比发生相应的变化，无需改变之前转向器所具有的空间结构以及操纵要求）而在市场上有一定的应用，对其展开相应的研究依旧具有价值。

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