汽車機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比分析

楊艷艷 王彥婷

摘要：基于對(duì)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類以及機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析，研究汽車機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比構(gòu)成，得出在汽車機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比發(fā)揮的作用尤為重要，且對(duì)于定傳動(dòng)比的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，“輕便性”與“靈敏性”要求構(gòu)成了一對(duì)矛盾，為在一定程度上將該矛盾緩解，應(yīng)對(duì)變傳動(dòng)比機(jī)械式轉(zhuǎn)向器予以采用，選擇性地將轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為減小、增大或是保持不變，在達(dá)到轉(zhuǎn)向操縱省力的目標(biāo)的同時(shí)盡可能地將操縱靈敏性提高。

關(guān)鍵詞：汽車;機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng);傳動(dòng)比

中圖分類號(hào)：G71? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）12-0059-02

0? 引言

改革開放戰(zhàn)略實(shí)施以來，我國(guó)汽車工業(yè)實(shí)現(xiàn)了突飛猛進(jìn)式發(fā)展，而與此同時(shí)，作為汽車的一個(gè)關(guān)鍵部件，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展同樣迅速，現(xiàn)已從基本層面上實(shí)現(xiàn)了專業(yè)化與系列化生產(chǎn)，其特性的優(yōu)劣會(huì)對(duì)整車性能的好壞產(chǎn)生直接影響，決定其操縱的穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向的靈敏性與輕便性以及車輛行駛的安全性。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本比較低、具有可靠性能等優(yōu)勢(shì)，目前機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)依舊在市場(chǎng)中占據(jù)一席之地，應(yīng)用價(jià)值不容忽視，學(xué)者們依舊圍繞機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)展開了一系列的研究，本文以其傳動(dòng)比為視角，進(jìn)行相應(yīng)的分析。

1? 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

在行駛的整個(gè)過程中，汽車會(huì)經(jīng)常改變行駛方向，也就是發(fā)生轉(zhuǎn)向行為，這要求所有的汽車均具備一套可以基于司機(jī)意志驅(qū)使的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。通常情況下，司機(jī)在汽車行駛過程中轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的動(dòng)作會(huì)在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榍败囕喌钠D(zhuǎn)動(dòng)作。若以轉(zhuǎn)向力能量來源的不同作為劃分依據(jù)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩大類型。

其中，機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是本文的研究重點(diǎn)，其能量來源為人力，全部傳力件均為機(jī)械式，主要包括轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)（亦即人們?nèi)粘Ｌ岬降姆较虮P）、轉(zhuǎn)向器以及轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3個(gè)組成部分，轉(zhuǎn)向器是最為核心的部件，發(fā)揮著將操縱機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)的重要作用。

動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不僅具備以上3個(gè)組成部分，還多了一種轉(zhuǎn)向助力裝置，這是最為主要的動(dòng)力來源，以液壓系統(tǒng)的應(yīng)用最廣泛，這意味著其無法與泵、油管、閥、活塞及儲(chǔ)油罐等部件相脫離，對(duì)應(yīng)地，這些部件依次發(fā)揮著相當(dāng)于電路系統(tǒng)電池、導(dǎo)線、開關(guān)、電機(jī)以及地線的作用。

圖1所示為一種比較典型的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。在汽車行駛過程中，司機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)向盤施加轉(zhuǎn)向力，此時(shí)，轉(zhuǎn)向力矩會(huì)經(jīng)由轉(zhuǎn)向軸向機(jī)械轉(zhuǎn)向器輸入，而由轉(zhuǎn)向盤至轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的所有零件，都屬于轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)的部件。機(jī)械轉(zhuǎn)向器是一種減速傳動(dòng)裝置，其內(nèi)部包括1、2級(jí)減速傳動(dòng)副。在經(jīng)過機(jī)械轉(zhuǎn)向器的放大處理操作之后，力矩與減速之后的運(yùn)動(dòng)會(huì)向轉(zhuǎn)向橫拉桿傳遞，再傳遞給在轉(zhuǎn)向節(jié)上固定起來的轉(zhuǎn)向節(jié)臂。令轉(zhuǎn)向節(jié)同受其支撐的轉(zhuǎn)向輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)，汽車的行駛方向由此而發(fā)生變化。此處，轉(zhuǎn)向橫拉桿以及轉(zhuǎn)向節(jié)臂均屬于轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的范疇。

2? 汽車機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比構(gòu)成與分析

此處，先設(shè)汽車機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比由i表示，ip與i？棕則分別表示系統(tǒng)的力傳動(dòng)比與角傳動(dòng)比，其中，角傳動(dòng)比又進(jìn)一步對(duì)轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比以及轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)角傳動(dòng)比予以涉及，二者分別用i？棕1與i？棕2來表示。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力傳動(dòng)比可通過汽車輪胎與地面接觸之時(shí)，對(duì)2個(gè)轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向阻力之和同司機(jī)作用于轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向力之間的比值得到;而其角傳動(dòng)比則根據(jù)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角增量同轉(zhuǎn)向盤所處一側(cè)的轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角增量之間的比值而確定;進(jìn)一步地，轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比的計(jì)算為轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角增量同轉(zhuǎn)向搖臂的轉(zhuǎn)角增量之間的比值，而轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比的計(jì)算則為轉(zhuǎn)向搖臂的轉(zhuǎn)角增量同轉(zhuǎn)向節(jié)臂發(fā)揮直接帶動(dòng)作用的轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)角增量之間的比值。實(shí)際上，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)度同轉(zhuǎn)向搖臂長(zhǎng)度之間的比值大致相等，在現(xiàn)如今的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)汽車中，該值差不多為1。進(jìn)一步也就是說，在汽車轉(zhuǎn)向行駛之時(shí)，雖然轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比會(huì)在轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角發(fā)生變化之時(shí)而有所改變，但這一變化并不是特別明顯。據(jù)此可以得到結(jié)論：汽車機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動(dòng)比會(huì)受到轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比變化的決定性影響而變大或變小，兩者之間近似相等。

當(dāng)司機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)向盤施加轉(zhuǎn)向力之時(shí)，轉(zhuǎn)向車輪的運(yùn)動(dòng)方向會(huì)發(fā)生變化，而這一變化是通過轉(zhuǎn)向節(jié)臂的帶動(dòng)，圍繞主銷偏轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度來完成。具體的，主銷的偏移距離a應(yīng)當(dāng)是轉(zhuǎn)向車輪中心所在的平面同支撐路面兩者之間的交線到轉(zhuǎn)向節(jié)主銷軸線的延長(zhǎng)線同支撐路面兩者之間的交點(diǎn)的距離，它是對(duì)轉(zhuǎn)向車輪產(chǎn)生作用的轉(zhuǎn)向阻力矩（用Mr來表示）的力臂。所以，若用Fw表示轉(zhuǎn)向輪輪胎同路面之間存在的轉(zhuǎn)向阻力，則可通過以下公式將其表示出來：

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

由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力傳動(dòng)比ip的定義公式是已知的，有：

假設(shè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的摩擦損失很小，可以忽略不計(jì)，則基于能量守恒定律的指導(dǎo)，在汽車轉(zhuǎn)向行駛的過程中，轉(zhuǎn)向車輪上的輸出功率會(huì)一致于轉(zhuǎn)向盤上的輸入功率，如此一來，轉(zhuǎn)向車輪上的轉(zhuǎn)向阻力矩Mr同司機(jī)向轉(zhuǎn)向盤施加的轉(zhuǎn)向力的力矩Mh兩者之間的比值，會(huì)與轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)角增量（用d？茲來表示）同轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動(dòng)比i？棕，由此，又有以下公式成立：

在此基礎(chǔ)之上，又可進(jìn)一步地用以下公式來表示轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力傳動(dòng)比ip：

在以上分析的基礎(chǔ)之上可以得到兩個(gè)結(jié)論：結(jié)論一：在汽車機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比所發(fā)揮的作用尤為重要，它是整個(gè)機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比的核心要素，其特性會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)比的特性產(chǎn)生決定性影響;結(jié)論二：當(dāng)轉(zhuǎn)向盤的直徑與轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)向阻力都是特定值之時(shí)，力傳動(dòng)比會(huì)隨著機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動(dòng)比（也可以被視作為轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比）的增大而呈現(xiàn)出不斷增大之勢(shì)，這時(shí)，為了減小路面轉(zhuǎn)向過程中的阻力，需要向轉(zhuǎn)向盤施加的轉(zhuǎn)向力的力矩會(huì)不斷減小，意味著司機(jī)作用于轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向力也會(huì)越小，很顯然地，轉(zhuǎn)向操縱就會(huì)越輕便;然而，如果轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動(dòng)比越來越大，汽車在轉(zhuǎn)向行駛的過程中，為了獲取一定的轉(zhuǎn)向車輪偏轉(zhuǎn)角，司機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤的圈數(shù)就會(huì)越來越多，毋庸置疑，司機(jī)此時(shí)的轉(zhuǎn)向操作會(huì)越來越困難，也就是整車的轉(zhuǎn)向靈敏性是越來越低的。這兩個(gè)變化趨勢(shì)可以說明，在機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，為了讓司機(jī)在轉(zhuǎn)向操縱時(shí)足夠省力，就必須將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動(dòng)比增大，然而，為了達(dá)到轉(zhuǎn)向操縱靈敏的目的，又需要將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的角傳動(dòng)比減小，這無疑是一組矛盾現(xiàn)象，也就是機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)“最為輕便”與“最為靈敏”的兼顧。

3? 汽車機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于“最輕便”與“最靈敏”兩個(gè)目的是無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)的，這就需要設(shè)計(jì)人員作出相應(yīng)的取舍，取一個(gè)“輕便”和“靈敏”的平衡值，在滿足操縱輕便性要求的同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)向靈敏性要求予以兼顧。這時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以把轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為一種可變要素，也就是當(dāng)汽車處在轉(zhuǎn)向過程中的不同階段之時(shí)，轉(zhuǎn)向器會(huì)以不同的角傳動(dòng)比發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，它的轉(zhuǎn)動(dòng)與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角的變化相伴隨而有所改變，具體的變化規(guī)律根據(jù)轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)型式及相應(yīng)的參數(shù)而定，通常，可以把這一類轉(zhuǎn)向器稱作變速比轉(zhuǎn)向器。

現(xiàn)階段，各國(guó)市場(chǎng)上應(yīng)用比較多的機(jī)械式轉(zhuǎn)向器以齒輪齒條式與循環(huán)球齒條齒扇式兩種類型為主。前者的設(shè)計(jì)對(duì)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(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)以及壓力角的小齒輪同1個(gè)模數(shù)及壓力角均會(huì)發(fā)生變化的齒條相互嚙合，同時(shí)，齒條上所有齒的模數(shù)與壓力角余弦的乘積一直同齒輪的模數(shù)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(shí)，可以在正常狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。若齒條中間部位（也就是汽車以直線行駛時(shí)的中間位置）齒的壓力角是最大的，兩個(gè)端點(diǎn)的位置齒的壓力角最小，模數(shù)與其相伴隨也越來越小，這樣一來，齒輪的嚙合半徑不會(huì)很大，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向盤在每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)相同的角度之時(shí)，齒條移動(dòng)的行程會(huì)越來越小，很顯然，轉(zhuǎn)向車輪的偏轉(zhuǎn)角也會(huì)呈現(xiàn)出逐漸減小之勢(shì)。后者的設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)以下原理予以遵循：先設(shè)t表示的是轉(zhuǎn)向螺桿的螺距，r表示齒扇的嚙合半徑，這時(shí)，轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比i？棕1可通過以下公式計(jì)算得到：■（6）

根據(jù)該式，轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)比正相關(guān)于齒扇的嚙合半徑，但反相關(guān)于螺桿的螺距。受到自身結(jié)構(gòu)的影響，螺桿的螺距通常是一個(gè)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(zhuǎn)向搖臂軸轉(zhuǎn)過中間位置之后，齒扇與齒條相互嚙合的工作半徑會(huì)隨著角的變化而發(fā)生相應(yīng)的改變，也會(huì)進(jìn)一步引起角傳動(dòng)比的改變。這種齒輪有一個(gè)特點(diǎn)，也就是工作半徑會(huì)隨著搖臂軸轉(zhuǎn)角的改變而變化，因而有變速齒輪之稱。

設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)之時(shí)，可以有選擇性地將轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為減小、增大或是保持不變，要說會(huì)對(duì)角傳動(dòng)比的變化規(guī)律產(chǎn)生重要影響的因素，當(dāng)屬轉(zhuǎn)向車軸的軸荷以及整車機(jī)動(dòng)性能上所提出來的相關(guān)要求。

4? 結(jié)語

汽車機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)比分析要求對(duì)轉(zhuǎn)向器的角傳動(dòng)比特性進(jìn)行相應(yīng)的研究。對(duì)于定傳動(dòng)比的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，“輕便性”與“靈敏性”要求構(gòu)成了一對(duì)無法同時(shí)滿足的矛盾，設(shè)計(jì)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(dá)到平衡，這就需要對(duì)變傳動(dòng)比的機(jī)械式轉(zhuǎn)向器予以采用，在達(dá)到轉(zhuǎn)向操縱省力的目標(biāo)的同時(shí)盡可能地將操縱靈敏性提高。而雖然無法從本質(zhì)上將以上矛盾徹底解決，但機(jī)械式變速比轉(zhuǎn)向器依舊基于自身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)（僅通過將齒輪或是齒條的輪齒廓曲面形狀改變而令傳動(dòng)比發(fā)生相應(yīng)的變化，無需改變之前轉(zhuǎn)向器所具有的空間結(jié)構(gòu)以及操縱要求）而在市場(chǎng)上有一定的應(yīng)用，對(duì)其展開相應(yīng)的研究依舊具有價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙萬忠，張寒，鄒松春，徐坤豪，劉暢.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制技術(shù)綜述[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2021，12（01）：18-34.

[2]杜明志，孫躍東.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制策略研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2020，45（17）：38-43.

[3]殷凡青，姜良超.線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理想傳動(dòng)比設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（09）：95-97.

[4]趙樹恩，劉成恩，劉文文.汽車主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變傳動(dòng)比及電機(jī)控制特性研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2017（S1）：174-178.

[5]段東升，毛世民，郭正，等.變傳動(dòng)比循環(huán)球轉(zhuǎn)向器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，51（10）：14-18.

[6]賀敬良，王成武，田燕林.變速比齒條齒廓設(shè)計(jì)計(jì)算新方法[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2012（01）：146-149.