转向盘在中间位置的转向器角传动比不宜过小。过小则在汽车高速直线行驶时，对转向盘转角过分敏感和使反冲效应加大，使驾驶员精确控制转向轮的运动有困难。直行位置的转向器角传动比不宜低于15～16。
三、转向器传动副的传动间隙Δt
1．转向器传动间隙特性 传动间隙是指各种转向器中传动副(如循环球式转向器的齿扇和齿条)之间的间隙。该间隙随转向盘转角υ的大小不同而改变，并把这种变化关系称为转向器传动副传动间隙特性(图7―16)。研究该特性的意义在于它与直线行驶的稳定性和转向器的使用寿命有关。
直线行驶时，转向器传动副若存在传动间隙，一旦转向轮受到侧向力作用，就能在间隙Δt的范围内，允许车轮偏离原行驶位置，使汽车失去稳定。为防止出现这种情况，要求传动副的传动间隙在转向盘处于中间及其附近位置时(一般是10°～15°)要极小，最好无间隙。
转向器传动副在中间及其附近位置因使用频繁，磨损速度要比两端快。在中间附近位置因磨损造成的间隙大到无法确保直线行驶的稳定性时，必须经调整消除该处间隙。调整后，要求转向盘能圆滑地从中间位置转到两端，而无卡住现象。为此，传动副的传动间隙特性，应当设计成在离开中间位置以后呈图7―16所示的逐渐加大的形状。图中曲线1表明转向器在磨损前的间隙变化特性，曲线2表明使用并磨损后的间隙变化特性，并且在中间位置处已出现较大间隙，曲线3表明调整后并消除中间位置处间隙的转向器传动间隙变化特性。
2．如何获得传动间隙特性 循环球式转向器的齿条齿扇传动副的传动间隙特性，可通过将齿扇齿做成不同厚度来获取必要的传动间隙。即将中间齿设计成正常齿厚，从靠近中间齿的两侧齿到离开中间齿最远的齿，其厚度依次递减。 如图7―17所示，齿扇工作时绕摇臂轴的轴线中心O转动。加工齿扇时使之绕切齿轴线O1转动。两轴线之间的距离n称为偏心距。用这种方法切齿，可获得厚度不同的齿扇齿。其传动特性可用下式计算 ?t?2tan?dR?ncos?p?n2cos2?p?R12?n2
(7―8) 式中，αd为端面压力角；R为节圆半径；βp为摇臂轴转角；R1为中心O1到b点的距离；n为偏心距。 ??
偏心距n不同，传动副的传动间隙特性也不同。图7―18示出偏心距n不同时的传动间隙变化特性。n越大，在同一摇臂轴转角条件下，其传动间隙也越大。一般偏心距n取0．5mm左右为宜。
第四节 机械式转向器的设计与计算
一、转向系计算载荷的确定
为了保证行驶安全，组成转向系的各零件应有足够的强度。欲验算转向系零件的强度，需首先确定作用在各零件上的力。影响这些力的主要因素有转向轴的负荷、路面阻力和轮胎气压等。为转动转向轮要克服的阻力，包括转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内摩擦阻力等。
精确地计算出这些力是困难的。为此推荐用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩Mn(N?mm) fMR?3压(MPa)。 G13
（7―9） p式中，f 为轮胎和路面间的滑动摩擦因数，一般取0．7；Gl为转向轴负荷(N)；p 为轮胎气
作用在转向盘上的手力为 Fh?2L1MR
(7―10) L2DSWiw??式中，Ll为转向摇臂长；L2为转向节臂长；Dsw为转向盘直径；iw为转向器角传动比；
ε+为转向器正效率。
对给定的汽车，用式(7―10)计算出来的作用力是最大值。因此，可以用此值作为计算载荷。然而，对于前轴负荷大的重型货车，用上式计算的力往往超过驾驶员生理上的可能，在此情况下对转向器和动力转向器动力缸以前零件的计算载荷，应取驾驶员作用在转向盘轮缘上的最大瞬时力，此力为700N。
二、齿轮齿条式转向器的设计
齿轮齿条式转向器的齿轮多数采用斜齿圆柱齿轮。齿轮模数取值范围多在2～3mm之间。主动小齿轮齿数多数在5―7个齿范围变化，压力角取20°，齿轮螺旋角取值范围多为9°～15°。齿条齿数应根据转向轮达到最大偏转角时，相应的齿条移动行程应达到的值来确定。变速比的齿条压力角，对现有结构在12°一35°范围内变化。此外，设计时应验算齿轮的抗弯强度和接触强度。
主动小齿轮选用16MnCr5或15CrNi6材料制造，而齿条常采用45钢制造。为减轻质量，壳体用铝合金压铸。
三、循环球式转向器设计
(一)主要尺寸参数的选择
1．螺杆、钢球、螺母传动副
(1)钢球中心距D、螺杆外径D，、螺母内径D2
尺寸D、Dl、D2如图7―19所示。钢球中心距是基本尺寸，螺杆外径D1、螺母内径D2及钢球直径d对确定钢球中心距D的大小有影响，而D又对转向器结构尺寸和强度有影响。在保证足够的强度条件下，尽可能将D值取小些。选取D值的规律是随着扇齿模数的增大，钢球中心距D也相应增加(表7―1)。设计时先参考同类型汽车的参数进行初选，经强度验算后，再进行修正。螺杆外径Dl通常在20～38mm范围内变化，设计时应根据转向轴负荷的不同来选定。螺母内径D2应大于Dl，一般要求D2―Dl= (5％～10％)D。
2)钢球直径d及数量n
钢球直径尺寸d取得大，能提高承载能力，同时螺杆和螺母传动机构和转向器的尺寸也随之增大。钢球直径应符合国家标准，一般常在7～9mm范围内选用(表7―1)。
增加钢球数量n，能提高承载能力，但使钢球流动性变坏，从而使传动效率降低。因为钢球本身有误差，所以共同参加工作的钢球数量并不是全部钢球数。经验证明，每个环路中的钢球数以不超过60粒为好。为保证尽可能多的钢球都承载，应分组装配。每个环路中的钢球数可用下式计算 n??DW?DW ?dcos?0d
式中，D为钢球中心距；W为一个环路中的钢球工作圈数；n为不包括环流导管中的钢球数；α0为螺线导程角，常取α0=5°～8°，则cosα0≈1。 (3)滚道截面
当螺杆和螺母各由两条圆弧组成，形成四段圆弧滚道截面时，见图7―20，钢球与滚道有四点接触，传动时轴向间隙最小，可满足转向盘自由行程小的要求。图中滚道与钢球之间的间隙，除用来贮存润滑油之外，还能贮存磨损杂质。为了减少摩擦，螺杆和螺母沟槽的半径R2应大于钢球半径d/2，一般取R2
=(0．51～0．53)d。
(4)接触角ζ
钢球与螺杆滚道接触点的正压力方向与螺杆滚道法面轴线间的夹角称为接触角ζ，如图7―20所示。ζ角多取为45°，以使轴向力和径向力分配均匀。
(5)螺距P和螺旋线导程角αo
转向盘转动υ角，对应螺母移动的距离S为
（7―11） 2?式中，P为螺纹螺距。
与此同时，齿扇节圆转过的弧长等于s，相应摇臂轴转过βp角，其间关系可表示如下 s??pr
(7―12) 式中，r为齿扇节圆半径。
联立式(7―11)、式(7―12)得??动比iw为 2?rr?P，将υ对βp，求导得循环球式转向器角传Piw?2?rr
(7―13) P由式(7―13)可知，螺距P影响转向器角传动比的值。在螺距不变的条件下，钢球直径d越大，图7―19中的尺寸b越小，要求b=P-d2．5mm。螺距P一般在12～18mm内选取。
前已述及导程角αo对转向器传动效率有影响，此处不再赘述。 (6)工作钢球圈数W
多数情况下，转向器用两个环路，而每个环路的工作钢球圈数W又与接触强度有关：增加工作钢球圈数，参加工作的钢球增多，能降低接触应力，提高承载能力；但钢球受力不均匀、螺杆增长而使刚度降低。工作钢球圈数有1．5和2．5圈两种。一个环路的工作钢球圈数的选取见表7―1。
循环球式转向器主要参数循环球式动力转向器结构与设计_图文_百度文库
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循环球式动力转向器结构与设计
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循环球式转向器有什么特点，工作原理是怎样？
&&& 循环球式转向器是目前国内外应用最广泛的结构形式之一，一般有两级传动副，第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿扇传动副。循环球式转向器的特点是：效率高，操纵轻便，有一条平滑的操纵力特性曲线。循环球式转向器的结构如图3-29所示。
&&& 为了减少转向螺杆和转向螺母之间的摩擦，它们之间的螺纹并不直接接触，其间装有多个钢球，以实现滚动摩擦。转向螺杆和螺母上都加工出断面轮廓为两段或三段不同心圆弧组成的近似半圆的螺旋槽。二者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面的螺旋管状通道。
&&& 螺母侧面有两对通孔，可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内。转向螺母外有两根钢球导管，每根导管的两端分别插入螺母侧面的一对通孔中。导管内也装满了钢球。这样，两根导管和螺母内的螺旋管状通道组合成两条各自独立的封闭的钢球&流道&。
&&& 循环球式转向器的工作原理是：转向螺杆转动时，通过钢球将力传给转向螺母，螺母即沿轴向移动。同时，在螺杆与螺母两者和钢球间的摩擦力偶作用下，所有钢球便在螺旋管状通道内滚动，形成&球流&。在转向器工作时，两列钢球只是在各自的封闭流道内循环，不会脱出。钢球在管状通道内绕行两周后，流出螺母而进入导管的一端，再由导管另一端流回螺旋管状通道。故在转向器工作时，两列钢球只是在各自的封闭流道内循环，而不致脱出。通过转向盘和转向轴转动转向螺杆时，转向螺母不能转动，只能轴向移动，驱使摇臂轴转动，从而驱动转向摇臂。
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循环球式转向器
循环球式转向器主要由螺杆、螺母、转向器壳体以及许多小钢球等部件组成，所谓的循环球指的就是这些小钢球，它们被放置于螺母与螺杆之间的密闭管路内，起到将螺母螺杆之间的滑动摩擦转变为阻力较小的滚动摩擦的作用，当与方向盘转向管柱固定到一起的螺杆转动起来后，螺杆推动螺母上下运动，螺母在通过齿轮来驱动转向摇臂往复摇动从而实现转向。在这个过程当中，那些小钢球就在密闭的管路内循环往复的滚动，所以这种转向器就被称为循环球式转向器。
循环球式转向器简介
循环球式主要由螺杆、螺母、转向器壳体以及许多小钢球等部件组成，所谓的循环球指的就是这些小钢球，它们被放置于螺母与螺杆之间的密闭管路内，起到将螺母螺杆之间的滑动摩擦转变为阻力较小的滚动摩擦的作用，当与方向盘转向管柱固定到一起的螺杆转动起来后，螺杆推动螺母上下运动，螺母在通过齿轮来驱动转向摇臂往复摇动从而实现转向。在这个过程当中，那些小钢球就在密闭的管路内循环往复的滚动，所以这种转向器就被称为循环球式转向器。
相比齿轮齿条式转向器，循环球式转向器由于更多依靠滚动摩擦，所以具有较高的传动效率，操纵起来比较轻便舒适，机械部件的磨损较小，使用寿命相对较长。
循环球式转向器基本结构
循环球式转向器的基本结构如图2所示。
图2 基本结构
它由两级传动副、壳体、钢球和间隙调整装置等组成。第一级传动副是螺杆—螺母传动副，第二级是齿条—齿扇传动副。
一级传动副是转向螺杆(steering screw)和转向螺母(steering nut)，转向螺杆与转向轴连接；另一级传动副是齿条(rack)和齿扇(sector)，在转向螺母下平面上加工成齿条，齿扇与齿扇轴形成一体。转向螺母既是第一级传动副的从动件，又是第二级传动副的主动件。为了减少转向螺杆与转向螺母之间的摩擦与磨损，二者的螺纹不直接接触，而是做成内外滚道，滚道中间装有许多钢球，以实现滚动摩擦。转向螺母上装有两个钢球导管，钢球导管内装满了钢球，钢球导管与滚道连通，形成两条独立的供钢球循环滚动的封闭通道。
循环球式转向器转向器
图3所示为可变传动比循环球式转向器齿轮机构。
图3 可变传动比
当转向盘转动时，转向轴带动转向螺杆旋转，通过钢球将力传给转向螺母，使得转向螺母沿轴向移动，钢球则在钢球导管与滚道通道内循环滚动；通过螺母上的齿条带动齿扇及轴转动，进而带动转向摇臂摆动，通过其他转向传动装置的传动，实现车轮的偏转。如果将齿条的齿顶面制成鼓形弧面，齿扇上的每一个齿的节圆半径也相应变化，使得中间齿节圆半径小，两端齿节圆半径大，便可得到变传动比的转向器，这样操纵省力，转向轻便。
循环球式转向器前景市场
不过，随着转向助力技术的广泛应用，齿轮式很快后来居上，因为它的结构更简单从而更利于安装助力装置，另外，和循环球式转向器相比，齿轮齿条式转向器的转向更直接，反馈也更灵敏，这在强调路感的运动风格乘用车上更受欢迎，但对于经常在复杂路况上驾驶的越野车来说，循环球式转向器倒是更加安全也更加皮实，比如、，以及过去的大小、丰田巡洋舰、等等。
在中、大型商用汽车上循环球式转向器还扮演着重要角色，但是在小型乘用车当中，采用循环球式转向器的已经越来越少了，就连一直坚持用循环球转向的奔驰也逐步转变为齿轮齿条。
史文库．汽车构造第六版（下册）：人民交通出版社，2013年
中国汽车工程学会（SAE-Chin...
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