·简述转向系统的功用、类型。
·简述转向系统的基本组成。
·掌握转向系统的工作原理。
转向系统是汽车正常行驶的安全系统。转向系统不仅可以改变汽车的行驶方向，使其按照驾驶员的意愿安全行驶，而且可以克服路面侧向干扰力，使车轮自行产生转向，恢复汽车原来的行驶方向。
一、概述
1.转向系统的功用
转向系统是指由驾驶员操纵，能实现转向轮偏转和回位的一套机构。驾驶员需要改变汽车行驶方向时，必须使转向轮绕主销轴线偏转一定角度。直到新的行驶方向符合要求时，再将转向轮恢复到直线行驶的位置。转向系统的结构如图5-1所示。
图5-1 转向系统结构图
1—右横拉杆；2—左横拉杆；3—转向器；4—转向减震器；5—转向轴；6—转向盘
转向系统的功能是按照驾驶员的意愿改变汽车的行驶方向和保持汽车稳定的直线行驶。
2.转向系统的类型
转向系统按转向动力源可分为机械转向系统和动力转向系统两大类。完全靠驾驶员双手的力量来操纵的转向系统称为机械转向系统。驾驶员双手控制方向盘，并借助其他动力源来操纵的转向系统称为动力转向系统。动力转向系统又可分为液压助力转向系统和电动助力转向系统。
（1）机械转向系统。
机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传递力的构件都是机械的。它主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。
图5-2所示为机械转向系统的结构。当汽车转向时，驾驶员对转向盘施加一个转向力矩。该力矩通过转向轴、转向万向节和转向传动轴输入转向器。经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向摇臂，再经过转向直拉杆传给固定于左转向节上的转向节臂，使左转向节和它所支承的左转向轮偏转。为使右转向节及其支承的右转向轮随左转向节和左转向轮偏转相应角度，机械转向系统还设置了转向梯形。转向梯形由固定在左、右转向节上的梯形臂和两端与梯形臂做球铰链连接的转向横拉杆组成。
图5-2 机械转向系统的结构
1—转向盘；2—转向轴；3、5—转向万向节；4—转向传动轴；6—转向器；7—转向摇臂；8—转向直拉杆；9—转向节臂；10—左转向节；11—右转向节；12、13—梯形臂；14—转向横拉杆
从转向盘到转向传动轴的一系列部件均属于转向操纵机构。从转向摇臂到转向梯形的一系列部件（不含转向节）均属于转向传动机构。
（2）动力转向系统。
动力转向系统是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系统。在正常情况下，汽车转向所需能量，只有一小部分由驾驶员提供，大部分由发动机通过动力转向装置提供。但在动力转向装置失效时，驾驶员一般还能独立承担汽车转向任务。因此，动力转向系统是在机械转向系统的基础上加设一套动力转向装置而形成的，其中，转向油罐、转向油泵、转向控制阀和转向动力缸为转向加力器的各部件。图5-3所示为一种液压式动力转向系统示意图。
图5-3 液压式动力转向系统示意图
1—转向盘；2—转向轴；3—机械转向器；4—转向摇臂；5—转向直拉杆；6—转向控制阀；7—转向油泵；8—转向油罐；9—转向节；10、13—梯形臂；11—转向动力缸；12—转向横拉杆
采用动力转向系统的汽车，在正常情况下一方面提供转向所需的一小部分能量，另一方面则同时带动转向加力器工作，由发动机通过转向加力器提供转向所需的大部分能量。在转向加力器失效时，驾驶员一般还能独立承担汽车转向任务。
3.角传动比、转向时车轮运动规律
（1）转向系统角传动比。
转向盘的转角与安装在转向盘同侧的转向车轮偏角的比值，称为转向系统角传动比，用iw表示。转向系统角传动比越大，转向越轻便，但角传动比过大将导致转向操纵不够灵敏。
（2）转向时车轮的运动规律。
当汽车转向时，内侧车轮和外侧车轮滚过的距离是不相等的。对于一般汽车而言，后桥左右两侧的驱动轮由于差速器的作用，能够以不同的转速滚过不同的距离。但前桥左右两侧的转向轮要滚过不同的距离，必然引起车轮沿路面边滚边滑动，致使转向时的行驶阻力增大，轮胎磨损增加。为了避免这种现象，转向系统必须保证在汽车转向时，所有车轮均做纯滚动。显然，这只有在转向时所有车轮的轴线都交于一点方能实现。此交点O称为汽车转向中心，如图5-4所示。由图5-4可见，汽车转向时的内侧转向轮偏转角β大于外侧转向轮偏转角α。α与β的关系如下：
式中，B为两侧主销中心距（略小于转向轮轮距），L为汽车轴距。
这一关系是由转向梯形保证的，故式（5-1）也称为转向梯形理论特性关系式。迄今为止，所有汽车转向梯形的设计实际上都只能保证在一定的车辆偏转角范围内，两侧车轮偏转角的关系大体上满足以上关系式。
从转向中心O到外侧转向轮与地面接触点的距离R称为汽车转弯半径。转弯半径R越小，汽车转向所需场地就越小，汽车的机动性也就越好。从图5-4可以看出，当外侧转向轮偏转角达到最大值αmax时，转弯半径R最小。
图5-4 双轴汽车转向示意图
汽车内侧转向轮的最大偏转角一般在35°～42°之间。载货车的最小转弯半径一般为7～13m。
二、汽车转向系统的结构和组成
1.转向器
转向器是转向系统中的降速增矩传动装置。其功用是增大由转向盘传到转向节的力，并改变力的传动方向。
（1）按传动功率分类。
转向器按照传动效率可以分为可逆式转向器、极限可逆式转向器和不可逆式转向器。
转向器输出功率与输入功率之比为转向器的传动效率。当功率由转向盘输入，从转向摇臂输出时，所求得的传动效率称为正传动效率；反之则称为逆传动效率。
①可逆式转向器。
可逆式转向器正、逆传动效率都高，有利于转向轮和转向盘自动回正，但采用这种转向器的汽车在损坏路面上行驶时，车轮的冲击力传到转向盘，易产生“打手”现象。可逆式转向器常用于在良好路面上行驶的汽车。
②不可逆式转向器。
因会造成驾驶员没有路感，不可逆式转向器在汽车上已很少采用。
③极限可逆式转向器。
极限可逆式转向器的正传动效率远大于逆传动效率，使得驾驶员有一定路感，可实现转向轮自动回正。只有路面冲击力很大时，才能部分地传到转向盘。极限可逆式转向器常用于中型以上越野汽车、工矿用自卸汽车。
（2）按结构形式分类。
转向器按结构形式可以分为循环球式、齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式等。普通轿车多采用齿轮齿条式转向器。
①齿轮齿条式转向器。
采用齿轮齿条式转向器可以使转向传动机构简化，不需要转向摇臂和转向直拉杆。这种转向器重量轻，容易制造，而且成本低，刚度大，具有较好的操纵稳定性，且具有齿轮与齿条间实现无间隙啮合的特点，逆传动效率高。齿轮齿条啮合传动结构如图5-5所示。这种转向器被广泛用于前轮采用独立悬架的轻型及微型轿车上。
图5-5 齿轮齿条啮合传动结构
图5-6所示为两端输出的齿轮齿条式转向器。它主要由转向器壳体、转向齿轮和转向齿条等组成。作为传动副主动件的转向齿轮轴通过向心球轴承、滚针轴承安装在转向器壳体中，其上端通过花键与万向节叉和转向轴连接。与转向齿轮啮合的转向齿条呈水平布置，两端通过球头座与转向横拉杆相连。弹簧通过压块将齿条压靠在齿轮上，保证无间隙啮合。弹簧的预紧力可用调整螺栓调整。当转动转向盘时，转向齿轮轴移动，使与之啮合的齿条沿轴向移动，从而使左右横拉杆带动转向节左右转动，使转向车轮偏转，实现汽车转向。
图5-6两端输出的齿轮齿条式转向器
1—转向横拉杆；2—防尘套；3—球头座；4—转向齿条；5—转向器壳体；6—调整螺栓；7—压紧弹簧；8—锁紧螺母；9—压块；10—万向节；11—转向齿轮轴；12—向心球轴承；13—滚针轴承
在单端输出的齿轮齿条式转向器上，齿条的一端通过内外托架与转向横拉杆相连，如图5-7所示。作为传动副主动件的转向齿轮通过上、下轴承安装在转向器壳体中。其上端通过花键与万向节叉和转向轴连接。与转向齿轮啮合的转向齿条呈水平布置，右端与横拉杆相连。调整螺钉将压块和压块衬片压靠在齿条背面，保证转向齿轮和齿条无间隙啮合。当转动转向盘时，转向器齿轮转动，与之啮合的齿条沿轴向移动，使横拉杆带动转向节转动，转向车轮偏转，从而实现汽车转向。
图5-7 单端输出的齿轮齿条式转向器结构图
1、6—转向齿条；2、9—转向齿轮；3—转向器壳；4—挡盖；5—挡块；7—压块衬片；8—压块；10—轴承；11—衬套；12—防尘护罩；13—盖板；14—调整螺钉；15—调整螺钉座
有的轿车转向齿条的动力不是由齿条两端输出，而是靠在中间连接点安装的横拉杆输出的。中间输出的齿轮齿条式转向器如图5-8所示。其结构及工作原理与两端输出的齿轮齿条式转向器基本相同，不同之处在于它在转向齿条的中部用螺栓与左、右转向横拉杆相连。
图5-8 中间输出的齿轮齿条式转向器
1、11—转向齿条；2—防尘罩；3—转向器壳体；4、6—转向横拉杆；5—固定螺栓；7—万向节叉；8—转向齿轮轴；9—调整螺母；10—向心球轴承；12—转向齿轮；13—滚针轴承；14—压块；15—压紧弹簧；16—锁紧螺母；17—调整螺塞
②循环球式转向器。
循环球式转向器（图5-9）是目前国内应用得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。为了减少转向螺杆和转向螺母之间的摩擦，两者的螺纹并不直接接触，其间装有多个钢球，以实现滚动摩擦。转向螺母和螺杆上都加工出断面轮廓为由两段或三段不同心圆弧组成的近似半圆的螺旋槽。两者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面的螺旋管状通道。转向螺母侧面有两对通孔。钢球可从此孔进入螺旋通道内。转向螺母有两根钢球导管。每根导管的两端分别插入转向螺母侧面的一对通孔中。导管内装满了钢球。于是，两根导管和转向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”。转向螺杆转动时，通过钢球将力传给转向螺母，转向螺母即沿轴向移动。同时，在转向螺杆及转向螺母与钢球间的摩擦力作用下，所有钢球在螺旋管状通道内滚动，形成“球流”，如图5-10所示。在转向器工作时，两列钢球只在各自的封闭流道内循环，不会脱出。此转向器常用于各种轻型和中型货车，也用于部分轻型越野汽车。(www.xing528.com)
图5-9 循环球式转向器
图5-10 循环球式转向器球流
③蜗杆曲柄指销式转向器。
蜗杆曲柄指销式转向器如图5-11所示。具有梯形截面螺纹的转向蜗杆支承在转向器壳体两端的球轴承上。蜗杆与锥形指销相啮合。指销用双列圆锥滚子轴承支于摇臂轴内端的曲柄孔中。当转向蜗杆随转向盘转动时，指销沿蜗杆螺旋槽上下移动，并带动曲柄及摇臂轴转动。
汽车转向时，通过转向盘和转向轴使蜗杆转动，嵌于蜗杆螺旋槽的锥形指销一边自转，一边绕转向摇臂轴摆动，并通过转向传动机构使转向轮偏转，从而实现转向。
2.转向操纵机构
转向操纵机构一般由转向盘、转向轴、转向柱管及转向传动轴组成，如图5-12所示。其可产生转动转向器所必需的操纵力，具有一定的调节和安全性能。转向操纵机构将驾驶员操纵转向盘的力传给转向器。为了使驾驶员舒适地驾驶，转向操纵机构可以调节，以满足不同驾驶员的需求；为了防止车辆撞击后对驾驶员造成损伤，转向操纵机构具有一定的安全保护装置。
图5-11 蜗杆曲柄指销式转向器
转向盘由轮圈、轮辐和轮毂组成，如图5-13所示。转向盘轮毂的细牙内花键与转向轴连接。转向盘上装有喇叭按钮，有些轿车的转向盘上还装有车速控制开关和安全气囊。转向轴是连接转向盘和转向器的传动件。转向柱管固定在车身上。转向轴从转向柱管中穿过，支承在柱管内的轴承和衬套上。
图5-12 转向操纵机构示意图
1—转向盘；2—转向柱管；3—转向轴；4—转向传动机构；5—转向器
图5-13 转向盘
轿车除要求装有吸能式转向盘外，还要求转向轴、转向柱管必须装备能够缓冲冲击的吸能装置，以保护驾驶员的安全。吸能装置有如下几种方式。
（1）转向轴错位吸能。
转向轴分上、下段，中间用柔性联轴器连接。联轴器的上、下凸缘盘由两个销子与销孔扣合在一起。销子通过衬套与销孔配合。当发生猛烈撞车时，车身、车架将产生严重变形，导致转向轴、转向盘等部件后移。与此同时，在惯性作用下，驾驶员人体向前冲，致使转向轴上、下凸缘盘的销子和销孔脱开，从而缓和了冲击，吸收了冲击能量，有效地减轻了驾驶员的受伤程度，如图5-14所示。
图5-14 上、下转向轴错位吸能
1—上凸缘盘；2—上转向轴；3—销子；4—下转向轴；5—销孔；6—下凸缘盘；7—橡胶衬套；8—聚四氟乙烯衬套
（2）转向柱管和支架或某些支承零件变形吸能。
当发生碰撞时，转向器向后移动，使得下转向轴插入上转向柱管的孔中，使上转向柱管被压扁，从而吸收了冲击能量，如图5-15所示。
另外，上转向柱管通过支架和U形金属板固定在仪表板上。当驾驶员身体撞击转向盘后，上转向柱管和支架将从仪表板上脱离下来向前移动（或转向传动轴）。这时，一端固定在仪表板上，另一端固定在支架上的U形金属板就会产生扭曲变形并吸收冲击能量，如图5-16所示。
（3）网格状或波纹管式转向柱管变形吸能。
如果汽车上装了网格状或波纹管式转向柱管吸能装置，当猛烈碰撞导致人体冲撞转向盘时，网格状或波纹管式转向柱管将压缩产生塑性变形，吸收冲击能量，如图5-17所示。
图5-15 转向柱管变形吸能
图5-16 支架或某些支承零件变形吸能
图5-17 网格状或波纹管式转向柱管变形吸能
3.转向传动机构
转向传动机构的功用是将转向器输出的转向力传递给转向车轮，使其发生偏转，实现汽车转向，并使两个转向轮偏转角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。
转向传动机构由转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂、转向梯形等零部件共同组成，其中转向梯形由梯形臂、转向横拉杆和前轴共同构成，如图5-2所示。
（1）转向摇臂。
循环球式转向器和蜗杆曲柄指销式转向器通过转向摇臂与转向直拉杆相连。转向摇臂的大端用带锥度的三角形齿形花键与转向器中摇臂轴的外端连接，小端通过球头销与转向直拉杆做空间铰链连接，如图5-18所示。
图5-18 转向摇臂
（2）转向直拉杆。
转向直拉杆是转向摇臂与转向节臂之间的传动杆件，具有传力和缓冲作用。在转向轮偏转且因悬架弹性变形而相对于车架跳动时，转向直拉杆与转向摇臂及转向节臂三者之间的相对运动都是空间运动。为不发生运动干涉，三者之间的连接件都是球形铰链，如图5-19所示。
图5-19 转向直拉杆
1—球头销；2—转向摇臂；3—油封垫；4—端部螺塞；5—球头座；6—压缩弹簧；7—弹簧座；8—油嘴；9—直拉杆体；10—转向节臂球头销
（3）转向横拉杆。
图5-20（a）所示为解放CA1092型汽车转向横拉杆，横拉杆体用钢管制成，其两端切有螺纹，一端为右旋，一端为左旋，与横拉杆接头旋装连接。两端接头结构相同，如图5-20（b）所示。接头的螺纹孔壁上开有轴向切口，故接头具有弹性，旋装到杆体上后可用螺栓夹紧。旋装夹紧螺栓以后，转动横拉杆体，可改变转向横拉杆的总长度，从而调整转向轮前束。
横拉杆两端的接头上都装有由球头销等零件组成的球形铰链。球头销的球头部分被夹在上、下球头座内。球头座有较好的耐磨性。球头座的形状如图5-20（c）所示。装配时上、下球头座凹凸部分互相嵌合。弹簧通过弹簧座压向球头座，以保证两个球头座与球头的紧密接触，在球头和球头座磨损时能自动消除间隙，同时还起缓冲作用。弹簧的预紧力由螺塞调整。球铰上部有防尘罩，以防止尘土侵入。球头销的尾部锥形柱与转向梯形臂连接，并用螺母固定、开口销锁紧。
图5-20 转向横拉杆
（4）转向减震器。
随着车速的加快，现代汽车的转向轮有时会产生摆震，即转向轮绕主销轴线往复摆动，进而引起整车车身的震动。这不仅影响汽车行驶的稳定性，而且影响汽车的舒适性，加剧前轮轮胎的磨损。在转向传动机构中设置转向减震器是克服转向轮摆震的有效措施。
转向减震器的一端与车身前桥铰接，另一端与转向直拉杆或转向器铰接。转向减震器的结构类似于悬架减震器。
根据表5-1中的内容，在实验车上查找转向系统的主要部件。
表5-1 查找内容
一、填空题
1.汽车转向系统按转向动力源分为________系统和________系统两大类。
2.机械转向系统主要由_____________、_____________和________三大部分组成。
3.转向操纵机构一般由_____________、_____________、_____________和________组成。
4.转向传动机构由________、________、________、________等零部件共同组成。
5.转向器按传动效率分为________、________和________。
6.循环球式转向器有________传动副，第一级是________，第二级是________。
7.转向器的作用是________由转向盘传到________的力，并改变力的________。
二、简答题
1.简述转向横拉杆的结构。
2.汽车转向系统的作用是什么？由哪些部分组成？
3.转向器有何作用？如何使转向轮同步转向？
4.简述单端输出的齿轮齿条式转向器的结构。
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