〔此题15分〕现欲为某一乘用车设计转向系,并加装电动助力转向:〔1〕应选用何种转向器?〔2〕简述转向器的“灵〞与“轻〞为何会形成矛盾?〔3〕假设该汽车的前轴负荷为500kg,轮胎气压0.3Mpa,转向摇臂[1]长150mm,转向节臂长160mm,方向盘半径200mm,转向器速比[2]20,转向器正效率0.75,路面摩擦系数0.7,试求原地转向阻力矩和方向盘上的手力?〔4〕绘制车速感应型电动助力转向的助力特性[3]?

题目考察知识与解题思路概述

本题围绕乘用车电动助力转向系设计，涵盖转向器选型、性能矛盾分析、转向阻力矩及手力计算、助力特性绘图四部分，涉及汽车转向系基础原理、力学计算及助力特性理解。

各题详细解析

（1）转向器选型

考察知识：乘用车转向器器类型及特点。
解题思路：乘用车对转向器的核心要求是结构紧凑、传动效率高、成本低且维护方便。齿轮齿条式转向器直接将旋转运动传递至齿条（驱动转向轮），结构简单、响应快、制造成本低，且适合与电动助力转向（EPS）集成，是乘用车的主流选择。
结论：应选用齿轮齿条式转向器。

（2）“灵”与“轻”的矛盾

考察知识：转向器传动比的双重作用。
思路

• “灵”的定义：转向灵敏指方向盘小幅转动即可引起车轮明显偏转，要求角传动比小（方向盘转角/车轮转角）。
• “轻”的定义：转向轻便指施加小手力即可克服路面阻力，要求力传动比大（路面转向阻力/方向盘手力）。
• 矛盾根源：齿轮齿条式等转向器的角传动比与力传动比成正比（力传动比≈角传动比×机械效率），，角传动比减小会导致力传动比减小，转向变重；反之，力传动比增大需角传动比增大，转向变迟钝。
  结论：“灵”要求角传动比小，“轻”要求力传动比大，两者因传动比成正比而矛盾。

（3）原地转向阻力矩和方向盘手力计算

考察知识：轮胎接地阻力、转向系力传递链、效率。
关键公式与步骤

① 原地转向阻力矩 $M_g$

轮胎原地转向时，主要阻力来自轮胎与地面的滚动阻力，公式为：
$M_g = \frac{1}{3} \cdot \mu \cdot \sqrt{\left(\frac{G_1}{p}\)^2}$

• $\mu=0.7$（路面摩擦系数），\(这里可能题目公式有笔误，应为：) $M_g = \frac{1}{3} \mu \sqrt{\left(\frac{G_1}\right)^2 / p} = \frac{1}{3} \mu \cdot \frac{G_1}{\sqrt{p}}$ 代入数据：$G_1=500\,\text{kg}\times9.8\,\text{m/s}^2}=4900\,\text{N}$，$p=0.3\,\text{MPa}=0.3\times10^6\,\text{Pa}$
  $M_g = \frac{1}{3} \times 0.7 \times \frac{4900}{\sqrt{0.3\times10^6}} \approx 146.12\,\text{N·m}=146120N·mm}$

② 方向盘手力 $F$

转向系力传递链：手力公式：
$F = \frac{2 \cdot l_1 \cdot M_g}{l_2 \cdot D \cdot i \cdot \eta}$

• $l_1=150\,\text{mm}$（转向摇臂长），$l_2=160\,\text{mm}$（转向节臂长），$D=2\times200= \,\text{mm}$（方向盘直径），$i=20$（转向器速比），$\eta=0.75$（正效率）。
  代入数据：
  $F = \frac{2\times150\times146120}{160\times400\times20\times0.75} \approx 45.66\,\text{N}$

（4）车速感应型电动助力转向助力特性

考察知识：EPS助力特性规律。
思路：车速感应型EPS的助力特性核心是“低速大助力、高速小助力”——低速时（如0km/h）需克服大转向阻力，助力矩最大；高速时（如120km/h）为保证转向稳定性，助力矩最小。
特性曲线：以车速为横坐标，助力矩 $T_{\text{max}}$ 为纵坐标，曲线从0km/h的最大助力值随车速升高逐渐降至120km/h的最小助力值，呈单调递减趋势。