拖拉机转向机构

第十三章转向系,主要内容： 13.1 转向方式与转向原理转向器 13.2 轮式车辆转向系 重点：转向系统的基本组成及其工作原理 难点： 车辆转向原理；各种转向方式的工作原理；,13.1 转向方式与转向原理,一、转向方式（有三种） 1、靠车辆的轮子相对车身偏转一个角度来实现； 2、靠改变行走装置两侧的驱动力来实现； 3、既改变两侧行走装置的驱动力又使轮子偏转。 汽车与大多数轮式拖拉机采用第一种转向方式，履带拖拉机和无尾轮手扶拖拉机采用第二种转向方式，有尾轮手扶拖拉机及轮式拖拉机在某种情况下（如在田间作业时）采用第三种转向方式。,偏转车轮转向的几种型式,a-偏转前轮 b-偏转后轮 c-偏转前后轮 d-折腰,二、轮式车辆转向理论分析,（一）运动学分析 轮式车辆顺利完成转向的基本要求：各车轮作纯滚动。 为了满足这一要求，车辆在转向时各车轮轴心线应通过同一瞬心轴线，其投影点如图3-2中O点，水平投影车辆转向时车身绕瞬心O点转动。因车辆转向时的转弯半径R随前轮偏转角的变化而变化，所以称O点为瞬时转向中心。,转向演示,轮式车辆转向过程,a-前轮转向 b-四轮异相位转向,后轮驱动的42轮式车辆转向,对于后轮驱动的42轮式车辆，转向时必须满足以下三个条件： （1）通过驾驶人员的操纵来实现前轮的偏转，车轮的偏转的程度决定了车辆的转弯半径； （2）两前轮作纯滚动； （3）两后轮作纯滚动。,两轮偏转角的关系,该式即为阿克曼公式。 式中：M两转向节立轴与前轮轴心线交点之间距离； L 车辆前后轴距。 若为前、后轮同时异相位偏转转向，如图3-2b则式3-1为：,（2）两前轮作纯滚动，要求内侧前轮偏转角 比外侧前轮偏转角 要大，内、外侧前轮偏转角的关系为：,（3-1）,两侧驱动轮的转速关系,转向时，两个驱动轮在同一时间内走过的路程是不相等的，外侧驱动轮转得要快，而内侧驱动轮转得慢，即,式中：n1、 n2分别为慢、快速侧驱动轮转速； R转弯半径； B后轴轮距。,（二）动力学分析,车辆在转向时的受力比较复杂。为便于分析做以下假设： （1）四轮车辆的两前轮直接装在同一前轴上，前轴中间与机体铰接； （2）车辆是低速转向，这样可以不考虑离心惯性力的影响。 轮式车辆在水平地面上直行和低速稳定转向时的受力如图3-3、图3-4所示。,轮式拖拉机等速直线行驶受力,式中： Pq驱动轮的总推动力，即两侧驱动轮推力 Pq1与 Pq2之和； Pfc 前轮滚动阻力，每侧前轮滚动阻力为05Pfc Pfq 驱动轮滚动阻力，每侧驱动轮滚动阻力为05Pfq； PT 挂钩牵引阻力。,轮式拖拉机等速转向行驶受力,转向时的牵引平衡方程为：,式中： 转向时驱动轮的总推力，为两侧驱动轮推力与之和； 转向时挂勾牵引力； 作用线与车辆纵向对称轴线间的夹角。,总转向阻力矩,车辆转向时，土壤作用于车辆、并相对于O2点的总转向阻力矩为各项阻力矩之和，即：,式中： 分别为前、后轮的转向阻力矩； LTPT作用点至O2点的间距。,车轮的转向力矩,车辆转向时，地面作用于车轮的转向力矩为 ：,因轮式车辆后桥（驱动桥）装有差速器，能将中央传动传来的力矩近似平均地分配给两则驱动轮，所以可以假定 = ，因而式上式可写成,转向时力矩的平衡,根据稳定转向的条件，转向力矩与转向阻力矩相平衡，即：,前轮和土壤间的侧向附着性能,转向力PB是土壤对偏转的前轮产生的轴向反力，因而PB的大小取决于前轮和土壤间的侧向附着性能。,前轮侧向附着系数。前轮胎面的纵向环状条形花纹可增大 值； Gc 前轮对土壤的垂直作用力。,13.2 轮式车辆转向系,一、偏转车轮式转向系统基本组成,转向操纵机构 转向器 转向传动机构,分类,机械转向系,转向盘,转向轴,转向万向节,转向器,转向摇臂,转向直拉杆,转向节臂,转向节,梯形臂,横拉杆,转向梯形,机械式转向系的工作过程,动力转向系,机械转向器,转向摇臂,转向拉杆,转向节,梯形臂,转向横拉杆,转向油罐,转向油泵,转向控制阀,转向动力缸,二、转向操纵机构及转向器,1-转向节臂 2-横拉杆 3-转向拉杆 4-前轴 5-纵拉杆 6-转向摇臂 7-转向器 8-方向盘,（一）转向操纵机构 方向盘 操纵杆两类 轮式车辆方向盘的自由行程为20o30o。,（二）转向器,功用： 增大转向盘传到转向节的力，并改变力的传递方向。 概念： 正向传动：作用力从转向盘传到转向摇臂的过程。 逆向传动：转向摇臂将地面的冲击力传到转向盘的过程。,（二）转向器,概念： 极限可逆式转向系：当地面冲击力很大时，冲击力才能传到转向盘上，即正效率远大于逆效率的转向器。 转向盘由行程：转动转向盘消除传动副之间的间隙后，车轮才偏转，此时转向盘转过的角度为转向盘自由行程。,1球面蜗杆滚轮式转向器,其传动副是一个球面蜗杆和带有几个齿的滚轮构成。,1-下盖 2-壳体 3-球面蜗杆 4-锥轴承 5-转向轴 6-滚轮轴 7-滚针 8-三齿滚轮 9-调整垫片 10-U型垫圈 11-螺母 12-铜套 13-摇臂 14-摇臂轴,结构：有两级传动副：第一级是螺杆螺母循环球，因钢球夹入螺杆螺母之间，变滑动摩擦为滚动摩擦，提高了传动效率。,第一级螺杆螺母传动副,第二级齿条齿扇传动副,2.螺杆螺母循环球式转向器,循环球式转向器工作过程,特点： 正传动效率很高，操纵轻便，使用寿命长。但逆效率也高，容易将路面冲击力传到转向盘上。,3螺杆曲柄指销式转向器,该转向器的传动副以转向蜗杆5为主动件，其从动件是装在摇臂轴2上曲柄4端部的指销。曲柄销插在蜗杆的螺旋槽中。转向时蜗杆转动，使曲柄销绕摇臂轴作圆弧运动，同时带动摇臂轴转动。,4齿轮齿条式转向器,齿轮齿条转向机构由方向盘、转向轴、方向节、转动轴、转向器、转向传动杆和转向轮等组成。 方向盘操纵转向器内的齿轮转动，齿轮与齿条紧密啮合，推动齿条左、右移动，通过传动杆带动转向轮摆动，从而改变轿车行驶的方向。,齿轮齿条式转向器图示,转向过程： 转向盘转向轴万向节转向器转向轮,齿轮齿条式转向器的工作过程,特点：,与蜗杆扇形齿轮等其它类型的转向机构比较，省去了转向摇臂和转向纵拉杆，简化传动机构，具有构件简单，传动效率高的优点。 而且它的逆传动效率也高，在车辆行驶时可以保证偏转车轮的自动回正，驾驶者的路感性强。 应用： 上海桑塔纳、天津夏利、南京依维柯轻型货车,三、转向传动机构,功用： 将转向器输出的力传给转向轮，且使二转向轮偏转角按一定的关系变化，实现汽车顺利转向。 要求： 较大的刚度和强度 吸收振动、缓冲 分类： 前置式、后置式 非独立悬架配用转向传动机构、独立悬架配用转向传动机构、,配合非独立悬架的转向传动机构,1-转向器 2-摇臂 3-纵拉杆 4-节臂 5-梯形臂 6-横拉杆,配合独立悬架转向传动机构,1-摇臂 2-直拉杆 3、4左右横拉杆 5、6-左右梯形臂7-摇杆 8、9-悬架左右摆臂,配独立悬架的转向传动机构,1转向摇臂；2转向直拉杆；3左转向横拉杆；4右转向横拉杆；5左梯形臂；6右梯形臂；7摇杆；8悬架左摆管；9悬架,独立悬架转向传动机构的特点,当转向轮独立悬挂时，每个转向轮都需要相对于车架作独立运动，因而转向桥必须是断开式的。与此相应，转向传动机构中的转向梯形也必须分成两段或三段，并且由在平行于路面的平面中摆动的转向摇臂直接带动或通过转向直拉杆和转向节臂带动。,转向传动机构部件,1、转向摇臂 大端与转向摇臂轴相连，小端与转向拉杆绞接。 摇臂与摇臂轴安装时要对正记号，以保证摇臂从中间向两边摆动时摆角大致相同。,2、转向主拉杆,在转向轮偏转而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的相对运动都是空间运动。因此，为了不发生运动干涉，三者之间的连接件都是球形铰链。,接转向节臂,螺塞 调弹簧6的预紧度,油嘴,球头销,直拉杆,接转向摇臂,3、转向横拉杆,两接头借螺纹与横拉杆体连接。接头旋装到横拉杆体上后，用夹紧螺栓夹紧。横拉杆体两端的螺纹，一为右旋，一为左旋。因此，在旋松夹紧螺栓以后，转动横拉杆体，可改变横拉杆的总长度，来调节前轮前束,四、差速器,功用： 使左右车轮可以不同的转速进行纯滚动或直线行驶。将主减速器传来的扭矩平均分给两半轴，使两侧的车轮驱动力相等。 分类： 1、轮间差速器轴间差速器 2、普通差速器防滑差速器,（一） 简单（普通）差速器,1、2-半轴齿轮 3-行星齿轮 4-行星齿轮轴 5-差速器壳体 6-主减速器从动齿轮,1、运动学分析,差速器工作原理,A、运动特性： 直线行驶时： n1=n2=nk,直线行驶时,当行星齿轮3只随行星架绕差速器旋转轴线公转时，处在同一半径r上的A、B、C三点的圆周速度都相等（图3-17b），其值为 r。于是有：,即差速器不起差速作用，两半轴角速度等于差速器壳的角速度。,转弯行驶时,由于自转力矩的产生，行星齿轮与行星齿轮轴之间产生摩擦力矩。,路面对车轮的附加力P使行星齿轮受力不平衡，产生自转力矩。,P,P,由于行星齿轮的公转与自转同时发生，转弯时外轮快转，内轮慢转，两轮产生差速。,P,P,转弯行驶时转速关系,当行星齿轮除公转外，还绕本身的行星齿轮轴以角速度,自转时，,啮合点A的圆周速度为 啮合点B的圆周速度为,2动力学分析,在上述差速器中，由中央传动或主减速器传来的转矩M0经差速器壳、行星齿轮轴和行星齿轮传给半轴齿轮。行星齿轮相当一个等臂杠杆，而两个半轴齿轮半径也是相等的。因此当行星齿轮没有自转时，总是将转矩M0平均分配给左、右两半轴齿轮，即：,扭矩分配,转向时行星齿轮孔与行星齿轮轴间以及齿轮背部与差速器壳之间都产生摩擦。行星齿轮所受的摩擦力矩MT方向与其转速n4方向相反；此摩擦力矩使行星齿轮分别对左右半轴齿轮附加作用了大小相等两方向相反的两个圆周力F1和F2。F1使传到转得快的半轴上的转矩M1减小，而F2却使传到转得慢的右半轴上的转矩M2增加。因此，当左右驱动车轮存在转速差时，,快速侧： 慢速侧：,锁紧系数K :,扭矩特性,直线行驶时，行星齿轮没有自转，转矩平均分配给左、右半轴。,右转弯时，行星齿轮自转，产生摩擦转矩M4，使转速快的半轴1的转矩减小，使转速快的半轴2的转矩增大，但由于M4，很小，半轴1、2的转矩几乎不变，仍为平均分配。,普通差速器结构,行星锥齿轮差速器,桑塔纳轿车差速器分解图,差速器工作情况,行星齿轮运动： 1、公转 2、自转,直线行驶时的差速器,转弯行驶时的差速器,（二）防滑差速器,1、强制锁住式差速器 在路况不好时，通过使用差速锁，使两根半轴连成一体，防止一侧车轮打滑使另一侧车轮不能驱动。 2、自锁式差速器 在两半轴转速不等时，行星齿轮自转，差速器所受摩擦力矩与快转半轴旋向相反，与慢转半轴旋向相同，故能够自动地向慢转一方多分配一些转矩。,差速锁结构简图,a-半轴与差速器壳联接 b-两半轴联接,牙嵌自由轮式差速器,1、2-差速器壳体 3-主动环 4-从动环 5-弹簧 6-垫圈 7-花键毂 8-消声环 9-中心环 10-卡环 11-中心环装配孔,牙嵌自由轮式差速器工作原理,1、2-差速器壳体 3-主动环 4-从动环 5-弹簧 6-垫圈 7-花键毂 8-消声环 9-中心环 10-卡环 11-中心环装配孔,2滑块凸轮式差速器,1-外凸轮 2、7-左、右差速器壳体 3、4-卡环 5-滑块 6-内凸轮,滑块凸轮式差速器工作原理,五、转向加力装置,采用动力转向的车辆转向所需的能量，在正常情况下，只有小部分是驾驶员提供的体能，而大部分是发动机所提供的其它动力，如液压或电力，并在驾驶员控制下，对转向传动装置或转向器中某一传动件施加不同方向的作用力，这样的转向装置，统称为转向加力装置，按所用动力的多少，中分助力式和全动力式两种。,转向加力装置功用及分类,功用： 在转向阻力较大时，可以减轻驾驶员的疲劳强度，改善转向系统的技术性能。 分类： 液压式： 工作时无噪声，工作滞后时间短，且能吸收来自不平路面的冲击。 气压式： 前轴最大轴载质量为37吨并采用气压制动的货车或轿车。 电动式：电动执行部分为电动机,（a）直行 （b）右转弯 (c）左转弯,具有路感反馈功能的转向助力器,（一）液压助力转向,具有路感反馈功能的转向助力器图注,1-液压油箱 2-溢流阀 3-齿轮泵 4-量孔 5-单向阀 6-安全阀 7-滑阀 8-反作用柱塞 9-阀体 10-回位弹簧 11-转向螺杆 12-转向螺母 13-纵拉杆 14-转向摇臂 15-油缸,助力器图,工作过程,方向盘不动时滑阀处于中立位置（图3-23（a）。 向右转动方向盘时，由于前轮上的转向阻力。开始时螺母12不动，螺杆11右移，滑阀7也随之右移。 这时，油泵来油经C环槽进入油缸L腔，推动活塞右移，R腔内的油经B环槽排回油箱。 活塞杆推动转向摇臂摆动，使前轮向右偏转，同时使螺杆左移，滑阀回到中立位置，这时活塞就停止在此位置不再右移，即方向盘对车轮实现伺服控制。 若需连续向右转向，就应继续向右转动方向盘。,路感,右移的滑阀必须克服油压作用在反作用柱塞8上的油压力和回位弹簧10的张力，使滑阀7右移靠住阀体9，在转向过程中，对置的反作用柱塞之间充满高压油，而油压又与转向阻力成正比，此力传到驾驶员手上，使驾驶员能感到转向阻力变化的情况，即有路感。,单向阀5的作用,单向阀5布置在进油道与回油道之间。正常转向时，进油道为高压，回油道为低压，单向阀被油压和弹簧力所关闭。 若油泵失效，人力转向时，进油道变为低压，回油道则由于活塞的泵油作用而具有一定的油压、在此压力差的作用下，使单向阀5打开，进、回油道相通，油自油缸的一腔流向另一腔，可减小人力转向时的操纵力。,（二）电动助力转向,电动助力转向系统图注,1-点火开关 2-转矩传感器 3-转向角传感器 4-减速离合总成 5-电动机 6、12-继电器 7-蓄电池 8-发电机 9-发动机 10-车速传感器 11-ECU 13-转向器 14-功率控制装置,电动助力图,电动助力转向控制系统,（三）全液压动力转向系统,全液压动力转向是由液压转向器代替了机械式转向器，并由软管和转向油缸连接，常用于重型车辆，如工程上常用的轮式挖掘机、铲运机和大马力四轮驱动拖拉机。 在前、后车体铰链处的两侧各有一个转向油缸，通过方向盘操纵全液压转向器时，一侧的油缸进油，另一侧的油缸排油，使前、后车架发生相对转动并实现车辆转向。,1-转向油缸 2-液压油箱 3-方向盘 4-液压转向器 5-油泵6-前车体 7-连接销 8-后车体,折腰转向车辆全液压动力转向,全液压动力转向系统,1-油泵总成 2-单向阀 3-转阀总成 4-方向盘 5-控制阀 6-阀套 7-转向油缸 8-滤清器 9-油缸 10-止回阀 11-计量泵,液压动力转向器,直线行驶,右转向时,左转向时,(二)转向油泵,进油口,出油口,叶片式油泵,叶片式转向油泵工作过程,