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第十三讲 汽车转向系统,汽车行驶时要经常改变行驶方向，汽车上用来改变或恢复其行驶方向的机构称为汽车的转向系。,1,第一节 概述,转向系主要由三部分组成：,1）转向操纵机构 2）机械/动力转向器 3）转向传动机构,其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动的机构，是转向系的核心部件。,2,转向系的分类,3,转向系的分类,4,转向系的分类,动力转向系统是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的。,5,对转向系的要求,6,汽车转向原理,汽车转向时，要顺利转向应使各车轮没有滑动现象，须有一个瞬时中心，汽车以此中心做圆心来回转运动。因轮距影响，前两轮转弯半径不同，所以转角也不同，内侧轮永远大于外侧轮。,7,汽车转向原理,因英籍德国人阿克曼（Ackerman）首先完成内外转向轮转角关系的推导，故上式也称阿克曼原理。,8,第二节转向操纵机构,一、转向操纵机构的组成转向盘到转向器之间的所有零部件总称为转向操纵机构。,9,二、转向操纵机构的部件及安全装置,1转向盘转向盘由轮缘、轮辐和轮毂组成。转向盘轮毂的细牙内花键与转向轴连接，转向盘上都装有喇叭按钮，有些轿车的转向盘上还装有车速控制开关和安全气囊。,10,转向盘,现在的转向盘已以聚氨酯发泡塑料制成的半硬转向盘取代了传统的以金属为主要骨架的旧式转向盘。转向盘包覆物多用PP、PU、PVC、 ABS等树脂。从轻量化考虑，有用玻璃纤维增强PA代替铁芯的趋势。,11,转向盘,12,转向盘,转向盘上有喇叭开关，必须时刻与车身电器线路相连，因此就必须采用集电环装置。,因此，最近的汽车开始装用电缆盘，代替集电环。,转向盘的集电环,由于集电环是机械接触，长时间使用触点会因磨损影响导电性，导致紧急时刻喇叭不鸣甚至气囊不工作。,13,2转向轴、转向柱管及其吸能装置,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。轿车除要求装有吸能式转向盘外，还要求转向柱管必须装备能够缓和冲击的吸能装置。转向轴和转向柱管吸能装置的基本工作原理是：当转向轴受到巨大冲击而产生轴向位移时，通过转向柱管或支架产生塑性变形、转向轴产生错位等方式，吸收冲击能量。,14,1）转向轴错位缓冲,15,2）转向轴错位和支架变形缓冲,Mazda 6轿车转向柱管吸能装置的工作原理 发生碰撞时，转向器向后移动，下转向传动轴插入上转向传动轴的孔中，上转向传动轴被压扁，吸收了冲击能量。 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，转向管柱和支架将从仪表板上脱离下来向前移动。这时，一端固定在仪表板上而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。,16,3）转向柱管变形吸收冲击能量并缓冲,如果汽车上装用了网格状或波纹管式转向柱管吸能装置，当发生猛烈撞车导致人体冲撞转向盘时，网格部分或波纹管部分将被压缩产生塑性变形，吸收冲击能量。,17,转向盘调节机构,为了适合不同体态的人，在一些汽车上转向盘的高度和前后位置也可调节。,18,转向盘调节机构,19,第三节 转向器,一般驾驶员可以施加到转向盘上的切向力不大于500N，轿车转向系设计要求转向盘操纵力在100200N之间。也就是说施加到转向盘上的扭距仅为2040NM。而一般轿车车轮上的原地转向阻力距为400800NM。显然实现转向操作，必须设计减速增扭机构转向器。,20,降速增矩 改变运动方向 1. 传动比 2. 传动效率,转向器传动比,线位移输出的转向器（齿轮齿条式）的传动比，用转向盘每转一圈时转向器输出轴的线位移的大小来表示； 角位移输出的转向器（循环球齿扇式）的传动比，用转向盘转角增量与转向摇臂轴转角增量之比来表示。,转向器的传动比越大，转动转向盘所需要的操纵力就越小，但转向操纵的灵敏度就会下降。 有的汽车转向器在转向过程的不同阶段，其传动比的大小是不相等的（可变传动比转向器）为，目的是实现所需要的中位感觉和高速稳定性。,21,一、转向器的传动效率,转向器除要保证汽车转向轻便灵活外，还应能防止由于路面反力对转向盘产生过大的冲击(即所谓的回弹打手现象)，造成操纵困难和驾驶员工作疲劳。 为了实现这一目的，转向器应具有较高的正传动效率和适当的逆传动效率。 通常称转向操纵力由转向盘传到转向摇臂(或齿条轴)的过程为正向传动，相应的传动效率称为正传动效率；称由路面的冲击力反向通过转向摇臂(或齿条轴)和转向器传到转向盘的过程称为逆向传动，相应的传动效率称为逆传动效率。 根据转向器正向和逆向传力的特性不同，转向器可分为可逆式转向器、不可逆式转向器和半可逆式转向器三种类型。,22,转向器效率,（1）可逆式转向器正传动效率高，逆传动效率也高； （2）不可逆转向器正传动效率高，逆传动效率为零； （3）半可逆式转向器正传动效率高，逆传动效率较低 所有的转向器都要求正传动效率要高，这样转向力通过转向器时损失少，转向操纵便灵活。 好的转向器应有适当的逆传动效率，使驾驶员通过操纵转向盘既能对道路情况有明显的路感，但又不能使路面不平对转向盘产生过大的冲击。,23,转向系分类,根据转向器输出端的运动形式的不同，转向器可以分为有两种，一种是线位移转向器；另一种是角位移转向器。 目前较常用的有齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式、循环球齿条齿扇式等。,24,二、齿轮齿条式转向器,25,齿轮齿条式转向器,26,齿轮齿条式转向器的特点,27,三、循环球式转向器,28,循环球齿条齿扇式转向器,29,30,循环球齿条齿扇式转向器,31,四、蜗杆曲柄指销式转向器,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。,32,第四节 转向传动机构,33,一、与非独立悬架配用的转向传动机构,34,二、与独立悬架配用的转向传动机构,35,独立悬架配用,36,传动机构零部件,37,传动机构零部件,38,传动机构零部件,39,第五节液压助力转向系统,动力转向系统是利用转向加力装置协助司机轻便操作转向盘。由于中、重型货车的前桥载荷重，一般需要使用的动力转向机构。随着轿车发动机马力的增大和扁平轮胎的普遍使用，使车重和转向阻力都加大了，因此动力转向机构在轿车上的使用也越来越普及。,1. 动力转向系统概述 2. 液压转向控制阀 3. 动力转向器 4. 转向油源,40,41,作 业： 分析发动机前置前轮驱动布置方案的优缺点。 汽车前轮定位参数主要有哪些？各定位参数是怎样起作用的？ 子午线轮胎和普通斜交胎相比，结构上的主要区别是是什么？有什么优点？ 简述独立悬架的优点? 试阐述动力转向的随动作用？ 为使弹性元件充分发挥作用，对减振器的要求有哪些？ 绘制普通对称式齿轮差速器的结构简图。装备该差速器的汽车在坏路面上行驶，一个驱动车轮接触到泥泞或冰雪路面时，会发生什么情况？解释原因。在技术上有什么解决办法？,42,第五节 动力转向系统,动力转向系统的动力源来自发动机，发动机可以产生气压、液压和电力三种易控的动力。因此，动力转向系统的按动力分类大体可以分为气压、液压和电力三类。,汽车设计的法规要求汽车在其动力转向系统失效后仍能靠驾驶员人力操纵转向。故一般的动力转向系统组成包括：机械式转向器、转向加力装置和加力控制装置。,43,动力转向系统分类,如前所述，动力转向系统的按动力分类大体可以分为气压式、液压式和电动式三类。 液压式动力转向系统分类按转向加力装置的工作原理分有常压式和常流式两种。 电动式动力转向装置是最新形式的转向装置，它是利用蓄电池驱动电机产生转向加力。具有发动机的功率损失小，便于安装等优点。电动式动力转向装置所得动力比液压式小，用于前轮轴轻的轿车上。,44,常压式液压动力转向系统,常压式液压动力转向系统的工作管路中始终保持高压。,45,常流式液压动力转向系统,常流式液压动力转向系统中的油液在不转向时是循环流动的，只是在转向时工作管路中才产生高压。,46,常压式与常流式的对比,常压式液压动力转向系统由于有储能器积蓄液压能，故具有以下优点： 1. 可以在液压泵突然停转的情况下保持转向加力能力，续驶一段距离； 2. 可以使用流量较小的液压泵。,常流式液压动力转向系统由于油液在不转向时是循环流动不产生液压，故具有以下优点： 1. 结构简单； 2. 液压泵消耗功率较少，寿命长； 3. 工作管路不易发生泄漏。,因此目前常压式液压动力转向系统只在一些重型汽车上应用。,47,液压转向控制阀,液压转向控制阀是液压动力转向系统中的控制油液流动方向的核心部件，有滑阀式和转阀式两种。 阀体相对壳体沿轴向移动控制油液流量的转向控制阀称为：滑阀式。 阀体相对壳体绕园心转动控制油液流量的转向控制阀称为：转阀式。,48,滑阀式,49,转阀式,转阀式结构,50,转阀式,转阀式工作原理,51,转阀式,转阀式中的扭力杆结构,52,动力转向器,动力转向器按转向加力装置的结构布置方案分有整体式、半整体和分离式。,53,二、整体式动力转向器,54,二、整体式动力转向器,55,叶片油泵结构。,56,转向油源 转向油泵是助力转向系统的动力源。转向油泵经转向控制阀向转向助力缸提供一定压力和流量的工作油液。转向油泵： 目前，转向油泵大多采用双作用式叶片泵。,转向油泵,叶片泵的工作原理,57,转向盘操纵力特性,良好的转向盘操纵力特性 1. 在低车速、小转向盘转角行驶工况下，汽车应具有轻便的转向盘操纵力； 2. 在低车速、大转向盘转角行驶工况下，汽车应具有适度的转向盘操纵力； 3. 在高车速、小转向盘转角行驶工况下，汽车应具有良好回正性能与直线行驶能力。,58,第六节电动助力转向系统,电动助力转向（简称EPS）系统利用直流电动机提供转向动力，辅助驾驶员进行转向操作。电动助力转向系统根据其助力机构的不同可以分为电动液压式（简称EPHS）和电动机直接助力式两种。 一、电动液压助力转向系统 电动液压助力转向系统的液压泵（齿轮泵）通过电动机驱动，与发动机在机械上毫无关系，助力效果只与转向盘角速度和行驶速度有关，是典型的可变助力转向系统。其特点是由ECU提供供油特性，汽车低速行驶时助力作用大，驾驶员操纵轻便灵活；在高速行驶时转向系统的助力作用减弱，驾驶员的操纵力增大，具有明显的“路感”，既保证转向操纵的舒适性和灵活性，又提高了高速行驶中转向的稳定性和安全感。,59,电动液压助力转向系统,60,二、直接助力式电动转向系统,直接助力式电动转向系统是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的动力转向系统，可以根据不同的使用工况控制电动机提供不同的辅助动力。 1 直接助力式电动转向系统的结构和工作原理 当转向轴转动时，转矩传感器开始工作，把两段转向轴在扭杆作用下产生的相对转角转变成电信号传给电子控制单元（ECU），ECU根据车速传感器和转矩传感器的信号决定电动机的旋转方向和助力电流的大小，并将指令传递给电动机，通过离合器和减速机构将辅助动力施加到转向系统（转向轴）中，从而完成实时控制的助力转向。,61,二、直接助力式电动转向系统,62,2直接助力式电动转向系统,根据电动机布置位置的不同，直接助力式电动转向系统可以分为转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式三种类型。,63,EPAS,64,速腾EPAS,65,速腾EPAS,66,3直接助力式电动转向系统的主要优缺点,1）优点 （1）效率高、能量消耗少；（2）系统内部采用刚性连接，反应灵敏，滞后小，驾驶员的 “路感”好；（3）结构简单，质量小；（4）系统便于集成，整体尺寸减小；省去了油泵和辅助管路， 总布置更加方便；（5）无液压元件，对环境污染少。2）缺点（1）直接助力式电动转向系统提供的辅助动力较小，难以用于大型车 辆；（2）减速机构、电动机等部件会影响汽车的操纵稳定性，正确匹配整 车性能至关重要；（3）使用电动机、减速机构和转矩传感器等部件，增加了系统的成本。,67,电动电控动力转向主要部件,EPAS主要由扭矩传感器、车速传感器、电动机、离合器、减速机构和电子控制单元等组成,68,扭矩传感器,扭矩传感器有接触式和非接触式两种。目前采用较多的是体积小，精度高的非接触式扭矩传感器 非接触式扭矩传感器中有两对磁极齿环，当输入轴与输出轴之间发生相对扭转转移时,磁极环之间的空气间隙发生变化,从而引起电磁感应系数变化。在线圈中就产生感应电压，之后将电压信号传递给电子控制单元(ECU)进行处理。,69,飞度非接触可变电感式转矩传感器,70,减速机构,目前实用的减速机构有多种组合方式，一般采用蜗轮蜗杆与转向轴驱动组合式，也有的采用两级行星齿轮与传动齿轮组合式。为了抑制噪声和提高耐久性，减速机构中的齿轮有的采用特殊齿形，有的采用树脂材料制成。,71,EPAS的控制原理,72,四、线控转向系统,线控转向系统用传感器记录驾驶员的转向意图和车辆的行驶状况，通过数据线将信号传递给车载电脑，电脑据此做出判断并控制液压激励器提供相应的转向力，使转向轮偏转相应角度实现转向。,73,三、四轮转向系统,汽车的四轮转向（简称4WS）是指汽车在转向时，4个车轮都可相对车身主动偏转，使之起到转向作用，以改善汽车的转向机动性能。按照后轮转向机构控制和驱动方式的不同，四轮转向可分为机械式、液压式、电控机械式、电控液压式和电控电动式等几种类型。目前使用最广泛的4WS系统为电控液压式，主要用于前轮采用液压助力转向系统的汽车中。,74,
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