动力转向器功能简介及工作原理.ppt

动力转向器功能简介 及工作原理 二 OO九年三月三十日 目 录 第一部分：动力转向系统概况 第二部分：动力转向系统的分类和功能 第三部分：动力转向器的结构 第四部分：动力转向器的工作原理 第五部分：动力转向系统的故障模式分析 第六部分：结束语 第一部分 动力转向系统的概况 由于汽车载重量和自重的增加，汽车在转向过程中所需克 服的前轮阻力也将随着前桥负荷相应增加，从而要求加大作用 在转向盘上的转向力，使驾驶员感到转向沉重。当前桥负荷已 经达到某一数值后，仅仅依靠人力来实现转向就非常费力。为 使驾驶员操纵轻便和提高车辆的机动性，目前最有效的方法是 在汽车的转向系统中加装转向加力装置，依靠发动机的动力驱 动转向助力泵，以液力来增大驾驶员操纵前轮转向的力量。这 样，驾驶员就可以轻便灵活地操纵吨位较大的车辆，大大地减 轻劳动强度，提高了行驶安全性。一般把采用了转向加力装置 的转向系统称为“动力转向系统 ”。 动力转向系统概况 动力转向系统概况 目前国内载重量在 5吨以上的载重汽车、自卸车、 变型车等全部都装有转向加力装置。现在，在豪华旅行 车、中高档轿车上，动力转向系统也已经成为标准配置， 从而大大提高了这些汽车的转向轻便性和机动性；部分 农用车、轻型汽车等也开始选装动力转向系统。随着汽 车工业的发展，新技术的不断使用，近年来，国外先进 的汽车企业纷纷推出电动转向 。 第二部分 动力转向系统的分类和功能 动力转向系统的分类 按照动力源形式分，可以分为液压式、气动 式和电动式。 液压式动力转向系统按照油液的流动形式可 以分为常流式和常压式。目前大部分车型都采用 常流式转向系统。常流式动力转向系统是指在汽 车行驶过程中，助力泵从油罐吸入油液，又被油 泵排出，经过转向控制阀回到油罐，一直处以常 流状态。这种系统结构简单，油泵常处在不工作 状态，所以油泵的寿命比较长、消耗的功率也小， 在国内外应用广泛。 动力转向系统的分类 常流式动力转向器按照控制阀形式可以分 为滑阀式和转阀式动力转向器； 按照动力缸、转阀和转向器的相互位置可 以分为整体式和分置式； 根据传动方式可以分为循环球式和齿轮齿 条式。 动力转向系统的分类 我们主要介绍整体式循环球动力转向器和齿 轮齿条转向器。它集机械转向器、动力缸、转向 控制阀于一体，和转向助力泵、转向油罐、横直 拉杆、球头、油管等共同组成汽车的转向系统， 是汽车上的两大保安件之一。转向助力泵负责提 供动力源，而转向器则是转向系统的终端执行机 构。 循环球动力转向系统布置图 齿轮齿条动力转向器液压系统布置图 齿轮齿条动力转向系统布置图 动力转向系统的功能 1、使用安全可靠 在动力转向系统的设计中，要充分考虑到汽车的安 全性，必须保证汽车在各种恶劣的工况下都能安全行驶。 一般在液压加力装置中，都采用了具有较大工作压 力和足够流量的转向助力泵，选用了合适直径的动力缸， 提供足够的推力，以保证汽车在恶劣的工况下能按一定的 速度转向行驶。为保证油泵安全工作，系统中设有安全阀， 其开启压力既能满足转向加力的需要，又能保证油泵工作 安全可靠，在油压超过规定数值时自动卸荷。 当轮胎突然爆破时，前轮会有向一侧偏斜的倾向。由 于动力转向系统中动力缸的阻力和分配阀在此时可以反向 接通，将阻止车轮突然向一侧偏移，保证行驶的安全。 动力转向系统的功能 2、转向灵敏，操纵轻便 动力转向系统能按驾驶员的意图轻便而迅速地使汽车 转向，使操作灵敏地放映到车轮上，从而保证了转向灵敏、 操纵轻便。 动力转向的性能一般用转向手力特性表示，即转向手力 和输出载荷（用工作压力代表）的关系曲线。典型的手力特 性曲线如下图所示。 动力转向系统的功能 动力转向系统的功能 该曲线表示了动力转向器随着手力增加输出载荷增大的 不同情况。在低输入手力和高输入手力时，两者输出载荷增 加的速度显然是不同的。设计时要求在直线行驶位置附近， 由于转向阻力较小，希望外助力作用增加的小一些，机械转 向的程度相对大一些，使驾驶员在此小角度范围转向时对地 面阻力变化的感觉更直接一些。在大角度转向时，转向阻力 较大，希望外助力大一些，使驾驶员转向轻便些，即此时输 出载荷应明显增加。 动力转向系统的功能 3、有道路感觉（路感效应） 在装有动力转向的各种汽车，动力转向系统能及时地把 地面阻力的情况成正比例地反映到方向盘上，使驾驶员对道 路变化情况心中有数，即有“路感”。 转向手力特性直接决定该动力转向器的路感，路感的大 小与转向器结构有直接关系，通常用转向区段的路感强度值 来表示。路感强度的定义为转向手力增加单位值时相应输出 载荷的变化量。 在转阀式动力转向器的设计中，可以通过改变扭杆的刚度 和转阀刃口的过流面积来调整转向手力特性供用户选用。 动力转向系统的功能 4、维持直线行驶，保证车轮自动回正 汽车在行驶中能够自动维持直线运动，在转向后车轮能 自动回正，都是由汽车前轮定位保证的。装有动力转向系统 的各种汽车，其液压加力装置不仅不妨碍前轮定位的功能， 而且还有各种辅助装置来维持汽车的直线行驶和保证车轮自 动回正。 汽车在直线行驶时，路面的凹凸不平将引起阀的振动， 为保证动力转向系统的控制阀不因振动而开启，出现自行加 力转向的情况，在控制阀中都有使滑阀或转阀自动对中的弹 性元件，如回位弹簧、扭杆等。 动力转向系统的功能 5、有随动作用 动力转向系统本身就是一个随动系统，它能随系统输入 讯号的变化而动作。由于控制阀本身所具有的功能，即转向 手力和输出载荷存在一定的关系，所以它总是能随着输入讯 号的变化自动地改变油泵供给动力缸工作油压的方向，随着 驾驶员的动作按需要的方向和路面阻力的大小起转向加力作 用。这就是汽车动力转向系统的随动作用。关于这一点，在 后面将会有更详细的述及。 第三部分 动力转向器的结构 动力转向器的结构 动力转向器的结构 如图所示，转向器主要由壳体、转向螺母、摇臂轴、 转向控制阀和一些密封件、标准件组成，壳体相当于一个动 力油缸，转向螺母即是螺母，又是活塞，又是齿条，承当着 液压助力，把液压能转化为机械力；摇臂轴则把机械力转化 为力矩输出，带动横直拉杆实现车轮转动。转向控制阀负责 油液的分配，按照驾驶员的意志负责提供车轮左转向或右转 向的液压能源，相当于人的大脑指挥系统，是转向器的核心 部件，也是转向器性能集中体现之所在。 从机械结构看，它是典型的二级减速传动机构：第一级 传动：由方向盘的旋转运动转化为转向螺母的直线运动；第 二级传动：由转向螺母的直线运动，即齿条的移动转化为扇 齿的旋转运动，从而输出力矩。根据人们驾驶车辆的习惯， 减速范围一般取 1624： 1。 动力转向器的结构 从液压结构看，它是典型的三位四通 H型方向阀。汽车 的行驶方向有三种：左转向、直线行驶、右转向，因此涉及 到的油路也必须和汽车行驶要求相一致。它的油路有四个通 道，一个是进油通道 P，一个是回油通道 T，一个是左转向通 道 A，一个是右转向通道 B。如图所示： 动力转向器的结构（循环球动转分解图） 动力转向器的结构（齿轮齿条分解图） 第四部分 动力转向器工作原理 动力转向器工作原理 这里主要是介绍转阀式动力转向器的作用原理。 由上面的液压结构部分可以看出，当汽车在直线行驶时 （即中间位置时），转向助力泵输出的油液通过转阀分配， 四个油路通道全部接通，油液直接流回到转向油罐，控制阀 处于常开状态。动力缸两腔无压力差，转向螺母保持静止状 态，摇臂轴不输出力矩。如图所示： 动力转向器工作原理 转向器工作状态图 动力转向器工作原理 动力转向器工作原理 动力转向器工作原理 动力转向器工作原理 左转向工作原理 如下图所示，方向盘通过转向管柱和阀芯连 在一起，阀芯和螺杆通过扭杆连接在一起，螺杆和 螺母以钢球为传动介质，以螺纹的方式进行连接， 螺母和摇臂轴以齿轮齿条啮合的方式进行连接，摇 臂轴通过转向垂臂、拉杆、转向臂等和车轮连接。 动力转向器工作原理 动力转向器工作原理 当驾驶员向左转动方向盘时，即给转向器输入了一个 向左转的信号。由于地面转向阻力大，起初车轮、摇臂轴、 转向螺母、转向螺杆均保持不动，阀芯在外力（方向盘转动 力）的作用下，将克服扭杆的弹簧作用力，带动阀套产生角 位移，使向左的油口打开，向右的油口关闭，这样，来自油 泵的液压油通过左油口流到转向器的下腔，由于地面阻力较 大，在转向螺母上产生一个较大的阻力，使下油腔的压力持 续升高，直到把转向螺母推动，带动车轮转向。 动力转向器工作原理 这个过程是动态的：车轮的转向阻力越大，那么所需的 压力越高；车轮转向阻力减小，那么在转向螺母上产生的力 也会减小，工作腔油压也会相应降低，降低到仍能维持车轮 继续转动为止。此时，另一腔的油液在转向螺母的推动下沿 着回油通道回到转向油罐。当方向盘停止转动时，在扭杆弹 簧力的作用下，阀套回到中间位置，使两腔压力平衡，使车 轮保持直线行驶。所以动力转向系统是一个典型的随动系 统，所有的过程都是在动态的情况下实现的。 右转向的原理和左转向的原理相同。 左转向液压系统模拟图 动力转向器工作原理 齿轮齿条式动力转向器原理图（左转向） 动力转向器工作原理 齿轮齿条中间位置时的工作状态 动力转向器工作原理 动力转向器的几个重要参数 1、前桥负荷 确定转向器所适用的前轴负荷： 根据半经验公式： M=1/3 U G13/P 其中： M ：车轮转向阻力矩 U ：轮胎与地面的滑动磨擦系数，一般取 U=0.7 G1：前轴负荷 P：前轮气压 按照经验公式，可以简化为： M=0.7G1 转向阻力矩 M即为转向器要求输出的最大扭矩 动力转向器工作原理 2、传动比 i 传动比是反映汽车转向灵敏的一个重要参数。装动转的 卡车要求转向不需要太灵敏，而轻型车和轿车要求转向灵 敏，所以，对它们的传动比要求不一样。对于机械转向器来 说，传动比是转向器的输出力矩和输入力矩的比值，传动比 大，可以操舵省力，但传动效率降低，转向时的转动圈数将 增多。 传动比计算公式： 循环球： i = mz/p m:齿轮模数 z: 齿轮整园齿数 p：螺杆螺距 动力转向器工作原理 齿轮齿条的线角传动比公式 i =mn z/cos mn： 齿轮模数 z : 齿轮齿数 cos：齿轮法向倾角 齿轮齿条的线角传动比表示齿轮转一圈齿条移动的距离。 动力转向器工作原理 3、流量 Q 转向助力泵必须提供给转向器合适的流量，转向器才能 最有效地工作。流量选大了，系统背压偏高，对转向助力泵 和系统的效率都非常不利，选小了，又会导致转向沉重、转 向滞后等非常严重的影响。转向油泵工作流量的选取是根据 方向盘最大瞬时转速计算的。先计算出满足方向盘最大瞬时 转速所需的理论流量 Q0，再确定实际需要的流量 Q1。 汽车方向盘的最大转速 n对于轿车来说，按 1.5 r/s计 算，对于其他车辆来说按照 1.25 r/s计算。 动力转向器工作原理 循环球转向器所需流量计算公式： Q0=60 T N S L/min T : 转向器的螺杆螺距 一般来说， 70缸径以下的产品按 9.525mm选取， 7080 缸径（含）的产品按 11.5mm选取， 85缸径以上的按 13.5mm选取。 N : 转向盘最大瞬时转速 S : 转向器的助力缸径 Q1=(1.52) Q0 + Q2 经验公式 Q1 : 实际需要的流量 L/min Q2 : 转向器允许的内泄漏值。一般规定 15% Q1 动力转向器工作原理 举例计算解放 151六平柴转向器所需的流量： 与解放 151六平柴相配套的转向器的助力缸径 100mm， 螺杆螺距 13.5mm Q0=60 1.25 13.5 1/4 3.14 1002/106 =7.95 L/min 8L/min Q1=(1.52) 8 + Q2 Q2= 0.15Q1 Q1= 14 18.8 L/min 取 Q1 =16 L/min 可以满足转向器的供油要求。 动力转向器工作原理 齿轮齿条动转所需流量的计算公式 理论流量计算公式： Q0 = 60 1.5r/s i S/106 L / min i：线角传动比，表示方向盘转一圈齿条移动的距离 S：有效缸径： S=1/4 （ D12 D22) D1 : 缸筒直径（ mm) D2 : 齿条直径 (mm) Q1=(1.52) Q0 + Q2 经验公式 Q1 : 实际需要的流量 L/min Q2 : 转向器允许的内泄漏值。一般规定 15% Q1 动力转向器工作原理 举例计算配捷达轿车的齿轮齿条转向器的流量计算： 该转向机的相关参数： Mn=1.75 Z=8 =9 deg 缸筒直径 D1=37.5mm 齿条直径 D2=22mm 代入公式计算 Q0= 2.9 L /min Q1=(1.52) Q0 +0.15Q1 计算出 Q1 = 56.8 L/min 实际选取流量为 6L/min,是比较合理的。 动力转向器工作原理 对于双桥转向系统，还需要根据整车的配置情况，进行系 统流量分析： 双桥转向系统除满足转向器的供油量外，还必须满足随动 转向助力器（简称随动器）的供油需要。随动器的流量计算 方式参照液压缸的流量计算。 现在有很多转向器，不论单双桥都适用，装双桥车的时候 只需要把随动器接口打开就行了。所以哪怕是同一型号的方 向机，它所选配的助力泵未必是相同的，所以一定要根据整 车的情况，明确装车状态，才能选择合适流量的助力泵。 动力转向器工作原理 4、压力 P 压力的选取从本质上来说并没有多大的意义。只是针对 国内的状况，超载现象层出不穷，所以主机厂在用户的反馈 下，屡屡提出系统压力需要提高。其实，前桥的负荷和转向 器的缸径选取有关，压力高无非是承载能力高一点罢了。以 前曾流行高压技术的研究，但现在也偃旗息鼓，未见动静， 也就是说，研究高压技术没有实质上的意义。 常规的循环球转向器压力一般取 1015MPa，齿轮齿条式 转向器一般取 8MPa左右，这个范围内的压力基本能满足车 辆的原地转向需要。 动力转向器工作原理 压力取高，对转向器本身没有多大的影响，但 对泵的影响比较大。这一点主要是体现在方向打死 舵的情形。国外的转向器都有行程限位阀，而国内 很多产品都没有装，有些哪怕是装了，产品质量也 难以保证，无法保证在即将到达极限位置时转向器 能够卸荷，这样将会使油泵的压力和油温急剧升 高，这将严重加剧转向泵的磨损并提早损坏。所以 压力越高，系统的可靠性就越差。 第五部分 动力转向系统的故障模式分析 动力转向系统的故障模式分析 转向器的拆装修理必须在规定的清洁条件 下，以及必须要有一定修理技能的人员还要依据 于一定的工具和设备才能完成。因此一般来说不 允许不具备条件的单位进行拆装和修理，而且转 向器作为转向系统的终端执行单元，一般情况下 并不一定是它的问题，因此有必要对动力转向系 统的故障模式进行分析并逐一排查。 动力转向系统的故障模式分析 1)助力泵故障 通过试验判断助力泵的泵压达不到标准值时，显 然方向沉重与此有关。首先应检查流量控制阀与阀座的 啮合面、安全阀钢球是否封闭不严。如果是流量阀或安 全阀泄漏，可通过研磨的方法修复。其次再检查安全阀 的弹簧是否失效。这点可通过在弹簧后面加垫片的方法 检查，如果在弹簧后面增加一垫片后，最大泵压有明显 增加，说明弹簧失效。如果这两个部位都无问题，则应 拆卸解体助力泵，观察叶片泵的腔壁是否磨损和拉伤。 因腔壁拉伤会使高、低压腔相通，从而造成压力建立不 起来。一般拉伤的原因都是油脏所至。如果方向突然沉 重，则应检查是否是泵轴断裂所致。 动力转向系统的故障模式分析 2)转向器故障 通过检查如果发现是转向器助力油压较低时，说明方 向重的原因在转向机。此时应请专业厂家来进行修理。一般 来讲转向机故障大部分是由于活塞、缸筒拉伤、或是活塞上 密封圈损坏造成活塞两腔相通，使助力压力不能有效地建立。 此外，活塞圆周面上的各种密封圈、转向螺杆上的密封圈破 损，也会造成高压卸荷，而使助力压力降底。 3)缺油，系统有空气 如果转向液压系统缺油，造成系统内有空气，此时不 仅转向沉重，而且在转向时还有噪音。此时按说明书上阐述 的加油与放气程序进行排气即可。 动力转向系统的故障模式分析 4) 储油罐内回油滤清器堵塞 储油罐内回油滤清器长期不保养、更换，造成堵塞， 使液压油循环不畅，造成回油背压增大，同样会使方向沉重。 5) 两侧方向都沉重。 如果遇有方向沉重的故障，特别是向两侧打方向都沉 重，应当从两个方面去查找原因：一方面查找机械转向部分 的原因，如果机械部分没有问题，再查找动力转向方面的原 因。 动力转向系统的故障模式分析 引起转向沉重机械方面的原因主要在于转向节。长时间 不保养，使转向立柱和衬套严重缺油、磨损甚至烧蚀，都会 引起方向沉重。因此在保养时，必须向转向立柱空腔内注满 润滑脂，而且每次注油时需用千斤顶将前桥支承起来，要注 到立柱上、下两支承面都有润滑脂挤出为止，此时说明主销 与衬套间已注满滑脂。转向立柱的平面止推轴承如果严重磨 损，或是损坏，也会造成方向重的故障。 机械部分的故障可以用眼观察转向立柱、转向节的外观 和用搬动前轮来感受一下前轮左、右摆动的阻力来检查。如 果通过检查转向机械部分没有问题，那么显然是转向助力部 分产生故障。我们可以通过上面介绍的方法，即迅速又准确 地查出引起方向重故障的部位，然后通过拆检，查明故障的 原因。 动力转向系统的故障模式分析 6)单边转向沉重 在实际中往往发生向一个方向转向轻快，而向另一个方 向转向沉重的故障，这一般是由于负责密封一侧高压腔的密 封件漏损所至。倒如转向螺杆密封圈、活塞圆周上油道密封 圈等。 还有一种情况应当注意，那就是转向沉重，一侧的限位 阀封闭不严。封闭不严可能是调整不当，使该限位阀大部分 在常开位置，或是阀与阀座封闭不严，更多的情况是限位阀 上两个“ 0”型密封圈失效所致。 有的时候会发生向某一方面转向时从头至尾都很轻，而 向另外一个方面打方向时，开始很轻，每打到某一个位置， 方向就突然沉重。这种故障一般来讲是由于该方向的限位阀 调整不当，使车轮还没有到极限位置时，限位阀就打开卸 荷，此后方向立刻沉重。遇有此故障只要将限位阀的位置重 新调整就行了。 动力转向系统的故障模式分析 7)转向时有异响 转向时有异响一般是机械部分，例如主销与衬套损伤、 立柱止推轴承损坏等造成。检查时可以左、右打方向，观察 响声的部位进行拆检。 8)转向时有噪音 转向时有“吱、吱”的噪音，严重时转向高压油软管都 抖 动，这显然是缺油进空气所致。按照说明书所述放空气的方 法将空气排净，故障自然消除。 9)快速打方向沉重 在转向时如果慢慢打方向，方向还轻。如果在急转弯 时快速打方向，方向立刻就重。这说明在快速打方向时，助 力泵的有效排量不够，助力油对油缸高压腔的补充还跟不上 活塞的运动，助力油压得不到建立，因而反映转向沉重的故 障。这类故障主要在助力泵。如果助力泵流量控制阀泄漏、 弹簧失效以及泵叶片与腔室表面严重磨损都会造成这种现象。 动力转向系统的故障模式分析 10)方向回位较困难 一般车辆都有转向自动回位的功能。液压助力的汽车， 由于液压阻尼的作用，自动回位的功能有所减弱，但还应保 持一定的自动回位的能力。如果回位时，也要象转向时那样 施力，就说明回位功能有故障。这种故障一般都发生在转向 机械部分。例如转向节主销与衬套缺油而烧损、转向横、直 拉杆接头缺油而锈蚀、方向盘与转向机联接的操纵轴万向节 缺油或别劲以及转向机的转向轴扇齿与活塞直齿啮合太紧等 等，都会造成这种故障。 动力转向系统的故障模式分析 11)方向摇晃或跑偏 方向跑偏的故障首先应检查机械部分和外界因素。 汽 车行驶在拱形路面的一侧上本身就有偏跑的倾向，当拱形较 大时跑偏就较为明显，这是属外界的因素造成的。 前轮两边轮胎气压不同、一边是新轮胎另一边是旧轮胎 或左右胎磨损差异较大、前钢板错位 (例如钢板中心螺栓 )、 前轮定位偏差较大等都会造成方向跑偏。如果排除上述机械 和外部因素，方向仍然严重跑偏，那就可能是转向器内转向 控制阀对中时初始位置调整不当，使汽车直线行驶时，转向 控制阀偏离中间位置，导致油压差存在，使活塞总向某一侧 产生高压助力，造成汽车自动跑偏。 动力转向系统的故障模式分析 如果汽车行驶时无规律地两边摇晃，方向不好掌握， 说明转向系统机械传动各机构较松旷。例如前轮轮鼓轴承松 旷、转向轴扇齿与活塞直齿间隙过大、横直拉杆球头松旷、 转向器固定螺丝松旷、前轮定位有较大的偏差等等。前轮钢 圈变形当然也会引起方向的抖动，如果排除上述的机械原 因，则很可能是转向器内控制阀损坏所致。 动力转向系统的故障模式分析 12)转向机漏油 转向机向外漏油不外乎是几个位置：转向机上盖、侧盖和转 向臂轴联接处。这三个部位都有密封圈，更换新的油封和密 封圈就可解决。如果其它部位漏油就很可能是转向器壳体沙眼或 裂痕。细小的裂痕和沙眼可以用乐泰 290高渗透性密封胶来堵漏。 13)、助力泵漏油 如果从助力泵后端盖漏油，显然是后端盖密封圈破损，这是 比较容易发现的。实际中还有一种难于发现的故障，这就是转向 油罐里的油不断减少 (总需要补充 )，而发动机油底内的机油却不断 增多或者表面上看起来发动机丝毫不烧机油。放出部分油底机油 观察没有什么异常现象，也嗅不出什么其它的异味，这种情况属 于助力泵驱动轴端的油封漏油所至。助力泵低压油腔的液压油由 油封漏至发动机正时齿轮室，流人油底壳，而液压油与机油混合 很难分辩。 动力转向系统的故障模式分析 14)部分制动时方向摆动 汽车在全负荷急刹车时工作正常，就是在轻轻踩刹车 时前轮发摆。这一现象在许多车上都见到过。引起这一故障 的原因是多方面的。但绝大部分是因前制动鼓失圆所致。当 制动鼓失圆时，轻踩刹车会使左、右车轮分别间歇制动造成 车轮发摆。前轮各部位联接松旷往往也会造成这种故障。