汽车转向系统

第十九章 汽车转向系统第一节第一节 概概 述述 汽车转向系统的功用汽车转向系统的功用保证汽车按驾驶员的意志进行转向和正常行驶保证汽车按驾驶员的意志进行转向和正常行驶。 汽车转向系统的分类与组成汽车转向系统的分类与组成 机械转向系统机械转向系统: 以驾驶员体力为转向能源，所有传力件是机械零件。以驾驶员体力为转向能源，所有传力件是机械零件。主要由转向操纵机构、转向器、转向传动机构组成。主要由转向操纵机构、转向器、转向传动机构组成。动力转向系统动力转向系统:驾驶员体力（小部分）和发动机动力（大部分驾驶员体力（小部分）和发动机动力（大部分)为转向为转向能源。能源。组成：在机械转向系统的基础上增加转向加力装置。组成：在机械转向系统的基础上增加转向加力装置。机械转向系统的组成转向器转向器转向操纵机构转向操纵机构转向传动机构转向传动机构动力转向系统的组成 动力转向装置：动力转向装置： 转向油罐、转向油泵、转向控制阀、转向动力缸转向油罐、转向油泵、转向控制阀、转向动力缸1）两侧车轮偏转角之间的理想关系）两侧车轮偏转角之间的理想关系 为了降低汽车转向时车轮的磨损，希望转向时每个车轮都作纯滚动，即要求所有车轮的轴线都相交于一点。 汽车内轮转角与外轮转角之间的关系如下： maxminsin/sin/:/cotcotLRLRRLBLB最小转弯半径汽车转弯半径，汽车轴距交点距离两侧主销轴线与地面相O为汽车转向中心为汽车转向中心汽车对转向系的要求及影响转向性能的参数 v一、三轴为转向桥的三轴汽车一、三轴为转向桥的三轴汽车一、二轴为转向桥的四轴汽车一、二轴为转向桥的四轴汽车2）转向系的角传动比 转向器角传动比转向器角传动比i1转向盘转角增量与转向摇臂转角相应增量之比转向盘转角增量与转向摇臂转角相应增量之比 转向传动机构角传动比转向传动机构角传动比i2转向摇臂转角增量与同侧的转向节的转角相应增量之比转向摇臂转角增量与同侧的转向节的转角相应增量之比 转向系角传动比转向系角传动比i:i1i2 转向盘转角增量与同侧的转向节的转角增量之比。转向盘转角增量与同侧的转向节的转角增量之比。转向系的角传动比转向系的角传动比转向盘转向盘转向器转向器转向摇臂转向摇臂转向节转向节转向器角传动比转向器角传动比i1转向传动转向传动机构角传机构角传动比动比i1转向系角传动比转向系角传动比ii= i1*i2i1较大，货车为较大，货车为1632，轿车为，轿车为1220；i2较小，一般为较小，一般为1。转向系的角传动比 转向器的角传动比越大，转动转向盘所需要的操纵力就越小，转向越省力，转向越省力，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）。3）转向器的传动效率 定义定义:转向器的输出功率与输入功率的比值称为转向器的转向器的输出功率与输入功率的比值称为转向器的效率。效率。正效率：正效率：由转向轴输入，转向摇臂输出的传动效率由转向轴输入，转向摇臂输出的传动效率逆效率：逆效率：由转向摇臂输入，转向轴输出的传动效率由转向摇臂输入，转向轴输出的传动效率转向器的传动效率 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“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。 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、不可逆式转向器和极限可逆式转向器三种类型。转向器的传动效率转向器的传动效率 对应传动效率的转向器对应传动效率的转向器可逆式转向器可逆式转向器：逆效率高。转向结束后方向盘自：逆效率高。转向结束后方向盘自动回正，可将路面阻力完全反馈到转向盘，路感动回正，可将路面阻力完全反馈到转向盘，路感好，可能发生好，可能发生“打手打手”现象。现象。不可逆转向器不可逆转向器：逆效率低。转向结束后方向盘不：逆效率低。转向结束后方向盘不会自动回正，驾驶员丧失路感，无法根据路面阻会自动回正，驾驶员丧失路感，无法根据路面阻力调整方向盘转距；力调整方向盘转距；极限可逆式转向器：极限可逆式转向器：逆效率略高于不可逆式。可逆效率略高于不可逆式。可以获得一定的路感，转向盘可自动回正。应用较以获得一定的路感，转向盘可自动回正。应用较少，中型越野车或矿用自卸车少，中型越野车或矿用自卸车4）转向盘的自由行程）转向盘的自由行程 定义：定义：转向盘空转阶段的行程，称为转向转向盘空转阶段的行程，称为转向盘的自由行程。盘的自由行程。 产生的原因：产生的原因：转向系统中传动件之间存在转向系统中传动件之间存在装配间隙，且随着零件的磨损而增大。装配间隙，且随着零件的磨损而增大。 转向盘自由行程的作用：转向盘自由行程的作用：可缓和路面冲击，可缓和路面冲击，避免驾驶员过分的紧张和疲劳；过大转向避免驾驶员过分的紧张和疲劳；过大转向盘自由行程会降低转向灵敏度。一般为盘自由行程会降低转向灵敏度。一般为10 155）对转向系统的要求）对转向系统的要求 (1)要求工作可靠，操纵轻便。 (2)转向机构还应能减小地面传到转向盘上的冲击，并保持适当的“路感”。 (3)当汽车发生碰撞时，转向装置应能减轻或避免对驾驶员的伤害。第二节第二节 机械转向系统机械转向系统 机械转向器机械转向器齿轮齿条式齿轮齿条式循环球式循环球式 转向操纵机构转向操纵机构 转向传动机构转向传动机构 转向器是转向系中减速增扭的传动装置，其功用是增大转向盘传到转向节的力并改变力的传动方向。 目前应用广泛的是齿轮齿条式和循环球式。一、机械转向器1.齿轮齿条式转向器 传动件：传动件：齿轮、齿条齿轮、齿条 特点：特点：结构简单，紧凑，质量轻，制造容易，成本低；结构简单，紧凑，质量轻，制造容易，成本低；转向灵敏，正、逆效率高；转向灵敏，正、逆效率高；齿轮齿条式转向器结构实例齿轮齿条式转向器结构实例2.循环球式转向器 循环球式转向器是目前国内外应用最广泛的结构型式之一。 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。 循环球式转向器 采用两级传动：采用两级传动：螺杆螺母传动与齿条齿扇传动特点：特点：1) 正传动效率高达正传动效率高达90%95%，转向省力；，转向省力； 2) 寿命长，工作平稳；逆效率也很高，容易打手。寿命长，工作平稳；逆效率也很高，容易打手。循环球式转向器 为了减少转向螺杆、螺母之间的摩擦，二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。 转向螺杆和螺母上都加工出断面轮廓为两段或三段不同心圆弧组成的近似半圆的螺旋槽。二者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面的螺旋管状通道。特点：正传动效率高（最高90%95%），故操纵轻便，使用寿命长。循环球式转向器 转向螺杆转动时，通过钢球将力传给转向螺母，螺母即沿轴向移动。同时，在螺杆及螺母与钢球间的摩擦力偶作用下，所有钢球便在螺旋管状通道内滚动，形成“球流”。在转向器工作时，两列钢球只是在各自的封闭流道内循环，不会脱出。循环球式转向器二、转向操纵机构二、转向操纵机构 由转向盘、转向轴、转向管柱等组成，将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。 方向盘为了司机有很好的视野，方向盘上部一般较大。转向操纵机构 为了保证碰撞时驾驶员安全，需要采用吸能装置为了保证碰撞时驾驶员安全，需要采用吸能装置转向盘：外边柔软，骨架变形转向轴和转向柱管：通过变形来吸收能量三、转向传动机构 功用功用将转向器输出的力和运动传到两侧转向节，使转向轮偏将转向器输出的力和运动传到两侧转向节，使转向轮偏转，且偏转角按一定关系变化，保证车轮与地面的相对转，且偏转角按一定关系变化，保证车轮与地面的相对滑动尽可能小滑动尽可能小 与非独立悬架配用的转向传动机构与非独立悬架配用的转向传动机构前桥为转向桥一般布置在前桥后前桥为转向驱动桥防止干涉，布置在前桥前转向直拉杆横置转向摇臂 把转向器输出的力和运动传给直拉杆或横拉杆，进而推动转向轮偏转转向直拉杆 作用：作用：将转向摇臂传来的力和运动传给转向梯形臂将转向摇臂传来的力和运动传给转向梯形臂(转向节臂转向节臂)在转向轮偏转或悬架弹性变形相对于车架跳动时，转向直在转向轮偏转或悬架弹性变形相对于车架跳动时，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，为拉杆与转向摇臂及转向节臂的相对运动都是空间运动，为不发生运动干涉，上述三者间的连接都采用球销。不发生运动干涉，上述三者间的连接都采用球销。转向横拉杆 作用：联系左、右梯形臂并使其协调工作的连接杆调节前束与独立悬架配用的转向传动机构 每个转向轮相对于车架作独立运动，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是断开式的。第三节第三节 液压助力转向系统液压助力转向系统 动力转向系统定义：用以将发动机输出的部分机械能转化为压力能，并在驾驶员控制下，对转向传动装置或者转向器中某一传动件施加液压或气压作用力，以减轻驾驶员的转向操纵力的一套零部件。 类型：液压动力转向系气压动力转向系 液压助力转向系统的组成：由机械转向器、转向动力缸和转向控制阀液压助力转向系统的分类 常压式：油罐、油泵、储能器、控制阀、动力缸等特点：特点：系统中保持限定压力，只要转向系统就提供压力，反应迅速。液压助力转向系统的分类 常流式：油罐、油泵、控制阀、动力缸等特点：特点：不转向时系统无压力，转向时系统才提供压力常压式与常流式的比较 常压式液压助力转向系统常压式液压助力转向系统 优点：优点：系统一直有油压，响应快。用储能器积蓄能量，可用小油泵系统一直有油压，响应快。用储能器积蓄能量，可用小油泵 缺点：缺点：容易引起压力漏油；容易引起压力漏油；油泵总要保持压力，会降低油泵寿命；油泵总要保持压力，会降低油泵寿命；储能器占用空间，燃油消耗率高。储能器占用空间，燃油消耗率高。 常流式液压助力转向系统：常流式液压助力转向系统： 优点：优点：结构简单；油泵寿命长；泄漏少；消耗功率低。结构简单；油泵寿命长；泄漏少；消耗功率低。 缺点：缺点：转向后才建立压力，响应慢；为提高速度需使用较大油泵转向后才建立压力，响应慢；为提高速度需使用较大油泵 目前汽车上使用的多是常流式液压助力转向系统目前汽车上使用的多是常流式液压助力转向系统常流式液压助力转向系统的布置方案常流式液压助力转向系统的布置方案 按机械转向器、转向控制阀和转向动力缸的三者的组合及位按机械转向器、转向控制阀和转向动力缸的三者的组合及位置关系，分为三种：置关系，分为三种：v整体式动力转向器；整体式动力转向器；v半整体式动力转向器；半整体式动力转向器；v转向加力器。转向加力器。工作原理 直线行驶时直线行驶时转向控制阀将转向油泵泵出来的工转向控制阀将转向油泵泵出来的工作液与油罐相通，转向油泵处于卸作液与油罐相通，转向油泵处于卸荷状态，动力转向器不起助力作用。荷状态，动力转向器不起助力作用。 向右转向：向右转向：向右转动转向盘，转向控制阀将转向右转动转向盘，转向控制阀将转向油泵泵出的工作液与向油泵泵出的工作液与R腔接通，将腔接通，将L腔与油罐接通，在油压作用下，活腔与油罐接通，在油压作用下，活塞向下移动，通过传动结构使左右塞向下移动，通过传动结构使左右轮向右偏转，从而实现右转向。轮向右偏转，从而实现右转向。 向左转向：向左转向：向左转向时，情况与上述相反向左转向时，情况与上述相反转向控制阀转向油泵油罐液压助力转向系统的转向控制阀 滑阀式转向控制阀：特点：靠阀体的移动控制油液流量，需较大运动空间 转阀式转向控制阀靠阀体转动控制油液流量。体积小，加工要求精度高转阀结构：转阀结构：4个连通的进油通道个连通的进油通道A；4个通道个通道B、C与动力缸的与动力缸的左右腔相连；左右腔相连；低压腔低压腔D。 当阀体转过一个角度当阀体转过一个角度后，阀体封闭后，阀体封闭B和和C中的中的一个通道，打开另一个一个通道，打开另一个通道。通道。直行右转左转整体式动力转向器整体式动力转向器汽车直线行驶时的工作状况：汽车直线行驶时的工作状况： 动力缸左右两腔相通，系统中只有极小克服流动阻力的油动力缸左右两腔相通，系统中只有极小克服流动阻力的油液压力。液压力。汽车转向行驶时的工作状况：汽车转向行驶时的工作状况：转动方向盘转动方向盘 扭杆扭转变形扭杆扭转变形 滑阀偏转滑阀偏转 动力油缸左腔进入高压油，右腔与回油管路连通动力油缸左腔进入高压油，右腔与回油管路连通 转向转向轮偏转轮偏转 转向齿轮与转向轴同向转动转向齿轮与转向轴同向转动 。动力转向装置的随动作用：动力转向装置的随动作用： 转向动力缸随转向盘工作或停止的特性。转向动力缸随转向盘工作或停止的特性。辅助装置辅助装置1.转向油罐转向油罐组成：组成：o 油罐盖；油罐盖；o 罐体；罐体；o 过滤装置；过滤装置；o 进出油口等。进出油口等。2.转向油泵转向油泵转向油泵的类型：齿轮式、叶片式、转子式、柱塞式。转向油泵的类型：齿轮式、叶片式、转子式、柱塞式。流量控制阀流量控制阀作用：作用：避免发动机转速过避免发动机转速过高时，流量过大，导致系高时，流量过大，导致系统的功率消耗过多和油温统的功率消耗过多和油温过高。过高。出油腔出油腔进油腔进油腔出油口出油口量孔量孔v柱塞下腔通出油腔；柱塞下腔通出油腔；v柱塞上腔通出油口；柱塞上腔通出油口；v出油腔与出油口之间因为出油腔与出油口之间因为量孔的节流作用存在压差。量孔的节流作用存在压差。 当流量过大时，出油腔与出当流量过大时，出油腔与出油口的压差增大，流量控制阀油口的压差增大，流量控制阀上下腔的压差增加，导致弹簧上下腔的压差增加，导致弹簧被压缩柱塞上移，将出油腔与被压缩柱塞上移，将出油腔与进油腔接通，系统的流量降低。进油腔接通，系统的流量降低。安全阀安全阀作用：作用： 油泵的输出压力取决于液压系统地负荷，为了避免转向阻力过大时，系统内部的压力过高会导致油泵、动力缸和管路过载而损坏，设置安全阀限制系统的最高压力。第四节第四节 电子控制动力转向系统电子控制动力转向系统 电动助力转向系统 （Electric Power-assistant Steering，EPS） 四轮转向系统 （Four-wheel Steering，4WS） 线控转向系统 （Steer-by-Wire，SBW） 一、电动助力转向系统EPS 低速时使转向轻便、灵活；中高速时，保证提供最优的动力放大倍率和稳定的转向手感，提高高速行驶的操纵稳定性。 根据助力机构的不同，可分为电动液压式(Electric Power-assistant Hydraulic Steering，EHPS)和电动机直接助力式。电动液压助力转向系统 液压式电控助力转向系统是在传统液压助力转向系统的基础上，增加了一套电子控制装置 。波罗轿车电动液压助力转向系统示意图波罗轿车电动液压助力转向系统示意图 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，无动力缸、液压油泵、转阀、液压管道等液压元件。直接助力式电动转向系统示意图直接助力式电动转向系统示意图 二、四轮转向系统4WS 汽车在转向过程中，4个车轮可根据前轮转角或车速等信号同时相对车身偏转。 偏转的一般规律：低速时，前后轮反向转向，汽车转弯半径小，机动灵活性高；中高速时，前后轮同向转向，车身姿态变化小，行驶稳定性高。 逆相控制模式 同相控制模式 三、线控转向系统SBW 最大特点：去掉了转向盘和转向轮之间的机械连接 。 组成：转向盘模块、转向模块、电控单元和传感器等。 SBW系统示意图系统示意图