液压助力转向试验台的设计本科论

本科毕业设计（论文）题 目液压助力转向试验台的设计姓 名 AAAA专 业 交通运输 学 号 1111111111指导教师 wwww郑州科技学院车辆与交通工程系二一五年五月目 录中文摘要IAbstractII前 言IV1 液压助力转向系的结构和工作原理11.1 汽车转向系的概述11.1.1汽车转向系的现状及其发展趋势21.2 液压助力转向系统的结构41.2.1 转向操纵机构41.2.2 转向传动机构71.2.3转向控制阀的结构81.3 液压助力转向系统的工作原理101.3.1 汽车直线行驶时101.3.2汽车右转弯时111.3.3 汽车左转弯时121.4 本章小结122 试验台的机械系统和液压系统设计132.1液压助力转向试验台概述132.1.1 实验台概述132.1.2 液压助力转向实验台设计目标132.2 机械系统设计142.2.1 转向操纵机构设计142.2.2 转向传动机构设计152.3 实验台的液压系统设计152.3.1 液压助力系统设计152.4本章小结163 实验台的制作与调试173.1 试验台的制作173.1.1试验台台架的制作173.1.2 实验台的组装173.1.3实验台的检查183.2 实验台的调试193.2.1机械系统调试193.2.2液压系统的调试193.2.3总体调试203.3 本章小结214 液压助力转向实验台的试验设计224.1液压助力转向实验台的内容224.1.1 转向器的圈数测定224.1.2 转向器间隙的测定224.1.3转向道路阻力模拟实验234.2转向系的拆装实验264.2.1方向盘和转向柱的拆装与检查264.2.2 动力转向器的拆卸和安装274.3液压助力转向实验台常见故障与排除294.4 液压助力转向试验台的维护304.4.1前轮转向角的检查与调整304.4.2 前轮前束的调整314.5 实验台的操作要点和注意事项324.6 本章小结325 结论与展望33致 谢35参考文献36液压助力转向试验台的设计中文摘要汽车转向系是汽车安全行驶的一个重要总成之一，现在中高档轿车都采用电动助力转向器，一些重型卡车、货车都采用液压助力转向器。在科学技术突飞猛进和经济飞速发展的社会中，随着汽车行业迅速发展以及人们的需求水平不断提高，汽车的安全性、舒适性、操纵性、经济性、排放性等越来越受到人们的关注。作为汽车的设计者、制造者、销售者也应与时俱进，更多的满足消费者的需求。汽车的转向系是汽车底盘的四大系统之一，是决定汽车性能的关键总成之一。它直接影响着汽车的舒适性、平顺性、操纵稳定性和安全性，它对于确保车辆的行驶安全、减少交通事故以及保护驾驶员的安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。如何使汽车具有良好的转向操作性能，一直以来都是各科研部门重要的研究课题。尤其是在如今的智能化、科技化、高速化的时代，汽车具有良好的操纵性越来越受到人们的青睐。汽车行驶的路况和外部环境对汽车的转向系的可靠性和操作性能有着非常重要的影响，因此，需要制作实验台来研究转向系内部个参数的变化对其操作性能和可靠性的影响。本文在分析了国内外汽车转向系的发展历程、钻研了行业前辈的研究成果的基础上，提出制作液压助力转向试验台的方案。主要针对液压助力转向系统的结构、工作原理进行综合分析，结合转向器的机械系统和液压系统建立一个能够模拟汽车转向过程的试验台。关键词：液压助力转向系统； 转向器；实验台；The design of hydraulic power steeringAbstractAutomotive steering system is the safety of one of an important assembly, high-grade cars are now the use of electric power steering, some heavy trucks, trucks are adopting hydraulic power steering gear. Rapid development in science and technology by leaps and bounds and economic society, along with the rapid development of automotive industry and the demand of people level enhances unceasingly, vehicle safety, comfort, maneuverability and economy and emissions more and more get the attention of people. As a car designer, manufacturer and seller should also keep pace with The Times, more meet the needs of the consumers.The cars steering system is one of the four systems of automobile chassis, is one of the key assembly to car performance. It directly affects the cars comfort, ride comfort and handling stability and security, it is to ensure the safety of the vehicle driving, reduce the number of traffic accidents and protect the safety of the driver, plays an important role in improving the drivers working conditions. How to make cars good steering performance，has always been the important research topic research department. Especially in todays era of intelligence, science and technology, high speed, the car is becoming more and more get thefavour of people with good maneuverability.Vehicle driving road conditions and external environment of vehicle steering system performance reliability and operation has a very important influence, therefore, need to make test bench to research the change of the steering system internal parameters on its performance and reliability.Based on the analysis of the development of automobile steering system at home and abroad, the research achievements of predecessors to delve into the industry, on the basis of making the scheme of hydraulic power steering test rig is put forward. Mainly for the hydraulic power steering system on comprehensive analysis of the structure, working principle, combining with the mechanical system and hydraulic system of steering a test bench to simulate vehicle steering process.Keywords：Hydraulic power steering system；Steering；Test bench；前 言近年来，随着我国汽车工业的迅猛发展，汽车车型和汽车保有量以惊人的速度增长。特别是一些新机构、新技术等在汽车上的应用也越来越多。汽车是改变世界面貌、综合多门学科研究成果、技术密集型的产品。各国政府对保护环境、节约能源及交通安全日益关注，人们对汽车的性能、品质及功能多样化的要求日益提高，汽车市场的激烈竞争等都促使汽车技术更加日新月异地向前发展。我国政府确定汽车工业为国民经济的支柱产业，进入了形成自主开发、大力振兴民族汽车工业的关键时期，同时也面临合理利用能源，开发清洁燃料汽车， 降低汽车排放，保护环境，提高产品性能的迫切需要。 随着世界汽车发展的趋势，汽车高新技术已成为汽车行业发展的迫切需要，怎样才能把高科技运用到汽车制造领域，这也是各国极度关注研究的问题。总之，现在汽车高新技术对汽车行业有着巨大深远的影响，是推动汽车行业的主要动力。汽车的转向系是汽车底盘的四大系统之一，是决定汽车性能的关键总成之一。它直接影响着汽车的舒适性、平顺性、操纵稳定性和安全性，它对于确保车辆的行驶安全、减少交通事故以及保护驾驶员的安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。如何使汽车具有良好的转向操作性能，一直以来都是各科研部门重要的研究课题。尤其是在如今的智能化、科技化、高速化的时代，汽车具有良好的操纵性越来越受到人们的青睐。在汽车的发展历程中，转向系统经历了五个发展阶段：从最初的纯机械式转向系统发展为液压助力转向系统，然后又出现了电控液压助力转向系统和电动助力转向系统，以及现在正处于发展初期的线控转向系统。纯机械式转向系统结构简单、工作可靠、造价低廉，目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使用；液压助力转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力，在重型车辆上广泛应用；液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞，布置更方便，降低了转向操纵力，也使转向系统更为灵敏。由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力，目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面存在不足。EPS以其特有的优越性而得到青睐，它代表着未来动力转向技术的发展方向，EPS将作为标准配置装备到汽车上，未来一段时间在动力转向领域占据主导地位；而SBW由于有利于提高汽车被动安全性、有利于汽车设计制造、有利于提高汽车乘坐舒适性和汽车操控稳定性等原因，将成为动力转向系统的发展方向。本实验台主要针对液压助力转向系统，制作能够进行助力转向的试验台台。要求能够模拟汽车转向的过程以及转向过程的实际阻力，进行与转向阻力有关的实验。本课题内容主要包括机械系统的设计、液压系统的设计，确定所需要零件的规格和型号，确保制作的试验台能够完成汽车转向的模拟过程。本课题欲模拟汽车转向系统实际使用模式和环境条件，更真实的反应转向性能，以提高实验台设计水平，满足教学展示为目的。1 液压助力转向系的结构和工作原理1.1汽车转向系的概述汽车转向即汽车行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向。就轮式汽车而言，实现汽车转向的方法是，驾驶员通过一套专设的机构，使汽车转向桥上的车轮相对于汽车纵轴线偏转一定的角度。在汽车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面侧向阻力的作用自动偏转而改变行驶方向。此时，驾驶员也可以利用这套机构使转向轮相反的方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。这套用来改变和恢复汽车行驶方向的机构，称为汽车转向系统。因此，汽车转向系统的功用是保证汽车能按驾驶员的意志进行转向行驶1。汽车转向系根据转向能源的不同可分为机械转向系和动力转向系两大类。机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，又称为人力转向系。机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。动力转向系是兼用驾驶员的体力和发动机动力作为转向能源的转向系，在正常情况下，汽车转向所需的能量，只有一小部分由驾驶员提供，而大部分是由发动机通过转向助力装置提供的。动力转向系统按照能源介质的不同又可分为三种类型：气压、液压和电动。气压式基本淘汰；液压式在目前的汽车发展当中应用非常广泛；而电动式是近几年新研发的。液压助力转向系统按照其内部的压力状态的不同，液压助力转向系统又可以分为常压式和常流式两种2。常压式液压助力转向系统的优点是系统中有储能器积蓄液压能，可以使用流量较小的转向油泵，而且在转向油泵不运转的情况下有保持一定的动力转向的能力。但系统工作压力高，易泄露，发动机功率消耗较大，因此目前只有少数重型汽车采用此种动力转向系统。而长流式液压动力转向系统结构简单，油泵寿命长，工作压力低，不易泄露，消耗功率也较少，因此目前应用较为广泛。转向器是转向系中的减速传动装置。其功用是将驾驶员加在方向盘上的力矩放大，并减低转速，传给转向传动机构。常见的转向器有齿轮齿条式和循环球式。齿轮齿条式转向器结构简单、紧凑、质量轻，制造简单，操作灵敏度高，工作可靠属于可逆式转向器。液压助力转向系统的转向控制阀按照阀体的运动方式不同，转向阀分为滑阀式和转阀式两种。滑阀式转向控制阀的结构简单，工艺性较好，布置方便；而转阀式转向控制阀的灵敏度高，工作可靠，密封件少，结构更为先进，因此目前得到广泛的应用。汽车转向系的现状及其发展趋势1.机械式转向系统（MS）机械式的转向系统，由于采用纯粹的机械解决方案，为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘，这样一来，占用驾驶室的空间很大，整个机构显得比较笨拙，驾驶员负担较重，特别是重型汽车由于转向阻力较大，单纯靠驾驶员的转向力很难实现转向，这就大大限制了其使用范围。但因结构简单、工作可靠、造价低廉，目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使用7。2.液压助力转向系统（HPS）1953年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统，此后该技术迅速发展，使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。80年代后期，又出现了变减速比的液压动力转向系统。在接下来的数年内，动力转向系统的技术革新差不多都是基于液压转向系统，比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统(Variable Displacement Power Steering Pump)和电动液压助力转向(Electric Hydraulic Power Steering，简称EHPS)系统。变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下，泵的流量会相应地减少，从而有利于减少不必要的功耗。电动液压转向系统采用电动机驱动转向泵，由于电机的转速可调，可以即时关闭，所以也能够起到降低功耗的功效。液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞，布置更方便，降低了转向操纵力，也使转向系统更为灵敏。由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力，目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面存在不足7。3.汽车电动助力转向系统（EPS）EPS在日本最先获得实际应用，1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，并装在其生产的Cervo（牡鹿）车上，随后又配备在Alto（奥拓）上。此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的Delphi公司，英国的Lucas公司，德国的ZF公司，都研制出了各自的EPS。EPS的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。日本早期开发的EPS仅低速和停车时提供助力，高速时EPS将停止工作。新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。随着电子技术的发展，EPS技术日趋完善，并且其成本大幅度降低，因此其应用范围将越来越大7。4.线控转向系统（SBW）线控转向系统(Steering by Wire-SBW)是更新一代的汽车电子转向系统，线控转向系统与上述各类转向系统的根本区别就是取消了转向盘和转向轮之间的机械连接。该系统具有2个电机：路感电机和驱动电机。路感电机安装在转向柱上，控制器根据汽车转向工况控制路感电机产生合适的转矩，向驾驶员提供模拟路面信息。驱动电机安装在齿条上，汽车的转向阻力完全由驱动电机来克服，转向盘只是作为转向系统的一个转角信号输入装置。线控转向系统能够提高汽车被动安全性，有利于汽车设计制造，并能大大提高汽车的乘坐舒适性。但是由于转向盘和转向柱之间无机械连接，驾驶员感知汽车实际行驶状态和路面状况的“路感”比较困难；且电子器件的可靠性难以保证。所以线控转向系统目前处于研究阶段，只配备在一些概念汽车上。相信在未来的科技发展下它将取代电动助力转向系统，标配在所有汽车上7。1.2 液压助力转向系统的结构其实液压助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。其结构示意图如图1-1所示：图1-1 液压助力转向系统的结构示意图1-方向盘； 2-转向轴； 3-转向中间轴；4-转向油管； 5-转向油泵； 6-转向油罐； 7-转向节臂； 8-转向横拉杆； 9-转向摇臂； 10-转向器； 11-转向直拉杆； 12-转向减振器 转向操纵机构汽车转向操纵机构主要由从方向盘到转向传动轴这一系列零部件组成。如图1-2所示。它包括转向盘、转向柱、转向轴、上万向节、下万向节、和转向传动轴等。图1-2 转向操纵机构示意图1.转向盘转向盘由轮缘1、轮辐2和轮毂3组成，如图1-3所示。轮辐一般为三根辐条或四根辐条，也有用两根辐条的转向盘轮毂孔具有细牙内花键，借此与转向轴连接。转向盘内部是由成形的金属骨架构成，骨架外面一般包有柔软的合成橡胶或树脂，也有包皮革的（如图1-3c）。图1-3 转向盘的构造a-三根辐条；b-四根辐条；c-转向盘外观1-轮缘；2-轮辐；3-轮毂2.转向轴转向轴是连接转向盘和转向器的传动件，用以传递它们之间的转矩，如图1-1中2所示。3.转向器转向器是转向系中的减速传动装置。其功用是将驾驶员加在方向盘上的力矩放大，并减低转速，传给转向传动机构。常见的转向器有齿轮齿条式和循环球式，其结构简图如图1-4和1-5所示。图1-4齿轮齿条式转向器1-齿条；2-齿轮；3-补偿弹簧；4-调整螺钉；5-螺母；6-压板；7-防尘罩； 8-油封；9-轴承 图1-5 循环球式转向器1-上盖锁紧圈；2-上盖；3、9-推力球轴承；4、5-油封；5-螺杆轴；6-O型圈；7-加油螺塞；8-壳体；10-放油螺塞；11-摇臂轴； 12-垂臂；13-垂臂锁紧螺母；16、24-衬套；17-螺母；18-导管；19-螺钉；20-导管夹；21-钢球；22-侧盖衬垫；23-螺栓及垫圈；25-侧盖；26-密封螺母；27-调整螺钉；28-卡簧；29-垫圈；30-平垫片 转向传动机构转向传动机构的功用是将转向器输出的力和运动传动到转向桥两侧的转向节，使两侧的转向轮偏转，且使二转向轮的偏转角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能的小。转向传动机构的组成和结构因转向器位置和转向轮悬架类型而异。1.转向传动机构的组成与结构形式当采用独立悬架时，每个转向轮都需要相对于车架做独立运动，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臂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横拉杆带动，如图1-6所示。图1-6 与独立悬架配用的转向传动机构2.转向减震器转向减震器的作用是当车轮撞到不平路面时，吸收一部分能量并阻止冲击传到转向盘，如图1-6中所示。1.2.3转向控制阀的结构转向控制阀是在驾驶员的操纵下控制转向动力缸输出动力的大小、方向和增力快慢的控制阀。按阀体的运动方向，转向控制阀分为滑阀式和转阀式两种。1.滑阀式转向控制阀阀体沿轴向移动来控制油液流量的转向控制阀，称为滑阀式转向控制阀，简称滑阀式，其结构简图如图1-7所示。图1-7 滑阀式转向阀的结构（a为常流式，b为常压式）1-阀体；2-阀套；3-壳体；4、6-动力缸左右通道；5-通油泵输出管路通道2.转阀式转向控制阀阀体绕其轴线转动来控制油液流量的转向控制阀，称为转阀式转向控制阀，简称转阀，其结构简图如图1-8所示。图1-8 转阀式转向阀的结构1-阀体；2-扭杆；3壳体；A-通油泵输出管路的通道；B、C-动力缸左右侧的通道；D-储油罐的回油通道1.3 液压助力转向系统的工作原理 汽车直线行驶时图1-9直行时转向阀工作示意图汽车直线行驶时，转向器中阀芯与阀套的位置关系如图1-9所示。方向盘居中，低压液压油通过油泵成为高压液压油，经阀芯的凸台与阀套的凹槽之间的间隙，流向动力缸两端。由于方向盘居中，阀芯凸台两侧的间隙与阀套凹槽两端的间隙是相等的。即动力缸两端油压相等。动力缸中的活塞不移动，所以没有助力作用。液压油经阀芯与阀套之间间隙流回储油罐。汽车右转弯时图1-10右转时转向阀工作示意图汽车右转弯时，如图1-10所示。方向盘顺时针转动，阀芯通过转向输入轴也随之顺时针转动。由于扭杆分别与阀芯和小齿轮相连，所以小齿轮也应随着阀芯同向转动，但是由于车轮受到地面的转向阻力的作用小齿轮暂时没有转动，阀套通过轴销与小齿轮相连，故阀套也没移动。此时扭杆在方向盘的转向力矩和转向阻力力矩的作用下就会产生一个扭转角，即阀芯与阀套之间也有一个夹角。此时，转向阀的进油口与动力缸左侧的节流面积比右侧大，动力缸的左侧油压比右侧大，产生压力差，形成助力推动活塞向右移动，而活塞与齿条做成一体。齿条同时承受小齿轮的推力和活塞的推力，当二者的合力大于道路阻力时，就推着齿条向右移动。进而通过转向传动组件使轮胎右转。当方向盘转过某一角度保持不变时，齿条的位置也保持不变。扭杆由于方向盘的转向力矩的作用仍然有扭角，故转向器依然有助力作用。只是动力缸的活塞保持一定的位置不移动，液压油通过阀芯和阀套的间隙流回储油罐。 汽车左转弯时如图1-11左转时转向阀工作示意图汽车左转时，如图1-11所示。方向盘逆时针转动，其工作原理与右转时基本相同，只是扭杆产生一个相反的扭角，阀芯与阀套的转动方向相反，压力缸内产生一个相反的压力差，形成一个方向的助力推动齿条向左移动，进而使轮胎左转。1.4本章小结本章首先对汽车转向系进行概述并介绍转向系的发展历程和现状。其次介绍了液压助力转向系统的结构。再次对各种工况下液压助力转向器工作原理进行分析。2 试验台的机械系统和液压系统设计2.1液压助力转向试验台概述 实验台概述液压助力转向实验台主要有机械系统、液压助力系统、泵站系统、电动系统四部分构成。机械系统由方向盘、转向轴、转向万向节、转向输入轴、转向器、转向横拉杆、转向节、转向直拉杆、转向减震器、等组成。液压助力系统主要由转向阀、液压油、扭杆、齿轮齿条机构等组成。泵站系统主要是由油泵、储油罐、油管等组成。它主要是将低压油转换为高压油，为液压助力系统提供液压油。油泵通常采用可靠性较高的齿轮泵。电动系统主要由电动机、220v电源组成。通常汽车上都有两个电源：蓄电池和发电机，汽车各大系统的动力均来源于发动机。而本实验台主要针对汽车的液压助力转向系，所以本实验台只需用电动机来为液压助力转向系统提供动力即可。本实验台制作主要包括：机械系统的设计、液压系统设计、确定所需组件的规格和型号以及实验台的总体布置总体方案设计，在制作本实验台时，以结构简单，功能完整，制作成本低为原则。实验台的制作要有利于本专业的建设和发展，同时有利于对相关理论知识的巩固和完善，提高学生的学习积极性。2.1.2 液压助力转向实验台设计目标实验台模拟实际工作条件，所以试验台必须尽可能接近真实的情况。其具体设计目标如下：1.使用交流电动机为实验台提供动力；2.采用齿轮齿条式转向器、转阀式转向阀；3.采用常流式液压动力转向系的结构方案；4.能够模拟各种工作条件和测试实验的参数；5.收集到的实验数据尽可能很容易。2.2 机械系统设计 转向操纵机构设计1.转向盘从安全角度考虑，不仅要求转向盘应具有柔软的外表皮，可起缓冲作用，而且还要求转向盘在撞车时，其骨架能产生变形，以吸收冲击能量，减轻驾驶员的受伤程度。因此，本实验台方向盘采用四根辐条式的结构，其外表材料采用合成橡胶或树脂，这样有良好的手感，而且还可以防止手心出汗时打滑。2.转向轴近年来，由于公路的改善和汽车车速的提高，许多国家都制定了严格的安全法规。对于汽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。因此，本实验台采用转向轴分为上下两段，中间用柔性联轴节连接的转向轴。联轴节的上下凸缘盘靠两个销子与销孔扣合在一起，销子通过衬套与销孔配合。当发生撞击时，由于车身变形，导致转向轴方向盘等部件后移。与此同时，在惯性作用下驾驶员向前冲，致使转向轴的上下凸缘盘的销子与销孔脱开，从而缓和了冲击，吸收了冲击能量，有效地减轻了驾驶员的受伤程度。3.转向器循环球式转向器的正效率很高，可达90%95%，故操纵轻便，使用寿命长，工作平稳、可靠。但其逆效率也很高，容易将路面冲击力传到转向盘。而齿轮齿条式转向器的结构简单、紧凑，质量轻，制造方便，操纵灵敏度高，可靠性高，但传动比较小且可逆式转向器。因此，本实验台选用齿轮齿条式转向器。综上所述，本实验台转向操纵机构主要技术参数如表1所示：表1转向操纵机构主要技术参数项目技术参数方向盘直径400mm转向柱与方向盘连接三角花键齿数40个模数0.425mm螺母直径M16拧紧力矩45Nm动力转向器齿条工作行程 168mm齿条可移动总行程195mm方向盘转动总周数3.08周最小转弯半径5.5m空载时内轮最大转角4018空载时外轮最大转角3536转向传动机构设计1.转向摇臂转向摇臂是转向器传动副与转向直拉杆之间的传动件。转向摇臂的大端用锥形三角细花键与转向器中的摇臂的外端连接，其小端带有球头销，以便与转向直拉杆作空间铰链连接。2.转向直拉杆转向直拉杆是转向摇臂与转向节臂之间的传动杆件。在转向轮偏转而且因悬架弹性变形而相对车架跳动时，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。3.转向横拉杆转向横拉杆是转向梯形机构的底边。它由横拉杆体和旋装在两端的横拉杆接头组成。其中球头销的尾部与梯形臂相连。上下球头座用聚甲醛制成，有很好的耐磨性。2.3 实验台的液压系统设计液压助力系统设计助力转向系统是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，对转向传动机构或转向器中某一传动件施加不同方向的辅助作用力，使转向轮偏转以实现汽车转向的一系列装置。1.液压助力转向系统常压式液压助力转向系统的优点是系统中有储能器积蓄液压能，可以使用流量较小的转向油泵，而且在转向油泵不运转的情况下有保持一定的动力转向的能力。但系统工作压力高，易泄露，发动机功率消耗较大，因此目前只有少数重型汽车采用此种动力转向系统。而常流式液压动力转向系统结构简单，油泵寿命长，工作压力低，不易泄露，消耗功率也较少，目前应用较为广泛。因此，本实验台液压助力转向系统采用常流式液压助力转向系统。2.转向控制阀滑阀式转向控制阀的结构简单，工艺性较好，布置方便；而转阀式转向控制阀的灵敏度高，工作可靠，密封件少，结构更为先进，因此目前得到广泛的应用。根据比较，本实验台液压助力转向系统采用转阀式转向控制阀。3.转向油罐及转向液压泵转向油罐的作用是贮存、滤清和冷却助力油。一般转向油罐单独安装，也有和转向油泵安装在一起的。转向液压泵是液压动力转向系统的动力源。其功用是将发动机的机械能转变为驱动转向动力缸工作的液压能传给转向动力缸。转向液压泵通常安装在把发动机的前端。转向液压泵的形式有4中：滚柱式、叶片式、转子式和齿轮式。它们的工作原理都是利用容积的变化，把贮液罐众多的油吸出，压入油官中，从而形成流动的油流。油泵内部通常设有流量控制阀和安全阀。本实验台之所以选择齿轮泵为液压助力转向系统提供液压油是因为结构简单、紧凑，质量轻，制造方便，自吸力强，操纵灵敏度高，可靠性高，成本低。2.4本章小结本章首先概述液压助力转向实验台，同时提出试验台设计的目标，为后期实验台的制作指明方向，为实验台的调试作为参考指标。其次对机械系统和液压系统进行设计，机械系统主要包括转向操纵机构、转向器和转向传动机构；液压系统主要由储液罐、油管、油泵和转向控制阀组成。根据各部分机构的优缺点进行本实验台各部件的选择，使转向轻便，提高转向的操纵性，以提高实验台设计水平。3 实验台的制作与调试经过前面两章的分析和设计，本实验台所需要各部分零件和机构的总成均已确定。本章将根据各机构总成的分布方案先设计试验台台架，然后根据各机构的工作关系将其安装在试验台台架上，并且连接组装起来。3.1 试验台的制作试验台台架的制作图3-1 试验台架设计样图试验台架设计如图3-1所示，根据设计样图将方形钢按照设计参数截取，然后按照设计样图进行焊接，焊接完成后对试验台台架进行喷漆以防实验台台架锈蚀。 实验台的组装本实验台的油泵采用齿轮泵，电机采用单相双值电容电动机，型号：YL-90L4。 按照各机构组件的工作关系，运动关系和先后顺序对试验台进行组装，组装时应仔细检查各组件的安装方向，各个连接处一定要紧密连接，特别是液压组件一定要防止漏油。其组装完成示意图如图3-2所示。图3-2实验台示意图实验台的检查1.检查系统密封性转向系统密封性的检查，应在热工况下进行。将转向盘快速朝左、右两侧转至极限位置，并保持不动，此时可产生最佳管内压力。目测检查转向控制阀、齿条密封（松开波纹管软管夹箍，再将波纹管推至一旁）、叶轮泵、油管接头是否有漏油现象，如有渗漏应更换密封件。如果发现储油罐中缺少ATF油时，应检查转向系统的密封性是否完好。当转向器主动齿轮不密封时，必须更换阀体中的密封环和中间盖板上的圆形绳环。如果转向器罩壳中的齿轮齿条密封件不密封，ATF油液可能流入波纹管套里，此时，应拆开转向机构，更换所有密封环。如油管接头漏油，应查找原因并重新接好。2.检查转向油泵压力（1）将压力表装到连接管阀体和弹性软管之间的压力管中。（2）起动电动机，快速关闭截止阀（关闭时间不超过5min），并读出压力数，表压额定值为6.88.2MPa。如果没有达到额定数值，就应检查压力和流量限制阀是否完好。如不正常应更换压力和流量限制阀，或更换齿轮泵。3.检查系统压力当启动电动机工作时，打开压力表节流阀，使转向盘向左或右旋转极限位置，同时读出压力表上的压力。额定值表压为6.88.2MPa。如果向左或右边的额定值达不到要求，就要修理转向器或更换总成。3.2 实验台的调试实验台制作完成以后，要仔细检查各个机构总成的安装位置和方向是否正确以及各个机构之间的工作关系和运动关系是否正常。在确定各个机构都能正常的工作和运动之后还要对试验台进行调试。调试可以分成三步进行，第一步对机械系统进行调式，机械系统结构简单，调试比较方便，只要各个部件之间不存在干涉就行。第二步对液压系统进行调试，液压系统是本实验台的重点，其结构复杂，是调试的关键所在，也直接影响试验台制作的成败。第三步对试验台总体进行调试，这样可以检测出实验台的设计缺陷，以便弥补。机械系统调试机械系统结构比较简单，调试也比较方便。仔细检查机械组件安装的位置方向都正确后，转动方向盘，看各连接件和传动件的工作和运动是否正确，车轮的偏转方向是否符合实验台设计的要求。如不符合要求，根据实际情况检查相应的机构部件的安装是否正确并进行相应的调整。综上所述，经检查调试本实验台制作时各部件安装都正确。转动方向盘时，各连接件和传动件都能按照实验台设计要求进行工作和运动。液压系统的调试液压系统结构复杂、是调试的关键所在。仔细检查液压元件、油泵、油罐和油管的连接，特别是液压元件与油管的连接处，一定要连接紧密、密封性要好，不得出现漏油、漏紧、漏装的现象。因为液压系统的工作压力高，一旦连接不好就会出现漏油，不安全、有污染。仔细检查之后，接通电源，打开电机开关，让电机为油泵提供动力，此时转动方向盘，进行左右转向，如果感觉转向轻便则液压系统正常；如果转向还是很沉重，则液压系统有问题，需要进行检查和检修，直到转向轻便为止。总体调试总体调试实际就是实验台实验调试，机械系统和液压系统调试成功说明实验台的初步制作完成。总体调试其目的在于检验实验台能否完成设计时的实验内容，如果实验台总体调试成功的话说明此实验台是制作成功的，否则是失败的。1.转向器总圈数的测定在方向盘上安装转向参数测试仪，顺时针转到底，读取方向盘转过的的角度并记录，再逆时针测一次读取角度并记录。反复多次测量取平均值计算转向器的总圈数。实验数据如下表所示；单位：度。表2转向器总圈数12345顺时针510511509499505逆时针512515517515513综合10221026102610141018平均值1021由测量数据经计算转向器的总圈数为3.08圈。2.自由间隙的测定将转向器的输出端固定不动，将转向测量仪安装在方向盘上，在方向盘上施加一定转矩，将方向盘依次沿顺时针和逆时针转动到最大能转动的位置并记下转向仪的数据，多次测量取平均值。实验数据如下表所示；单位：度。表3 自由间隙123数据5.76.05.9平均值5.873.转向模拟实验本实验台进行转向模拟实验时，首先接通电源，打开电动机开关，使电动机工作为油泵提供动力。然后转动方向盘进行转向模拟实验。也可以关闭电动机开关，油泵不工作，转动方向盘，此时会感觉方向盘转向沉重，吃力。这是因为道路阻力通过转向传动件给转向齿轮施加了一个阻力力矩，所以感觉转向吃力沉重。3.3 本章小结本章主要对试验台架进行设计焊接，对试验台进行组装调试。这个过程比较复杂，在试验台制作时一定要注意安全，特别是焊接的过程。实验台台架制作完成后要对台架进行喷漆以防锈蚀。之后要对试验台进行组装，组装时按照工作顺序和运动关系进行组装。组装完成后要对试验台进行初步的检查，以确定实验台组装正确。最后，要对试验台进行调试，这是检查实验台是否符合要求的关键，调试都没有问题才能说明实验台是制作成功的。4 液压助力转向实验台的试验设计本章将通过前面两章机械系统的设计和液压系统的设计，以及其结构和工作原理分析，介绍所设计的实验台的预期目标、实验内容，以便后期安装和调试。其目的在于验证实验台系统的功能和可靠性。这样可以进一步的对所设计的实验台进行优化设计，提升试验台的设计水平，提高实验台系统的可靠性。4.1液压助力转向实验台的内容4.1.1转向器的圈数测定转向器的圈数在一定的程度上决定着汽车转向性能，即汽车转向轮的偏转角度。齿轮与齿条啮合，齿轮所转过的圈数决定齿条横向的位移，进而决定着转向轮的偏转角度。因此，同一规格和型号的转向器一旦设计完成，其输入端和输出端的工作关系就已经确定，无法更改。如果转向器的圈数低于设计时的圈数，那么将直接导致齿条的横向位移较小，转向轮的偏转角度也减小，从而使汽车的最大偏转角度减小，汽车的转向性能大大降低。所以转向器的总圈数的测定试验是很重要的，它直接影响实验台的性能和可靠性。在安装时，将转向器安装在试验台台架上，输出端不加任何负载。将方向盘向任何一方打死，然后再缓慢的向另一端打死，在这一过程中记录转向器的圈数，即为转向器的总圈数。4.1.2转向器间隙的测定转向器的间隙是衡量汽车转向性能的一个重要参数。转向器的间隙过大，将延长汽车转向滞后的时间，从而大大的降低汽车转向的灵敏度，影响汽车的操纵性能。转向器的间隙过小，当车轮遇到地面的冲击时，很容易将冲击传递给驾驶员，造成驾驶员的紧张，如果长时间这样容易使驾驶员恐慌。因此，转向器的间隙尽可能的适当，这样一来有利于缓冲路面的冲击。将转向器的输出端固定，方向盘居中。依次将方向盘施加一定的转矩，依次向两个方向转动。测得的角度就是转向器间隙形成的角度。4.1.3转向道路阻力模拟实验汽车转向系的性能是影响汽车操纵稳定性的重要参数，转向道路阻力模拟实验是本实验台重要试验。目前测试汽车转向道路阻力的试验台是汽车行业内研究的热点课题。能够精准的进行转向道路阻力的模拟与仿真是试验台设计的关键所在。本节将介绍国内外的模拟试验台及其优缺点并进行模拟方案比较设计本实验台的模拟方案。1.弹簧加载系统 弹簧加载系统是主要是利用弹簧的形变产生的阻力来模拟转向时的道路阻力和方向盘回正时的回正力。这种装置结构简单、成本低，但是弹簧产生的模拟阻力与其产生的形变量成正比，而且一旦弹簧选定，其弹性系数是不可更改，即其产生的模拟阻力是固定。因此不能模拟汽车在各种工况下的模拟阻力25。 2.软件模拟系统软件模拟系统主要用电脑程序、各种力学模型以及各种工况环境条件进行模拟。这种方法简单、易操作、灵敏度高，但成本非常高，一台设备就得几万块甚至更高25。3.电液伺服加载系统电液伺服加载系统主要由传感器、控制单元和执行器组成，如图4-1所示。图4-1 电液伺服加载系统其中控制单元为电脑（ECU），执行器为电液伺服阀。传感器将收集到的各种信号传递给ECU，ECU分析处理信号并产生执行指令传递给电液伺服阀，电液伺服阀受到指令后控制其流量，从而控制动力缸的运动实现加载。这种方法能够精确的模拟转向阻力25。4.磁粉制动器加载系统磁粉制动器加载系统主要由转向器、各种传感器和磁粉制动器组成，如图4-2所示。图4-2 磁粉制动加载系统各种传感器将收集到的信号传递给计算机，计算机分析处理这些信号并产生执行信号传递给磁粉制动器，磁粉制动器利用电磁原理产生转矩作用在转向器上从而实现加载的目的。这种方案虽然可以模拟各种工况下的转向阻力但是其缺点在于磁粉一旦受潮后将直接影响整个系统的性能和可靠性25。5.液压加载系统液压加载系统主要由加载装置、转向系总成、测试系统和各种传感器组成，如图4-3所示。加载装置其模拟道路转向阻力是由加载装置直接向车轮提供。加载装置中有测量轴荷的传感器，其上端可以添加水泥和沥青，以模拟不同的路面环境阻力。转矩传感器将转向阻力传递给测试系统。这种模拟系统结构复杂、工作压力高、易泄漏25。图4-3 液压加载系统6. 电机伺服加载系统电机伺服加载系统在转向摇臂上加一个负载力矩，此力矩是由伺服电机提供，用以模拟转向阻力。模拟转向时，采用脉宽制调节伺服电机的转速并通过反馈控制保证加载的准确性。这种系统控制方便、精度高、调节灵活，系统的可靠性高，无污染25。以上介绍了六种模拟转向阻力的试验台并总结了它们各自的优缺点，综合考虑以上六种方案有的成本高，精度高，有的成本低精度差，笔者认为成本高和精度高的适合做汽车转向系性能的检测，但不适合本实验台模拟实验。本实验台转向阻力试验不需要精确数据，只须区别有助力和没有助力情况下转向的轻便型即可。本实验台进行模拟转向阻力实验时，首先关闭电机，不让电机为油泵提供动力，这样一来液压助力系统就不工作，此时转动方向盘进行转向时就会感觉转向沉重。当打开电机开关时，电机为油泵提供动力，液压助力系统工作，此时若转动方向盘进行转向时就会感觉转向十分轻便。这种实验方案转向阻力直接由车轮和地面的摩擦力产生，当车轮的轴载荷越大时，转向阻力也越大。本实验台除了做以上实验外还可以进行液压助力转向系的结构和原理的认识、转向系的拆装和维护等试验。4.2转向系的拆装实验方向盘和转向柱的拆装与检查1.转向柱的拆卸（l）向下按橡皮边缘，撬出盖板。（2）取下喇叭盖，拆卸喇叭按钮及有关接线。（3）拆下转向盘紧固螺母，用拉器将转向盘取下。（4）拆下组合开关上的三个平口螺栓，取下开关。（5）拆下阻风门控制把手手柄上的销子，然后旋下手柄、环形螺母，取下开关。（6）拆下转向柱套管的两个螺钉，拆下套管。（7）将转向柱上段往下压，使上段端部法兰上的两个驱动销脱离转向柱下端，取出转向柱上段。（8）取下转向柱橡胶圈，松开夹紧箍的紧固螺栓，拆下转向柱下端。（9）用水泵钳旋转卸下弹簧垫圈，卸下左边的内六角螺栓，旋出右边的开口螺栓，拆下转向盘锁套。2.转向柱的检查检查转向柱有无弯曲、安全联轴节有无磨损或损坏、弹簧弹性是否失效，如有则应修理或更换新件。3.转向柱的安装安装应基本按拆卸的相反顺序进行，但同时应注意以下几点：（1）转向柱与凸缘管应一起安装，并用水泵钳连接起来。（2）应将凸缘管推止转向机构主动齿轮上，夹紧箍圈口应向外，注意不可用手掰开夹箍。（3）转向柱管的断开螺栓装配时，应将螺栓拧紧至螺栓头断升为止，然后拧紧圆柱螺栓。（4）车轮应处于直线行驶位置，转向灯开关应处在中间位置，才可装转向盘，否则在安装转向盘时，当分离爪齿通过接触环上的簧片时，有可能造成损坏。（5）应更换所有的自锁螺母和螺栓，转向支柱如有损坏，不能焊接修理。动力转向器的拆卸和安装1.动力转向器的拆卸（l）排放转向液压油（ATF润滑油）；（2）拆下固定横拉杆的螺母；（3）拆卸左前轮罩处的转向器固定螺栓；（4）松开在转向控制阀外壳上的高压油管；（5）拆卸后横板上固定转向器的左边自锁螺母； （6）拆卸紧固齿条与转向横拉杆的螺栓； （8）拆卸紧固转向小齿轮与下轴的螺栓，并使各轴分开；（9）拆卸防尘套。拆卸固定转向控制阀外壳上回油软管的泄放螺栓； （10）拆卸后横板上转向器的固定自锁螺母； （11）取下转向器。2.动力转向器的安装安装时应注意：油泵上和在转向控制阀上固定泄放螺栓的密封环只要被拆卸，就应该更换。（l）安装后横板的转向器，安装自锁螺母不必完全拧紧。（2）在转向油泵上安装高压和回油软管，并用40Nm的力矩拧紧螺栓，并使用新的密封圈；安装在左前轮罩上的转向器固定螺栓，并用20Nm的力矩拧紧螺母，安装在后横板上转向器固定自锁螺母，并且用40Nm的力矩拧紧螺母；把高压管固定在转向控制阀外壳上。（3）用40Nm的力矩拧紧在后横板上转向器的固定螺母；安装横拉杆支架固定螺栓，并用45Nm的力矩拧紧；从车辆内部把回油软管安装在转向控制阀外壳上；安装保护网（防尘套）；连接下轴，安装固定螺栓并用25Nm的力矩拧紧；安装踏板盖。通风管和仪表板（4）安装固定横拉杆支架的自锁螺母，并用45Nm的力矩拧紧。（5）向储油罐内注入ATF油，直到达到标有“Max”处。决不要再使用已排出的ATF油。（6）在断开电源的情况下转动转向盘数次，以便把系统中存在的空气排出，并补充ATF油，使之达到标有“Max”处。（7）打开电源，完全向左和右转动转向盘，观察油面高度，一直操作到油面稳定在标有“Max”处为止。3.转向器齿轮密封圈的更换（l）拆卸转向器。把转向器固定在台虎钳上，并拆卸弯曲棒的锁销；（2）拆卸转向控制阀总成；（3）拆卸转向控制阀外壳的密封圈；（4）使用专用工具VW065和塑料铆头，把新的密封圈安装在转向控制阀外壳上。4.转向油泵的更换（1）转向油泵的拆卸 l）拆卸油泵上回油软管的高压软管的泄放螺栓，排放ATF润滑油； 2）拆卸转向油泵前支架上的张紧螺栓；3）拆卸转向油泵后支架上的固定螺栓；4）松开转向油泵中心支架上的固定螺母和螺栓；5）取下油泵。5.转向油泵的安装转向油泵安装顺序与拆卸顺序相反。转向油泵安装完毕后应调整转向油泵V形带的张紧度，并加注ATF油液。（1）转向油泵V形带的调整 1）松开转向油泵支架上的后固定螺栓2）松开专用螺栓的螺母3）通过张紧螺栓把V形带绷紧，当压在V根带中间处，皮V形带应有10mm挠度为合适。4）拧紧专用螺栓的螺母。拧紧转向油泵支架上的固定螺栓。（2）储油罐的拆卸松开储油罐的安装支架螺栓和储油罐进油、回油软管夹箍，从台架上拆下储油罐4.3液压助力转向实验台常见故障与排除液压助力转向实验台常见故障与排除见表4所示。表4液压助力转向实验台常见故障与排除故障现象故障原因故障排除方法转向沉重1.转向器故障 齿轮轴上无单列向心轴承或滚针轴承调整、安装过紧或已损坏 补偿弹簧力过大，或齿条变形量过大 转向器润滑不良 转向柱弯曲或转向柱管凹陷检查调整或更换调整或更换添加润滑油校正或更换2转向传动机构故障 转向传动横拉杆球铰配合过紧，润滑不良 横拉杆弯曲 悬架支柱变形过大或转向臂变形过大调整，加注润滑油校正或更换更换3其他原因 前轮定位失准 轮胎气压偏低 前轮轴承过紧检查调整前轮定位充足气压检查调整润滑转向盘自由行程过大齿轮与齿条啮合间隙过大球铰磨损严重配合松旷横拉杆与支架配合松旷调整检查调整检查调整转向不灵敏操纵不稳定转向器松动齿轮与齿条啮合间隙变大球铰磨损松旷轮毂轴承松旷悬架系统变形或松旷前轮定位失准检查紧固检查调整补偿弹簧检查调整检查调整检查调整检查调整高速摆振（转向盘抖动）前轮不平衡前轮轮辋发生拱曲变形传动机构松旷减振器损坏悬架弹簧弹性不足或断裂前轮定位失准传动轴弯曲动不平衡过大转向器松动平衡前轮更换轮辋检查调整更换减振器更换弹簧检查调整更换检查紧固动力转向沉重或助力不足油泵V形带松弛储油罐油面过低油泵压力不足压力控制粘结外泄漏过大内泄漏过大转向轴衬套太紧前悬架变形液压系统内有空气调整V形带张紧度补充液压油至规定高度检修油泵检修压力控制阀，必要时更换找出泄漏处修理找出泄漏处，修理或更换零件检修或更换修理排除动力转向装置噪声油泵