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第二十三章 汽车转向系统 第1节 概 述 保证汽车能按驾驶员的意愿进行直线或转向行驶 。 汽车转向系统的功用：？ 汽车转向系统的定义： 用来改变或者恢复汽车行驶方向的专设机构的总称。 1.1汽车转向系统类型和组成 按汽车转向系统能源的不同分为： 机械转向系统 动力转向系统 以驾驶员的体力为转向能源，其中所有的传力件都是 机械零件。 兼用驾驶员的体力和发动机(或电动机)动力为转向能 源，其转向系统中需要增加动力转向装置。 a.汽车转向系统的分类 万向传动装置(转向万向节和转向传动轴)作用： 方便布置； 消除安装误差和安装支架变形引起的 不利影响； 可以方便的实现转向盘和转向器等部 件的通用化和系列化。 b.汽车转向系统的组成 机械转向系统的组成: 方向盘； 转向管柱； 转向轴； 转向传动轴; 转向万向节。 转向摇臂； 转向直拉杆； 转向节臂； 转向梯形机构。 转向传动机构 转向操纵机构 转向器 采用非独立悬架 采用非独立悬架的机械式转向系统工作过程 采用独立悬架的 机械转向系统： 左、右横拉杆 1.2两侧车轮偏转角之间的理想关系 为避免在汽车转向时加大对车轮 的磨损，希望汽车转向时每个车轮 都作纯滚动。即要求所有车轮的轴 线都相交于一点。 cot=cot+B/L 汽车内轮转角与外轮转角 之间的关系如下： B两侧主销轴线与地面相交点的 距离； L汽车的轴距。 R为汽车转弯半径； O为汽车转向中心。 汽车最小转弯半径： 当外转向轮偏转角达到最大值 max时，转向半径最小: Rmin=L/sinmax 汽车转弯半径： R=L/sin 只用前轴转向的三轴汽车，由于 中、后轮总是平行的，因此不存 在理想的转向中心。 计算转向中心时用一个与中、 后轴线等距的平分线作为假想轴 线。 第一、第三轴为转向桥的三轴汽车 cot1=cot1+B/L1 cot2=cot2+B/L2 前轴 后轴 转向梯形需要满足上式 的设计要求。 L1、L2分别为一轴、三轴 到二轴的距离。 前轴: cot1=cot1+B/L1 后轴: cot2=cot2+B/L2 第一、第二轴为转向桥的四轴汽车 以三四轴之间的平分线为转向基线。 1.3 转向系的角传动比 转向盘转向器 转向摇臂转向节 转向系角传动比i ：转向转向 盘转角增量与同侧转向节盘转角增量与同侧转向节 相应转角增量之比相应转角增量之比 i= i1*i2 转向系角传动比越大，转向越省力，但转向灵敏 度降低。i1较大，货车为16-32，轿车为12-20；i2 较小，一般为1。 转向器角传动比i1 ：转 向盘的转角增量与转向摇 臂转角的相应增量之比 转向传动机构角 传动比i1 ：转向 摇臂转角增量与转 向盘所在一侧的转 向节的转角相应增 量之比。 转向盘的自由行程 定义： 转向盘空转阶段的角行程，称为转向盘的自由行程。 作用： 可以缓和路面冲击，避免驾驶员过分的紧张和疲劳；但过大转向盘 自由行程会降低转向灵敏度。转向盘自由行程比较理想的情况是不超过 1015。当零件磨损使转向盘自由行程超过2530时必须进行调整 。 产生原因： 转向系统中传动件之间存在安装间隙。在转向开始阶段，所施加的转向 力矩很小，用来克服转向系统内部摩擦，使个传动件开始运动直到间隙 完全消除。 2.1 转向操纵机构 a.转向操 纵机构: 转向盘到 转向器之 间的所有 零部件总 称。 第2节 转向操纵机构 1. 转向盘 1.轮缘 2.轮辐 3.轮毂，轮毂细 牙内花键与转向 轴连接 转向盘上装有喇叭按钮，有些 轿车的转向盘上还装有车速控 制开关和安全气囊。 汽车碰撞时，转向盘骨 架应该发生变形，以吸 收碰撞的能量。 转向盘内部由成形的 金属骨架构成，外面 包柔软材料。 转向柱管固定在车身上，支承 着转向盘； 转向轴是连接转向盘和转向器 的传动件；转向轴从转向柱管 中穿过，支承在柱管内的轴承 和衬套上。 2. 转向轴、转向柱 管及其吸能装置 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。 方向盘 转向管柱 转向管支架 支座 橡胶垫 转向操纵 机构支架 转向轴 转向管柱 转向轴衬套 (1) 转向轴错位缓冲 当发生猛烈撞车时，转向轴上的上、下凸缘盘的 销子与销孔脱开，缓和冲击，吸收冲击能量。 上凸缘盘 下凸缘盘 转向传动轴分为上、下两段，下转向传动轴装在上转向传动 轴的孔中，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，吸收冲击能 量。 (2) 转向轴错位和支架变形缓冲 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。 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。 (3) 转向柱管变形吸收冲击能量并缓冲 网格状转向柱管波纹管式转向柱管 转向器的传动效率 转向器的输入功率与输出功率的比值称为转向器的效率。 转向器的正效率： 功率由转向轴输入，由转向传动机构（如转向横拉杆或摇臂）输出的 传动效率； 转向器的逆效率： 功率由转向传动机构输入，由转向轴输出的传动效率 。 1. 转向器传动效率 第3节 转向器 可逆式转向器：逆效率很高的转向器，可以将路面阻力完全反 馈到转向盘，驾驶员路感好，可以实现方向盘的回正，但可能 发生“打手”现象。 u现代汽车一般不采用不可逆转向器，大部分采用可逆式转向器，部分 越野车辆采用极限可逆式转向器。 不可逆转向器：逆效率很低的转向器，让驾驶员丧失路感，无 法根据路面阻力调整方向盘转距；方向盘不会回正。 极限可逆式转向器：逆效率略高于不可逆式的转向器，可以获 得一定的路感，转向盘可自动回正。 转向器的分类： 2. 转向器 齿轮齿条式转向器； 蜗杆曲柄指销式转向器； 循环球式转向器。 转向器是转向系的减速传动装置，一般有12个减速传动副。 a.齿轮齿条式转向器 传动副：转向齿轮(主动件)、转向齿条(从动件) 。 转向齿条通过两 点支承在壳体上 ：橡胶支承套、 齿轮齿条啮合点 。 弹簧通过垫片、 压块将齿条压靠 在齿轮上，保证 无间隙配合。弹 簧预紧力用调整 螺钉调节，螺钉 端部起到限位作 用，防止跳齿。 转向器通过两个U形支架和橡胶管支承并固定在副车 架上，转向齿轮与转向轴和转向盘连接，两个转向 横拉杆分别通过球头销与转向齿条的两端相连。 转向器总成 侧面输入两端输出； 中间输入两端输出； 侧面输入中间输出； 侧面输入一端输出。 齿轮齿条式转向器 的四种结构型式： 转向拉杆用螺栓固定 在转向齿条中部，齿 条移动带动左右横拉 杆移动，实现转向。 齿轮齿条式转向器特点 1. 结构简单紧凑、质量轻，刚性大。 2. 转向灵敏，正、逆效率都较高，制造容易，成 本低。 3. 省略了转向摇臂和转向直拉杆，使转向传动机 构简化，适合与麦弗逊式独立悬架配用，常用于 轿车、微型货车和轻型货车。 b.蜗杆曲柄指销式转向器 传动副 主动件：转向蜗杆； 从动件：指销。 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。 双指销式转向器: 每个指销所承受的载荷 小，因此寿命长； 一个指销脱离啮合，另 一个指销仍保持啮合，在 采用同样的蜗杆时，运动 范围大，所以当行程固定 时蜗杆较短； 对蜗杆加工精度要求高 。 用来调整轴承的预紧度， 使指销能自由转动并无明 显的轴向间隙。 用来调整指销和蜗杆的啮 合间隙。 c.循环球式转向器 一般采用两级传动：第一级为 螺杆螺母传动副；第二级为齿 条齿扇传动副。 在螺杆和螺母上都加工近似半圆 形的螺旋槽 (P289页图)，两者 相配合形成近似圆形的螺旋管状 通道中装入许多钢球。 螺母的侧面有两对通孔，可将钢 球塞入螺旋通道中，两根U形钢 球导管的两端插入螺母侧面的两 对通孔中，导管内也装满钢球。 转向螺杆转动时，通过钢球将力 传给转向螺母，使螺母沿轴向移 动。同时，在螺杆、螺母和钢球 间的摩擦力矩作用下，所有钢球 便在螺旋管状通道内滚动，形成 “球流”。 转向螺杆支承在两个推力角接触球轴承上，轴承预紧 度用调整垫片调整。 解放CA1040系类轻型载货汽车循环球-齿条齿扇式转向器 旋入，齿扇轴右移，啮合间隙减小，反之，增大 (P278页图) 正传动效率高达90%95%，操纵轻便，转向省力； 寿命长，工作平稳可靠； 逆效率也很高，容易打手； 适合用于经常在平坦路面上行驶的中、轻型载货汽车上。 循环球式转向器特点： 从转向器到转向节之间的所有传动杆件(不含转向节)总称为转向传动机构 第4节 转向传动机构 功用：将转向器输 出的力和运动传到 转向桥两侧的转向 节，使转向轮偏转 ，并使两转向轮偏 转角按一定关系变 化，以保证汽车转 向时车轮与地面的 相对滑动尽可能小 。 转向传动机构的组成和布置，因转向器 位置和转向轮悬架类型不同而异。 1. 与非独立悬架配用的转向传动机构 由转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂和转向梯形等零部件组成，其中转 向梯形由梯形臂、转向横拉杆和前梁构成。 前桥为转向桥前桥为转向驱动桥转向直拉杆横置 转向梯形布 置在前桥后 ，在汽车直 线行驶状态 ，900 转向梯形布 置在前桥前 ，在汽车直 线行驶状态 ，900 转向摇臂在与 道路平行的水 平面内左右摆 动。 a.转向摇臂 转向器传动副与直拉杆之间的传动件。 循环球式转向器和蜗杆曲柄指销式转向器 通过转向摇臂与转向直拉杆相连。转向摇 臂的大端与转向器摇臂轴采用锥形细三角 花键连接，以调整安装位置到正确角度、 同时起到压紧和定位的作用。小端通过球 头销与转向直拉杆作空间铰链连接。 b.转向直拉杆 转向摇臂与转向节臂之间的传动杆件，具有传 力和缓冲作用。 球头销连接避 免空间运动的 干涉，压缩弹 簧补偿球头和 座的磨损，保 证无间隙配合 ，弹簧预紧力 用端部螺塞调 整，开口销固 定螺塞位置。 转向节臂球头销 前端后端 两个压缩弹簧分别沿轴线的不同方向起缓冲作用。 c. 转向横拉杆 转向梯形机构的底边，由横拉杆体和旋装在两端的 横拉杆接头组成。长度可调，可用来调整前轮前束 上下球头座用聚甲醛 制成，耐磨性好。 弹簧保证球头与球头 座紧密接触，预紧力 由螺塞调整。 两接头用螺纹与横拉 杆体连接，一端为左 旋，一端为右旋，当 转动横拉杆体，可调 整横拉杆的长度，可 以调整前轮前束 与梯形臂相连 球头座是刚制的； 螺孔切口两边无耳孔，用螺栓通过冲压制成的卡箍夹紧在横拉杆体上， 简化接头的结构和制造工艺。 2. 与独立悬架配用的转向传动机构 为了满足转向轮独立运动的需要，转向桥是断开式的，转向传动机构中的 转向梯形也必须断开。与独立悬架配用的多数是齿轮齿条式转向器，转向 器布置在车身上，转向横拉杆通过球头销与齿条及梯形臂相连。 直拉杆 采用循环球式转向器 摇杆前端固定于车架 横梁中部，后端借球 头销与转向直拉杆和 左右横拉杆相连，转 向横拉杆通过球头销 与梯形臂连接。 弹簧用来压紧球头 座、吸收路面冲击 将发动机输出的部分机械能转化为压力能（或电能），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辅助作用力，使转向轮偏转，以 实现汽车转向的一系列装置。 a.动力转向系统的定义 1. 动力转向系统概述 b.动力转向系统的作用 减轻驾驶员的转向操纵力，提高驾驶舒适性。 c.动力转向系统的类型 v液压助力转向系统（油泵） v气压助力转向系统（压缩机） v电动机助力转向系统（发电机） 第5节 液压助力转向系统 d.对动力转向系统的要求 动力转向系统只有在汽车转向时才提供转向力； 动力转向系统的响应要迅速； 根据汽车转向阻力的不同，动力转向系统应有不同的输出 力。车速低或路面条件不好时，动力转向系统的输出力要 大，要提供大部分的转向力；车速高时，动力转向系统的 输出力要小，避免驾驶员失去转向路感。 动力转向系统密封要好，避免漏油。 （1） 液压助力转向系统的组成和分类 a.汽车液压动力转向系统根据系统内部的压力不同分为： 常压式液压动力转向系统 常流式液压动力转向系统 组 成 机械式转向器 动力转向装置 转向控制阀 转向动力缸 转向油泵 油罐和油管 常压式液压助力转向系统 组成：油罐、油泵、储能器、控制阀、动力缸等。 系统工作管路中 总是保持高压。 不转向时，转向 控制阀处于关闭 状态，只要转向 ，系统就给转向 动力缸供压力， 转向控制阀壳体 与车轮有连接关 系，壳体与阀同 向运动，反应迅 速。 车辆直线行驶时车辆转向行驶时 常流式液压助力 转向系统 转向油泵始终处于 工作状态。 不转向时，转向控 制阀保持开启，活 塞两边与低压管路 接通，转向油泵基 本处于空转状态， 系统中压力很小。 转向时，动力缸的 工作腔与油泵相通 ，而与回油管路隔 绝，另一腔与油泵 隔绝，与回油管路 相同，建立压力。 汽车直线行驶时 汽车转向行驶时 b.常压式与常流式液压动力转向系统的比较 常压式液压动力转向系统： 优点： 系统中一直存在油压，响应快。 用储能器积蓄能量，可是用较小的油 泵；油泵不运转情况下可以保持一定 的转向加力能力。 缺点： 容易引起压力漏油； 油泵总要保持系统的压力，会降低油 泵的寿命； 储能器占用一定的空间； 燃油消耗率高； 应用： 少数重型汽车。 常流式液压动力转向系统： 优点： 结构简单； 油泵寿命长； 泄漏少； 消耗功率低。 缺点： 转向后才建立系统压力，响应慢； 为提高相应的速度需要使用较大的油 泵； 应用： 广泛用于各种汽车。 （2）液压动力转向系统的转向控制阀 转向控制阀按结构分为： 滑阀式转向控制阀； 转阀式转向控制阀。 阀体沿轴向移动来控制油液流量的转向控制阀，简称滑阀。 a.滑阀式转向控制阀 常流式滑阀 扭杆 阀体 壳体 转阀结构： 4个连通的进油通道A； 4个通道B、C与动力缸的左右 腔相连； 4个回油道D； 中空阀体与储油罐相连。 阀体绕其轴线转动来控制油液流 量的转向控制阀，简称转阀。 b.转阀式转向控制阀 DD D D 当阀体顺时针转过一 个小角度会发生什么 情况？ 滑阀式转向控制阀： 特点：滑阀式转向控制阀靠阀体的移动控制油液流量。 结构简单，工艺性好，布置方便，需要较大的轴向安 装和运动空间。 特点：转阀式转向控制阀靠阀体的转动控制油液流量。 灵敏度高，密封件少，体积小，结构更先进，加工要 求精度高，目前得到广泛应用。 转阀式转向控制阀： （3） 常流式液压动力转向系统的布置方案 按机械转向器、转向控制阀和动力缸的三者的组合及 相对位置关系，分为三种： v整体式动力转向器； v半整体式动力转向器； v转向加力器。 整体式动力转 向系统 机械转向器 转向控制阀 转向动力缸 半整体式动力 转向系统 机械转向器 转向控制阀 转向加力器 转向控制阀 转向动力缸 单向阀：又称短路阀，是在动力转向系 统正常工作时关闭，失效时自动打开， 以弥补动力缸吸油缸的真空度(因油罐 油不能正常通过油泵)，即将不工作的 油泵短路。 流量控制阀：限定转向油泵的最大流量 安全阀：限定转向油泵的最大压力 组装在转 向油泵内 机械转向器 转向油泵 转向动力缸 转向控制阀 转向节臂 横拉杆 转向加力器 转向加力器 2.整体式动力转向器 转向油缸 转向油泵 机械转向器 转向控制阀 转向动力缸 整体式 转向动力缸活塞与转向齿条 制成一体，活塞将转向动力 缸(即转向器壳体)分成左右 两腔； 转向动力缸的助力直接作用 在齿条上，齿条的动力由一 端输出 捷达轿车整体式动力转向器示意图 转向动力缸动力缸活塞转向齿轮 转向齿条 流量控制阀( 带安全阀) 转 向 油 泵 回油管路 进油管路扭杆转向轴 阀芯 阀套 转向油罐 齿轮齿条式机械转向器、转向动力缸和转向控制阀制成一体。 转阀结构 扭杆用销2与转向齿轮连接， 用销7与阀芯连接，阀芯与转 向轴末端固定在一起，因而转 向轴通过扭杆带动转向齿轮转 动。 汽车直线行驶时： 转向阀处于中立位置，使动力缸左右两腔相通，输入阀体的油 液经回油管路流回转向油罐。（常流式转向阀） 转向动力缸动力缸活塞转向齿轮 转向齿条 流量控制阀( 带安全阀) 转 向 油 泵 回油管路 进油管路扭杆转向轴 阀芯 阀套 转向油罐 汽车右转向行驶时： 转动方向盘转向轴和阀芯转动扭杆扭转变形 转阀开始工作，动力油缸左腔进入高压油，右腔与回油管路连通 液压作用力使转向齿条右移， 转向轮右偏转， 同时，转向齿轮 与转向轴同向转动，实现转向。 3.转向油罐和转向油泵 转向油 罐和油 泵是实 现动力 转向的 必备部 件。 转向油罐的作 用是储存、滤 清并冷却液压 助力转向系统 的工作油液 。 转向油罐 组成： 油罐盖； 罐体； 过滤装置； 进出油口等。 转向油泵是液压助力转向系统的供能装置，其作用是将输入的机械 能转换为液压能输出。 转向油泵的类型：齿轮式、叶片式、转子式、柱塞式等。 转向油泵 流量控制阀的作用： 避免发动机转速过高时 ，流量过大，导致系统的功 率消耗过多和油温过高。 v柱塞下腔通出油腔； v柱塞上腔通出油口； v出油腔与出油口之间因为 量孔的节流作用存在压差。 v 当流量过大时，出油腔与出油口的压 差增大，流量控制阀上下腔的压差增加， 导致弹簧被压缩柱塞上移，将出油腔与进 油腔接通，系统的流量降低。 出油腔 出油口 量孔 进 油 腔 安全阀的作用： 限制系统的最高压 力，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。 安全阀 球阀门 安全阀座 油泵输出压力达到 规定的最高值时， 球阀开启，出油口 和进球腔接通，使 出油口压力降低。 p传统的液压助力转向只能根据转向盘 转角的变化提供助力； 4.电控液压助力转向系统 p电控液压助力转向系统在传统液压助 力转向系统的基础上加装电控系统，使 辅助转向力的大小不仅与转向盘的转角 增量（或角速度）有关，还与车速有关 。 电控单元根据车速调节作用在转向盘上的阻力，通过控制转向 控制阀的开启程度改变液压助力系统辅助力的大小，从而实现 辅助转向力随车速而变化的助力特性。 电控系统 液流分配阀 液压反应装置装在 转向齿轮孔中，位 于转阀下面 液压助力转向（HPS）系统缺点 p1. 不管是否转向，油泵始终处于工作状态 ； p2. 油泵供油量一般根据发动机怠速时能使 动力转向系统产生足够的转向助力所需的供 油量确定，转速越高，供油量越大，而实际 上动力转向系统所要求的供油量应该是随着 转速的升高保持不变或下降。 第6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。 根据其助力机构的不同可以分为 1、电动液压助力转向（简称EPHS）系统 2、直接助力式电动转向系统 1、电动液压助力转向系统 液压泵通过电动机驱动， 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。 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。 直接依靠电动机提供辅助转矩，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。 2、直接助力式电动转向系统 转矩传感器：测量驾驶 员作用在转向盘上的力 矩大小和方向，有的还 测量转向盘转角的大小 和方向。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(ECU)。 电动机：根据电控单元指 令输出适当的转矩。 减速机构 ：与电机 相连，实 现降速增 矩。 ECU：为8位单片机系统 或采用数字信号处理器 ，根据转矩传感器和车 速传感器传来的信号进 行逻辑分析计算，并发 出指令控制电动机和离 合器工作。应具有抗干 扰能力，适应汽车多变 的行驶环境。 根据电动机位置的不同，直接助力式电动转向系统可以分 为: 1. 转向轴助力式，占用空间少，距离驾驶员近，振动噪声大； 2. 齿轮助力式，转向助力比较大； 3. 齿条助力式 ，刚度好，传力大，适用于前轴负荷大汽车。 本田雅阁轿车的前轮载荷较大，所需要的转向辅