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摘要 汽车转向传动机构的类型分析与优化设计 研究生：周祥基 导师：钱瑞明 学校：东南大学 转向是汽车行驶的基本功能之一，实现汽车转向的唯一途径是使车轮偏转。本文以轮式车辆转 向系统为研究对象，针对二轮转向系统的机械转向系与动力转向系，在分析各自结构组成、工作原 理、运动特点以及典型应用的基础上，对现有的转向机构进行了归类和性能评价e 作为现代汽车新结构，四轮转向系统具有转向能力强，转向响应迅速、直线行驶稳定性好、转 弯半径小等优点。基于四轮转向系统机构设计与工作原理的分析，指出了几种典型四轮转向系统的 特点，并认为在我国有必要发展四轮转向系统。 由于两轮转向仍然是当前转向技术中的主流，故本文基于转向原理，针对目前较为常用的双梯 形转向传动机构中的典型机构一与循环球式转向器配用的双梯形转向传动机构及与齿轮齿条式转 向器配用的双梯形转向传动机构，对它们进行了运动分析和运动设计。运用机构学理论，在几何关 系分析的基础上，建立了机构优化设计数学模型，并各以一转向传动机构为例，运用m a t l a b 软 件及其o p t i m i z a t i o n 工具箱对机构进行了优化设计，所得结果对于提高转向机构的运动精度、 改善汽车转向性能具有应用价值。 关t 词：两轮转向系统；四轮转向系统；转向机构；优化设计 东南大学硕士学位论文 t y p ea n a l y s i sa n do p t i m a ld e s i g n o fa u t o m o b i l es t e e r i n gd r i v em e c h a n i s m s z h o ux i a n g j is u p e r v i s e db yp m f q t a n r u l m i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y s t e e r i n gi so n eo f t h eb a s i cf u n c t i o n so f c a rd r i v i n g t h eo n l yw a yt om a k e c a rs t e e ri st om a k et h e w h e e l sd e f l e c t a i m i n ga tt h et w o - w h e e ls t e e r i n gs y s t e m ( 2 w s ) o ft h ew h e e l e dv e h i c l e s ，b ya n a l y z i n gt h e s t r u c t u r ec o m p o s i t i o n ，w o r kp r i n c i p l e s ，m o t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt y p i c a la p p l i c a t i o n so ft h em e c h a n i c a l a n dp o w e rs t e e r i n gs y s t e m sa r ea n a l y z e d , t h et y p e so fs t e e r i n gm e c h a n i s m si nc o m m o nu s ea r ec l a s s i f i e d a n dc h a r a c t e r i s t i c a l l ye v a l u a t e d a st h en e ws t e e r i n gp r i n c i p l eo f m o d e ma u t o m o b i l e s ，t h ef o u r - w h e e ls t e e r i n gs y s t e m ( 4 w s ) h a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha ss t r o n ga n dr a p i ds t e e r i n ga b i l i t y , h i g ls t a b i l i t yo fd r i v i n gi ns t r a i g h tl i n e ，a n ds m a l l s t e e r i n gr a d i u s ，e t c b ya n a l y z i n gt h em e c h a n i c a ld e s i g na n dw o r kp r i n c i p l e so f 4 w s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f s e v e r a lt y p i c a l4 w sa r ep o i n t e do u t , a n dt h en e c e s s i t yt od e v e l o pt h e4 w si nc h i n ai si n d i c a t e d t h e2 w si ss t i l ln o wt h em a i nc u r r e n ti ns t e e r i n gt e c h n o l o g y b a s e d0 1 1t h es t e e r i n gp r i n c i p l e s ，t h e t y p i c a lm e c h a n i s m si nt h ec o m m o nd o u b l e - t r a p e z o i ds t e e r i n gt r a n s m i s s i o n s , w h i c hm a t e w i t ht h e c i r c u l a t i n gb a l ls t e e r i n gm a c h i n e sa n dg e a r - r a c ks t e e r i n gm a c h i n e s ，a r ek i n e m a t i c a l l ya n a l y z e da n d d e s i g n e d b yt h em e c h a n i s mt h e o r y , t h em a t h e m a t i cm o d e l sa r ee s t a b l i s h e df o ro p t i m a ld e s i g no ft h e s t e e r i n gm e c h a n i s m s u s i n gt h em a t l a bs o f t w a r ea n di t st o o lb o xo fo p t i m i z a t i o n ，t h e s et w o s t e e r i n gm e c h a n i s m sa l ek i n e m a t i c a l l yo p t i m i z e d t h eo p t i m a lr e s u l t sc a l lb eu s e dt oi m p r o v et h em o t i o n p r e c i s i o na n dt h es t e e r i n ga b i l i t yo fs t e e r i n gm e c h a n i s m s k e yw o r d s ：2 w s ；4 w s ；s t e e r i n gm e c h a n i s m ；o p t i m a ld e s i g n - - 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 研究生签名日期：坐丝立够 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南 大学研究生院办理。 期：塑! i ! 一缈 第一章绪论 第一章绪论 当今汽车转向系统从过去的普通机械式发展到动力转向，一直到现代汽车电子控制动力转向， 逐步地发展和完善。汽车前桥、转向系统的技术状况对于保证汽车行驶安全、减轻驾驶员劳动强 度、提高运输效率和延长车辆使用寿命均有着十分重要的作用。因此，它在汽车的使用、维护和修 理中占有重要的位置。改善汽车的操纵稳定性，提高它的可靠性，也成为汽车生产企业和广大技术 人员所追求的一个目标。 1 1 汽车转向传动技术 汽车转向系统是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，是通过对左右转向车轮不同转角之间 的合理匹配来保证汽车能沿着设想的轨迹运动的机构。它由转向操纵机构、转向器和转向传动机构 组成，它在汽车转向行驶时，需要保证各转向轮之间协调的转角关系。驾驶员通过操纵转向系统， 使汽车保持在直线或转弯运动状态，或者使上述两种运动状态相互转换。 1 1 ，1 转向基本要求及其关键技术 为使汽车实现车轮无侧滑的转向，车轮的偏转必须满足阿克曼特性，即在汽车前轮定位角都等 于零、行走系统为刚性、汽车行驶过程中无侧向力的前提下，整个转向过程中全部车轮必须围绕同 一瞬时中心相对于地面作圆周滚动，例如对于图1 - 1 所示两轮转向情况，前内轮转角脂前外轮转角 砣问应满足如下阿克曼转向特性公式： c o t o ：一c o t 卢= b l( 1 ) 矿r c 蕊 吣 图1 - 1 阿克曼两轮转向要求 图1 - 2 转向传动系统的组成 车轮的偏转是通过转向机构带动的。对于两轮转向汽车，为减小车轮侧滑转向机构应使两前 轮偏转角在整个转向过程中始终尽可能精确地满足式( 1 ) 关系。因此从运动学角度来看，两轮转向机 构的设计涉及到的关键技术主要是：( 1 ) 机构的形式设计，即确定能满足转向传动功能要求的机构结 东南大学硕士学位论文 构组成；( 2 ) 机构的尺度设计，即确定能近似再现式( 1 ) 关系的机构运动尺寸。从系统和机构学角度来 看，转向系统的组成及其相互关系可用框图1 - 2 表示，其中转向机构是该系统的执行机构。 1 1 2 转向技术发展概况 1 0 0 多年前，汽车刚刚诞生初期，其转向操纵是仿照马车和自行车的转向方式口1 ，即用一个操纵 杆或手柄来使前轮偏转，以实现转向。第一辆不用马拉的四轮车问世时，它已经把前桥和前轮组成 了一个总成。此总成安装在枢轴上，可以绕前桥中心的个点转动，利用一个杆柱，连接前桥的中 点，通过地板往上延伸，方向盘就紧固在杆柱上端，以此操纵汽车。 1 8 1 7 年，德国人林肯斯潘杰阻e nk e ns p e r g e r ) 发明了现代转向梯形机构，并在第二年将在英国 获得的专利权转让给阿克曼( r l r d o l p h a c k e r m a n ) 。阿克曼向英国专利局申请“平行连杆式转向机构” 专利，阿克曼因而成了名。现在人们常将转向梯形的特性关系式c o t a - - c o t l 3 = b l 称为阿克曼公式。 另外一个为发展现代转向器作出重大贡献而从未获得过任何荣誉的人是杰特( j e a n t a u d ) ，他是法国四 轮马车的制造商。1 8 7 8 年，他发明了第一个平行四边形转向联动机构。 1 8 5 7 年，英国的达吉恩蒸汽汽车( d u d g e o ns t e a m e r ) 是第一次采用方向盘的机动车辆。1 8 7 2 年苏 格兰的查理士鲁道夫( c h a r l e sr a n d o l p h ) 第一个把方向盘装到煤气发动机车辆上。1 8 8 6 年，英国的 弗雷德里克斯特里克兰( f r e d e r i e ks t r i c l d a n d ) 说服了他的朋友、汽车制造商德雷克( a j d r a k ) 把一 个用于轮船h 韵转向柱和方向盘装到一台新的戴姆勒弗顿( d a i m l c rp h a n t o m ) 敞篷车上使用。1 8 9 0 年戴姆勒帕利生( d a i m l rp a f i r i a n ) $ ! | 成转向柱与方向盘倾斜的第一辆汽车。 1 9 0 6 年就出现了具有新悬架特点的二座轻便型小汽车。这辆汽车悬架装置的特点是第一次把前 螺旋弹簧和车轮上的减振器结合一起使用，减振器安装在扭力杆上，以便吸收车轮的振动。1 9 3 8 年， 别克汽车把螺旋弹簧应用到汽车后悬架上，这在美国制造商中是第一次。第一个能实际应用的空气 悬架是由法斯通公司研究成功的。它于1 9 3 3 年应用于名为斯托特斯卡布的试验车上。第一个使用 扭杆弹簧的汽车，是1 9 2 1 年由利兰汽车公司生产的。在欧洲扭杆弹簧广泛使用是从1 9 3 3 年开始， 用在大众牌汽车的许多样车上。同期，美国克莱斯勒的大型车上采用了扭杆轴。 汽车悬架有多种结构型式，纵置钢板弹簧的非独立式悬架，通常用于载货汽车及其变型车；独 立式悬架广泛用于轿车和轻型客车。独立悬架有单秆( 纵嚣或横置) 、双杆( 横置或斜置) 以及滑柱式( 烛 式) 几种，现代轿车普遍采用一种滑柱摆臂式悬架。该型式悬架为美国人厄尔勒麦克弗逊( e a r l e m a e p h e r s o n ) 受飞机起落架结构启发，在4 0 年代中期发明的。8 0 年代初期以来，这种悬架系统普 遍为前轮驱动汽车所采用，现代轿车大多也都采用了这种悬架。 1 8 7 8 年，“汽车之父”、德国的卡尔本茨( k a r lb e n z ) 在他的三轮乘坐车上首先采用所谓的齿轮 齿条式转向器，但却靠一根操纵杆来控制方向。所谓“现代”齿轮齿条式转向器，是奔驰( b e n z ) 于 1 8 8 5 年首先采用的。这种形式的转向器同样也使用在1 9 0 5 年的卡迪拉克( c a d i l l a c ) 和1 9 1 1 年一1 9 2 0 年间制造的许多其他形式的汽车上。 最早的传动减速机构是采用蜗轮副，被装在转向柱的末端。1 9 2 3 年，美国底特律的亨利马尔 斯0 a e n r y m a r l e s ) 为了减少蜗轮副和滚轮轴之间的接触摩擦力，在两者之间接触处放置滚珠支承，这 就出现了滚珠蜗轮转向器。这种形式的转向器就成为现在大家所熟知的循环球式转向器。它目前仍 很广泛地在美国和日本的汽车上应用。 汽车转向虽然采用了转向器。但转向的操纵仍非轻松的事。当汽车重量增大、转向费劲时，驾 驶员要求能有更好的办法来解决，这才重新推广了一种已经大约有四分之三个世纪的动力辅助转向 器。1 9 0 5 年版的汽车时代杂志，谈到了哥伦比亚汽车的动力转向器。据说这种简便的装置，在 车速达2 9 1 a n h 时，仍能保持不偏离路线。从1 9 0 3 年开始，动力辅助转向机构不断出现，多数是 用在客车上，有一些是采用真空助力，还有一些是采用压缩空气助力的。1 9 2 8 年，美国的弗朗西斯q 崴 维斯f f r a n c i zd a v t s ) 研制并首次应用液压动力辅助转向器。这是由维克斯( v i c k e s ) 公司制造的，该公司 - 2 - 第一章绪论 并制定了此项标准，2 6 年后为汽车工业所采纳。第二次世界大战的实践证明，此装置仅适于在装甲 车和一些重型货车上采用。1 9 5 4 年，凯迪拉克汽车公司首先把液压动力转向应用于汽车上。5 0 年代 末就研制出重量轻、结构紧凑、自行润滑的动力转向器。1 9 8 5 年，日本丰田克雷西达( c r e s s i d e ) 是采 用计算机控制辅助转向的第一个汽车产品，此系统被称为动力齿轮齿条转向系。 进入2 0 世纪后，相关科技的进步带动了汽车设计技术与汽车工业的迅速发展，但对于转向传动 系统的研究主要集中在转向器的型式和转向执行机构的尺寸优化设计等方面，而在两轮转向原理以 及两轮偏转联动实现方式等方面并未有新的突破。 1 1 3 两轮转向的存在问题 汽车两轮转向技术虽经历了近两百年的发展，但仍存在如下主要问题： ( 1 ) 两轮转向汽车在转弯时，现有各类转向机构均不能保证全部车轮绕瞬时中心转动，从而在 技术上难以完全消除车辆行驶中的车轮侧滑。 ( 2 ) 独立悬架汽车中的转向梯形断开点难以确定，这将导致了横拉杆与悬架导向机构之间运动 不协调，使汽车在行驶中易发生摆振，从而加剧轮胎磨损，转向性能随车速、转向角、路面状态的 变化而变化，车速越商，操纵稳定性越差“。 f 3 ) 在采用两轮转向方式时转弯半径较大，汽车的机动灵活性不耐“。 随着电子技术的不断发展及在汽车中的应用，可以从多方面改善转向系统的各种性能，但这种 改善往往是局部的和微小的。基于两轮转向方式的汽车转向技术发展至今，应该说已经到了一个顶 峰，就目前的技术和经济性而言，两轮转向在性能上难以再有突破性进展。 1 1 4 汽车转向技术的发展趋势 ( 1 ) 新型转向机构的研究与应用围绕减小转向机构的误差、优化转向机构的设计、减轻转向 机构的磨损、提高转向机构的效率等方面开展工作，加强新型转向机构的研究与应用己成为生产企 业和科研单位的追求的目标。 ( 2 ) 动力转向技术的推广为减轻驾驶员疲劳，提高操纵轻便性和稳定性，动力转向系统的应 用日益广泛，不仅在重型汽车上必须采用，在高级轿车上应用日益增多，而且在中型汽车上也已逐 渐推广。 ( 3 ) 考虑主动安全性的转向技术从操纵轻便性、稳定性和安全行驶的角度，广泛使用更先进 的工艺方法制造、使用变速比转向器、高刚性转向器，采用防碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊 等，并逐步推广。新时代下的汽车转向装置设计充分考虑了驾乘的舒适一l 生和安全性诸如4 w s 转向 技术的应用“、e p s 动力转向技术的应用等等。 ( 4 ) 先进电子技术和控制技术在转向系统中的应用随着传感技术、控制技术的不断发展及在 汽车中的应用，可以从多方面改善转向系统的各种性能，诸如汽车的低速行驶轻便性、汽车的稳态 转向特性、汽车的回正能力”、转向盘中间位置操纵稳定性1 1 “、前轮的摆振等等。近年来，一些关于 车辆主动悬架的自适应和自校正控制研究也开始出现陋”】。 1 2 汽车优化设计的发展现状和关键技术 进入二十世纪七十年代，国外对优化设计理论在机械设计方面的应用，由开始的对简单构件和 机构方面的优化，发展到机械零部件的结构优化。同时，优化设计理论也开始应用到汽车产品结构 设计上。在整体性能参数的最优选择和最优匹配方面，在汽车底盘、内燃机零部件和车身结构方面 都展开了卓有成效的研究工作。主要是开展了汽车的平顺性、舒适性、振动系统、悬架结构的优化 设计那发动机悬置的优化设计。虽然优化设计方法在国外的汽车结构设计中已得到日益增多的应用， 还远未覆盖汽车设计的全部领域，而且已进行的优化设计项目也远未达到完美的程度，有些项目还 - 3 - 东南大学硕士学位论文 有待于进一步改进和提高。 我国对汽车的优化设计研究是近阶段的事情，虽然起步较晚，但已取得了一定的成果。可以说 我国汽车行业优化设计的研究工作已经展开，有的还达到了较高的水平。但就整体而言，与国外一 些先进国家相比，还有相当大的差距，特别是对已有的研究成果推广应用还很少。对汽车行业来说， 研究的重点不在于优化理论本身，而是它在汽车设计中的具体应用，即围绕汽车整体性能参数匹配、 各系统各总成、零部件的结构优化开展研究工作，建立合理的数学模型，选择适当的优化方法，研 制优化程序，建立汽车结构优化设计实用程序库。为了尽快地提高我国汽车的设计质量，使设计现 代化，需要继续进一步开展汽车结构优化设计的研究，建立汽车结构优化设计实用程序库，供汽车 设计部门推广使用，这样就可以从产品的参数选择、设计计算到绘制完整图纸的全过程，实现自动 化、现代化，克服传统设计方法由于难以得到最佳设计方案而使汽车设计方案“先天不足，的缺陷， 大大提高汽车设计的质量。 当前优化设计中的关键技术是： 1 正确建立数学模型。数学稹型的正确与否决定了优化设计的成败。数学模型是对实际问题的 特征或本质的抽象，是反映各主要因素之间内在联系的一种数学形态。优化设计的数学模型在形式 上要求规范化，即耍把优化设计问韪描述成为一个数学规划问题。在建立数学模型时，耍避免两种 倾向。种倾向是使数学模型过分精细，致使模型过于复杂，导致求解的失败或使计算成本过高。 另一种倾向是过分简化，使优化问题没能反映设计的最本质要求。因此在建立数学模型时，即要注 意反跌最主要的工程要求，又要注意作必要的简化。 2 正确选择解算方法。现在已有很多的算法供用户选择。每一种优化方法都由其特点，选取时 耍注意，所选用的方法及其程序要适合于设计人员编制的数学模型。优化方法的计算效率要高，容 易收敛到规定的精度要求。 1 3 本文主要研究内容和意义 本文所要研究是汽车的转向传动机构。所谓转向传动机构，就是将转向器输出的力和运动传给 转向节，使左右转向轮按定关系偏转的机构。它主要由转向摇臂，转向直拉杆、转向横拉杆、转 向节臂和转向梯形机构等组成。目前应用较广泛的是双梯形汽车转向传动机构。而在双梯形汽车转 向传动机构中较典型的则是与循环球式转向器配用的双梯形转向传动机构及与齿轮齿条式转向器配 用的双梯形转向传动机构。本文基于空间运动学理论，建立与循环球式转向器配用及与齿轮齿条式 转向器配用的两种双梯形转向传动机构的数学模型，然后选择适当的优化设计变量，确定合理的约 束函数、目标函数及加权方法，并用m a t l a b 数学软件对两种双梯形转向传动机构进行多维、多约 束、多目标的优化设计。 本文首先对当前使用的各种车辆的转向传动机构的类型进行分析和归类，并分析两轮转向的局 限性及目前的发展情况。 其次基于优化设计的基本理论，建立与循环球式转向器配用的转向传动机构数学模型，并进行 优化设计。通过实例的计算，说明如何选择最合理的优化设计结果。 最后建立与齿轮齿条式转向器配用的双梯形转向传动机构的数学模型，并进行优化计算。 国内外对汽车单梯形转向传动机构的研究开展较早，而进行的优化设计方面的论文也有很多， 前人已取得很多的研究成果，整个技术也很成熟。而对于双梯形转向传动机构的优化设计，则开展 研究得较晚，且有关这方面的论文较少。而目前所见汽车几乎无一例外地采用了双梯形转向传动机 构，自八十年代开始至今前人经验的不断积累，使得对双梯形转向传动机构的设计和研究工作取 得了很大的进展，形成了多种可行的设计方法。科技的不断提高，使得设计工作比从前更有效率。 对新设计方法的研究，成为今天的主题。本文以空间机构学为基础，建立两种双梯形转向传动机构 4 第一章绪论 的数学模型，从而为汽车转向传动机构的优化设计提出一种新的思路。该课题研究将为转向传动机 构的设计开发开拓更加科学台理的方法，结合汽车设计，解决汽车的运动学及动力学问题，从而提 高设计质量。笔者希望，本课题研究能对我国的汽车工业产品自主开发能力的提高有所帮助。 5 东南大学硕士学位论文 第二章汽车转向传动机构的类型分析 转向是汽车行驶的基本功能之一，实现汽车转向的唯一途径是使车轮偏转。对于双轴汽车，根 据允许发生偏转的车轮数目的不同，可分为两轮转向和四轮转向两类。其中两轮转向易于实现，是 汽车诞生初期首选的转向解决方案，其相关技术经过近两百年的发展，现在已较成熟，但由于其固 有的特点，就目前的技术和经济性而言，两轮转向在性能上难以再有突破性进展。两轮转向根据动 力来源不同，又分为机械式两轮转向和动力式两轮转向两类。而两轮转向还可根据与转向器配用形 式不同分为：与循环球式转向器配用的双梯形转向传动机构和与齿轮齿条式转向器配用的双梯形转 向传动机构。随着对汽车转向性能要求的提高，上世纪6 0 年代日本人首先提出了四轮转向的概念【”， 并于上世纪9 0 年代初期进入实用化。 2 1 汽车机械式两轮转向技术 两轮汽车在转向动力来源上分类，可分为机械式两轮转向和动力式两轮转向两种方式。所谓机 械式两轮转向是指动力来源全部是驾驶员从转向盘进行输入的一种方式。丽动力式两轮转向是指动 力来源除了驾驶员从转向盘手动输入外，还有从液压或电力进行辅助动力输入的一种方式。两轮汽 车转向传动机构按照悬架的结构分类，即根据转向轮悬架的类型，般可分为与非独立悬架和与独 立悬架配用的转向传动机构两种类型。与非独立悬架配用的转向传动机构采用的是整体式转向梯形。 而与独立悬架配用的转向传动机构采用的是断开式转向梯形。 2 1 1 与非独立悬架配用的转向传动机构 与菲独立悬架配用的转向传动机构主要包括转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂、两个梯形臂和 转向横拉杆等组成转向梯形。 1 转向梯形后i ，转向直拉抒纵置 如图2 - 1 ( a ) 所示，在前桥仅为转向桥时，由转向横拉杆5 和左、右转向梯形臂4 组成的转向梯 形一般布置在前桥之后，以避免其在转向过程中与车轮发生干涉。当转向轮处于与汽车直线行驶相 应的中立位置时，梯形臂与横拉杆在与道路平行的平面( 7 k 平平面) 内的交角0 9 0 0 。解放c a l 4 1 、 东风e q l 4 0 等汽车都是采用这种转向机构【l “。 ( a ) ( ”( c ) l 一转向摇臂2 一转向直拉杆3 一转向节臂埘形臂5 转向横拉杆 图2 - l与非独立悬架配用的转向传动机构 6 一 第二章汽车转向传动机构的类型分析 2 转向梯形前置，转向直拉杆纵置 在发动机较低或转向桥兼驱动桥的情况下，为避免运动干涉，往往将转向梯形布置在前桥之前， 如图2 - 1 ( b ) 所示。 3 转向梯形前量，转向直拉杆横置 如图2 - 1 ( c ) 所示，若转向摇臂1 不是在汽车纵向平面内前后摆动，而是在与道路平行的平面内 左右摆动( 如北京b j 2 0 2 0 n 型汽车i l ”) ，则可将转向直拉杆2 横置，并借球头销直接带动转向横拉 杆5 ，从而使两侧梯形臂转动。这种与非独立悬架配用的转向传动机构常被称为整体式转向梯形机 构，由于这种转向传动机构往往会产生较大的转向误差，一侧的振动会传到另一侧，从而乘坐的舒 适性很差，目前只在一些农用车、小吨位的卡车上有应用外，而在其它的汽车上已很少应用。 2 1 2 与独立悬架配用的转向传动机构 1 与镛环球式转向置配用的转向传动机构 ( 1 ) 两段式 图2 - 2 为循环球式( b s 型) 转向器配用的转向传动机构，转向摇臂1 为主动件，绕固定铰点作 往复摆动。其中图4 ( a ) 中两根转向横拉杆3 、4 布置在车轴的后方，形成两段式结构，如红旗c a 7 5 6 0 型轿车即采用了这种转向机构川。 (a)两段式(b)三段式 1 一转向摇臂2 一转向直拉杆3 左转向横拉杆4 一右转向横拉杆s 一左梯形臂 6 一右梯形臂7 l 摇杆s 一悬架左摆臂9 一悬架右摆臂 图2 - 2 与循环球式转向器配用的转向传动机构 1 一转向摇臂球头销2 转向直拉杆3 左转向横拉杆4 一右转向横拉杆 5 一左梯形臂6 一右梯形臂7 一摇杆 图2 - 3 红旗c a 7 5 6 0 型轿车转向传动机构 - 7 东南大学硕士学位论文 红旗c a 7 5 6 0 型轿车就采用了如图2 - 3 所示这种转向传动机构的布置形式。摇杆7 前端固定与 车架横梁中部，后端借球头与转向直拉杆2 和左、右横拉杆3 、4 连接。转向直拉杆外端与转向摇臂 球头销l 相连。左、右横拉杆外端也用球头销分别与梯形臂5 、6 铰接，故能随同侧车轮相对于车架 和摇杆在横向平面内上下摆动。转向直拉杆仅在外端有球头座，故有必要在两球头座背面各设一个 压缩弹簧，分别吸收由横拉杆3 和4 传来的两个方向上的路面冲击，并自动消除球头与座之间的间 隙。 ( 2 ) 三段式 图2 - 2 ( b ) 中两根转向横拉杆3 、4 布置在车轴的前方，和转向直拉杆2 起构成三段式的前置梯 形结构，丰田海艾斯轿车转向机构就采用这种布置形式f ”1 。 图2 4 丰田海艾斯轿车转向传动机构 在丰田海艾斯轿车上，便采用了三段式的布置形式，如图2 - 4 所示。其中，两根转向横拉杆和 继动拉杆一起构成了三段式结构。这样，当一侧车轮产生跳动时，同侧的转向横拉杆绕铰点转动， 从而不会把振动传递到另一侧，这样就能避免整车的振动，从而大大提高乘坐的舒适性。 2 与齿轮齿条式转向器配用的转向传动机构 图2 5 为与齿轮齿条式( r p 型) 转向器配用的转向机构四种布置形式口1 ( 1 ) 转向器位于前轴后方。后置梯形，如图2 - 5 ( a ) 所示。 ( 2 ) 转向器位于前轴后方，前置梯形，如图2 - 5 ( b ) 所示。桑塔纳2 0 0 0 轿车就应用此机构【3 l ， 动力由中间输入，如图2 - 6 所示。舆迪1 0 0 轿车就应用此机构嗍，动力由侧面输入，如图2 7 所示。 ( 3 ) 转向器位于前轴前方，后置梯形，如图2 5 ( c ) 所示。 - 8 第二章汽车转向传动机构的类型分析 ( 4 ) 转向器位于前轴前方，前置梯形，如图2 - 5 ( d ) 所示。1 v e c 0 4 5 1 0 型汽车就应用此机构删， 动力由侧面输入，如图2 - 8 所示； ( a ) 行驶方向 ( b ) ( c ) ( d ) 图2 - 5 与齿轮齿条转向器配用的转向传动机构示意图 1 一转向盘柱2 一下摇臂3 一下摇臂后端橡胶衬套4 一稳定杆5 一发动机悬架6 _ 传动轴 7 一制动钳8 一减振支座9 悬架臂前端支架1 0 转向器1 1 转向减振器1 2 一横拉杆 图2 - 6 桑塔纳2 0 0 0 轿车转向传动机构 9 东南大学硕士学位论文 2 52 4 2 32 22 i2 0，9j 01 7 1 、i i 、1 9 一自锁螺母2 一右侧车轮罩3 、1 5 、2 3 一螺栓4 转向减振器5 一软管夹箍 6 一螺母7 一支架8 波形管9 一调整螺钉1 0 一隔板1 2 - - 1 3 一法兰套管 1 4 夹箍1 6 一左侧车轮罩 1 7 一调整拉杆1 8 横拉杆球头铰链2 0 锁止螺母 2 1 转向齿轮 2 2 左转向横拉杆 2 4 一更换锁止板 2 5 一右转向横拉杆 图2 - 7 奥迪1 0 0 型轿车转向传动机构 1 一转向盘2 _ 转向柱管及转向轴3 一万向节4 一转向传动轴5 一万向节卜挠性万向节 7 一左转向拉杆8 一右转向拉杆9 一左转向梯臂l o 右转向臂1 1 齿轮齿条式转向器 图2 - 8 依维柯4 5 一l o 型汽车转向传动机构 - 1 0 第二章汽车转向传动机构的类型分析 2 2 汽车动力式两轮转向技术 动力式两轮转向装置常由压力发生装置( 油泵或空气压缩机) 、转向加力装置( 分配阀、动力缸、 管路) 两部分组成。 2 2 1 按传能介质分类 1 气压式 气压式主要应用于部分其前轴最大轴载质量为3 - 7 t 并采用气压制动系统的货车和汽车i l 。因 其工作压力低( 0 7 m 呻a ) ，重型汽车不宜采用，否则将导致部件尺寸过于庞大，故应用较少。 2 液压式 液压式的工作压力高达i o m p a 以上，故其尺寸较小。工作时无噪声工作滞后时间短，且能吸 收来自不平路面的冲击，故有广泛应用。 2 2 2 按液流形式分类 1 常压式动力转向系统 常压式液压动力转向系统( 如图2 - 9 所示) ，在汽车直线行驶并使转向盘保持中立位置时，转 向控制阀5 经常处于关闭位置。转向液压泵3 输出的压力油充入储能器2 。当储能器压力增长到规 定值后，液压泵即自动卸荷空转，从而储能器压力得以限制在该规定值下。当转动转向盘时，机械 转向器6 即通过转向摇臂等杆件使转向控制阀转入开启位置。此时，储能器中的压力油即流入转向 动力缸4 。动力缸输出的液压作用力，作用在转向传动机构上，以助机械转向器输出力之不足。转 向盘一停止运动，转向控制阀便随之回到关闭位置。于是，转向加力作用终止。由此可见，无论转 向盘处于中立位置还是转向位置，也无论转向盘保持静止还是运动状态，该系统工作管路中总是保 持高压。该系统因为体积大、功耗大、压力高、泄漏量大等原因而现在使用较少。在少数重型汽车 如法国贝利埃t 2 5 型汽车、美国w a b c 0 1 2 0 c 型汽车上仍有应用。 1 一转向油罐2 一转向油泵3 储能器 4 一转向动力5 转向控制阀6 机械转向器 图2 - 9 常压式动力转向系统 l 转向油罐2 转向油泵3 安全阀 4 一流量控制阀5 一单向阀6 转向控制阀 7 一机械转向器8 转向动力缸 图2 1 0 常流式动力转向系统 2 常漉式动力转向系统 常流式液压动力转向系统【1 1 ( 如图2 - 1 0 所示) 在不转向时，转向控制阀保持在开启状态。转向 动力缸8 活塞两端经控制阀与转向油罐相通转向油泵2 输出的油液也经转向控制阀与转向油罐1 相通，因而油泵空转，液压系统油液只是不停流动，油压很小。转向油泵2 这时实际上处于空转状 东南大学硕士学位论文 态。当驾驶员转动转向盘时，机械转向器7 通过转向摇臂使转向轮偏转的同时，又使转向控制阀6 移动，使转向动力缸8 的一个工作腔经转向控制阀仍与转向油泵2 相通，另一个工作腔则经转向控 制阀与转向油罐1 相通。由于这时转向油泵输出管道经转向控制阀6 不再与转向油罐1 相通，因而 油压升高，推动转向动力缸8 活塞移动，从而帮助驾驶员使转向轮偏转。当转向盘停止转动后，转 向控制阀即恢复到中立位置，动力缸便不再工作。目前应用较广泛。 2 2 3 常滚式动力转向系统按使用动力转向罨的布置与组合方式的不同分类 1 整体式动力转向系统 ( 1 ) 特点 简图如图2 一1 1 ( a ) 所示，其特点是将转向控制阀、转向动力缸和机械式转向器设计成一个整 体，转向控制阀3 由转向轴直接操纵。其优点是结构紧凑，管路和支架少，质量轻，安装和维修调 整方便。工作原理图如图2 1 2 所示9 j 。目前，国产轿车上几乎毫无例外地采用了转阀式的整体动力 转向器。例如，一汽生产的红旗c a 7 2 2 0 型、一汽大众生产的奥追、捷达以及神龙汽车有限公司生 产的富康等轿车，皆为这种结构形式。 5 1 一转向油罐2 一转向油泵3 一转向控制阀4 转向器5 动力缸活塞6 一转向动力缸 图2 - 1 1 动力转向系统三种类型简图 ( a ) 直线行驶 ( b ) 左转弯( c ) 右转弯 图2 1 2 整体式动力转向系统工作原理图 1 2 - 第二章汽车转向传动机构的类型分析 ( 2 ) 工作原理 整体式工作原理如图2 - 1 2 所示。动力缸活塞与第一传动副的螺母制成一体，并作为第二传动副 的主动件。活塞把动力缸分为a 、b 两腔。操纵阀在动力缸上方，主要由阀体和滑阀组成。阀体用 螺栓固定在动力缸上方。滑阀的下端面通过止推滚子轴承和垫圈顶在螺杆凸肩上，上端面装有另一 个止推滚子轴承，通过螺母将滑阀固定在转向螺杆上。滑阀稍长于阀体，两个轴承的内端面与阀体 的两个端面之间有一定间隙，因而螺杆连同滑阀有可能作一定的轴向移动。汽车直行时，滑阀由四 根回位弹簧和反作用柱塞保持在中间位置，如图2 1 2 ( a ) 所示。在汽车左转弯时，螺杆向左旋转， 滑阀下移，高压油经过通道d 进入b 腔，推动活塞上移，同时a 腔油液经通道c 和e 流回油箱，如 图2 1 2 ( b ) 所示。在汽车右转弯时，螺杆向右旋转，滑阀上移，高压油经过通道c 进入a 腔，推 动活塞下移，与此同时，b 腔的油液被压出，经过d 和e 通道流回油箱，如图2 1 2 ( c ) 所示。当 动力转向系统失效而转向时，动力缸中容积减小的工作腔中油液经过通道e ，项开单向阔流到动力 缸中容积增加的工作腔中。 ( 3 ) 应用实例 捷达车1 1 上采用了齿轮齿条式机械转向器、转向阀为转阀、转向动力缸和控制阀设计成一体的 整体式转向器，如图2 1 3 所示。齿轮齿条式机械转向器、转向动力缸和控制阀设计成一体，组成整 体式动力转向器。其控制阀为转阀。转向动力缸活塞2 与转向齿条4 制成一体。活塞2 将转向动力 缸1 分成左右两腔。转阀的构造如图2 7 所示。扭杆6 的前端用销2 与转向齿轮连接，后端与阀芯连 接，而阀芯又与转向轴的末端固定在一起，因而转向轴可通过扭杆带动转向齿轮转动。 b 1 一转向动力缸2 一动力缸活塞3 转向齿轮4 齿条5 一流量控制阀( 带安全阀) 6 一转向液压泵( 叶片泵) 7 转向油罐8 一回油管路9 一进油管路1 0 一扭杆 1 1 转向轴1 2 一阀芯1 3 一阀套 a ) 汽车直线行驶时b ) 汽车转弯行驶时 图2 1 3 捷达轿车整体式动力转向系统结构示意图 1 3 - 东南大学硕士学位论文 2 半整体式动力转向系统 ( 1 ) 特点 简图如图2 - 1 1 ( b ) 所示 1j ，其特点是将转向控制阀3 和机械式转向器4 设计成一个整体，而转 向动力缸6 的助力作用在转向传动机构上，因此在系统相同油压和动力缸活塞面积相待的条件下， 与整体式动力转向系相比可以获得更大的助力作用。其原理图如图2 1 4 所示。其特点为主要总成各 自独立，结构简单，动力缸的尺寸、数目和安装位置灵活，但管路比较复杂，零件数量多，故仅用 于高载重的汽车，原红岩c q 2 6 1 型汽车有应用，简图见图2 - 1 5 所示。 ( 2 ) 工作原理 半整体式动力转向系的工作原理如下”i 。其中，动力缸和转向器备为独立的总成。转向时，转 向摇臂通过转向动力缸使转向直拉杆前后移动，经转向节臂、梯形臂和转向横拉杆使转向车轮偏转。 当汽车直线行驶时，滑阀在回位弹簧的作用下位于中间位置，活塞左、右腔油压相等。当汽车左转 弯时，转向器通过转向摇臂带动球头销向左移动，在克服回位弹簧的弹力之后，带动滑阀向左移动， 从而接通油路建立油压差，使活塞和动力缸相对移动。由于活塞杆铰接于车架，所以动力缸向左移 动，通过球头销带动转向直拉杆，使转向车轮向左偏转。在汽车右转弯时，滑阀向右移动，动力缸 也向右移动，转向车轮向右偏转。 b 、 a ) 直线行驶b ) 左转弯c ) 右转弯 l 一回位弹簧2 一球头销3 一滑阀4 动力缸5 活塞6 一活塞杆7 一密封环 图2 _ 1 4 半整体式动力转向系统工作原理图 - 1 4 第二章汽车转向传动机构的类型分析 ( 3 ) 应用实例 原红岩c q 2 6 1 型汽车的液压转向回力装置是半整体式动力转向器”1 ( 见图2 1 5 ) 。该车动力转向 器与备( 用车) 轮架液压升降装置共享一套由转向油罐2 和内装流量控制阀及安全阀的转向油泵3 组成 的供能装置。转向油泵输出的压力油先经管路9 流到手控式各轮架操纵阀8 。由此可以流人各轮架 升降装置动力缸，或者经管路1 0 和转向控制阀4 流人转向动力缸。因为更换车轮只能在车辆停驻时 进行，所以在汽车行驶时，备轮架操纵阀总是处于备轮架升降装置不工作的中立位置使转向油泵 与各轮架升降液压系统隔绝，而与转向控制阀输入管路1 0 接通。 1 一转向盘 2 一转向油罐 3 转向油泵4 转向控制阀 5 一机械转向器 6 一支架7 转向动力缸8 一备轮架操纵阀 9 一备轮架操纵阀输入管路1 卜转向控制阀输入管路一回油管路 1 椭泄回油路 图2 1 5 原红岩c q 2 6 1 型汽车动力转向系统结构示意图 3 组合式动力转向系统 ( 1 ) 特点 简图如图2 - 1 1 ( c ) 所示，其特点是将转向控制阀3 和转向动力缸6 组合成一个整体，转向控制 阀不是由转向轴直接操纵，属于间接操纵式。其优点是可以在不改变原来纵横转向系零部件的情况 下，根据需要附加安装动力转向系统。缺点是零部件较多，安姨调试比较麻烦适用于某些改装车。 ( 2 ) 应用实例 原上海s h 3 8 0 型汽车转向动力转向系统的构造【1 】示于图2 1 6 。内装与转向摇臂相连的球头销2 的接头体9 、与转向直拉杆1 2 相连的球头销1 3 的接头体8 、转向控制阀体1 2 及转向动力缸体4 用 螺钉固连成一整体。球头销2 不运动时，装在其前球头座尾部的弹簧l 的两端分别抵靠着接头体8 和9 。这样，弹簧l 就保证了转向臂不动时，接头体9 和控制阀体1 0 同球头销2 和滑阀3 的相对位 置如图所示。图中表示的是转向如力器部件装配好以后，将活塞7 推人到前极限位置的状态。这是 为了缩短部件总长度，咀便贮存和运输。转向加力器安装在车上以后，在汽车不转向时，活塞应当 东南大学硕士学位论文 处在动力缸内的中间位置。滑阀的后环槽经阀体的轴向孔道直通动力缸前腔，其前环槽则借油管1 1 与动力缸后腔相通。控制阀体1 0 有三个环槽。中间环槽通进油管路1 5 ；前、后两环槽借阀体内轴 向孔道互相沟通，并经前环槽接通回油管路1 4 。转向摇臂施加于球头销2 上的力先克服弹簧1 而将 二球头座之一推靠接头体9 ，同时使滑阀3 移到相应的工作位置，使压力油流人动力缸的腔， 动力缸的另一腔的油液则被送回转向油缸。于是动力缸体所受的液压作用力和球头销2 的力都传到 球头销1 3 ，带动转向主拉杆1 2 。 卜一弹簧2 一球头销3 一滑阀4 一动力缸体5 一活塞杆 6 一油封7 一动力缸活塞8 接头体9 一接头体1 0 一控制阀体 1 1 一油管1 2 一转向主拉杆1 3 一球头销子1 4 一控制阀回油管路1 5 控制阀进油管路 图2 1 6 原上海s h 3 8 0 型汽车组合式转向动力转向系统结构示意图 2 2 4 两轮转向的存在问题 汽车两轮转向技术虽经历了近两百年的发展，但仍存在如下主要问题： ( 4 ) 两轮转向汽车在转弯时，现有各类转向机构均不能保证全部车轮绕瞬时中心转动，从而在 技术上难以完全消除车辆行驶中的车轮侧滑。 ( 5 ) 独立悬架汽车中的转向梯形断开点难以确定。这将导致了横拉杆与悬架导向机构之间运动 不协调，使汽车在行驶中易发生摆振，从而加剧轮胎磨损，转向性能随车速、转向角、路面状态的 变化而变化，车速越高，操纵稳定性越差。 ( 6 ) 在采用两轮转向方式时转弯半径较大，汽车的机动灵活性不高。 随着电子技术的不断发展及在