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第七章,转向系设计,7-1概述7-2机械转向器方案分析7-3转向系主要性能参数7-4机械转向器设计计算7-5动力转向机构7-6转向梯形7-7转向减震器7-8转向系结构元件,现在应用最广泛的是哪两种转向器？各应用于什么场合？转向防伤机构的要求是什么？主要采用什么措施？如何选择转向器的间隙特性和传动比特性？断开式转向梯形断开点选择的原则是什么？整体式转向梯形断的优化参数和优化目标是什么？,本章重点,转向系的功用及组成汽车行驶方向的改变是由驾驶员通过操纵转向系来改变转向轮(一般是前轮)的偏转角度实现的。转向系不仅可以改变汽车的行驶方向，使其按驾驶员规定的方向行驶，而且还可以克服由于路面侧向干扰力使车轮自行产生的转向，恢复汽车原来的行驶方向。汽车转向系组成一般由转向操纵机构、转向器、转向传动机构三部分组成，但随着转向系的类型不同，其结构组成又有所差异。,7-1概述,转向系设计要求：1)汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧滑。不满足这项要求会加速轮胎磨损，并降低汽车的行驶稳定性。-转向梯形2)汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶。-转向轮定位3)汽车在任何行驶状态下，转向轮不得产生自振，转向盘没有摆动。-转向减震器4)转向传动机构和悬架导向装置共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小。5)保证汽车有较高的机动性，具有迅速和小转弯行驶能力。Rmin=2-2.5L,转向系设计要求：6)操纵轻便。Fh和n（见下页）7)转向轮碰撞到障碍物以后，传给转向盘的反冲力要尽可能小。防打手8)转向器和转向传动机构的球头处，有消除因磨损而产生间隙的调整机构。间隙调整9)在车祸中，当转向轴和转向盘由于车架或车身变形而共同后移时，转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。防伤机构10)进行运动校核，保证转向盘与转向轮转动方向一致。,7,作用在转向盘上的切向力：轿车原地转向150200N货车原地转向500N货车8字转向60N（20Km/h）方向盘转角轿车、轻货车：34圈中、重货车：46圈,7-2机械转向器方案分析,转向系的类型汽车转向系根据其转向能源的不同，可以分为机械转向系和动力转向系两大类型。（1）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。,（2）动力转向系结构组成动力转向系兼用驾驶员的体力和发动机动力作为转向能源，并且以发动机动力作为主要能源。动力转向系是在机械转向系基础上加设一套转向加力装置而成的转向加力装置包括转向油罐、转向油泵、转向控制阀和转向动力缸等。转向油泵由发动机驱动，以产生高压油液。,10,一、机械式转向器方案分析,11,一、机械式转向器方案分析,12,用途：1.齿轮齿条式：广泛用于微型、普通、中高级轿车，部分前悬独立的货车、客车2.循环球式：广泛用于货车、客车3.蜗杆滚轮式：濒临淘汰4.蜗轮指销式：淘汰,1、齿轮齿条式转向器,齿轮齿条式转向器的主要优点：结构简单、紧凑、体积小、质量轻；传动效率高达90%；可自动消除齿间间隙(图7-1所示)；没有转向摇臂和直拉杆，转向轮转角可以增大；制造成本低。齿轮齿条式转向器的主要缺点：逆效率高（60%70%）。因此，汽车在不平路面上行驶时，发生在转向轮与路面之间的冲击力，大部分能传至转向盘。,齿轮齿条式转向器的几种形式,中间输入，两端输出,侧面输入，两端输出,侧面输入，中间输出,侧面输入，一端输出,齿条的翻转力矩转向拉杆施加的在齿条上使其沿齿条轴向转动的力矩,侧面输入，中间输出,从上面看,受力图从前面看,齿条断面形状圆形V形Y形,减磨垫片,齿条,齿轮,托座,圆形断面齿条制作工艺比较简单。V形和Y形断面齿条与圆形断面比较，消耗的材料少，故质量小。可防止齿条旋转。,齿形：采用斜齿，重合度大，运转平稳，可以设计齿轮齿条转向器的滑磨率，减低逆效率而防止打手；齿轮轴线还可以倾斜以利于布置，广泛采用。,齿条倾角,安装角,根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，在汽车上有四种布置形式：转向器位于前轴后方，后置梯形；转向器位于前轴后方，前置梯形；转向器位于前轴前方，后置梯形；转向器位于前轴前方，前置梯形。,齿轮齿条式转向器广泛应用于微型、普通级、中级和中高级轿车上。装载量不大、前轮采用独立悬架的货车和客车也用齿轮齿条式转向器。,图7-3齿轮齿条式转向器的四种布置形式,2、循环球式转向器,第一级是螺杆螺母，之间有钢球，将滑动摩擦变为滚动摩擦。第二级是齿条齿扇，齿扇是变齿厚的，类似于直齿锥齿轮的轮齿，以利于调整间隙。寿命长，效率高。,与图78对照看,循环球式转向器的优点是：传动效率可达到75%-85%；转向器的传动比可以变化；工作平稳可靠；齿条和齿扇之间的间隙调整容易；适合用来做整体式动力转向器。循环球式转向器的主要缺点是：逆效率高，结构复杂，制造困难，制造精度要求高。循环球式转向器主要用于货车和客车上。,要求GBll5571998防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定,3技术要求31不装人体模块的整备车辆以48.353.1kmh之间的车速正面撞击障碍壁时，转向柱管和转向轴的上端允许沿着平行于汽车纵向中心线的水平方向向后窜动，但其窜动量不得大于127mm（在动态下测量）。32人体模块以24.10+1.2kmh的速度水平撞击转向盘时，作用在转向盘上的水平力不得大于11123N。,二、防伤安全机构方案分析计算,措施,减少转向盘、转向轴的后移采用吸能的转向盘、转向轴、转向柱管,有关资料分析表明：汽车正面碰撞时，转向盘、转向管柱是使驾驶员受伤的主要元件。,a、万向节连接转向轴不断开，不吸能。结构简单，利于布置，,b、两段式防伤转向轴断开，吸能少。结构简单，但是效果可能不理想,c、联轴套管塑料销钉铆接，轴向滑动管柱，不断开，吸能。其中2为注塑销钉。断开时长度缩短，塑料增大摩擦并吸能。撞后不断开。,d、弹性联轴器断开，吸能。结构简单，制造容易，但是弹性垫片会降低转向系统的扭转刚度。,弹性垫片,e、网格状转向吸能管柱依靠管柱与套管的挤压来吸收冲击能量。设计时选择合适套管间的过盈量，满足所要求的压紧力。,转向管柱,套管,一、转向器的效率1、含义：功率P1从转向轴输入，经转向摇臂轴输出所求得的效率称为转向器的正效率，用符号+表示；反之称为逆效率，用符号表示。正效率+计算公式：+=（P1-P2）/P1逆效率计算公式：=（P3-P2）/P3式中，P1为作用在转向轴上的功率；P2为转向器中的磨擦功率；P3为作用在转向摇臂轴上的功率。,7-3转向系主要性能参数,29,2、正效率影响因素：影响转向器正效率的因素有转向器的类型、结构特点、结构参数和制造质量等。转向器类型和结构特点,30,蜗杆、螺杆类,0螺线导程角摩擦角，=tg-1ff摩擦系数,31,3、逆效率：根据逆效率分类：可逆式：逆效率较高，如循环球式、齿轮齿条式不可逆式：0，-0，现不采用极限可逆式：介于以上二者之间0一般取810,32,逆效率影响汽车的使用性能正常路面作用在车轮上的力，经过转向系可大部分传递到转向盘，这种逆效率较高的转向器属于可逆式。它能保证转向轮和转向盘自动回正，既可以减轻驾驶员的疲劳，又可以提高行驶安全性。但是，在不平路面上行驶时，传至转向盘上的车轮冲击力，易使驾驶员疲劳，影响安全行驾驶。,33,二、传动比的变化特性1、转向系传动比的组成：,角传动比力传动比,转向盘转动角速度,同侧转向节偏转角速度,不严格的讲，就是转向盘转角与转向轮转角之比,转向盘手力,两个转向轮阻力和,转向系的角传动比由转向器角传动比和转向传动机构角传动比组成，即转向器的角传动比:转向传动机构的角传动比:,2.力传动比与转向系角传动比的关系,转向阻力Fw与转向阻力矩Mr的关系式：作用在转向盘上的手力Fh与作用在转向盘上的力矩Mh的关系式：将式（7-3）、式（7-4）代入后得到,（7-3）,（7-4）,（7-5）,如果忽略磨擦损失，根据能量守恒原理，2Mr/Mh可用下式表示将式（7-6）代入式（7-5）后得到当a和Dsw不变时，力传动比越大，虽然转向越轻，但也越大，表明转向不灵敏。,（7-6）,（7-7）,2.力传动比与转向系角传动比的关系,3.转向系的角传动比,转向传动机构角传动比可用表示以外，还可以近拟地用转向节臂臂长L2与摇臂臂长L1之比来表示，在汽车结构中，L2与L1的比值大约在0.851.1之间，可近似认为其比值为1则由此可见，研究转向系的传动比特性，只需研究转向器的角传动比及其变化规律即可。,4.转向器角传动比及其变化规律增大角传动比可以增加力传动比。当Fw一定时，增大力传动比能减小作用在转向盘上的手力Fh，使操纵轻便。同时，对于一定的转向盘角速度，转向轮偏转角速度与转向器角传动比成反比。角传动比增加后，转向轮偏转角速度对转向盘角速度的响应变得迟钝，汽车转向灵敏性降低，所以“轻”和“灵”构成一对矛盾。为解决这对矛盾，可采用变速比转向器。齿轮齿条式、循环球式、蜗式指销式转向器都可以制成变速比转向器。,齿轮齿条变传动比的原理,原理：互啮合齿轮的基圆齿距必须相等，即Pbl=Pb2,齿轮基圆齿距Pbl=mlcos1齿条基圆齿距Pb2=m2cos2,mlcos1m2cos2,让齿轮具有标准模数m1和标准压力角a1，通过改变不同位置处齿条压力角2和模数m2变来获得传动比。,节圆,齿轮齿条式转向器齿条中部（转向盘中间位置）压力角最大，齿轮节圆半径大，转向时位移大，转向灵敏。中间小两侧压力角逐渐变小（模数也逐渐减小），齿轮节圆半径小，转向时位移小，转向灵敏度下降，但转向轻便。两边大,转向器角传动比的选择,转向器角传动比可以设计成减小、增大或保持不变的。影响选取角传动比变化规律的主要因素是转向轴负荷大小和对汽车机动能力的要求。若转向轴负荷小或采用动力转向的汽车，不存在转向沉重问题，应取较小的转向器角传动比，以提高汽车的机动能力。,循环球式转向器i=2r/P措施：螺距P不变，齿扇啮合半径r变化,转向系(器)的传动比的变化,对转向轴荷较小，或者安装动力转向的车辆,中间位置传动比大为了高速操纵的稳定性，因为过小会使车辆反应过于灵敏，很难操纵；传动比大导致路感差；两端小则为满足低速操纵灵敏性。,转向器角传动比的选择,若转向轴负荷大，汽车低速急转弯时的操纵轻便性问题突出，应选用大些的转向器角传动比。汽车以较高车速转向行驶时，要求转向轮反应灵敏，转向器角传动比应当小些。汽车高速直线行驶时，转向盘在中间位置的转向器角传动比不宜过小。否则转向过分敏感，使驾驶员精确控制转向轮的运动有困难。转向器角传动比变化曲线应选用大致呈中间小两端大些的下凹形曲线。,1、转向器传动间隙特性转向器传动间隙随转向盘转角变化的关系称为转向器传动间隙特性影响汽车直线行驶的稳定性和转向器寿命，转向盘处于中间位置时，间隙要极小或者无间隙,三、转向器传动副的传动间隙t,转向器传动副的传动间隙t,要求：间隙中间小，两边大。,新的,磨损后的调整过的,传动副的传动间隙在转向盘处于中间及其附近位置时要极小，最好无间隙。若转向器传动副存在传动间隙，一旦转向轮受到侧向力作用，车轮将偏离原行驶位置，使汽车失去稳定。传动副在中间及其附近位置因使用频繁，磨损速度要比两端快。在中间附近位置因磨损造成的间隙过大时，必须经调整消除该处间隙。,46,2、获得传动间隙特性的方法：对于循环球齿轮齿扇式：（1）偏心法：齿槽同宽，中间齿正常厚度，往两边依次递减。当n一定时，取决于摇臂轴转角p（2）修正齿条法：两侧齿槽比中间宽，两侧齿槽相等，齿扇的齿有相同厚度。磨损后不致卡死。,四、转向系计算载荷的确定,为转动转向轮要克服的阻力，包括转向轮绕主销转动的阻力、车轮稳定阻力、轮胎变形阻力和转向系中的内磨擦阻力等。1、计算汽车在沥青或者混凝土跨面上的原地转向阻力矩MR（Nmm）的半径经验公式式中，f为轮胎和路面间的滑动磨擦因数，一般取0.7；G1为转向轴负荷（N）；p为轮胎气压（MPa）。2、作用在转向盘上的手力为式中，L1转向摇臂长；L2为转向节臂长；Dsw为转向盘直径；i为转向器角传动比；+为转向器正效率。对给定的汽车，计算出来的的作用力是最大值。,48,设计原则：当前轴负荷大于40KN时，必须采用动力转向；当前轴负荷在2540KN之间时，可装可不装；当前轴负荷小于25KN时，不必装动力转向。,第五节动力转向机构,动力转向系统则是在驾驶员的控制下，借助于汽车发动机产生的液体压力或电动机驱动力来实现车轮转向。,一、设计要求1.运动学的随动（转向轮转角和方向盘转角的关系）；2.力的随动（路感）即不同路面上，驾驶员的手力感觉；3.动力转向失灵时，仍能够用机械转向操纵；4.当Fh0.0250.19KN时，动力转向起作用；5.应能够自动回正，保证汽车稳定、直线行驶；6.工作灵敏，密封性能好，内、外泄漏少。,动力转向,动力转向的基本要求,GB17675-1999汽车转向系基本要求：不得装用全动力转向机构。转向系统中的液压、气压或电气部件部分或全部失效后，转向系统必须有控制汽车行驶方向的能力。,因此，现在的动力转向一般是在原来机械转向系统的基础上添加助力机构实现的，机械机构用于安全储备,液压式动力转向机构是由分配阀、转向器、动力缸、液压泵、贮油罐和油管等组成。根据分配阀、转向器和动力缸三者相互位置的不同，它分为整体式（图7-12a）和分置式两类。分置式按分配阀所在位置不同又分为：联阀式（图7-12b）、连杆式（图7-12c）和半分置式（图7-12d）。,图7-12动力转向机构布置方案1分配阀2转向器3动力缸,（一）动力转向结构形式1.液压式：尺寸小，压力大，灵敏度高，可吸收冲击，无需润滑；2.气压式：体积大，质量大，灵敏度低，压力低,二、液压式动力转向机构布置方案分析,在分析比较动力转向机构布置方案时，要考虑以下几个方面：1）结构上是否紧凑；2）转向器主要零件是否承受由动力缸建立起来的载荷；3）拆装转向器是否容易；4）管路，特别是软管的管路长短；5）转向轮在侧向力作用下是否容易产生摆振；6）能不能采用典型转向器等方面。,三、液压式动力转向器的评价指标,（1）动力转向器的作用效能用效能指标s=Fh/Fh来评价动力转向器的作用效能。现有动力转向器的效能指标s=115。（2）路感在最大工作压力时，轿车：换算以转向盘上的力增加约3050N，货车：增加80100N。（3）转向灵敏度转向灵敏度可以用转向盘行程与滑阀行程的比值来评价比值越小，则动力转向作用的灵敏度越高。高级轿车的值在6.7以下。转向灵敏度也可以用接通动力转向时，作用到转向盘的手力的转角来评价，要求此力在20-50N，转角在1015范围。,（4）动力转向器的静特性动力转向器的静特性是指输入转矩与输出转矩之间的变化关系曲线，是用来评价动力转向器的主要特性指标。用输入转矩M与输出油压p之间的变化关系曲线来表示动力转向的静特性。常将静特性曲线划分为四个区段。在输入转矩不大的时候，相当于图中A段；汽车原地转向或调头时，输入转矩进入最大区段（图中C段）；B区段属常用快速转向行驶区段；D区段曲线就表明是一个较宽的平滑过渡区间。,图7-13静特性曲线分段示意图,要求动力转向器向右转和向左转的静特性曲线应对称。对称性可以评价滑阀的加工和装配质量。要求对称性大于0.85。,能量消耗大。液压动力转向系统需要发动机带动液压油泵，使液压油不停地流动，浪费了部分能量。结构复杂，可靠性差。液压动力转向系统必需有动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮等，工作介质为油液，易泄漏。助力特性难以满足要求。（主要问题）具有固定放大倍率，操纵轻便型和操纵稳定性难以兼顾。,液压式动力转向系统的缺点,为此采用车速感应型动力转向机构，有电控液压动力转向和电动助力转向系统,具有固定放大倍率的动力转向系统的主要缺点,放大倍率小，可减小汽车在停车或低速行驶状态下转动转向盘的力，但当汽车以高速行驶时，会使转动转向盘的力显得太小，不利于对高速行驶的汽车进行方向控制（方向发飘）；反之，放大倍率大，可增加汽车在高速行驶时的转向力，但当汽车停驶或低速行驶时，转动转向盘就会显得非常吃力（转向沉重）。操纵轻便型(低速状态)和操纵稳定性(高速状态)难以兼顾。,是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元等，电子控制单元根据检测到的车速信号，控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求。,四、电控液压动力转向,这些装置保留了原来的液压系统，所以结构复杂，成本提高。,电控液压动力转向,EHPS示意图,电控液压动力转向,一种EHPS电动泵,电控液压动力转向,EHPS的车速感应功能,EHPS的特性,分类,液压式电子控制动力转向系统是在传统的液压动力转向系统的基础上增设电子控制装置而构成的。根据控制方式的不同，液压式电子控制动力转向系统又可分为流量控制式、油压反馈控制式（反力控制式）、动力缸分流控制式和阀特性控制式（阀灵敏度控制式）几种形式。,流量控制式动力转向系统就是根据车速传感器的信号，控制电磁阀阀针的开启程度，从而控制转向动力缸活塞两侧油室的旁路液压油流量，来改变转向盘上的转向力。车速越高，流过电磁阀电磁线圈的平均电流值越大，电磁阀阀针的开启程度越大，旁路液压油流量越大，液压助力作用越小，使转动转向盘的力也随之增加。这就是流量控制式动力转向系统的工作原理。,流量控制式,电动助力转向系统,上世纪80年代开始研制并商品化的电动助力转向（EPS）系统近年来在国内外得到迅速发展。,早在1988年，这种转向系统首先装在日本的SuzukiCorvo,助力装置,电动助力转向系统,工作原理,转向轴,装转向盘,连接转向器,电动式助力转向系统的优点：,有许多液压式动力转向系统所不具备的优点：（1）将电动机、离合器、减速装置、转向杆等各部件装配成一个整体，这既无管道也无控制阀，使其结构紧凑、质量减轻。一般电动式EPS的质量比液压式EPS质量轻25%左右。（2）没有液压式动力转向系统所必须的常运转转向油泵，电动机只是在需要转向时才接通电源，所以动力消耗和燃油消耗均可降到最低。（3）省去了油压系统，所以不需要给转向油泵补充油，也不必担心漏油。（4）可以比较容易地按照汽车性能的需要设置、修改转向助力特性。,电动助力转向系统分类,转向轴式转向齿轮式,双齿轮式滚珠丝杠杆式,齿条式,电动助力转向系统的特点,助力特性可以根据车速调节,转向盘转矩,电动机电流,150km/h,0km/h,电动助力转向系统的特点,助力特性曲线形状可调,转向盘转矩,电动机电流,调节可以采用软件进行，减少开发成本和周期,68Nm,12NmP238，要求3）偏大,电动助力转向系统的特点,节能环保结构紧凑符合汽车的发展方向电动,技术含量要求较高，目前国内不成熟助力不能够很大,全电动转向线控转向（Steer-By-Wire）,特点：取消了转向盘和转向轮之间的机械连接,优点：传动比可调提高主动安全提高被动安全,缺点：技术含量高，成本高，目前处于研究阶段,主动转向,主动转向的助力