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汽车转向系统,轻卡底盘室,目录,转向系统概述转向系统基本结构介绍转向系统总体设计要素动力转向系统各分系统设计转向系统常见问题排除,一、转向系统概述转向系统的功能是保证汽车能按驾驶员的意志进行转向行驶。同时对操纵稳定性有一定的影响。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。二、转向系统基本结构介绍转向系统按能源的不同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，其中所有传力件为机械的。机械转向器由转向操纵机构、转向器和转向传动机构组成。动力转向系是在机械转向系的基础上加设一套转向助力装置而行成的。,机械转向系统结构,动力转向系统结构,1、转向器类型及基本结构转向器主要有齿轮齿条式、循环球齿条齿扇式、循环球曲柄指销式和蜗杆曲柄指销式等。齿轮齿条式转向器分两端输出式（图4-1-3）和中间（或单端）输出式（图4-1-4）两种。采用齿轮齿条式转向器可以使转向传动机构简化(不需转向摇臂和转向直拉杆等)，齿轮齿条无间隙啮合无须调整，而且逆传动效率很高。,循环球式转向器（图4-1-5）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。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。蜗杆曲柄指销式转向器（图4-1-6）的传动副(以转向蜗杆为主动件，其从动件是装在摇臂轴曲柄端部的指销。转向蜗杆转动时，与之啮合的指销即绕摇臂轴轴线沿圆弧运动，并带动摇臂轴转动。图4-1-5循环球式转向器图4-1-4单端输出式图4-1-6蜗杆曲柄指销式转向器,2、转向操纵机构转向操纵机构（图4-1-7）由方向盘（图4-1-8）、转向轴、转向管柱等组成，它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。安全转向操纵机构此类转向操纵机构当发生撞车时，上下两段相互分离或相互滑动，并吸收一部分能量，从而有效地防止转向盘对驾驶员的伤害。(1)钢球滚压变形式的转向操纵机构（图4-1-9）；(2)波纹管变形吸能式转向操纵机构（图4-1-10）。图4-1-9钢球滚压变形式图4-1-7转向操纵机构图4-1-8方向盘图4-1-10波纹管变形吸能式,3、转向传动机构汽车转向时转向传动机构的功用是将转向器输出的力和运动传到转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，且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。要使各车轮都只滚动不滑动，各车轮必须围绕一个中心点O转动，如图4-1-11所示。显然这个中心要落在后轴中心线的延长线上，并且左、右前轮也必须以这个中心点O为圆心而转动。为了满足上述要求，左、右前轮的偏转角应满足如下关系：ctga=ctgb+B/L与非独立悬架配用的转向传动机构（图4-1-12）主要包括转向摇臂2、转向直拉杆3转向节臂4和转向梯形。当转向轮独立悬挂（图4-1-13）时，每个转向轮都需要相对于车架作独立运动，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也必须是断开式的。图4-1-11双轴汽车转向理想偏转角图4-1-12非独立悬架配用的转向传动机构图4-1-13独立悬架配用的转向传动机构,转向直拉杆（图4-1-14）的作用是将转向摇臂传来的力和运动传给转向梯形臂(或转向节臂)。它所受的力既有拉力、也有压力。直拉杆的典型结构如图十所示。在转向轮偏转或因悬架弹性变形而相对于车架跳动时，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，为了不发生运动干涉，上述三者间的连接都采用球销。随着车速的提高，现代汽车的转向轮有时会产生摆振（转向轮绕主销轴线往复摆动，甚至引起整车车身的振动），这不仅影响汽车的稳定性，而且还影响汽车的舒适性、加剧前轮轮胎的磨损。在转向传动机构中设置转向减振器（图4-1-15）是克服转向轮摆振的有效措施。转向减振器的一端与车身（或前桥）铰接，另一端与转向直拉杆（或转向器）铰接。图4-1-14转向直拉杆图4-1-15转向减振器,三、转向系统总体设计要素,转向梯形转向与悬架系统的运动协调校核转向传动轴长度校核方向机摆臂摆角与前桥转向角关系校核,1、非独立悬架转向梯形设计,独立悬架转向梯形设计,独立悬架转向梯形设计,2、转向系统与悬架系统的运动校核,3、转向传动轴的长度校核,4、方向机摆臂摆角与前桥转向角关系校核,对转向系统的设计要求：保证汽车具有高的机动性（指最小转弯半径）；转向时内外转向轮绕同一瞬时转向中心旋转，即保证车轮纯滚动而无侧滑转向盘与车轮的运动协调（转角和力特性）有良好的转向自动回正和直线行驶性转向盘承受的路面反向冲击要小转向传动机构与悬架导向装置的运动干涉要小,四、动力转向系统各部件设计,转向系的主要性能参数,转向系的主要性能参数：转向轻便性和转向灵敏性，即转向力和转向总圈数。有转向系的效率、转向系的传动比、转向器传动副的传动间隙特性、转向系的刚度和转向盘的总全数。一、转向系的效率转向系的效率由转向器的效率和转向操纵及转向传动机构的效率决定转向器的效率又分正效率和逆效率正效率是功率由转向轴输入、转向摇臂输出情况下求得的传动效率；逆效率正好相反正效率越大，摩擦损失就越小，转向操纵就越容易。逆效率表示转向器的可逆性。根据逆效率值的大小，转向器又分为可逆式、极限可逆式和不可逆式。可逆式转向器的优点是：1、司机有好的路感2、在汽车转向后能保证转向轮与转向盘的自动回正，使行驶稳定它的缺点是：坏路时以出现打手现象，同时转向轮容易产生摆振所以该类转向器宜用于良好路面上使用的汽车。,二、转向系的角传动比定义：转向盘的角增量与同侧转向节转角的相应增量之比；它由转向器的角传动比和转向传动机构的角传动比决定角传动比越大，转向操纵越轻便，但转向盘的总转动全数越多；即“轻便性”和“灵敏性”是相矛盾的三、转向器的传动间隙特性转向器的传动间隙特性是指：转向器传动副之间的间隙。该间隙随转向盘的转角而改变。当转向盘在中间位置即汽车直线行驶时，如果转向器有传动间隙则将使转向轮在该间隙范围内偏离直线行驶而失去稳定性。为防止该现象发生，要求当转向盘处于中间位置时转向器的传动副为无间隙啮合。,1、采用了变传动速比技术（传动比）,变速比齿形,定速比齿形,2、采用了腰鼓形螺杆新型结构（自由间隙）,腰鼓形螺杆,普通直螺杆,总体拆分图,转阀-螺杆螺母组件,壳体尾部的调整,动力转向系统分类,液压助力式：NPS常流式：A、普通型B、节能型常压式：带蓄能器，结构复杂，油泵常压，寿命低，消耗功率大。已逐步淘汰由电机驱动油泵的电动液压助力：H-EPS油泵可设计为普通叶片泵，电机转速随车速变化，使输出流量变化，满足不同车速条件下的要求。3.电液助力式：KEEPS带有电磁阀液压泵的助力系统，电磁阀的开闭由车速来控制。4.电动转向式：EPS,传统液压助力转向的优点：减小司机疲劳，特别是停车转向时；由于液压阻尼的作用，减少了路面反冲对方向盘的影响；减小了方向盘转动的总圈数，提高了转向灵敏度；提高了安全性（在某个轮胎突然爆裂时，由于液压阻尼作用，可以更好地阻止车辆的突然转向，使得安全性提高）；转向车轮允许的负荷较大，可以增大总布置的自由度；相对于其它形式的助力转向结构,成本低；传统液压助力转向的缺点：即使在不转向时，由于系统特性的原因，发动机功率一直在消耗；发动机停止工作时，转向沉重；消耗能源（介质）；存在污染漏油；橡胶件无回收利用价值。所以针对以上不足，相继出现了电液转向系统和电动转向系统。,转向泵工作原理,转向叶片泵主要是由叶片、定子、转子、流量控制阀、安全阀、泵轴、各种密封件、轴承等零件组成。在工作时，泵轴在外驱动力矩作用下带动转子旋转，使叶片扫过定子内曲面，形成容积变化，使油液的高低压状态形成。为适应发动机高低转速变化，转向泵内设有流量控制阀以实现输出流量的自动调整，使得输出流量符合系统要求。为使转向系统压力得到限定，在转向泵内，还设有系统安全阀，可按转向系统要求给予调定，以保护转向系统安全。,二、动力转向泵,叶片泵流量曲线对比,汽车转向泵基本参数,排量q油泵每转一周所排出液体的体积ml/r开启转速（n1k、n2k）规定压力下，转向泵流量控制阀开启时的转速r/min开启流量（Q1K、Q2K）规定压力下，转向泵在开启转速工况下的输出流量L/min空载压力（Po）出油口压力不超过最大工作压力的5%或0.5MPa时的输出压力MPa最低转速(nmin)转向泵正常稳定工作的最低转速r/min最高转速(nmax)转向泵正常稳定工作的最高转速r/min最大工作压力（Pmax)转向泵内安全阀全开时的压力，可短时间工作MPa半载容积效率(v)规定转速、油温、介质条件下，压力为0.5Pmax时的容积1000QS效率v=qns（Ps+PVS）QS半载总效率(t)第8项工况条件下的总效率t=2000nSMs(输入扭矩)满载压力油泵压力为0.85Pmax时的压力MPa)输出流量特性空载和满载条件下的nQ曲线,转向助力泵流量调节原理：根据小孔节流和缝隙节流的原理，当介质流经一个截面突然变化的小孔或缝隙时，在小孔或缝隙的前后端会产生压力差，利用这个压力差，使得流量控制阀按要求移动，随着阀的移动，溢流口的开度发生变化，即溢流流量发生改变，利用这个改变来控制输出流量的大小。,三、按泵速调节流量,液压转向系统应保证的基本特性,一个成功的转向系统应具备以下特性：合适的转向力水平：各种车型要求的转向力水平是不同的，对轿车而言，有以下要求：低速状态下的转向力应较小，即低速时转向轻便灵活，一般要求发动机转速在怠速至2000rpm时，转向力为1530N；高速状态时（n2000rpm），转向力应增大，以获得路感，使在高速行驶时驾驶员不至于长时间处于紧张状态。良好的回正能力：对转向系统本身讲，扭杆是影响回正能力的主要零件，合适的扭杆刚度会使系统回正能力提高。温度：液压转向系统应保证温度控制在一定范围内，一般不要超过120。对系统内部讲，转向泵是一个主要发热源，除了和转向泵本身制造水平有关外，转向系统背压的大小，油泵内自循环流量的大小，正常压力的确定和最大压力下工作时间等因素的不当，都会使系统温度升高，造成油泵寿命降低。,动力转向失效时的工作：应保证在动力转向失效情况下，系统仍具有控制汽车行驶并可以使其安全的能力，即在设计时应考虑机械备份系统。可接受的系统噪声水平：转向系统噪声可分为各种工况条件下的泵旁高频噪声和驾驶室内的司机耳旁噪声，这两种噪声应控制在一定水平内。系统各部件的制造、安装和系统清洁度应保持一定水平，保证系统的长时间使用。介质选择要合适，应综合考虑在使用条件下的抗氧化，抗剪切,消泡性能，粘度波动，抗磨性能与密封件的相容性等各种因素。维修保养性：系统的布置尽可能要做到：能方便地检查油液容量及更换油液；可检查皮带张紧度并能方便的对其进行调整；能方便地检查泄漏点和排除故障；可方便地进行检测器具的连接以便迅速对故障进行判定。,四.转向系统初始设计,1.基本参数确认：前轴满载负荷转向梯形布置轮胎气压轮胎与地面滑动磨擦系数（原地驻车时）传动比要求（方向盘转角/车轮转角）,2.转向阻力矩的计算一般情况下进行最大转向阻力矩的（原地转向阻力矩）的计算，前轴负荷，前轮定位参数，轮胎气压都会影响转向阻力矩的大小，有的公式着重考虑了车轮主销偏移，有的着重考虑了轮胎接地面积，侧重点不同。计算结果会有差异，目前常用的公式是前苏联的半经验公式（着重考虑前桥负荷和轮胎气压）公式如下：Mr=G3/P1/2/3NmMr转向阻力矩Nm轮胎与地面的滑动摩擦系数，取0.71G前桥负荷NP轮胎气压N/m2,3.计算传动比根据转向梯形的布置进行该机构运动计算，得到转向器转角比（活塞行程/小齿轮转数）一般要系统的传动比为3.5左右,可根据此计算转向器的转角比,4.计算转向器齿条输出推力根据转向梯形结构参数和车轮各偏转角度下的回正力进行该机构力传递计算,得到转向器齿条应满足的输出推力F,做出转向器齿条输出力-车轮偏转角曲线,5.计算转向器缸径和齿条直径（液压面积）F系统压力（转向器油缸直径2齿条直径2）0.785(kgf),轿车用转向系统压力可选为2.53.5MPa，在允许的情况下，尽量选得低一些，原因:系统寿命较长，高温时泄漏小，使转向手力高低温时的状态一致，工作压力较小时，可将怠速时油泵转速降低，把油泵起始工作点选择在N-Q曲线的上升段，以降低油泵转速减小功率消耗,6.计算转向器(在发动机怠速时)所需输入流量对循环球式转向器,流量=方向盘转速转向器螺距转向器活塞面积转向器泄漏量对齿轮齿条转向器：流量=方向盘转速（齿条行程/齿轮转数）齿条活塞面积转向器泄漏量一般方向盘转速可为6090rpm。,7.计算转向泵参数最高压力Pmax一般情况下，Pmax（1.52)P正常排量计算:q转向器所需流量/(0.70.8)n怠速注意：应对泵的排量和发动机怠速时泵的转速进行协调确定，因为这两个参数的增大都会使泵的消耗功率和噪声增大。,最大压力（转向泵设定的安全阀开启压力）的选定：Pmax一般=1.52P,流量曲线选择,当车辆高速时需增大转向力时，也可通过计算来确定3000rpm时的流量，但通常的做法是通过试验来确定。一般选择3000rpm以上转速时，输出流量为怠速流量的1/2左右。,10.转向油管参数设计,动力转向油管应具备的功能,传输液压油助力泵出油-高压油管-转向器转向器回油-低压油管-油箱降低转向系统噪声液压转向系统可出现三种噪声：空气传播的噪声在空气中传播，人耳可听到；结构传播的噪声系统组件的振动，是空气噪声的直接原因；液体传播的噪声是a、b的主要原因。降低噪声的措施：柔性油管可有效隔振，可有效减小b类噪声，同时通过仔细设计管路，避免共振发生，可使c类噪声的减小（如采用尼龙编织热塑型胶管，可消除噪声，见图）；在油管内置调谐器实现压力反射波与压力原始波的反相位，使得二者相互抵消，使c类噪声大幅下降。降低油温,油泵气蚀当介质内有空穴现象存在时。这种空穴以气泡形式和介质混在一起进入油泵高压区，气泡在高压下会破灭发出噪声，这一瞬间，气泡周围的高压油质点会以很高速度来占据原来的气泡空间，使局部产生高压，这时的局部压力可达几百甚至上千个大气压力。如果这个局部冲击作用在零件表面，则会引起零件表面的损坏，出现麻点表面，称为气蚀。气蚀的危害：损坏零件造成不可接受的噪声形成高温引起流量波动和压力波动,产生气蚀的原因：吸油不良（如图示）油泵中心线到油箱油面的垂直高度H为吸油高度列出、截面的伯努利方程P1V12P2V22+1+Z1=+2+Z2+hwr2gr2g在这个具体情况下：V10Z2-Z1=HP1=Po（大气压）则上式成为PoP2V22=H+2+hwrr2g则油泵入口处真空度Po-P2V22=H+2+hwr2g上式中：P2截面处压力2入口处动能修正系数V2入口流速g重力加速度r流体重度hw吸入段端头压力损失,从上式可看出：当右面三项仅一项增大时，都会造成油泵吸入口压力P2降低，即真空度提高。亨利定理：气体在液体中的溶解度与液体表面压力成正比，在常压下，油中溶有612%的空气，随液体表面压力降低，溶解度降低，气体从油中析出，压力越低，析出气体越多。要避免气体析出，应采用以下措施：降低吸油高度H加粗吸油管，降低流速V2减小其它吸油阻力泵内通道不良文氏管效应若泵内元件通道中，有很狭窄的部位，根据伯努利方程，当液体流经这些地方时，流速增大，此狭窄部位的液体压力会下降很多，当压力降至空气分离压以下时，气泡会析出，造成气蚀。要避免文氏管效应的发生，应采取以下措施：避免将泵内通道设计的过于狭窄避免急剧转弯处,1.吸油管尺寸的设计在吸油管设计时，应注意管径和管长的选择，当管径太小和管长过长时，容易使转向泵吸油阻力增大，造成气蚀，一般应使吸油管的长度450mm，并使得油液在管内流速1m/s管径计算公式：流量(升/分)管内径（毫米）4.63流速(米/秒)2.回油管的尺寸设计回油管径设计过小，会造成回油阻力过大，在车辆直线行驶时，转向系统也在消耗较大的功率.一般应使回油流速2.5m/s3.高压油管尺寸的设计高压油管设计孔径过小，同样会引起较高背压，且也会因为流速过高而出现发热严重现象。,一般转向系统高压管内油液流速应在36m/