汽车转向基础知识.ppt

1 汽车转向基础知识 主讲人 SP平台部谷士杰目的 了解转向基本知识用时 1个小时 每天进步一点点 目录 一 转向系统的定义和功能二 转向系统设计基本要求三 转向系统主要部件及要求四 转向系统设计的关键参数五 转向系统常见故障和解决 每天进步一点点 一 转向系统的定义和功能 一 定义 用来改变和恢复汽车行驶方向的一整套专设机构即称为汽车转向系 二 转向系统的主要功能 1 驾驶者通过方向盘控制转向轮绕主销的转角而实现控制汽车运动方向 对方向盘的输入有两种方式 对方向盘的角度输入和对方向盘的力输入 装有动力转向系统的汽车低速行驶时 操作方向盘的力很轻 却要产生很大的方向盘转角输入 汽车的运动方向纯粹是由转向系统各杆件的几何关系所确定 这时 基本上是角输入 而在高速行驶时 可能出现方向盘转角很小 汽车上仍作用有一定的侧向惯性力 这时 主要是通过力输入来操纵汽车 2 将整车及轮胎的运动 受力状况反馈给驾驶者 这种反馈 通常称为路感 手 感知方向盘的震动及运转情况 眼睛 观察汽车运动 身体 承受到的惯性 耳朵 听到轮胎在地面滚动的声音来感觉 检测汽车的运动状态 但最重要的的信息来自方向盘反馈给驾驶者的路感 因此良好的路感是优良的操稳性中不可缺少的部分 反馈分为力反馈和角反馈从转向系统的功能可以得知 人 车通过转向系统组成了人车闭环系统 是驾驶者对汽车操纵控制的一个关键系统 每天进步一点点 二 转向系统设计基本要求 转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构 在汽车转向行驶时 保证各转向轮之间有协调的转角关系 转向系的设计基本要求如下 参考GB17675 1999汽车转向系基本要求 1 汽车转弯时 全部车轮应绕瞬时回转中心 瞬心 旋转 任何车轮不应有侧滑 不满足这项要求会加剧轮胎磨损 并降低汽车的操作稳定性 实际上 没有哪一款汽车能完全满足这项要求 只能对转向梯形杆系进行优化 一般在常用转向角 内轮15 25 范围 使转向内外轮运动关系逼近上述要求 2 良好的回正性能汽车转向动作完成后 在驾驶者松开方向盘的条件下 转向轮能自动返回到直线行驶位置 并稳定行驶 转向轮的回正力矩的大小主要由悬架系统所决定的前轮定位参数确定 一般来说 影响汽车回正的因素有 轮胎侧偏特性 主销内倾角 主销后倾角 前轮外倾 转向节上下球节的摩擦损失 转向节臂长 转向系统的逆效率等 每天进步一点点 二 转向系统设计基本要求 3 汽车在任何行驶状态下 转向轮不得产生自振 方向盘没有摆动 4 转向机构与悬架机构的运动不协调所造成的运动干涉应尽可能小 由于运动干涉使转向轮产生的摆动应最小 汽车转弯行驶时 作用在汽车质心处的离心力的作用 内轮载荷减小 外轮载荷增加 使悬架上的载荷发生相应变化 若转向桥采用非独立悬架 钢板弹簧机构时 则内侧板簧因载荷减小而长度缩短 外侧板簧因载荷增加而长度增加 导致车轴在水平面内相对车身转过一个角度 产生轴转向效应 转向直拉杆和纵拉杆的运动关系必须与之适应 使轴转向效应趋于不足转向 当转向桥为独立悬架 螺旋弹簧机构时 内侧弹簧因载荷减小而长度增加 车轮相对车身下跳 外侧弹簧因载荷增加而长度减小 车轮相对车身上跳 因转向横拉杆外球头从运动学上来说 是转向轮的一部分 内球头属于车身的一部分 外球头随车轮上下跳动所形成的轨迹必须与内球头所在中心点相适应 这就是传统转向理论中所说的断开点校核 实际上 现代汽车设计中 合理利用这个运动轨迹的干涉 使得运动干涉造成的车轮偏转方向 侧倾转向 与转向方向相反 有助于实现不足转向 每天进步一点点 二 转向系统设计基本要求 5 良好的机动性为了使汽车具有良好的机动性能 必须使转向轮有尽可能大的转角 并要达到按前外轮轨迹计算 使其最小转弯半径能达到汽车轴距的2 2 5倍 6 转向操纵轻便性转向操纵轻便性的评价指标通常有两项 驾驶者作用在方向盘上的切向力大小和方向盘总圈数 机械转向系统的轿车 在行驶中转向时的切向力应为50 100N 有助力转向系统的轿车 此力为20 50N K1哈弗为27N 3N 轿车方向盘总圈数不得大于4圈 货车不得大于6圈 对于无助力系统 方向盘上的切向力大小由转向系力传动比决定 方向盘总圈数等于转向器总圈数 方向盘总圈数多和切向力越大都容易使驾驶者疲劳 根据机械原理 方向盘总圈数越多 切向力就越小 两者成反比 只有合理对方向盘总圈数和切向力取值 才能有一个好的转向操纵轻便性 对于有助力转向系统 可以实现少的方向盘总圈数和小的方向盘切向力 但需要注意助力特性 虽然实现了好的转向操纵轻便性 却容易出现转向高速发飘 转向发贼现象 破坏操纵稳定性 每天进步一点点 二 转向系统设计基本要求 7直线行驶稳定性转向系统和悬架系统密切相关 必须使转向系统与悬架系统合理匹配 使汽车具有良好的直线行驶稳定性 良好路面不得出现的行驶跑偏 行驶跑偏与车辆的制造装配有很大关系 当转向轮遇到一个小的障碍物时 车轮发生偏转 这时汽车应具有快速回到直线行驶位置的能力 循环球式转向器设计成变传动比 摇臂轴扇齿的中间齿 转向器的中位 齿厚比两边的大 与螺母齿条啮合时 转向器中间位置有相当于锁紧的功能 以达到维持直线行驶稳定的目的 齿轮齿条式转向器将齿条中间常用几齿的齿间设计得比较小 与小齿轮啮合时 转向器中间位置有相当于锁紧的功能 以达到维持直线行驶稳定的目的 同时也达到间隙补偿的目的 8转向轮碰到障碍物后 传递给方向盘的反冲力要尽可能小 转向轮碰到障碍物后 传递给方向盘的反冲力要尽可能小 否则会出现 打手 现象 避免 打手 现象的有效措施有 在转向操纵机构中增加挠性万向节 加装转向阻尼器 减振器 提高转向系统逆效率等手段 9应当有汽车碰撞时对驾驶者的防伤机构当发生车祸时 一方面 车辆前端被压溃 使得转向管柱和转向轴向上向后移动 也就是向窜向驾驶者头胸部 另一方面 驾驶者紧急制动或则被撞时汽车骤然停止 驾驶者在强大惯性力作用下 上半身冲向方向盘 伤害驾驶者 为避免这种危害 就要求转向管柱在轴向不能是刚性的 在转向管柱两个方向应具有溃缩和吸能功能 缓冲车身前部的冲击和驾驶者的冲击 GB11557 1998 防止汽车转向机构对驾驶员伤害的规定 每天进步一点点 二 转向系统设计基本要求 10转向轮与方向盘偏转方向一致转向系统必须做运动分析 最起码要保证的是 汽车在前进时 往左转动方向盘时 汽车应向左转 右打右转 11适宜的不足转向度汽车等速行驶时 迅速给方向盘一个角度输入 使转向轮迅速发生偏转 汽车进入一个稳态响应 等速圆周行驶 这时 汽车产生一个绕Z轴线的横摆角速度 横摆角速度与转向轮转角的 或者方向盘的转角 的比值称为转向灵敏度 横摆角速度增益 横摆加速度与车速成线性关系时 即它们函数关系为一直线 斜率为定值 称汽车具有中性转向特性 表现为 保持相同的方向盘转角 提高车速 汽车的转弯半径维持在一个恒定值 横摆加速度与车速成非线性关系 其斜率呈减小趋势 称汽车具有不足转向特性 表现为 保持相同的方向盘转角 提高车速 汽车的转弯半径越来越大 横摆加速度与车速成非线性关系 其斜率呈增加趋势 当车速度超过临界车速时 横摆角速度趋于无穷大 称汽车具有过多转向特性 表现为 保持相同的方向盘转角 提高车速 汽车的转弯半径越来越小 中性转向很容易转化为过多转向 过多转向汽车达到临界车速时将失去稳定性 由于其转弯半径越来越小 横摆加速度越来越大 汽车将发生激转而侧滑摔尾或者翻车 因此汽车都应具有适宜的不足转向特性 转向灵敏度和转向特性主要影响因素 悬挂系统 转向系统以及整车的质心位置 轴距 轮距等参数 每天进步一点点 三 转向系统主要部件及要求 一 主要构成 转向盘 转向管柱 转向传动轴 转向器 转向杆系 转向节 过度臂 此外有动力转向装置 转向减振器和防伤机构 每天进步一点点 三 转向系统主要部件及要求 二 工作原理 驾驶员作用在转向盘上的切向力 经转向盘转换成再经过转向器增大力矩后传到杆系和转向轮 用来克服转向阻力 同时 转向盘的角位移也转换成转向轮绕主销转的转角 每天进步一点点 三 转向系统主要部件及要求 三 主要部件概述1 转向盘 也就是方向盘 驾驶员通过控制方向盘 使汽车按照驾驶员的意图保持或者改变运动方向 同时 汽车发生危险时 方向盘后移还是驾驶员碰撞转向盘 都能使驾驶员受到伤害 因此转向盘也是重要的保安部件 因此转向盘设计时有以下几点要求需要满足 在发生车祸时 使驾驶员受到的伤害尽可能的小 轮辐应有足够大的面积 以利驾驶员的身体与转向盘发生冲撞接触时 能减轻它们之间的压力 驾驶员需要紧握方向盘 并不停地转动 所以要求转向盘材料具有良好的耐磨性 同时要求不易燃 在汽车发生火灾时 减轻驾驶员的伤害 方向盘不反光 避免造成驾驶员炫目 方向盘尺寸和形状符合人机工程学 避免长期使用而感到疲劳 2 转向器 转向器主要分机械式和动力式 其中动力转向器已经广泛应用于现代汽车上 主要作用 增大来自转向盘的转矩 使之达到足以克服转向轮与路面之间的转向阻力矩 降低转向传动轴的转速 每天进步一点点 三 转向系统主要部件及要求 使转向摇臂轴转动 带动摇臂摆动使其末端获得所需要的位移 或者是将与转向传动轴连接在一起的主动齿轮的转动 转换成齿条的直线运动而获得所需要的位移 通过选取不同的螺 蜗 杆上的螺纹螺旋方向 达到使转向盘地转动方向与转向轮转动方向协调一致 动力转向器的基本要求 运动学上应保持转向轮转角和驾驶员转动转向盘地转角之间保持一定的比例关系 在减小转向时作用在转向盘上的手力的同时 还应当有合适的 路感 工作安全可靠 密封性能好 工作没有噪声和振动 工作灵敏 转动转向盘后 系统内的压力很快能增长到最高值 每天进步一点点 三 转向系统主要部件及要求 动力转型器主要有循环球式和整体齿轮齿条式 循环球式 整体齿轮齿条式 每天进步一点点 三 转向系统主要部件及要求 齿轮齿条式转向器的优点 1 结构紧凑简单 重量轻 布置容易 不需要象循环球式转向器所必须的转向摇臂 直拉杆 纵拉杆2 传动效率高 可达90 以上 3 有自动补偿间隙装置 还可以改变转向系统刚度 防止工作时产生的冲击和噪音 4 因其逆效率高 对车轮的回正力矩传递到方向盘的阻滞力小 转向系统容易回正 齿轮齿条式转向器的缺点 1 因其逆效率高 易出现打手现象 2 因齿轮齿条模数一般取的较低 承载能力低 一般只能用于轿车和小型客车 循环球式转向器的优点 1 由于在螺杆螺母间有可以循环的钢球 将滑动摩擦变为滚动摩擦 因而传动效率高 可达85 以上 2 可以保证足够的耐磨性能 因而有足够的使用寿命 3 间隙调整容易 很难实现自动调整 工作平稳可靠 4 很容易实现变传动比功能 循环球式转向器的缺点 1 逆效率高 易出现打手现象 2 结构复杂 制造精度要求高 3 布置困难 一般用于布置空间大的货车和客车 也因为其承载能力高 每天进步一点点 三 转向系统主要部件及要求 转向器基本性能参数 力特性 线角传动比 齿条行程 输入轴总圈数 一般来说就是方向盘总圈数 转向器逆效率 转向器正效率 齿轮齿条啮合间隙特性 静扭刚度 线角传动比i m z cos i输入轴转动一圈 齿条的行程m齿轮 齿条法面模数z小齿轮齿数 齿条倾角必须的实验 力特性实验 正驱动疲劳实验 逆驱动疲劳实验 冲击强度实验 静扭破坏实验 耐腐蚀性实验 每天进步一点点 三 转向系统主要部件及要求 整体式 断开式 3 转向杆系也叫转向梯形 属于转向传动机构 其主要功能是将转向器摇臂的摆动 传递给转向轮 使之偏转 主要有断开式和整体式 当悬架采用非独立悬架时 转向梯形采用整体式 当悬架采用独立悬架时 转向梯形采用断开式 每天进步一点点 三 转向系统主要部件及要求 每天进步一点点 三 转向系统主要部件及要求 转向管柱及万向节的基本功能 1将驾驶者给方向盘的操舵力矩和角度位移传递给转向器 2传递转向器获得的路面以及汽车行驶的状况等信息 3驾驶者免伤害功能 对高级轿车还应具有的舒适性功能 方向盘角度可调 方向盘高度可调等 对装有阻尼器 如挠性万向节 还具有衰减路面冲击的作用 另外还应具有 组合开关安装 点火开关 装饰罩等安装性的支持功能 设计要求 除需满足上述功能要求外 还应满足如下要求 根据机械原理可知 双十字轴万向节的等速两个必要条件为 三相交轴轴线在同一平面内和两轴间夹角的绝对值相等 但由于整车布置缘故 基本不能满足等速条件 且方向盘的转动速度很低 对等速要不高 但也要求两轴间空间夹角 不得大于35 最好低于30 否则十字轴轴承工况恶化 寿命降低 且转向系统效率降低 回正性能差 每天进步一点点 三 转向系统主要部件及要求 每天进步一点点 三 转向系统主要部件及要求 每天进步一点点 三 转向系统主要部件及要求 转向油泵的基本参数 几何排量q 转子每转一圈 油泵所吐出的流量 是定子配油空间与转子和叶片的几何尺寸所决定 是油泵固有的几何容积 单位 ml rev 流量Q 油泵在每分钟内吐出的流量 单位 L min 理论上等于几何排量q与转子转速的乘积 油泵的转速由发动机转速所决定的 这样就会出现汽车从低速到高速的加速过程中 油泵转子转速越来越高 流量也越来越大 而转向器的几何参数一确定 系统流量越大助力程度就越大 这样对汽车操控是非常危险的 因此 发动机转速到一定时 发动机怠速 油泵流量必须趋于稳定 甚至要求呈下降趋势 这一功能由油泵流量限制阀来实现 限制压力P 转向油泵所输出的最高压力 为满足汽车高速助力程度渐低的要求和转向系统的额定最高压力 油泵设置了压力控制阀 为适应不同的汽车 流量Q和限制压力P在一定范围内可调 每天进步一点点 1 最小转弯半径Rmin最小转弯半径是指转向轮转角在最大位置条件下 汽车低速行驶时前外传向轮与地面接触点的轨迹到转向中心O点之间的距离 Rmin 其中 汽车内轮最大转角 轴距L 转向轮绕主销转动半径r 两主销延长到地面交点的距离B最小转弯直径是汽车机动性的评价指标 影响最小转弯直径的因素有 汽车轮距 轴距 轮胎侧偏刚度 有效转向节臂长 转向器行程 齿轮齿条式转向器 转向摇臂摆角 循环球式转向器 转向摇臂长 循环球式转向器 转向梯形的布置形式等 四 转向系统设计的关键参数 每天进步一点点 四 转向系统设计的关键参数 理论转角关系 ctga ctg B L 阿克曼转向理论汽车转向时 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 如上图所示 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 每天进步一点点 四 转向系统设计的关键参数 2 转向系的传动比转向系的传动比可分为转向系地角传动比和转向系的力传动比 其中转向器的角传动比具有核心作用 其中 为转向盘转角的增量为摇臂轴转角的增量 在增大转向器的传动比时候 转向器力传动也增大 在转向阻力不变的条件下 能减小作用在转向盘上的手力 使转向操纵轻便 同时考虑到增大转向器角传动比 又会导致转向盘转角增多 即转向轮转角对同一转向盘转角的响应变得迟钝 汽车转向灵敏性降低 解决上述矛盾 可以采用变速比转向器 每天进步一点点 四 转向系统设计的关键参数 转向力影响转向力的主要因素有转向轴的负荷 轮胎与地面之间的滑动摩擦系数和轮胎气压 其中 原地转向阻力矩 N mm 轮胎与地面间的滑动摩擦系数 转向轴的负荷 N 轮胎气压 MPa 每天进步一点点 四 转向系统设计的关键参数 其中 作用在转向盘上的手力 N 转向摇臂长 mm 转向节臂长 mm 转向盘半径 mm 转向器角传动比 转向器正效率 上述转向阻力矩是在汽车静止状态下计算的 所以是最大值 根据这个阻力矩换算得出作用在转向盘上的手力 并据此作为计算强度的载荷也是合理的 每天进步一点点 四 转向系统设计的关键参数 效率 转向系的效率 其中 为转向传动机构的效率 为转向器的效率 从转向轴方向向转向轮传递功率时 所求得的效率为正效率 反之为逆效率 转向系地正效率一般在0 67 0 85 逆效率在0 58 0 63 用来评价转向杆系中球头和主销部分的摩擦损失 前者占转向系总损失的10 15 后者占40 50 转向器的效率 因转向器形式 结构和选取的参数不同而变化 其中齿轮齿条式和循环球式转向器的效率计较高 要求转向系的正效率必须高 而逆效率要低些 但应保证转向轮自动回正和良好的 路感 每天进步一点点 五 转向系统常见故障和解决 一 转向沉重装有动力转向系统的汽车 在行驶中突然感到转向沉重 这种故障一般是液压转向助力系统失效或助力不足引起的 其根本原因是油压不足 引起转向系统油压不足的主要原因有以下几种 贮油罐缺油或是油液高度低于规定要求 液压回路中渗人了空气 油泵驱动皮带打滑 各油管接头处密封不良 有泄漏现象 油路堵塞或滤油器污物太多 油泵磨损 内部泄漏严重 安全阀泄漏 弹簧弹力减弱或是调整不当或转向控制阀密封圈损坏 每天进步一点点 五 转向系统常见故障和解决 解决此问题从以下几个方面入手 a 检查贮油罐内的油液质量和液面高度 如果油液变质则应重新更换规定的油液 如果只是液面低于规定高度 应加油使油面达到规定标尺位置 b 检查油路中是否渗入空气 如果发现贮油罐中的油液有气泡时 说明油路中有空气渗人 应检查各油管接头和接头面的螺检是否松动 各密封件是否损坏 有无泄漏现象 油管是否破裂等 对于出现故障的部位应进行修整和更换 检修完毕后还要及时进行排气操作 最后重新加人油液 C 检查油泵驱动皮带是否打滑或其他驱动型式的齿轮传动等有无损坏 发现问题后应按规定调整皮带紧度或更换性能不良的零部件 d 检查各油管接头等处有无泄漏 油路中是否有堵塞或是滤油器是否污物太多 查明故障 按规定力矩拧紧油管接头或清除污物 必要时更换零部件 每天进步一点点 五 转向系统常见故障和解决 e 对转向油泵进行输出压力检查 如果油泵输出压力不足 说明油泵有故障 此时应分解油泵 检查油泵是否磨损或内部泄漏严重 安全阀是否泄漏或卡滞 弹簧弹力是否减弱或调整不当 各轴承是否烧结或严重磨损等 对于齿轮式油泵还应检查转子上的密封环或油封是否损坏 如果油泵轴封泄漏也应更换转向油泵 若油泵输出压力超过规定值 说明安全阀调整不当 进行调整检查 若油泵输出压力正常 说明油泵良好 故障在动力缸或转向控制阀 此时应分解动力转向器中的转向控制阀 检查动缸和控制阀的密封圈是否损坏 控制阀是否存在定中不良的现象 滑阀式转向控制阀的自动偏转故障可在动力转向器外部进行排除 可通过改变转向控制阀阀体的位呈来实现 使用转阀式转向控制阀的动力转向器必须通过分解 检查来排除故障 f 助力不等可能由于转向器内部泄漏造成 必须分解转向器进行修