汽车转向系统概述(ppt 59页).ppt

汽车转向系统 福州大学机械工程及其自动化学院 汽车转向系统认识 典型的汽车转向系统结构 汽车转向系统概述 汽车转向系统的定义 汽车转向系统是用来改变汽车行驶方向的专设机构的总称 汽车转向系统的功能 根据驾驶员的指令输入操纵前轮 从而对车辆进行整体的方向控制 改变和保持汽车的行驶方向 汽车转向系统对汽车的行驶安全至关重要 因此汽车转向系统的零件都称为保安件 汽车转向系统是汽车安全必须要重视的系统 汽车转向系统的基础知识 分类 按动力源的不同分为机械转向系统和动力转向系统 机械转向系统 机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源 所有传递力的构件都是机械的 主要由转向操纵机构 转向器和转向传动机构三大部分组成 液压转向系统 动力转向系统是兼用驾驶员体力和发动机 或电动机 的动力作为转向能源的转向系统 动力转向系统是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的 机械转向系统 转向系统图 转向盘 转向轴 转向万向节 转向器 转向摇臂 转向直拉杆 转向节臂 转向节 梯形臂 横拉杆 机械转向器 转向摇臂 转向拉杆 转向节 梯形臂 转向横拉杆 转向油罐 转向油泵 转向控制阀 转向动力缸 属于转向加力装置的部件是 转向油罐 转向液压泵 转向控制阀和转向动力缸 动力转向系统 转向系统工作原理 驾驶员在转向盘上施加的力矩及转向角 使转向盘的旋转运动经转向器变换为直线运动 转向器产生的横向直线运动由转向杆系传至左 右车轮的转向节臂 车轮转向时 为获得左右不等的转向角 转向杆系构成的几何形状通常设计成不等边四边形 被称做 转向梯形 通过转向梯形使两侧转向绕主销转动 阿克曼几何关系 为了保证上述要求 得公式如下 cot cot B L其中 分别是内外侧转向轮的偏转角 B是两侧主销轴线与地面相交点之间的距离 L是汽车轴距 汽车转向机构的特性 内转向轮的偏转角度必须大于外转向轮的偏转角度 理由 cot B M Lcot M L根据三角函数的知识 余切是个反函数 函数值越大角度值越小 所以 M 阿克曼几何关系 汽车转向行驶时 为了避免车轮相对地面滑动而产生附加阻力 减轻轮胎磨损 要求转向系统能保证所有车轮均作纯滚动 即所有车轮轴线的延长线都要相交于一点 平行几何关系 平行几何关系 车辆转向行驶时 若满足上述公式表示的条件 车辆才做纯滚动 但实际中 车辆转向梯形机构很难在整个转向范围内均满足该条件 通常只是近似地满足 当内 外轮转向差别不大时 可近似认为两者相等 此时的转向梯形为平行几何关系 内外转轮角关系曲线 由图可见 平行几何关系为45度直线 由于转向梯形机构通常不能完全满足阿克曼几何关系 因而实际的内 外转轮角关系曲线通常在两条几何学关系型之间变化 转向几何误差 误差来源 转接杆系将转向动作由安装在车体上的转向器传递到车轮的转向节臂上 转向动作时在伴有单独的悬架运动情况下由转向转接杆系移动实现的 因此 悬架的运动很可能引起转向动作 此即为转向系统几何误差 误差 几何误差引起的前束误差和增大不足转向的转向几何误差 理想的转向系统转接杆系 理想的转向系统转接杆系应设计成它与转向节臂连接球头画的运动弧线会精确地跟随当悬架发生位移时转向节臂的弧线 第一种转向系统误差 如果转接杆铰点偏离圆心 当车轮向上跳动或反弹时转向几何误差就会引起转向作用 第一种转向系统误差 当左轮向上跳动或反弹时 转接杆的末端随着向右拉动转向节臂的弧线运动 当转接杆在车轮中心线后部时 就会产生向左转向效果 同样道理 右轮向上跳动或反弹时会导致右转向 所以 当车轮不处于设计乘载高度时就会产生前束误差 而由于前轮载荷的变化 很难保持适当的前束 当转接杆铰点向内侧偏离中心点较远 右轮向上跳动或反弹时 车轮会朝与上述方向相反的方向运动 同样产生前束误差 前束 车轮前束 Toe in 是指从上往下看两个车轮指向的方向 在前端指向内的一对前轮 或后轮 是车轮前束 指向外的则称为车轮后束 Toe out 车轮的前束或后束可用英寸 毫米或角度来表示 第二种转向系统几何误差 误差来源 由于转接杆内侧铰点低于或高于理想中心点而产生的 第二种转向系统几何误差 对于转接杆位于车轮中心线后部的情况 如果车轮向上跳动 则转接杆末端弧线轨迹会产生向左转向运动 反之 车轮回弹将产生向右转向运动 转向运动对于右侧车轮相反 因此 当车辆沿道路行驶时 每一个跳动循环都将产生前轮的前束和前张 误差影响 由于这种情况下左 右车轮对称 所以车身侧倾时两车轮会同时向一个方向旋转 向右转弯 车身向左倾斜引起左侧车轮向上跳动 右侧车轮回弹 所以 两前轮同时向左转向 与转向方向相反 增加了车辆方向响应的不足转向效果 如果转向横拉杆内侧铰点位于理想中心点上方 则会产生过多转向 前轮几何布置 转向系统的重要元素不仅包括上述可见的杆系 还有与车轮转向旋转轴相关的几何布置 这种几何布置决定了作用在转向系统的力和力矩 并影响其整体的性能 主销后倾 主销 转向轴主销后倾 保证转向轮在受外力而产生偏转时 自动回正 确保直线行驶 主销内倾 主销内倾 保证转向轮在驾驶员打方向让车辆转向后 转向轮能自动回正 确保转向轮直线行驶 前轮外倾 前轮外倾 保护车轮的外轴承和其外端的锁紧螺帽 进一步让转向更轻便 保证汽车的方向更保险 前轮前束 前轮前束 消除前轮外倾的影响 使前轮每一瞬间的滚动方向接近正前方 保证车轮的直线前进 几何布置 车轮外倾角与前束通常是转向特性和高速转向响应的次要因素 车轮外倾是为了使实际载荷下的车辆不产生车轮外倾角 通常选择较小的静态前束角是为了使在地面存在驱动力及或滚动阻力时得到零角度 通常 这些角度的设置更多的是考虑前轮磨损 而不是操控 转向系统的力和力矩 SAE车身坐标系 x轴平行于地面指向车辆前进方向 y轴平行于地面指向驾驶员右侧 根据右手法则 z轴垂直于地面指向下方 如下图所示 SAE轮胎力与力矩坐标系 垂直力 由于转向轴倾斜 垂直载荷产生了促使车轮转向的力矩分量 左 右车轮力矩之和 左 右车轮垂直载荷 地面侧向偏移量 侧向倾角 转向角 后倾角 作用在侧向倾角的垂直力 作用在侧向倾角的垂直力 当出现转角时 作用在左 右车轮的力矩共同产生回正力矩 回正力矩阻碍转向运动 带来不足转向 作用在后倾角的垂直力 作用在后倾角的垂直力 左 右车轮力矩方向相反 通过转接杆系趋于平衡 平衡取决于左 右车轮载荷相等 作用在后倾角的垂直力 载荷和后倾角影响到前束 并且不平衡的载荷或者几何布置的不对称可能产生转向偏移 侧向力 作用在轮胎中心的侧向力 通过由后倾角带来的纵向偏移构成力矩 如图所示 侧向力 总力矩为 作用在左 右车轮的侧向力 向右为正 轮胎半径 主销后倾角 侧向力 通常 侧向力取决于转向角和转向工况 且正的后倾角产生与车辆转向方向相反的力矩 因此 它是产生不足转向的主要因素 牵引力 作用在主销偏距上的牵引力 产生如下总力矩 左 右车轮上的牵引力 向前为正 偏距偏距 转向轴与地面的交点到车轮中心平面的侧向距离 牵引力 牵引力 左 右两侧的力矩方向相反 通过转接杆系趋于平衡 非平衡状态 例如轮胎爆胎 制动器故障或者对开系数的路面 都会产生与侧向偏距大小相关的转向力矩 回正力矩 垂直作用的回正力矩 可以分解出一个平行作用在转向轴上的分量 总力矩公式为 左 右车轮上的回正力矩 主销内倾角 主销后倾角在正常驾驶情况下 回正力矩总是阻碍转向运动 因此带来不足转向 只有在紧急制动情况下 它才会产生相反的效果 转向系统影响因素实例 转向传动比是转向盘转角与车轮转向角的比值 通常 轿车的转向传动比在15 1到20 1之间 火车在20 1到36 1之间 由于柔顺性和转向力矩梯度均随转向角增加 实际的转向传动比可能约为设计传动比的两倍 转向传动比 转向传动比 虽然在车辆上柔顺特性属于常量 而力矩梯度随着前轮胎的载荷 规格 压力 摩擦系数等改变 因此 实际转向传动比可能改变 总是大于设计值 并影响车辆的低速操纵性能 转向传动比 不足转向 车辆的稳态转向特性通常用在转向盘上测量的不足转向梯度来表征 因为转向系统柔顺性的存在 使转向轮偏离转向盘的输入 得到的结果受转向系统特性的影响 不足转向 不足转向 此车辆转向盘不足转向梯度值很大 约为150deg g 图中转向盘梯度的初始斜率 以转向系统的传动比 36 1 转换到车轮上 其梯度等于4deg g 然而 单独测量车轮转角发现 其初始斜率几乎水平 相当于车轮的中性转向 当车轮的反作用力作用于转向柔顺性时 转向转接杆系的变形带来了这种差距 不足转向 不足转向梯度为 前轮载荷r 车轮半径 与回正力矩相关的轮胎拖矩 后倾角 轮胎与转向盘之间的转向刚度后倾角和回正力矩的作用效果增加存在柔顺性转向系统的不足转向 制动稳定性 在自由滚动条件下可有效产生类似于4度到8度后倾角作用效果的轮胎回正力矩也可以在制动过程中 改变转向方向 制动稳定性 如图所示 在低制动系数情况下 回正力矩使轮胎向行驶方向转动 作用在转向轮上就是试图将车辆偏离转向方向 不足转向效果 在高制动系数条件下 回正力矩方向相反 可能达到较高负值 这使得轮胎试图向转向方向转动 过多转向效果 前轮驱动不足转向影响 前轮驱动车辆上与节气门开 关变化相关机制 1 驱动推力侧向分量 这类机制影响比较小 在方向上是过多转向 2 相对于转向轴作用的驱动力矩 与驱动轴几何布置和转向时车身侧倾角度密切相关 这种机制在方向上是不足转向 3 侧向力损失 轮胎特性引起不足转向 4 回正力矩增量 回正力矩促使车辆背离转向方向 由此产生不足转向 5 前 后轴载荷转移 车辆加速时 载荷动态地转移到后轮 导致后轮侧偏刚度增加 前轮侧偏刚度减小 不足转向 四轮转向