第21章 汽车转向系.ppt

第21章汽车转向系 一 转向系功用 使汽车转向轮相对于汽车纵轴线偏转一定角度的专设机构称为转向系 1 二 汽车转向系运动分析 2 只有当四个车轮的轴线交于一点时 才能保证各车轮作纯滚动而不滑动 当外转向轮转角达到最大时 转弯半径最小 r l sin 3 影响转向性能的参数 1 转向系角传动比 转向盘转角增量与转向节 转向车轮 相应转角增量比值 角传动比越大 驾驶员操纵转向盘越省力 但角传动比过大 要得到一定的汽车转角 转向盘的转角会过大 导致转向不灵 2 转向盘自由行程 转向盘在空转阶段的角行程称为自由行程 转向盘自由行程有利于缓和路面冲击和避免驾驶员过度紧张 但自由行程过大 导致转向不灵 一般为100 150 4 3 转向器传动效率 转向器输出功率与输入功率之比 由转向轴输入 由转向横拉杆输出时 为正效率 当由相反方向传动时 为逆效率 正效率高 转向操作轻便灵活 逆效率高 路面反力容易传到方向盘上 利于汽车转向结束后转向轮和转向盘自动回正 但坏路对车轮的冲击也会传到转向盘上 发生 打手 现象 根据逆效率大小不同 转向器分为可逆式 极限可逆式和不可逆式 现代汽车多用极限可逆转向器 其反向传力性能介于可逆和不可逆之间 驾驶员有一定路感 转向轮也可实现自动回正 而且只有路面冲击很大时 才能部分地传到转向盘上 另外 车轮定位和转向传动机构的几何尺寸对转向性能也有一定影响 5 三 转向系分类 汽车转向系根据其转向能源的不同 可以分为 机械转向系 动力转向系 6 1 机械转向系 7 机械式转向系的工作过程 8 转向盘 转向轴 转向器 转向摇臂 直拉杆 转向节臂 左转向节 转向梯形 右转向节 力的传递路线 9 1 转向操纵机构 包括转向盘 steeringwheel 转向柱管 steeringcolumn 转向轴 steeringshaft 上万向节 下万向节 10 i 转向盘 steeringwheel 转向盘由轮缘 轮辐和轮毂组成安全性 具有柔软的外表皮 且应能变形 减轻驾驶员受伤 转向盘上都装有喇叭按钮 11 ii 转向轴和转向柱管 转向轴是连接转向盘和转向器的传动件 转向柱管安装在车身上 支承着转向盘 转向轴从转向柱管中穿过 12 轿车还要求转向柱管也必须备有缓和冲击的安全装置 iii 转向轴的安全装置 13 14 15 缓冲吸能式转向操纵机械 钢球滚压变形装置 波纹管变形吸能装置 网格状吸能装置 16 举例 桑塔纳轿车转向轴安全装置 17 正向传动 作用力从转向盘传到转向摇臂的过程 逆向传动 转向摇臂将地面的冲击力传到转向盘的过程 极限可逆式转向系 当地面冲击力很大时 冲击力才能传到转向盘上 即正效率远大于逆效率的转向器 转向盘自由行程 转动转向盘消除传动副之间的间隙后 车轮才偏转 此时转向盘转过的角度为转向盘自由行程 功用 增大转向盘传到转向节的力 并改变力的传递方向 概念 2 机械转向器 steeringgear 18 i 循环球式转向器 19 循环球式转向器结构 工作过程 特点 正传动效率很高 操纵轻便 使用寿命长 但逆效率也高 容易将路面冲击力传到转向盘上 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 20 ii 齿轮齿条式转向器 转向过程 转向盘 转向轴 万向节 转向器 转向轮 21 齿轮齿条式转向器的工作过程 22 举例 齿轮齿条式转向器 23 iii 蜗杆曲柄指销式转向器 结构 蜗杆曲柄指销式转向器的传动副以转向蜗杆为主动件 装在摇臂轴上的指销为从动件 24 蜗杆转动时 指销绕轴轴线沿圆弧运动 并带动转向摇臂轴转动 工作过程 曲柄指销式转向器装配 25 3 转向传动机构 i 功用 传力给转向轮 且使转向轮偏转角按一定的关系变化 以实现汽车顺利转向 26 ii 转向传动机构的工作过程 前轮转向传动机构传动过程 27 转向摇臂 转向直拉杆 转向梯形臂 左转向节 转向横拉杆 转向梯形臂 右转向节 前轮转向传动机构的工作过程 28 四轮驱动的转向传动机构的传动过程 29 齿轮齿条式转向系的转向传动机构的传动过程 30 iii 转向传动机构的组成与布置 组成与布置形式取决于转向器的位置和转向轮悬架的类型 与非独立悬架配用的转向传动机构结构组成 转向摇臂 pitmanarm 转向直拉杆 draglink 转向节臂 knucklearm 和由转向横拉杆 tierod 与两个梯形臂组成的转向梯形 31 a 后置式 是在前桥仅为转向桥 将转向梯形布置在前桥之后 这种布置称为后置式如 cal091 32 在发动机位置较低或转向桥兼为驱动桥的情况下 为避免运动干涉 通常将转向梯形机构布置在前桥之前 b 前置式 33 借助球头销直接带动转向横拉杆 从而推使两侧梯形臂转动如 北京bj2020n型越野汽车 c 转向直拉杆 draglink 横置 34 与独立悬架配用的转向传动机构 采用独立式悬架的转向轮可以相对于车架单独运动 采用断开式的转向传动机构 转向梯形分成两段 转向梯形分成三段 35 机械转向系组成 36 2 动力转向系 37 动力转向分类 按部件位置 整体式动力转向系 半整体式动力转向系 转向加力器 按转向能源 液压动力转向系 气压动力转向系 38 1 气压动力转向系 采用气压制动的汽车 前轴载质量为3 7吨 重型汽车不采用 气压低于0 7mpa 部件大 应用 39 2 液压动力转向系 hydraulicpowersteering简称hps 40 ii 液压动力转向系基本工作过程 41 液压式动力转向系统结构 转向油罐转向油泵转向控制阀转向动力缸 动力转向装置 42 液压动力转向系工作原理 驾驶员转动转向盘 首先实现机械转向 同时 转向器内控制阀转动 使转向动力缸产生液压作用力 帮助驾驶员转向 43 iii 液压动力转向系的类型 液压转向系统类型 常流式液压动力转向系 常压式液压动力转向系 a 常压式液压转向系 结构 44 常压动力转向的工作原理 储能器压力定值时 油泵空转转向时 控制阀开启 动力缸工作 动力转向转向停止 控制阀关闭液压管路中总高压 45 b 常流式液压转向系 46 常流式液压转向系工作过程 不转向 控制阀常开启 动力缸两腔均与低压油路相通 油泵空转转向时 控制阀工作 动力缸的相应油腔通输出油管 另一腔仍通回油管转向停止 控制阀随即回到中立位置 47 c 两种液压动力转向系比较 常压式优点 储能器蓄能 可用小流量的油泵 且在油泵不转时保持一定的转向加力能力 常流式优点 结构简单 油泵寿命长 泄漏少 消耗功率也较小 目前常压式应用很少 常流式广泛应用于各型汽车 48 d 常流式转向系的结构布置方案 按机械转向器 转向控制阀和转向动力缸三者的组合及相对位置 有如下三种布置方案 49 整体式 机械转向器和转向动力缸设计成一体 并与转向控制阀组装在一起 50 半整体式 将转向控制阀同机械转向器组合成一个部件 而动力缸则作为独立件 51 转向加力器 机械转向器作为独立件 而控制阀和动力缸组合成一个部件 52 整体式动力转向器结构 53 控制阀 控制阀为转阀 由阀体 阀心和扭杆组成 阀体呈圆桶形 外表面分别制有三道油环槽和三道密封环槽 中间油环槽内开油孔 通油泵 两侧开油孔分别通动力缸左右腔 内表面制的纵槽 形成槽肩 下端分别开有缺口和固定锁销 用于传递动力 54 直线行驶 工作过程 阀心处于中间位置 油泵来油经阀体中间油环槽进入阀体和阀心之间 因阀心纵槽与槽肩间隙相等 流向动力缸上 下腔油量相等 同时 经阀体组件的空隙流回油罐 55 转弯时 左转 转向盘带动短轴和阀心逆时针转动 同时转向盘上转矩通过扭杆带动阀体转动 由于转向阻力的存在 使阀体转动角小于阀心转角 两者产生相对角位移 使通动力缸上 下腔的进油缝隙变化 下腔进油缝隙小回油缝隙大 上腔进油缝隙大回油缝隙小 在压力差作用下 使齿条 活塞发生移动而产生助力 56 右转与左转基本相似 但作用结果是下腔进油缝隙大回油缝隙小 上腔进油缝隙小回油缝隙大 在压力差作用下 使齿条 活塞发生反向移动而产生助力 右转 57 注 在转向过程中 车轮的偏转位置和速度应与转向盘转动相对应 既随动 转向后 应有自动回正作用 在助力转向系统中都能得到保证 58 由机械转向器 电动机 离合器 控制装置 转矩传感器和车速传感器组成 3 电子控制式动力转向系统 electricpowersteering简称eps eps最早在1988年由日本铃木公司在cervo车上装备 它用电动机直接提供助力 助力大小由电控单元 ecu 控制 1 eps基本结构 59 2 eps工作原理 60 3 eps关键部件 扭矩传感器和车速传感器 测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小与方向 以及转向盘转角大小和方向 电动机 根据电子控制单元的指令输出适宜的助力扭矩 减速机构 与电动机相连 起减速增扭作用 可用蜗轮蜗杆机构或行星齿轮机构 电子控制单元 根据传感器的信号 进行逻辑分析与算 发出指令 控制电动机和离合器动作 另外 ecu通过采集电动机电流 发电机电压 发动机工况等信号判断系统工作状况 具有安全保护和自诊断功能 61 4 四轮转向技术 现代汽车 特别是高级轿车 发动机功率不断增加 速度不断提高 高速行驶中 相对于一定的转向角增量 车身横摆角速度和横向加速度增大 使汽车操纵性和稳定性变差 为改善汽车转向操纵性能 提高汽车高速行驶安全性和转弯灵活性 现代汽车逐渐采用四轮转向 四轮转向系统 4wheelsteeringsystem 是指汽车依靠后轮和前轮共同完成转向任务 四轮转向的目的在于低速行驶时依靠逆向转向 前轮与后轮转角方向相反 改善汽车的操作性 获得较小的转向半径 在中高速行驶时依靠同向转向 前轮与后轮的转角方向相同 减小汽车的横摆运动 提高车道变更和曲线行驶的操纵稳定性 62 确保车辆良好的操纵性和稳定性 即有效控制车辆的横向运动特性 以充分保证车辆的操纵稳定性 转向响应快 转向能力强 直线行驶稳定性好 低速性能好 1 四轮转向系统的的功能 2 四轮转向系统的优点 63 i 低速转向 使后轮与前轮反向偏转 减小转弯半径 3 四轮转向特性 低速转向时 若两前轮转向角相同 则4ws汽车的转向半径更小 内轮差也小 转向性能好 对小轿车而言 如果后轮逆向转向5度 则可以减少最小转向半径0 5米 内轮差约0 1米 2ws汽车的情况是后轮不转向 所以转向中心大致在后轴的延长线上 4ws汽车的情况是对后轮进行逆向操纵 转向中心比2ws汽车靠近车体处 64 ii 中高速转向 使后轮与前轮同向偏转 减小转向过程中的横向摆动 提高转向灵活性和稳定性 理想的高速转向运动状态是尽可能使车体的倾向和前进方向一致 从而使后轮产生足够的旋转向心力 在4ws汽车通过对后轮同向转向操纵 使后轮也产生侧偏角 使它与前轮的旋转向心力相平衡 从而抑制自转运动 得到车体方向和车辆前进方向一致的稳定转向状态 65 4 四轮转向的类型 1 机械式四轮转向 2 液压式四轮转向 3 电控机械式四轮转向 4 电控液压式四轮转向 5 电控电动式四轮转向 66 1 机械式四轮转向系统 主要由前轮转向器 辅助齿轮 长轴和后轮转向机构组成 这种四轮转向系统控制后轮偏转的参数只有一个 即前轮转角 转向盘偏角 67 后轮转向机构 包括偏心轮 曲柄销 行星齿轮 内齿圈 滑块 导向器和输出杆等组成 当偏心轴旋转时由曲柄销1带动行星齿轮绕行星齿圈作自转和公转 并使曲柄销2作弧形运动 通过滑块和导向器驱动输出杆使后轮偏转 特点 高速行驶 方向盘转角较小 时 前后轮同向偏转 低速行驶 方向盘转角较大 时 前后轮反向偏转 68 2 电控液压式四轮转向系统 主要由车速传感器 转向盘转角传感器 电控单元 前轮转向器 后轮转向控制阀 后轮转向油缸 及油泵等组成 这种四轮转向系统可同时按车速和前轮转角对后轮的转角进行控制 69 后轮转向控制阀 主要由滑阀 电磁阀 活塞和弹簧等组成 当汽车直线行驶时 受电控单元控制电磁阀5和11均不工作 滑阀8处于中间位置 节流孔of1和of2开度相同 后轮转向缸左 右腔油压相同 当汽车转向过程中 需后轮向一侧偏转 假设左转 电控单元指令右端电磁阀5工作 推动滑阀8左移 节流孔of1关闭 of2开度增大 使后轮转向缸左腔进油油压增大 而右腔回油油压减小 70 大转向角控制 低速时 71 当前轮向左转向时 阀套筒向左方向移动 并与阀心之间产生相对位移 如图所示a和b部位被节流 高压作用于动力油缸的右室 推动活塞杆向左移动 而后轮就向右转向 当活塞杆向左移动时 因为脉冲电机不工作 阀控制杆就以支点a为中心回转并将阀心从b点移到左方的b 点 因此 打开处于节流状态的阀a部分以及b部分 降低动力油缸右室的压力 结果是当活塞杆移动到规定的位置时 a部分以及b部分的节流压力与来自车轮的外力相平衡 后轮就不能进行更多的转向 72 小转向角控制 高速时 73 当前轮向左转向时 带从动齿轮向左旋转 阀控制杆的上断支点a就以从动齿轮中心o为回转中心移动到a 脉冲电机刚起动瞬间 后转向轴还没有运动 所以阀控制杆就以c点为回转中心向左运动 杆中央的b点成为b 点 使阀心向左移动 缆绳不动时 阀套筒固定不动 与阀套筒产生相对位移 阀的a部分以及b部分被节流 高压油进入油缸左室 推动活塞杆向右移动 而后轮就向左转向 74 3 电控电动式四轮转向系统 主要由微机控制单元 前后轮转向执行器 主副前轮转向传感器 主副后轮转向传感器 后轮转速传感器 车速传感器等组成 其前后轮转向器均由电动助力 发动机工作时 由微机控制单元不断地从各传感器获取信息 若转向盘转动 控制单元对所得信息进行分析 并计算出适当的后轮转向角 然后将电压或电流输到前 后轮转向电动机使前 后轮转向 75 4 四轮转向系统工作特性 当车速低于29km h转向时 后轮会立即开始向与前轮相反方向转动 当车速为零时 后轮最大转向角为60 当车速为29km h时 后轮转角为0 当车速大于29km h时 转向盘在最初的2000转