专业知识系列培训-动力转向器相关知识

1、2012年CAPSA新入职培训讲义CAPSA_R&DCAPSA_R&D专业知识系列培训专业知识系列培训 -动力转向器相关知识动力转向器相关知识徐进徐进 Jin XUJin XUAugust August , 201, 2012 22012年CAPSA新入职培训讲义目目 录录p 转向系统概述转向系统概述p 转向器分类转向器分类p 齿轮齿条式动力转向器齿轮齿条式动力转向器 结构简介 工作原理 设计要点 性能试验 操稳 NVH 常见失效形式p Q&AQ&A2012年CAPSA新入职培训讲义转向系统概述转向系统概述汽车转向系统是用来保持或改变汽车行驶方向的机构的总称。1

2、.1.作用作用通过转向盘及相关的转向传动及执行机构来控制转向轮的绕主销的转动来实现汽车的转向.凭借转向盘的力的反馈，将整车及轮胎的运动、受力状况反馈给驾驶员，这就是我们通常所说的路感。2.2.要求要求保证汽车有较高的机动性,在有限的场地面积内,具有迅速和最小转弯能力;汽车转弯行驶时,全部车轮应绕一个瞬时转向中心旋转,任何车轮不应有侧滑；传给转向盘上的反冲,要尽可能小;悬架导向装置和转向传动机构共同作用时,由于运动不协调使车轮产生的摆动应最小;操纵轻便。转向时,作用在转向盘上的切向力,对轿车不应超过150-200N,对货车不应超过500N(需要满足GB17675要求);转向后,转向盘应自动回正,

3、并应使汽车保持在稳定的直线行驶状态;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;在车祸中,当转向盘和转向轴由于车架或车身变形而一起后移时,转向系最好有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。 动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义动力转向器相关知识动力转向器相关知识3.3.分类分类2012年CAPSA新入职培训讲义3.13.1 机械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。3.23.2 动力转向系统动力转向系统(HPS/EHPS)(HPS/EHP

4、S) 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a. a. 动力转向系统构成动力转向系统构成 动力转向系统一般由以下部件构成：转向管柱、动力转向器、转向油泵、转向油罐、转向油管组成，其中动力转向器为转向系统液压助力的执行元件；转向油泵与发动机相联为系统提供液压动力源；而转向油罐则起到储存、降温、过滤油液的作用。 动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义 b. b.动力转向系统功能动力转向系统功能降低路面冲击对方向盘的影响（液压阻尼）；动力转向器相关知识动力转向器相关

5、知识2012年CAPSA新入职培训讲义3.3 3.3 电动转向系统电动转向系统(EPS)(EPS) 电动助力转向系统（Electric Power Steering,简称EPS）是以电动机作为驱动助力的转向系统。3.3.1 EPS3.3.1 EPS系统基本机构形式：系统基本机构形式：动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义3.3.2 C-EPS3.3.2 C-EPS系统基本机构系统基本机构动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义从目前使用的转向机而言，轿车转向器大致可以分为以下几类：a.轮齿条式转向器（机械操纵、液压助力、电动助力等）

6、b.循环球式转向器（机械操纵、液压助力、可控流量等）c.蜗杆滚轮式、蜗杆指销式（这两种由于不同程度地存在结构复杂、传动效率低等缺点，现在已经很少被使用）。转向器分类动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义 齿轮齿条式动力转向器的组成由控制阀、机械转向器、助力缸三大部分组成。齿轮齿条式动力转向器1.1.结构简介结构简介动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义壳体油缸总成：包括壳体、油缸，为主体结构； 阀芯总成：主要起转向建立液压差作用； 齿条总成：与阀芯配合，将旋转运动转换为直线运动，提供水平移动力； 限位套总成：油缸端密封和齿条限位作

7、用，弥补油缸结构的不足； 间隙调整机构总成：压紧齿条与输入轴配合，控制其间隙； 油管总成：将从阀芯输出的液压油输送至油缸； 横拉杆总成：直接与车轮连接，起到转向执行作用； 支架总成：部分产品为单独支架，连接转向器与副车架； 护套总成：防尘、保护齿条作用。分总成及作用分总成及作用动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义 a a、控制阀、控制阀 控制阀由扭杆、输入轴、阀套等零件组成的常开式转阀。通过输入轴和阀套的预开间隙使液压油输入左右两个油腔。 R C L 小齿轮轴 输入轴 阀套 回油孔 扭杆 拨销 阀芯 动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入

8、职培训讲义 材料：材料：40Cr 工艺：工艺：三合一磨床实现油槽、外圆 和小阀口一次定位加工完成动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义材料：材料： 20CrMnTi工艺：工艺： a、整体渗碳淬火强度、韧性好 b、滚齿机精滚齿消除了热处理 所带来的影响 动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义材料：材料：一般采用性能较好的弹簧钢如 50CrVA,也有采用合金结构钢 40Cr (调质后的冷拔钢)工艺：工艺：纵切车一次加工成形，热处理 要求一般为HRC3641,最高为 HRC50，还需要表面喷丸处理， 提高自身疲劳强度。扭杆扭杆动力转向器

9、相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义材料：材料：40Cr或45Cr或45#钢，需调质 处理，热处理硬度为HRC3035。工艺：工艺：a、挠槽机加工内盲槽 b、善能珩磨机加工内孔阀套阀套动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义 b b、机械转向部分、机械转向部分 机械转向部分为齿轮齿条式，由齿轮轴、齿条活塞总成及转向拉杆三大部分组成。动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义材料：45#工艺：a、强力磨齿机将齿顶面、齿形 一次磨削成形 b、自动校直机校直保证直线度动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAP

10、SA新入职培训讲义 c c、助力缸、助力缸 助力缸为金属壳体，内部的齿条活塞将其分成左右两个油腔，并分别与控制阀的两个油口相联。 动力转向器相关知识动力转向器相关知识齿 条 总 成左 油 缸右 油 缸壳 体铆 钉油 封油 缸齿 条2012年CAPSA新入职培训讲义油缸油缸材料：20#工艺：电容焊机焊接，参数 自动监控、过程稳定动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义动力转向器相关知识动力转向器相关知识2.2.工作原理工作原理2012年CAPSA新入职培训讲义动力转向器相关知识动力转向器相关知识a a、中间位置、中间位置 汽车直线行驶(转向盘不动)时，油泵供给液压油

11、从进油口进入，经过转阀的预开隙后，由于此时转阀不动，液压油从回油口回到油罐，此时转向器两个工作腔油压相同不产生助力。2012年CAPSA新入职培训讲义动力转向器相关知识动力转向器相关知识b b、转向过程、转向过程 当转动转向盘时，使阀套与输入轴之间阀槽间隙发生变化，从而使得流向两个工作腔的液压油形成油压差。该油压差作用在活塞上推动活塞克服转向阻力而产生位移，从而带动转向拉杆总成移动实现助力转向。2012年CAPSA新入职培训讲义动力转向器相关知识动力转向器相关知识c c、回位过程、回位过程 转向完成后，转向盘上的力消失，由于在扭杆弹力的作用使输入轴回到相对阀套的平衡位置，转向器两个工作油腔的油

12、压差随之消失然后在汽车前轮自动回正力矩的作用下，汽车将向直线行驶位置运动，直至回到汽车直行位置为止。d d、路感效应、路感效应 路感效应也即产生转向感觉的能力。当驾驶员施力于转向盘上时，也就同时作用于转向器的扭杆上并使之产生扭转变形。而此变形量取决于车轮转向阻力;当转向阻力增大时，则此变形量也增大。因此驾驶员可以根据他加在转向盘上力的大小来判断转向阻力的变化，以此获得“路感”效应。 2012年CAPSA新入职培训讲义动力转向器相关知识动力转向器相关知识 P:MpaTorque kgfcm5212.52.83.3Open / Closee e、转向力特性曲线、转向力特性曲线2012年CAPSA新

13、入职培训讲义f f、动力机构发生故障时、动力机构发生故障时动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义g g、左右防尘罩通气方式示意图左右防尘罩通气方式示意图壳 体油 缸齿 条空 气 流 通 路 线防 尘 罩内 拉 杆齿条油缸空气流通路线壳体动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义 主要参数主要参数适应车型范围适应车型范围齿条直径：22 油缸直径：36输 出 力：46KN微型轿车、小型乘用车排量：0.81.3L前轴荷：600700Kg齿条直径：24 油缸直径：40/42输 出 力：68KN经济型轿车、小型乘用车排量：1.31.8L前轴荷：

14、700850Kg齿条直径：26 油缸直径：42.5/46输 出 力：810KN中级轿车、中型乘用车（MPV、SUV等）排量：1.82.5L前轴荷：8001000Kg齿条直径：28 油缸直径：46输 出 力：1011KN中型乘用车（MPV、SUV、轿车等）轻型皮卡排量：2.03.0L前轴荷：9001100Kg齿条直径：30油缸直径：46/50输 出 力：1114KN轻客、轻卡、皮卡、大型乘用车等 排量：2.54.0L前轴荷：10001500Kg齿条直径：35 油缸直径：61输 出 力：1825KN轻卡、皮卡、大型越野车等 排量：3.04.5L前轴荷：15002500Kga.a.产品选型产品选型动

15、力转向器相关知识动力转向器相关知识3.3.设计要点设计要点2012年CAPSA新入职培训讲义b.b.整车参数影响整车参数影响整车参数整车参数影响结果影响结果轴距L（mm）转弯半径、转向器布置主销距K（mm）转弯半径满载前轴荷（kg）齿条输出力、齿轮齿条拉杆等参数内轮最大转角（deg）转向传动比外轮最大转角（deg）转向传动比主销偏移距C（mm）转弯半径方向盘直径（mm）转向传动比方向盘总圈数转向传动比轮胎气压P(Mpa)齿轮齿条拉杆参数传动比 （mm/rev）齿轮齿条参数齿条行程S （mm）方向盘圈数、油缸齿条直径等动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义动力转向

16、器相关知识动力转向器相关知识1.1.转弯半径的计算转弯半径的计算1RL/sin C =2700/sin33.26-11.74911.4()mm22 1/2222 1/2R(L/tanB) L C =(2700/tan38.63 1550) 2700 11.7 =5608.01()mmmin12R()/2(4911.45608.01)/25259.7RRmm最小转弯半径，这里的最小直径指的是转向中心（圆心）至外轮中心平面的距离。按外轮最大转角：按内轮最大转角：则最小转弯半径：2012年CAPSA新入职培训讲义动力转向器相关知识动力转向器相关知识2.2.转向力计算转向力计算转向时驾驶员作用到转向盘

17、上的手力与转向轮在地面上回转时产生的转向阻力矩有关。影响转向阻力矩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。计算公式如下：Mr=f(G13/P)1/2/3其中： Mr在沥青或混凝土路面上的原地转向阻力矩，N.mmf轮胎与地面间的滑动摩擦系数，取0.7G1转向轴负荷，NP轮胎气压，Mpa作用在转向盘上的手力用下式计算：Fh= Mrk/（R）其中： Fh作用在转向盘上的手力，NR转向盘半径，mm转向器正效率，转向系的正效率一般在0.670.85.k转向节转角增量对应k 的转向盘转角增量因此，在没有助力转向的情况下，所需的方向盘手力：Fh= Mrk/（R）200N满足GB 1

18、7675-1999 标准。在设计过程中， 方向盘转动总圈数为n圈， 则转向系总传动比为： i=n 360/(+)2012年CAPSA新入职培训讲义3.3.转向助力分析转向助力分析在带有助力转向的情况下，转向机的输出力在带有助力转向的情况下，转向机的输出力F F 可以按下式计算：可以按下式计算：F=(D2-d2)P1/4（HTd/2）2cos2/( cos1+ cos2)其中： F转向机输出力（N）。D气缸内径（m） (0.0382m)d齿条直径（m） (0.022m)P转向油缸作压力（Pa）。d齿轮节圆直径（m） (当前为0.0014m)1齿条螺旋角（rad） (当前为20)2齿轮齿条夹角（r

19、ad） (当前为15 )1转向机油压效率 （按0.9 算）2转向机机械效率 （按0.9 算）转向系统的传递效率 （按0.9 算）HT方向盘转矩（N.m）理论上的最大齿条负荷为maxmaxmaxHydMecrackFFF13553N。用前轴载荷的70作为估计值，M16的最大转向齿条阻力为921*9.8*0.77570N。用前轴载荷的70作为估计值，M16的最大转向齿条阻力为2maxrackF2012年CAPSA新入职培训讲义c. c. 环境条件环境条件1.转向器的工作温度范围一般轿车用转向器的工作温度范围是：40120。2. 转向器的工作压力范围轿车齿轮齿条液压助力转向器的最高允许工作压力通常在

20、8 MPa10MPa; d.d.设计基本限制条件设计基本限制条件总布置要求:转向器的结构设计必须满足整车总体布置所给出的硬点位置要求；其次转向器的行程也必须满足整车设计要求。1.装配要求其转向器安装在副车架上，一般采用两点安装形式。在设计安装时，其中一点完全紧固，另一点则采用活动形式，并非完全固定，便于安装。2.密封完整性在转向器的结构设计中，必须注意以下几处的密封性：高压动力转向油密封(油管接头)此部分的尺寸已经形成标准化。输入轴密封，外球头密封，内球头 密封。动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义4.4.性能台架试验性能台架试验总圈数及齿条行程2.840.0

21、7圈/1400.8mm自由间隙自由间隙0.1mm总成清洁度使用滤网密度5，杂质总量50mg压力损失0.3MPa噪音试验a.在20摆角下无异常噪音b.转阀中间位置时流动噪音40dB(A)；c.Pmax时液体流动噪音56dB(A)内泄漏0.85L/Min功能试验扭矩2.54N.m；扭矩波动1N.m输入输出特性参见附表1转动力矩(正驱动)液压关闭：转动扭矩1.6N.m 扭矩波动0.7N.m 液压开启：转动扭矩1.8N.m 扭矩波动0.6N.m动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义逆驱动液压关闭：齿条启动力280N 驱动力变化75N液压开启：齿条启动力400N 齿条移动

22、力380N齿条静强度变形量不大于0.7mm逆向冲击强度经过5次冲击后，总成无裂纹和破坏转向功能完好。耐压试验试验后总成无外泄漏和其它异常情况，壳体不得有裂纹或断裂现象。抗冻性能满足Q/SQR.04.079-2008 5.14 B类车要求。疲劳试验a.试验中不得出现外渗和其它异常情况;b.总成不得存在损坏现象。正向耐久试验满足Q/SQR.04.079-2008 5.16 B类车要求动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义1MPa时输入轴扭矩(Nm)5MPa时输入轴扭矩(Nm)任何油压位置扭矩差T-T(Nm)5MPa时滞后值(Nm)左右曲线对称度2.50.8N.m3.

23、30.55N.m0.51.090%5T附表附表1 1：力特性曲线：力特性曲线动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义5.5.操稳操稳在整车操纵稳定里面，转向系统占据重要的地位，转向器是转向系统最大的性能载体，转向系统的操稳要求是根据整车的目标要求分解下的，经过操稳匹配，转向系统应能达到其在整车的目标要求。 动力转向器相关知识动力转向器相关知识转向系统操稳评价转向系统操稳评价 客观评价（objective evaluation 主观评价（Subjective evaluation）a.a.客观评价客观评价GB6323.1-94_蛇行试验GB6323.2-94_转向盘

24、转角阶跃输入GB6323.3-94_转向盘转角脉冲输入GB6323.4-94_转向回正试验GB6923.5-94_转向轻便性GB6323.6-94_稳态回转试验2012年CAPSA新入职培训讲义ISO4138_稳态回转试验ISO7401_阶跃输入回正试验ISO7401_连续正弦扫描输入试验ISO3888_双移线试验ISO13674_中间位置转向试验动力转向器相关知识动力转向器相关知识b.b.主观评价主观评价评价项目评价方法评价要点停车操作转向盘力矩Steering torque in parking manoeuvres停车并运转发动机，在转向盘全行程范围内向左、向右缓慢转动转向盘从左边的死点

25、至右边的死点，评价原地转向时转向盘的力矩的大小和均匀性原地转动方向盘时，方向盘力矩应小，而且均匀，向左、向右的转向盘力矩应一致。低速时转向盘力矩Steering torque at low speed一档和倒档最低稳定车速行驶，转动转向盘。同上低速时，转向盘不应过于沉重，同上转向系统渐进性Progressivenss of steering以90km/h或100km/h时速行驶，小角度、阶梯增加转角，评价力矩大小变化转向盘力矩是否因侧向加速度的增大而增大，车身响应是否与转向盘转动一致，不应出现力矩突然增大、减小的现象2012年CAPSA新入职培训讲义评价项目评价方法评价要点转向响应均匀性Uni

26、fomity of steering response汽车以90km/h或100km/h时速直线行驶，向左、向右快速转动转向盘，左右转向频率一致。在不同的转角下进行评价在相同的转向频率下，转向角的变化，车身的响应是否一致转向灵敏性Steering sensitivity方向盘对路面的反馈（不平路面上）反馈应适当，路感。中间游隙感觉Empty centre feeling汽车以90km/h或100km/h时速直线行驶，向左、向右快速，小转角转动转向盘，寻找转向系中间游隙间隙中间游隙角度越小越好；回正性Reversibility在不同的车速，不同的转角，向左、右转动转向盘后，松开双手，评价车辆回正

27、性能转向盘应回到中心位置，不应有过大的残余角转向盘力Steering wheel load在不同的车速下，不同的转向盘转角，对转向盘力输入下进行评价转向盘力最好随车速、侧向加速度增加而增大，高速时无发飘的感觉转向噪音和震动Steering wheel rattle and shake在小石快或卵石路上行驶，评价转向柱管、转向盘振动的情况转向系统噪声，转向柱管、转向盘振动的越小越好，动力转向泵噪声Power steering noise动力转向泵噪声Power steering noise 越小越好Realignment after steering hit or release at limi

28、t极限工况下回正性能车速100km/h，不同的转角快速拉动方向盘，松手，评价在车辆极限工况车身衰减的快慢车身回正速度太快、太满都不好，适中一般23次晃动后，应进入直线行驶状态动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义转向器阀的结构对噪音的影响转向器阀的结构对噪音的影响: :a.a.槽深：槽深：槽深与噪音水平与气穴现象有关b.b.槽的对称性：槽的对称性：影响阀特征曲线的形状，槽的间隔不均匀会引起左右转向轻重不同并增大噪音。c.c.槽的直度：槽的直度：影响特征曲线中心附近的线形部分，如果槽的不直 部分的长度超过一定值，这种线形部分也会变成弯曲的。理论上，噪音也会增大，这

29、种现象在实际中较易避免。d.d.在槽与平面连接处的圆角半径：在槽与平面连接处的圆角半径：会引起特征曲线中心附近线形部分变成弯曲，可能对某些车的操纵特性有不利的影响，圆角大不利。e.e.小阀口的平面角小阀口的平面角：平面角的存在缓冲了液压油从高压向低压区速比的变化。角越大，曲线的变化越趋近线形，阀口的平面角影响阀特征曲线形状、输入扭矩、阀的噪音及油压的范围。f.f.小阀口的平面宽度：小阀口的平面宽度：平面宽度越宽，为建立一定的压力，所需 的输入扭矩越大。6.NVH6.NVH动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义g.g.小阀口的长度：小阀口的长度：影响噪音和阀特征曲

30、线的形状，而小阀口长度影响噪音是因为其形状。长度越短，越易产生气穴现象，进而增大噪音。h.h.阀的外圆圆度：阀的外圆圆度：阀的外圆不一致，会改变阀曲线的对称性，而且这种变化太大，噪音也会增大。i.i.阀口的个数：阀口的个数：阀口的个数越多，当小阀口关闭时，其液压油的速比变化就越缓，油温不至于过高。转向器转阀自身噪声要求：转向器转阀自身噪声要求：在20摆角下，以10r/min15r/min转速驱动输入轴，不允许出现异常异响；转阀处于中间位置，流动噪声小于40dB(A);油温达到80，在额定流量下，系统压力达到最大，噪声不能超 过40dB(A)。动力转向器相关知识动力转向器相关知识2012年CAPSA新入职培训讲义7.7.常见故障及排除常见故障及排除动力转向器相关知识动力转向器相关知识故障类型故障类型原因分析原因分析排除方法排除方法助力失效油封和油缸配合不良;油封疲劳受损导致漏油;采用成熟的已经验证的接口配合尺寸及管路结构，管路布置时的动态校核转向沉重转向器转向力矩设计过重设计采用合理的力矩曲线,控制输入