第四章 汽车转向系

第四章汽车转向系4.1概述4.2转向操纵机构4.3转向器4.4转向传动机构4.5动力转向装置4.6电动助力转向系统4.7转向系维修4.1概述传统的汽车转向系统是机械系统，汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。从20世纪40年代起，为减轻驾驶员体力负担，在机械转向系统基础上增加厂液压助力系统HPS。现在，液压助力转向系统在实际中应用的最多，这个助力转向系统最重要的新功能是液力支持转向的运动，因此可以减少驾驶员作用在方向盘上的力。4.1.1转向系统的类型和组成1.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。下一页返回4.1概述如图4-1-1所示是一种机械式转向系统。2.动力转向系统动力转向系统如图4-1-2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。4.1.2对转向系统的要求①要求工作可靠，操纵轻便。②转向机构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。上一页下一页返回4.1概述4.1.3转向梯形理论特性汽车转向时，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。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。为厂满足上述要求，左、右前轮的偏转角应满足如下关系:汽车转向行驶时，为厂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做纯滚动，即所有车轮轴线的延长线都要相交于一点。式中α、β分别是内、外侧转向轮的偏转角，如图4-1-3所示;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。

上一页下一页返回4.1概述4.1.4转向系统传动比及传动效率1.线位移输出的转向器的传动比用转向盘每转一圈时转向器输出轴的线位移的大小来表示。2.角位移输出的转向器的传动比转向器角传动比()=转向盘摆角/转向摇臂摆角3.转向传动机构角传动比()=转向摇臂摆角/同侧转向轮偏转角一般为1左右。4.转向系系角传动比转向器的传动比越大，转动转向盘所需要的操纵力就越小。上一页返回4.2转向操纵机构转向操纵机构如图4-2-1所示，由方向盘、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。1.方向盘方向盘如图4-2-2所示，由轮缘、轮辐和轮毅组成。2.转向轴①转向轴是将驾驶员作用于转向盘的转向操纵力矩传给转向器的传力轴，它的上部与转向盘固定连接，下部装有转向器。②现代汽车的转向轴除装有柔性万向节外，有的还装有能改变转向盘的工作角度(转向轴的传动方向)和转向盘的高度(转向轴轴向长度)的机构，以方便不同体型驾驶员的操纵。下一页返回4.2转向操纵机构1)转向操纵机构可分离式转向操纵机构如图4-2-3所示，2)网状管柱变形式操纵机构装有网格状(图4-2-4)或波纹管式(图4-2-5)转向柱管吸能装置。3)钢球滚压支架变形式操纵机构钢球滚压变形式结构的转向管柱分为上、下两段，如图4-2-6所示，上转向管柱比下转向管柱稍细，可套在下转向管柱的内孔里，二者之间压人带有塑料隔圈的钢球。上一页返回4.3转向器转向器是转向系中减速增扭的传动装置，其功用是:增大转向盘传到转向节的力并改变力的传动方向。日前应用广泛的是齿轮齿条式、循环球式和蜗杆曲柄指销式。4.3.1齿轮齿条式转向器齿轮齿条式转向器分两端输出式和中间(或单端)输出式两种。特点:简化转向传动机构，齿轮齿条无间隙啮合，逆传动效率高。1.两端输出转向器两端输出的齿轮齿条式转向器如图4-3-1所示，通过两个U形支架和橡胶管支撑并固定在副车架上，两个转向横拉杆分别通过球头销与转向齿条的两端相连。工作原理如图4-3-2所示，作为传动副主动件的转向齿轮轴通过下一页返回4.3转向器轴承和安装在转向器壳体中，其上端通过花键与万向节叉和转向轴连接。与转向齿轮啮合的转向齿条水平布置，两端通过球头座与转向横拉杆相连。弹簧通过压块将齿条压靠在齿轮上，保证无间隙啮合。2.中间(或单端)输出式转向器其结构及工作原理与两端输出的齿轮齿条式转向器基本相同，不同之处在于它在转向齿条的中部用螺栓与左右转向横拉杆相连。在单端输出的齿轮齿条式转向器上，齿条的一端通过内外托架与转向横拉杆相连。如图4-3-3所示。上一页下一页返回4.3转向器

4.3.2循环球式转向器循环球式转向器(如图4-3-4)是日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。常用于各种轻型和中型货车，也用于部分轻型越野汽车。为厂减少转向螺杆和转向螺母(如图4-3-5)之间的摩擦，二者的螺纹并不直接接触，其间装有多个钢球，以实现滚动摩擦。4.3.3杆曲柄指销式转向器蜗杆曲柄指销式转向器(如图4-3-6)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。上一页返回4.4转向传动机构从转向器到转向轮之间的所有传动杆件总称为转向传动机构。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，使转向轮偏转，并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。

4.4.1与非独立悬架配用的转向传动机构与非独立悬架配用的转向传动机构(如图4-4-1)主要包括转向摇臂2、转向直拉杆3,车专向节臂4和转向梯形。在前桥仅为转向桥的情况下，由转向横拉杆6和左、右梯形臂5组成的转向梯形一般布置在前桥之后。当转向轮处于与汽车直线行驶相应的中立位置时，梯形臂5与横拉杆6在与道路平行的平面(水平面)内的交角大于90°。下一页返回4.4转向传动机构在发动机位置较低或转向桥兼充驱动桥的情况下，为避免运动干涉，往往将转向梯形布置在前桥之前，此时上述交角小于90°。1.转向摇臂转向摇臂(如图4-4-2)的作用是把转向器输出的力和运动传给直拉杆或横拉杆，进而推动转向轮偏转。2.转向直拉杆转向直拉杆(如图4-4-3)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)。3.转向横拉杆转向横拉杆(图4-4-4)是联系左、右梯形臂并使其协调工作的连接杆，它在汽车行驶过程中反复承受拉力和压力，因此多用高强度冷拉钢管制造。上一页下一页返回4.4转向传动机构4.转向减振器在转向传动机构中设置转向减振器是克服转向轮摆振的有效措施。其结构如图4-4-5。4.4.2与独立悬架配用的转向传动机构当转向轮独立悬挂时，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4-4-6为几种与独立悬架配用的转向传动机构示意图。上一页返回4.5动力转向装置

动力转向系统的汽车转向所需的能量，在正常情况下，只有小部分是驾驶员提供的体能，而大部分是发动机(或电机)马伙动的油泵(或空气压缩机)所提供的液压能(或气压能)。4.5.1液压助力转向系统1.概述按液压原理可分:常压式与常流式。按转向控制阀阀芯运动方式可分:滑阀式与转阀式。按结构型式可分:整体式(转向器、转向动力缸和转向控制阀三者设计为一体)、组合式(把转向器和控制阀设计在一起，转向动力缸独立)和分离式(转向器独立，把控制阀和转向动力缸设计为一体)。下一页返回4.5动力转向装置1)常流式常流式(如图4-5-1)的液压助力转向系统的助力转向泵不是经常处于大负荷工作状态，所以助力转向泵的负荷小、漏损少、使用寿命较长，消耗发动机的功率也少。2)常压式常压式(如图4-5-2)是指汽车无论在方向盘处于中立位置还是转向位置，也无论转向盘保持静止还是运动状态，系统工作管路中总是保持高压。少数重型商用车采用常压式结构。2.转向拧制阀1)滑阀式转向控制阀阀体沿轴向移动来控制油液流量的转向控制阀如图4-5-3所示，上一页下一页返回4.5动力转向装置称为滑阀式转向控制阀。2)转阀式转向控制阀阀体绕其轴线转动来控制油液流量的转向控制阀，称为转阀式转向控制阀。(1)直行时直线行驶时，驾驶员对方向盘没有施加方向扭矩，蜗杆轴与转子之间的位置不发生相对变化，转子处于蜗杆轴的中立位置，助力转向泵供给的工作油液经蜗杆轴的油槽流回储油罐(图4-5-4)。此时，油液为低压状态，助力转向器里的左油缸室与右油缸室之间没有产生压力差，齿条活塞保持在中间使置而不移动。对转向垂臂不产生转向动作，由前轮定位及转向机构维持车轮直线行驶，助力转向泵相当于空转的状态。上一页下一页返回4.5动力转向装置(2)转弯时当汽车需要向左转弯时，驾驶员逆时针方向转动方向盘，助力转向机里的短柱带动转子相对于蜗杆轮作逆时针方向的转动，由于前轮与地面之间的阻力使蜗杆轴与转子的位置变成图4-5-5的状态，关闭厂右油缸室通油箱一侧的通路，同时关闭厂左油缸室通油泵一侧的通路，助力转向泵供给的工作油压只送人右油缸室，左、右油缸之间产生压力差，齿条活塞上移，左油缸室里的工作油液被推人到储油罐内。随动齿条活塞的移动，作用于蜗杆轴、转子的阻力消失，蜗杆轴与转子的相对位置恢复成如图4-5-4的平衡状态。上一页下一页返回4.5动力转向装置若继续转动方向盘时，系统将重复上述过程在新的位置上达到平衡，使助力转向系统按驾驶员的意图实现随动作用。另外，在转向过程中扭曲弹扭杆而产生的扭力，成为转向反作用力传到方向盘上，使驾驶员有转向感觉。向右转弯的过程与向左转类似，如图4-5-6所示。(3)回正时当驾驶员放松或顺时针少许转动方向盘时，在前轮定位回正力矩的作用下，蜗杆轴作顺时针转动，出现类似图4-5-5的位置，动力缸反方向供油作自动回正动作，直到车辆直线行驶回正力矩消失为止，蜗杆轴与转子的相对位置又恢复成图4-5-4所示的状态。上一页下一页返回4.5动力转向装置(4)手动转向在这种情况下，驾驶员将明显地感到方向盘转向沉重。3.常流式液压助力转向系统的结构布置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，这种三合一的部件称为整体式动力转向器。另一种方案是只将转向控制阀同机械转向器组合成一个部件，该部件称为半整体式动力转向器，转向动力缸则做成独立部件。第三种方案是将机械转向器作为独立部件，而将转向控制阀和转向动力缸组合成一个部件，称为转向加力器。如图4-5-7所示。4.转向油泵按结构可分:齿轮式(图4-5-8)、转子式、叶片式(图4-5-9)。上一页下一页返回4.5动力转向装置转向油泵是助力转向系统的动力源。5.储油罐在助力转向系统中，由于工作液压在5~12.8MPa之间，所以对工作油液的滤清精度要求较高，在储油罐(如图4-5-10)内配有加油滤网及输油路芯两个部分，以保证其工作要求。

4.5.2整体式动力转向器国内轿车多数采用的是转阀式整体动力转向器(如图4-5-11)。由机械转向器、转向动力缸和旋转式转向控制阀三者结合为一体组成，具有结构紧凑、质量轻、操纵轻便等特点。转阀式整体动力转向系统是在机械式转向系统的基础上加一套动力辅助装置组成的。如图4-5-12,车专向油泵6安装在发动机上，由曲轴通过皮带驱动并向外输出液压油。上一页返回4.6电动助力转向系统电动助力转向系统可分为:①液压电动转向系统(EHPS);②电动转向助力系统(EPS);③主动前轮电动转向系统(AFS);④线控电动转向系统(EPS).EPS的构成如图4-6-1所示，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等组成。电动助力转向系统是一种全电动，且与发动机无关的动力转向系统。根据电动转向助力单元在电动转向系统中安装位置的不同可分为以下儿种类型。1.转向柱型EPS2.齿条型EPS3.小齿轮型EPS4.直接驱动型EPS下一页返回4.6电动助力转向系统4.6.2液压电动转向系统液压电动转向系统的特点是:液压油泵的驱动与发动机无关，改成由智能电控单元ECU控制的高性能直流无刷电机驱动，它们可根据转向需要向液压转向助力器提供压力油。液压电动转向系统示意图如图4-6-3所示。4.6.3线控电动转向系统汽车线控转向系统主要由转向盘模块、前轮转向模块、主控制器(ECU)以及自动防故障系统组成。线控电动转向系统代表厂下一代车辆转向系统的发展方向。线控电动转向系统的概念可以用图4-6-4来说明。它主要包括以下几个部分：上一页下一页返回4.6电动助力转向系统1.转向盘模块2.前轮转向模块3.主拧制器4.自动防故障系统4.6.4主动前轮电动转向系统AFS当车辆要以很小的转弯半径转弯时，这种转向系统不要求驾驶员把他的胳膊交叉地放在方向盘上;而且停车转向时只需要转动方向盘很小的角度就可以轻松地转向(图4-6-5),提高厂车辆操纵性能。为厂保持人们熟悉的驾驶方式和驾驶感觉，该系统并未采用完全电子化的线控操纵系统，其方向盘与前轮仍是机械地连接，只是在方向盘转向柱与齿轮齿条式转向机构之间，安装厂一个方向盘和电机共同驱动的行星机构(方向盘与太阳轮连接，电机与齿圈连接)，如图4-6-6所示。上一页下一页返回4.6电动助力转向系统4.6.5四轮转向四轮转向系统作用:①改善汽车停车时的机动性;②改善汽车转弯稳定性，减小侧滑。1.四轮转向原理1)4WS车之小转弯低速汽车在低速旋转时，车辆行进方向与轮胎方向大概可视为一致，在各轮大部分不会产生旋转向心力。四轮行进方向的垂直线会交于一点，车辆就以该点为中心(旋转中心)旋转。如图4-6-7所示为低速旋转时的行车轨迹，二轮转向(2WS)幻车(前轮转向)时，因为后轮不转向，旋转中心差不多在后轴的延长线上。上一页下一页返回4.6电动助力转向系统2)4WS车中高速转弯汽车直线行驶并进人弯道时，由车辆的重心点变化行进方向的公转，与该重心点周围的车辆自转这两种运动合成来进行。图4-6-8表示2WS车高速旋转时的车辆状况。2.四轮转向结构1)横向加速度-车速感应型四轮转向系统其结构是在前轮的动力转向器上，再安装一个后轮专用的控制阀，产生一个大致与横向加速度成比例的，与前轮转向器阻力相平衡的油压，把该压力的油液送到后轮执行机构。如图4-6-9所示，在执行机构中装人高刚性弹簧，当与送来的油压达到平衡状态时，输出杆便产生位移，从而带动后轮开始转向。上一页下一页返回4.6电动助力转向系统2)前轮转角-车速感应型四轮转向系统在该系统中，从油泵出来的油液直接流人如图4-6-10所示的电磁伺服阀，按计算机指令，控制油液流人后轮执行机构。上一页返回4.7转向系维修

4.7.1动力转向液检查液面高度①在发动机关闭时检查液面高度，如图4-7-1所示。②确认液面高度在MIN和MAX之间。③液面高度在热态和冷态时是不同的，请勿混淆。4.7.2检查液体泄漏检查液压接头是否有液体泄漏、裂纹、损坏、松动或磨损。如图4-7-2所示。①运转发动机使储液罐中的液温达到50~80℃，并保持发动机怠速。②将方向盘向左、右转动到头各若干次。③握住方向盘在锁止点位置持续5s，同时仔细检查是否有油液泄漏。注意:请勿握住方向盘在止点位置超过10s。(否则可能损坏机油泵)④如果发现接头处有油液泄漏，请松开油管螺母再重新拧紧到规定扭矩。请勿过分拧紧接头，否则会损坏O形圈、垫圈和接头。下一页返回4.7转向系维修⑤如果发现油液从机油泵泄漏，请检查机油泵。⑥检查转向机构防尘罩是否有油液聚积。4.7.3检查方向盘转向力①将车辆停放在水平干燥的地面上，拉起驻车制动手柄。②启动发动机。③将动力转向液温度升到足以开始工作。(确认油液的温度大约为50℃~80℃)注意:轮胎应充气到正常压力。④将方向盘从中间位置转过3600，检查方向盘转向力。如图4-7-3所示。方向盘转向力应为45N或更少。⑤如果方向盘转向力超过规定值，请检查齿条滑动力。上一页返回图4-1-1轿车机械转向系统结构

1-方向盘;2-转向轴;3-转向节;4-车轮;5-转向节臂;6-横拉杆;7-转向减振器;8-转向器返回图4-1-2动力转向系统返回

1-方向盘;2-转向轴套;3-转向轴;4-转向油管;5-转向油泵;6-储油罐;7-转向节臂;8-横拉杆;9-转向抨臂;10-榷体式转向器;11-转向白拉杆;12-转向减振器图4-1-3转向时两侧转向轮的偏转角

返回图4-2-1转向操纵机构结构

返回1-转向轴;2-方向盘

图4-2-2转向盘

返回1-轮圈;2-轮辐;3-轮毅图4-2-3可分离式转向操作机构示意图

返回1-下转向轴;2上转向轴;3-转向管柱;4-可折叠安全元件;5-转向盘;6-凸缘盘;7-驱动销;8-凸缘

图4-2-4网格状变形式操纵机构

返回图4-2-5波纹管式操纵机构

返回图4-2-6钢球滚压支架变形式操纵机构

返回1-转向器;2-下转向传动轴;3-上转向传动轴;4-转向轴;5-转向盘;6-上转向传动轴;7-下转向传动轴;8-U形板;9-转向轴;10-支架;11-转向柱管;12-转向轴;13-U形板;14-转向柱管;15-支架

图4-3-1两端输出的齿轮齿条式转向器

返回1-副车架总成;2-转向器总成;3-右转向横拉杆;

4-U形支架和橡胶管;5一左转向横拉杆

图4-3-2齿轮齿条式转向器

返回1-转向横拉杆;2-防尘套;3-球头座;4-转向齿条;5-转向器壳体;

6-调榷螺塞;7-床紧弹簧;8-锁紧螺母;9-床块;10-万向节;

11-转向齿轮轴;12-向心球轴承;13-滚针轴承

图4-3-3中间输出的齿轮齿条式转向器

返回1-调整螺塞;2-锁紧螺母;3-床紧弹簧;4-床块;5-万向节叉;6-转向齿轮轴;

7-调整螺母;8-向心球轴承;9-转向齿条;10-转向齿轮;11-滚针轴承;12-转向横拉杆;

13-固定螺栓;14-转向横拉杆;15-转向器壳体;16-防尘套;17-转向齿条图4-3-4循环球式转向器图片

返回图4-3-5循环球式转向器结构返回1-弹簧卡环;2-支撑挡圈;3-双唇油封;4-支撑挡圈;5-单唇油封;6-摇臂轴;7-轴承;8-转向螺母;9-钢球;10-转向螺杆;11-转向器壳;12-壳体端盖图4-3-6循环球式转向器结构返回1-蜗杆轴;2-油封;3-曲柄指销;4-轴承;5-下盖;6-转向蜗杆;7-转向摇臂轴;8-摇臂拐图4-4-1与非独立悬架配用的转向传动机构返回1-转向器;2-转向摇臂;3-转向直拉杆;4-转向节臂;5-梯形臂;6-转向横拉杆图4-4-2转向摇臂返回1-球头销;2-摇臂轴;3-带锥度的三角形齿形花臂;4-转向摇臂图4-4-3转向直拉杆返回1-螺母;2-球头销;3-橡胶防尘热;4-螺塞;5-球头座;6-压缩弹簧7-弹簧座;8-油嘴;9-直拉杆体;10-转向摇臂球头销图4-4-4转向横拉杆返回1-横拉杆;2-防尘套;3-齿轮齿条式转向器壳图4-4-5转向减振器返回1-连接环衬套;2-连接环橡胶套;3-油缸;4-压缩阀总成;5-活塞及活塞杆总成;6-导向座;7-油封;8-档圈;9-轴套及排扯环总成;10-橡胶储液缸图4-4-6与独立悬架配用的转向传动机构返回1-转向抨臂;2-转向百拉杆;3-左转向横拉杆;4-右转向横拉杆;5-左梯形臂;6-右梯形臂;7-抨杆;8-悬架左摆臂;9-悬架右摆臂;10-齿轮齿条式转向器图4-5-1常流式液压动力转向装置示意图返回1-转向油罐;2-转向油泵;3-安全阀;4-流量控制阀;5-单向阀;6-转向控制阀;7-机械转向器;8-转向动力缸图4-5-2常压式液压动力转向装置示意图返回1-转向油罐;2-转向油泵;3-储能器;4-转向动力缸;5-转向控制阀;6-机械转向器图4-5-3滑阀式转向控制阀返回1-阀体;2-通动力缸左、右腔的通道;3-通油泵输出管路的通道;4-通动力缸左、右腔的通道;5-壳体;6-阀套;7-通动力缸左、右腔的通道;8-通油泵输出管路的通道;9-通动力缸左、右腔的通道图4-5-4转阀式转向控制阀直行时

返回图4-5-5转阀式转向控制阀左转弯时返回图4-5-6转阀式转向控制阀右转弯时返回图4-5-7常流式液压助力转向系统的结构布置图返回(a)带整体体式动力转向器;(b)带半整体式动力转向器;(c)带转向加力器13-转向摇臂;2,22,34-转向动力缸;3,14,26-机械转向器;4,15,30-安全阀;5,16-转向油器;6,17,23,28-流量控制阀;7-转向油泵;8,19,31-单向阀;9,24,33-转向盘;10,32-转向轴;11,21-转向控制器;12-转向直拉杆;18-转向油泵;20-转向阀;25-转向扭臂;27-转向油管;29-转向油泵;35-转向直拉杆;36-转向控制阀图4-5-8外啮合齿轮式转向油泵返回1-;2-流量控制阀柱塞;3-安全阀弹簧;4-安全阀弹簧壁;5、19-;6-安全阀阀门;7-安全阀系;8-;9-;10-原体;11-;12,15-浮动轴器;13-纵向齿轮;14-主动齿轮;16-油封;17-弹簧片