四轮转向机构动力学分析.docx

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四轮转向机构动力学分析

第三章转向系统

转向系的功用是用来操纵车辆的行驶方向。

除转弯外，由于路面条件及车辆自身技术状况，如轮式车辆两侧轮胎气压不同等因素的影响，车辆直行时也会自动偏离原来的行驶方向，这时也需要操纵转向机构来纠正方向。

用来改变或恢复车辆行驶方向的专设机构称为车辆的转向系统。

第一节转向方式与转向原理

一、转向方式

车辆之所以能够在转向机构的操纵下实现转向，是由于转向动作使地面与行走装置之间的相互作用产生了与转变方向一致的转向力矩，克服阻止车辆转向的阻力矩而实现的。

转向方式有三种：

一是靠车辆的轮子相对车身偏转一个角度来实现；二是靠改变行走装置两侧的驱动力来实现；三是既改变两侧行走装置的驱动力又使轮子偏转。

汽车与大多数轮式拖拉机采用第一种转向方式，履带拖拉机和无尾轮手扶拖拉机采用第二种转向方式，有尾轮手扶拖拉机及轮式拖拉机在某种情况下（如在田间作业时）采用第三种转向方式。

轮式车辆主要采用偏转车轮的方式实现转向。

偏转车轮转向具体实现方式有四种，如图3-1。

即前轮偏转、后轮偏转、前后轮同时偏转和折腰转向。

汽车、轮式拖拉机和农用运输车一般均采用偏转前轮的方式进行转向。

abcd

图3-1偏转车轮转向的几种型式

a-偏转前轮b-偏转后轮c-偏转前后轮d-折腰

转向系统的具体结构随车辆行走系统的类型、采用的转向方式而不同。

二、轮式车辆转向理论分析

（一）运动学分析

轮式车辆顺利完成转向的基本要求是各车轮作纯滚动。

为了满足这一要求，车辆在转向时各车轮轴心线应通过同一瞬心轴线，此轴线垂直于地面，其投影点如图3-2中O点，水平投影车辆转向时车身绕瞬心O点转动。

因车辆转向时的转弯半径R随前轮偏转角

的变化而变化，所以称O点为瞬时转向中心。

图3-2轮式车辆转向过程

a-前轮转向b-四轮异相位转向

根据转向时各车轮纯滚动的要求，对于后轮驱动的4*2轮式车辆，转向时必须满足以下三个条件：

（1）通过驾驶人员的操纵来实现前轮的偏转，车轮的偏转的程度决定了车辆的转弯半径。

（2）两前轮作纯滚动，要求内侧前轮偏转角

比外侧前轮偏转角

要大，内、外侧前轮偏转角

和

的关系为：

3-1

该式即为阿克曼公式。

式中：

M——两转向节立轴与前轮轴心线交点之间距离；

L——车辆前后轴距。

若为前、后轮同时异相位偏转转向，如图3-2b则式3-1为：

（3）转向时，两个驱动轮在同一时间内走过的路程是不相等的，外侧驱动轮转得要快，而内侧驱动轮转得慢，即：

3-2

式中：

n1、n2——分别为慢、快速侧驱动轮转速；

R——转弯半径；

B——后轴轮距。

（二）动力学分析

车辆在转向时的受力比较复杂。

为便于分析做以下假设：

（1）四轮车辆的两前轮直接装在同一前轴上，前轴中间与机体铰接；

（2）车辆是低速转向，这样可以不考虑离心惯性力的影响。

轮式车辆在水平地面上直行和低速稳定转向时的受力如图3-3、图3-4所示。

图3-3轮式拖拉机等速直线行驶受力

车辆直行时，其牵引平衡方程为

3-3

式中：

Pq——驱动轮的总推动力，即两侧驱动轮推力Pq1与Pq2之和；

Pfc——前轮滚动阻力，每侧前轮滚动阻力为0．5Pfc

Pfq——驱动轮滚动阻力，每侧驱动轮滚动阻力为0．5Pfq；

PT——挂钩牵引阻力。

假定车辆在转向时各个车轮的滚动阻力在转向过程中与转向前相同。

而且两侧前轮的偏转角均为

。

前轮通过车架在驱动轮的推动下，土壤对前轮产生的反作用力分解为轴向分力PB（侧向反作用力）和切向分力，即为Pfc（滚动阻力，每侧前轮为0．5Pfc）。

在PB和驱动轮推力作用下，克服各项转向阻力矩而使车辆实现转向。

图3-4轮式拖拉机等速转向行驶受力

转向时的牵引平衡方程为：

3-4

式中：

——转向时驱动轮的总推力，为两侧驱动轮推力

与

之和；

——转向时挂勾牵引力；

——

作用线与车辆纵向对称轴线间的夹角。

车辆转向时，土壤作用于车辆、并相对于O2点的总转向阻力矩

为各项阻力矩之和，即：

3-5

式中：

――分别为前、后轮的转向阻力矩；

LT——PT作用点至O2点的间距。

车辆转向时，地面作用于车轮的转向力矩为：

3-6

因轮式车辆后桥（驱动桥）装有差速器，能将中央传动传来的力矩近似平均地分配给两则驱动轮，所以可以假定

，因而式上式可写成：

根据稳定转向的条件，转向力矩与转向阻力矩相平衡，即：

由此可得转向力PB为：

3-7

转向力PB是土壤对偏转的前轮产生的轴向反力，因而PB的大小取决于前轮和土壤间的侧向附着性能。

式中：

——前轮侧向附着系数。

前轮胎面的纵向环状条形花纹可增大

值；

Gc――前轮对土壤的垂直作用力。

由此可见，拖拉机在抗压、抗剪强度弱的地面上（如水田土壤、沙滩及松软地面）转向时，因附着性能变差、转向力PB不足而转向困难．对于轮式拖拉机而言，这时可以采用慢速侧驱动轮的适当制动以协助转向，参见式3-6。

汽车、拖拉机等车辆转向会使发动机的负荷增大。

假定直线行驶时挂钩牵引力

，比较车辆转向与直线行驶时的牵引平衡方程式可知，转向时内侧驱动轮推力需增大

，即

3-8

由上式可知，车辆转向时，因驱动轮的驱动力增大而需要发动机的功率相应增大。

第二节轮式车辆转向系

一、偏转车轮式转向系统基本组成

偏转车轮式转向系统由转向操纵机构、转向器、转向传动机构和差速器等组成。

转向操纵机构、转向器和转向传动机构统称为转向机构，其功用是将人的操纵变成相应的转向轮轮偏转，并保证内、外侧转向轮的偏转角

满足阿克曼公式。

转向机构组成如图3-9。

1-转向节臂2-横拉杆3-转向拉杆4-前轴5-纵拉杆6-转向摇臂7-转向器8-方向盘

差速器在传动过程中，可使两侧驱动轮以不同的转速转动。

根据转向操作的主要动力来源不同，转向机构可分为机械转向机构和动力转向机构两大类。

机械转向机构是以驾驶员的操纵力为转向动力，通过转向传动机构的机械传动使转向轮偏转。

动力转向机构是由驾驶员操纵、大部分或全部操纵力是由发动机驱动的液压系统或电动系统（即转向加力装置）提供。

转向传动机构通常有两种型式：

转向梯形式和双拉杆式，大多数汽车、拖拉机和四轮农用运输车等轮式车辆通常采用前者，只有一些中、小型轮式拖拉机采用后者。

二、转向操纵机构及转向器

（一）转向操纵机构

操纵机构有方向盘和操纵杆两类，除一些履带车辆外，大部分采用方向盘。

方向盘又称转向盘，在空转阶段中的角行程称为自由行程。

单从转向操纵灵敏而言，方向盘的转动和转向轮的偏转应同步开始并同步终止，然而实际是不可能的，也不要求这样。

一是因为在整个转向系中各传动件之间都必然存在着装配间隙，而且这些间隙将随着使用过程中的零件磨损而增大。

方向盘的自由行程就是用以消除各传动件之间的间隙；二是方向盘的自由行程对缓和路面对转向轮的冲击、减轻驾驶员的过度紧张是有利的。

但方向盘的自由行程不宜过大，以免影响转向操纵的灵敏性。

一般来说，轮式车辆方向盘的自由行程为20o～30o，汽车等高速车辆偏小，而轮式拖拉机速度低而且大部分时间是从事农田作业、方向盘的自由行程偏大一些。

（二）转向器

转向器的功用是将方向盘的转动通过传动副变为转向摇臂的摆动，改变力的传递方向并增力，再通过转向传动机构拉动转向轮偏转。

转向器实质上是一个减速器，用来放大作用在方向盘上的操纵力矩。

汽车、拖拉机等轮式车辆对转向器的基本要求是：

（1）应有较大的传动比，以使操向省力；

（2）具有较高的传动效率；

（3）适当的传动可逆性，以便地面情况适当地反馈到方向盘上来，操作人员能够获得“路感”；

（4）传动间隙应能调整，以控制方向盘的自由间隙在规定的范围内，保持操纵的灵敏性。

转向器传动效率是指转向器的输出功率与输入功率之比。

由转向操纵机构（方向盘及转向轴）输入，转向摇臂输出的情况下求得的传动效率为正效率，而传动方向相反时求得的效率则称为逆效率。

不同型式的转向器，其正效率都应在规定值以上，但逆效率则可能相差很大，逆效率的大小代表了转向器的传动可逆性程度。

逆效率高的转向器很容易将转向传动机构传来的地面对转向轮的作用力传到转向轴和方向盘上，故称为可逆转向器，可逆转向器有利于转向后前轮和方向盘自动回正，但因路感太强使操纵方向盘费力。

逆效率很低的转向器称为不可逆转向器。

不可逆转向器难以使转向轮转向后自动回正及获得一定的路感。

因此，对转向器要求有一定的可逆性，即从操纵省力、转向轮自动回正和传递适当路感这三个因素综合考虑。

1．球面蜗杆滚轮式转向器如图3-10所示，其传动副是一个球面蜗杆和带有几个齿的滚轮构成。

2．螺杆螺母循环球式转向器简称循环球式，如图3-11。

是目前国内外应用广泛的一种转向器。

这种转向器一般有两级传动副，第一级是螺杆螺母循环球，因钢球夹入螺杆螺母之间，变滑动摩擦为滚动摩擦，提高了传动效率；第二级是齿条齿扇传动副或滑块曲柄指销传动副。

转向螺母外有两根钢球导管9，每根导管的两端分别插入螺母侧面的一对通孔中，导管内装满了钢球22。

这样两根导管和螺母内的螺旋形管状通道组成两根各自独立的封闭钢球流道。

1-螺母2-弹簧垫圈3-转向螺母4-壳体垫片5-壳体底盖6-壳体7-导管卡子8-加油螺塞

9-钢球导管10-轴承11、12油封13、15滚针轴承14-摇臂轴16-锁紧螺母17-调整螺钉18、21-调整垫片19-侧盖20-螺栓22-钢环23-转向螺杆

4．从上世纪70年代起轿车兴起了齿轮齿条转向机构，它由方向盘、转向轴、方向节、转动轴、转向器、转向传动杆和转向轮等组成，如图9-13。

方向盘操纵转向器内的齿轮转动，齿轮与齿条紧密啮合，推动齿条左、右移动，通过传动杆带动转向轮摆动，从而改变轿车行驶的方向。

这种转向机构与蜗杆扇形齿轮等其它类型的转向机构比较，省去了转向摇臂和转向纵拉杆，具有构件简单，传动效率高的优点。

而且它的逆传动效率也高，在车辆行驶时可以保证偏转车轮的自动回正，驾驶者的路感性强。

其实，齿轮齿条转向机构早在两世纪前的汽车萌芽发展阶段已经有了，只是那时还不完善，机件加工粗糙。

1905年通用汽车卡迪拉克部的工程师将齿轮齿条转向器的设计理论化，并加工成精度很高，操纵灵活的齿轮齿条转向器，正式应用在轿车上。

后来，汽车转向器的型式被蜗杆扇形齿轮型式所垄断，但许多人仍然继续完善齿轮齿条转向机构。

由于近代材料科学的发展，大大提高了齿轮齿条转向机构的安全可靠系数，人们再次重视这种转向机构的简单实用性，由于它具有构件少质量轻，成本低的优点，越来越受到汽车制造商的青睐，现在大多数的轿车转向器都采用齿轮齿条型。

三、转向传动机构

转向传动机构的功用是将转向器摇臂输出的摆动传到转向轮，使转向轮按一定的变化规律偏转和回位。

目前常用的转向传动机构主要有两种：

一种由转向梯形机构和其它一些杆件组成；另一种由两个转向摇臂和纵拉杆以及其它一些杆件所组成，即双拉杆转向传动机构。

转向传动机构的组成和布置因转向器位置和转向轮悬架类型而异。

与非独立悬架配用的转向梯形传动机构如图3-14。

包括转向摇臂2、转向纵拉杆3、转向节臂4和转向梯形。

在车桥仅为转向桥的情况下，由转向横拉杆6、左、右梯形臂5和前桥组成的转向梯形一般布置在前桥之后，称为后置梯形。

在发动机位置较低或转向桥兼作驱动桥的情况下，有时为避免运动干涉，往往将转向梯形布置在前桥的前面，称为前置梯形。

若转向摇臂不是前后摆动，而且在与前进方向垂直的平面内左右摆动，则可将纵拉杆3横置，并借助球头销直接带动转向横拉杆6，从而推动两侧梯形臂转动并带动车轮偏转。

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分成两段或三段，如图3-15，并且由在平行于路面的平面中摆动的转向摇臂直接带动或通过转向直拉杆和转向节臂带动。

转向纵拉杆与转向节臂及横拉杆之间都是通过球形铰链相连接的，从而使它们之间可以作相对的空间运动，以免发生运动干涉。

纵拉杆结构上一般具有缓冲及磨损补偿功能，如图3-16。

图3-16转向纵拉杆结构

1-螺母2-球头销3-防尘罩4-螺塞5-球头座

6-弹簧7-弹簧座8-油嘴9-纵拉杆体10-转向节臂球头

双拉杆转向传动机构由左、右两个转向摇臂、两侧纵拉杆和左、右两侧转向节臂组成。

当转动方向盘时，转向器的左、右两个转向摇臂作相反方向的摆动，通过左、右两纵拉杆分别操纵左、右转向节臂使前轮发生偏转，依靠各传动件的合理长度和位置来满足无侧滑滚动的要求。

与转向梯形相比，可使两转向轮偏转角更接近纯滚动的要求，同时可获得较大偏转角，机构布置容易，但结构复杂。

四、差速器

差速器的功用是根据汽车、拖拉机行驶需要，在传递动力的同时，使内、外侧驱动轮能以不同的转速旋转，以便车辆转弯或适应由于轮胎及路面差异而造成的内外侧驱动轮转速差。

两侧驱动轮之间的差速器称为轮间差速器。

在某些多轮驱动的越野汽车和四轮驱动拖拉机上，在前、后驱动桥之间或各驱动桥之间还装有轴间差速器，用以消除功率循环现象。

（一）简单差速器

1．运动学分析

差速器基本结构及工作原理如图3-17所示。

上式即两半轴齿轮直径相等的对称式锥齿轮差速器的运动特性方程式。

它表明：

左右两侧半轴齿轮的转速之和等于差速器壳转速的两倍，而与行星齿轮转速无关。

因此，在汽车转弯行驶或其它行驶情况下，都可以借助行星齿轮以相应转速自转，使两侧驱动车轮以不同转速在地面上滚动而无滑动。

由式3-17可知：

（1）当任何一侧半轴齿轮的转速为零时，另一侧半轴齿轮的转速为差速器壳转速的两倍；

（2）当差速器壳转速为零（例如用中央制动器制动传动轴时），若一侧半轴齿轮受其它外来力矩而转动，则另一侧半轴齿轮即为相同转速反向转动。

2．动力学分析

在上述差速器中，由中央传动或主减速器传来的转矩M0经差速器壳、行星齿轮轴和行星齿轮传给半轴齿轮。

行星齿轮相当一个等臂杠杆，而两个半轴齿轮半径也是相等的。

因此当行星齿轮没有自转时，总是将转矩M0平均分配给左、右两半轴齿轮，即：

当两半轴齿轮以不同转速朝相同方向转动时，设左、右半轴转速n1、n2，且n1>n2。

则行星齿轮将按图3-18上实线箭头n3的方向绕行星齿轮轴4自转。

图3-18差速器动力分析

1、2-半轴齿轮3-行星齿轮4-行星齿轮轴

此时行星齿轮孔与行星齿轮轴间以及齿轮背部与差速器壳之间都产生摩擦。

行星齿轮所受的摩擦力矩MT方向与其转速n4方向相反；如图3-18上虚线箭头所示，此摩擦力矩使行星齿轮分别对左右半轴齿轮附加作用了大小相等两方向相反的两个圆周力F1和F2。

F1使传到转得快的半轴上的转矩M1减小，而F2却使传到转得慢的右半轴上的转矩M2增加。

因此，当左右驱动车轮存在转速差时，

目前广泛使用的对称式锥齿轮差速器，其内摩擦力矩很小，锁紧系数K为1.1～1.4。

实际上可以认为无论左右驱动轮转速是否相等，而转矩总是平均分配的。

这样的分配比例对于车辆在良好路面上直线或转弯行驶时，都是理想的。

但当车辆在坏路面行驶时，却严重影响了通过能力。

例如当汽车的一个驱动车轮接触到泥泞或冰雪路面时，即使另一个车轮是在良好路面上，往往汽车仍不能前进。

此时在泥泞路面上的车轮原地滑转，而在好路面上的车轮静止不动。

这是因为，在泥泞路面上车轮与地面之间附着力很小，路面只能对半轴作用很小的反作用转矩，虽然另一车轮与良好路面间的附着力较大，但因对称式锥齿轮差速器平均分配转矩的特点，使这一个车轮分配到的转矩只能与传到滑转的驱动轮上的很小的转矩相等。

以致总的牵引力不足以克服行驶阻力，汽车便不能前进。

图3-19闭式差速器

1-主传动大锥齿轮2-差速器壳体3-销钉4-差速锁滑套

5-半轴6-半轴齿轮7-行星齿轮

图3-19是一种闭式差速器的具体构造。

汽车、拖拉机直线行驶时，作用于两侧驱动轮上的阻力相等，亦即作用于两侧半轴齿轮上的阻扭矩相等，因此半轴齿轮与行星齿轮轴以同样的转速转动，行星齿轮无自转。

当拖拉机和汽车转弯时，地面对导向轮构成的转向力矩使内侧驱动轮受到的阻力加大，使两侧半轴齿轮受到的阻扭矩不等，从而两侧半轴齿轮作用在行星齿轮上的圆周力不等，行星齿轮自转，内侧半轴齿轮的转速降低而外侧的加快。

3．简单差速器的性能特点

上述使两半轴输出转矩基本相等的简单差速器在实际工作中，当遇到内、外侧车轮与路面之间的附着条件相差较大时，会出现附着条件较差的驱动轮高速滑转，而附着条件较好的驱动轮不转的现象，造成总驱动力下降。

使车辆通过坏路面的行驶能力受到限制。

为了提高汽车在全路况下的通过能力，可采用各种型式的抗滑差速器。

其共同的出发点都是在一个驱动轮滑转时，设法使大部分转矩甚至全部转矩传给不滑转的驱动轮，以充分利用这一驱动轮的附着力而产生足够的牵引力使汽车能继续行驶。

轮式拖拉机上一般常采用差速锁，即把差速器锁住，消除其差速作用；汽车上常采用抗滑差速器（自锁差速器）。