汽车构造汽车转向系统.docx

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汽车构造汽车转向系统

第二十三章汽车转向系

学习目的：

·掌握转向系的定义、功用、分类、组成。

·掌握汽车性能对转向系的要求及汽车操纵性能的影响因素。

·掌握转向理论特性方程式及其含义。

·掌握转向系角传动比。

·掌握转向器的类型、功用、转向盘自由转动量。

·掌握转向操纵机构类型、特点。

·了解动力转向的作用、类型、组成、工作过程。

第一节概述

1、定义：

控制转向轮偏转的一整套机构。

2、作用：

根据汽车行驶需要，改变或恢复其行驶方向。

3、组成：

尽管现代汽车转向系的结构形式多种多样，但都包括转向操纵机构、转向器和转向传动机构三个基本组成部分。

①转向操纵机构是驾驶员操纵转向器的工作机构，主要由转向盘、转向轴、转向管柱等组成。

②转向器是将转向盘的转动变为转向摇臂的摆动或齿条轴的直线往复运动，并对转向操纵力进行放大的机构。

转向器一般固定在汽车车架或车身上，转向操纵力通过转向器后一般还会改变传动方向。

③转向传动机构是将转向器输出的力和运动传给车轮（转向节），并使左右车轮按照一定关系进行偏转的机构。

4、分类：

汽车转向系按转向动力源的不同，分为机械转向系和动力转向系两大类。

机械转向系是以驾驶员的体力（手力）作为转向动力的转向系，其中所有传力件都是机械的。

（图）

动力转向系是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向动力的转向系。

（图）

1.方向盘2.转向轴3.转向中间轴4.转向油管5.转向油泵6.转向油罐7.转向节臂8.转向横拉杆9.转向摇臂10.整体式转向器11.转向直拉杆12.转向减振器

当驾驶员转动转向盘1时，转向摇臂9摆动，通过转向直拉杆11、横拉杆8、转向节臂7，使转向轮偏转，从而改变汽车的行驶方向。

与此同时，转向器输入轴还带动转向器内部的转向控制阀转动，使转向动力缸产生液压作用力，帮助驾驶员转向操纵。

这样，为了克服地面作用于转向轮上的转向阻力矩，驾驶员需要加于转向盘上的转向力矩，比用机械转向系统时所需的转向力矩小得多。

5、对转向系的要求：

1）工作可靠——行驶安全——强度、刚度、使用寿命。

2）操纵轻便——转向力小，回转圈数少，直线行驶稳定，无摆振、抖动。

3）转向时车轮作纯滚动而无滑动——降低轮胎磨耗。

4）转向轮受到冲击时，要有正确的“路感”，又不“打手”。

5）调整应简单方便。

6、转向梯形：

1）构造：

前轴、横拉杆、左、右梯形臂

2）

作用：

保证左右转向轮按一定规律偏，以实现汽车顺利转向，车轮处于纯滚动而不滑移。

3）布置形式：

后置式、前置式

7、转向梯形理论特性关系式：

转向时各个车轮都作纯滚动，可减少附加阻力和轮胎磨损。

此时，各轮的轴线必须相交于汽车的转向中心O。

也称为瞬时转动中心。

由图可看出，这时内偏转角大于外偏转角。

有如下关系：

ctgα=ctgβ+B/L——转向梯形特性关系

从式中可以看出，内轮偏转角精确对应一个外轮偏转角，才能满足上述关系。

为此必须精心确定转向传动机构中转向梯形的几何参数。

但是迄今为止，所有汽车的转向梯形实际上都只能保证在一定的车轮偏转角范围内，使两侧车轮偏转角大体上接近上述关系。

汽车转弯半径：

由转向中心O到外转向轮与地面接触点的距离只称为。

它愈小，则汽车在转向时所需的场地面积就愈小，汽车的机动性也愈好。

转向轮内轮的最大偏转角约在34-42°之间，最小转弯半径一般约为5-12m。

9、转向系角传动比（iω）：

转向盘转角与同侧转向节臂带动的车轮偏转角之比称为转向系角传动比。

而转向盘转角和转向摇臂摆角扎称为转向器角传动比（iω1）。

转向摇臂摆角与同侧转向节带动的转向轮偏转角之比称为转向传动机构角传动比。

iω的大小影响操纵力和转向灵敏度。

iω大，则克服一定的地面转向阻力矩所需的转向盘上的转向力矩便愈小--省力。

但不能过大，过大将导致转向操纵不够灵敏，即转向盘转动的圈数增加。

iω主要受影响。

有的汽车iω1可变。

转小弯iω1较小，灵敏；转大弯iω1较大。

转向传动机构角传动比一般为1左右。

转向器角传动比山货车约为16-32，轿车约为12~22。

第二节转向器及转向操纵机构

一、转向器传动效率及转向盘自由行程

1、转向器传动效率：

转向器的输入功率与输出功率之比。

转向器除要保证汽车转向轻便灵活外，还应能防止由于路面反力对转向盘产生过大的冲击（即所谓的"回弹打手"现象），造成操纵困难和驾驶员工作疲劳。

为了实现这一目的，转向器应具有较高的正传动效率和适当的逆传动效率。

●转向操纵力转向盘转向器转向摇臂——正向传动——正传动效率；

●路面的冲击力转向摇臂转向器转向盘——逆向传动——逆传动效率。

z可逆式转向器正传动效率高，逆传动效率也高；

z不可逆转向器正传动效率高，逆传动效率为零；

z半可逆式转向器正传动效率高，逆传动效率较低。

所有的转向器都要求正传动效率要高，这样转向力损失少，转向操纵便灵活。

好的转向器应有适当的逆传动效率，使驾驶员获得明显的"路感"，又不对转向盘产生过大的冲击。

经常在良好路面上行驶的汽车多用可逆式转向器。

对于中型以上的越野汽车、工矿用自卸汽车多用极限可逆式转向器。

2、转向盘自由行程：

当转动转向盘时，消除各连接零件和传动副间隙和克服机件的弹性变形使车轮刚开始偏转的转向盘角度。

转向盘自由行程对于缓和路面冲击及避免驾驶员过度紧张是有利的。

一般规定直线行驶，转向盘向左、向右的自由行程不超过15°。

当零件磨损、转向盘自由行程大于规定值时，必须进行调整或换件。

转向盘自由行程的大小主要是通过调整转向器传动副的啮合间隙和轴承间隙来实现的。

因此，转向器一般都设有传动副啮合间隙和轴承间隙调整装置。

二、转向器

齿轮齿条式、循环球式、曲柄指销式、蜗轮蜗杆式、蜗杆滚轮式

1．齿轮齿条式转向器（动画）

齿轮齿条式转向器分两端输出式和中间输出式两种。

富康、CA7220、AUDI100、JATTA、SANTANA、夏利、依维柯。

富康采用两端输出的齿轮齿条式转向器，如图所示。

作为传动副主动件的转向齿轮轴11通过轴承12和13安装在转向器壳体5中，其上端通过花键与万向节叉10和转向轴连接；与转向齿轮啮合的转向齿条4水平布置，两端通过球头座3与转向横拉杆1相连；弹簧7通过压块9将齿条压靠在齿轮上，保证无间隙啮合。

弹簧的预紧力可用调整螺塞6调整。

当转动转向盘时，转向齿轮轴11转动，使与之啮合的齿条4沿轴向移动，从而使左右横拉杆带动转向节左右转动，使转向车轮偏转，实现汽车转向。

奥迪100型采用中间输出的齿轮齿条式转向器，如图所示，其结构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6与左右转向横拉杆7相连。

采用齿轮齿条式转向器可以使转向传动机构简化（不需转向摇臂和转向直拉杆等），齿轮齿条无间隙啮合无须调整，而且逆传动效率很高，故多用于前轮为独立悬架的轿车和微型及轻型货车上。

2．循环球式转向器（实物及动画）

循环球式转向器是目前国内外应用最广泛的结构形式之一。

它一般有两级传动副，第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿扇传动副（如解放CAl091、北京BJl04-1、BJ2023、黄河JNll81C13等）。

转向螺杆转动时，通过钢球将力传给转向螺母，转向螺母即沿轴向移动。

同时，在转向螺杆及转向螺母与钢球间的摩擦力偶作用下，所有钢球便在螺旋管状通道内滚动，形成“球流”。

钢球在管状通道内绕行两周后，流出转向螺母而进入导管的一端，再由导管另一端流回螺旋管状通道。

故在转向器工作时，两列钢球只是在各自的封闭流道内循环，而不致脱出。

循环球式转向器的正传动效率很高（最高可达90％-95％），故操纵轻便，使用寿命长。

但其逆传动效率也很高，容易将路面的冲击力传到转向盘。

不过，对于较轻型的、前轴载质量不大而又经常在好路上行驶的汽车而言，这一缺点影响不大。

因此，循环球式转向器广泛应用于各类各级汽车。

3．蜗杆曲柄指销式转向器（动画）

其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。

转向蜗杆转动时，与之啮合的指销即绕摇臂轴轴线沿圆弧运动，并带动摇臂轴转动。

三、转向操纵机构

1、功用、组成和安装布置

功用：

将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。

组成：

转向操纵机构由转向盘、转向轴、转向管柱等组成。

布置：

见图

2．转向盘（图）

主要由轮毂3、轮辐2和轮圈1等组成。

转向盘与转向轴一般是通过花键或带锥度的细花键连接，端部通过螺母轴向压紧固定。

3．转向轴和缓冲吸能机构

许多国内外生产的新车型采用柔性万向节连接，可阻止路面传来的的冲击，从而显著地减轻转向盘上的冲击和振动。

安装有能改变转向盘工作角度和转向盘的高度（即转向轴轴向长度）的机构，以方便不同体型驾驶员的操纵。

可分离式安全转向机构有效地防止转向盘对驾驶员的伤害，但不包含有吸能装置。

缓冲吸能式转向操纵机构从结构上能使转向轴和转向管柱在受到冲击后，轴向收缩并吸收冲击能量，从而有效地缓和转向盘对驾驶员的冲击，减轻其所受伤害的程度。

汽车撞车时，首先车身被撞坏（第一次碰撞），转向操纵机构被后推，从而挤压驾驶员，使其受到伤害；接着，随着汽车速度的降低，驾驶员在惯性力的作用下前冲，再次与转向操纵机构接触（第二次碰撞）而受到伤害。

缓冲吸能式转向操纵机构对这两次冲击都具有吸收能量、减轻驾驶员受伤程度的作用。

1）网状管柱变形式

ÿ塑料销起安全销的作用。

ÿ转向管柱的部分管壁制成网格状，受到压缩时很容易轴向变形，而消耗能量。

ÿ北京吉普切诺基汽车的转向操纵机构与此类似。

2）钢球滚压变形式（如图）

钢球滚压变形式结构的转向管柱分为上、下两段，上转向管柱可套在下转向管柱的内孔里，二者之间压入带有塑料隔圈的钢球。

隔圈起钢球保持架的作用，钢球与上、下转向管柱压紧并使之结合在一起。

在撞车时，上下管柱在轴向相对移动，这时钢球边转动边在上、下转向管柱的壁上压出沟槽，从而消耗了冲击能量。

3）波纹管变形吸能式

当汽车撞车时，下转向管柱向上移动，在第一次碰撞力的作用下限位块首先被剪断并消耗能量。

在受到第二次碰撞时，上转向轴下移，压缩波纹管使之收缩变形并消耗冲击能量。

第三节转向传动机构

功用：

将转向器输出的力和运动传到转向节，使转向轮偏转，且偏转角按一定关系变化，以保证转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。

转向传动机构按照悬架的分类可分为与非独立悬架配用的转向传动机构和与独立悬架配用的转向传动机构两大类。

一、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主要包括转向器转向摇臂2、转向直拉杆3、转向节臂4、两个梯形臂5和转向横拉杆6等组成转向横拉杆。

1．转向摇臂

转向摇臂的作用是把转向器输出的力和运动传给转向直拉杆和横拉杆，进而推动转向轮偏转。

转向摇臂的典型结构如图所示，它多采用中碳钢经锻造和机械加工制成。

大端具有锥形的三角形细花键孔，与转向摇臂轴连接，并用螺母固定。

其小端用锥形孔与球头销柄部连接，也用螺母固定，球头再与纵拉杆作铰链连接。

转向摇臂安装后从中间位置到两边的摆角范围应大致相同，故在向转向摇臂轴上安装时，二者的安装记号应对正。

2．转向直拉杆

转向直拉杆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。

它所受的力既有拉力、又有压力，因此转向直拉杆都是采用优质特种钢制造的，以保证工作可靠。

在转向轮偏转或因悬架弹性变形而相对于车驾跳动时，转向直拉杆、转向摇臂及转向节臂的相对运动都是空间运动，为了不发生运动干涉，三者之间的连接都采用球头销。

直拉杆体9由两端扩大的钢管制成，其前端带有球头销2。

球头销的尾端可用螺母固定于转向节臂的端部。

两个球头座5在压缩弹簧6的作用下将球头销的球头夹持住。

为保证球头与座的润滑，可从油嘴8注入润滑脂，使其充满直拉杆体端部管腔。

装配时，供球头出入的孔口用耐油的橡胶防尘垫3封盖，橡胶防尘垫3用铁皮包扎在钢管上，以防止润滑脂流出和尘土、泥、水的侵入。

压缩弹簧6随时补偿球头及球头座的磨损，保证二者间无间隙，并可缓和经车轮和转向节传来的路面冲击。

弹簧预紧力可用螺塞4调节，调好后用开口销固定住螺塞的位置。

当球头销作用在内球头座上的冲击力超过压缩弹簧预紧力时，弹簧便进一步变形而吸收冲击能量。

弹簧变形增量受到弹簧座自由端的限制，这样可以防止弹簧过载超载，并保证在弹簧折段的情况下球头销不致从管腔中脱出。

直拉杆体后方嵌装转向摇臂的球头销10。

这一端的压缩弹簧也装在球头座后方。

这样，两个压缩弹簧可分别在沿轴线的不同方向上起缓冲作用。

3．转向横拉杆

转向横拉杆是联系左、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，因此多采用高强度冷拉钢管制造。

横拉杆体两端的螺纹，一为右旋，一为左旋，因此在旋松夹紧螺栓后，转动横拉杆体，即可改变转向横拉杆的总长度，从而调整转向轮前束。

4．转向减振器

随着汽车车速的提高，现代汽车的转向轮有时会产生摆振，进而引起整车车身的振动，这不仅影响汽车行驶的稳定性，而且还影响汽车的舒适性，加剧前轮轮胎的磨损。

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。

转向减振器的一端与车身或前桥铰接，另一端与转向直拉杆或转向器铰接，如图所示的是AUDI00转向减振器的结构及零件分解图，其结构和工作原理类似于悬架减振器，这里不再赘述。

二、与独立悬架配用的转向传动机构

当转向轮采用独立悬架时，由于每个转向轮都需要相对于车架（或车身）作独立运动，所以转向桥也必须是断开式的。

相应地，转向传动机构中的转向梯形也必须是断开式的。

第四节动力转向装置

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。

转向油泵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。

转向油罐5有进、出油管接头，通过油管分别与转向油泵和转向控制阀2联接。

转向控制阀用以改变油路。

机械转向器和缸体形成左右两个工作腔，它们分别通过油道和转向控制阀联接。

当汽车直线行驶时，转向控制阀2将转向油泵6泵出来的工作液与油罐相通，转向油泵处于卸荷状态，动力转向器不起助力作用。

当汽车需要向右转向时，驾驶员向右转动转向盘，转向控制阀将转向油泵泵出来的工作液与R腔接通，将L腔与油罐接通，在油压的作用下，活塞向下移动，通过传动结构使左、右轮向右偏转，从而实现右转向。

向左转向时，情况与上述相反。

一、动力转向装置的功用、组成及类型

前面所述的普通转向系很难兼顾汽车转向操纵省力且反应灵敏两方面的要求，为解决这一矛盾，越来越多的中型以上的货车和轿车采用了以发动机输出的部分动力为能源的动力转向装置。

采用动力转向装置的汽车转向所需的动力，在正常情况下，只有小部分是驾驶员提供的，而大部分是发动机（或电机）驱动的油泵（或空气压缩机）所提供的液压能（或气压能）。

用以将发动机（或电机）输出的部分机械能转化为压力能，并在驾驶员控制下，对转向传动装置或转向器中某一传动件施加不同方向的液压或气压作用力，以帮助驾驶员进行转向的一系列零部件，总称为动力转向器。

1、功用：

1）转向轻便——减轻对转向盘的操作力，原地转向助力。

2）转向灵敏——可适当选择传动比。

3）行驶安全——限制车辆高速或在薄冰上的助力，具有较好的转向稳定性。

2、对动力转向的要求：

1）转向轮的转角和驾驶员转动方向盘的转角保持一定的比例关系。

2）动力转向失效时，能保证机械转向系统有效工作。

3）具有很高的灵敏度。

4）减轻驾驶员作用在方向盘上手力的同时，还应有“路感”。

5）具有直线行驶的稳定性，转弯后有自动回正作用。

动力转向装置应具有如下功能：

①在汽车转弯时，减小对转向盘的操作力；限制转向系统的减速比；②在原地转向时，能提供必要的助力；限制车辆高速或在薄冰上的助力，具有较好的转向稳定性；③在动力转向装置失效时，能保持机械转向系统有效工作。

3、组成：

动力转向装置由机械转向器、转向控制阀、转向动力缸以及将发动机输出的部分机械能转换为压力能的转向油泵（或空气压缩机）、转向油罐等组成。

4、分类：

动力转向装置按传能介质的不同，可以分为气压式和液压式两种。

气压式动力转向装置主要应用于一部分其前轴最大轴载质量为3-7t，并采用气压制动系统的货车和客车。

装载质量特大的货车也不宜采用气压动力转向器，因为气压系统的工作压力较低，用于这种重型汽车上时，其部件尺寸将过于庞大。

液压动力转向器的工作压力可高达10Mp以上，故其部件结构紧凑、尺寸很小。

液压系统工作时无噪声，工作滞后时间短，而且能吸收来自不平路面的冲击。

因此，液压式动力转向装置已在各级各类汽车上得到了广泛应用。

常压式：

①在汽车直线行驶，转向盘保持在中立位置时，转向控制阀5经常处于关闭位置。

转向油泵2输出的压力油充人储能器3。

当储能器压力增长到规定值后，油泵即自动卸荷空转，从而储能器压力得以限制在该规定值以下。

②驾驶员转动转向盘时，机械转向器6即通过转向摇臂等杆件使转向控制阀5转入开启（工作）位置。

此时储能器中的压力油即流人转向动力缸4。

通过动力缸推杆输出的液压作用力，作用在转向传动机构上，以助机械转向器输出力的不足。

转向盘一停止运动，转向控制阀便随之恢复到关闭位置。

于是转向加力作用终止。

由此可见，无论转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，液压系统工作管路中总是保持高压。

常流式：

①不转向时，转向控制阀6保持开启。

转向动力缸8由于其中活塞两边的工作腔都与低压回油管路相通而不起作用。

转向油2输出的油液流人转向控制阀，又由此流回转向油罐l。

因转向控制阀的节流阻力很小，故油泵输出压力也很低，油泵实际处于空转状态。

②当驾驶员转动转向盘，通过机械转向器7使转向控制阀处于与某一转弯方向相应的工作位置时，转向动力缸的相应工作腔方与回油管路隔绝，转而与油泵输出管路相通，而动力缸的另一腔则仍然通回油管路。

地面转向阻力经转向传动机构传到转向动力缸的推杆和活塞上，形成比转向控制阀节流阻力高的多的油泵输出管路阻力。

于是转向油泵输出压力急剧升高，直到足以推动转向动力缸活塞为止。

③转向盘回位后，转向控制阀随即回复到中立位置，使动力缸停止工作。

上述两种液压式动力转向装置相比，常压式的优点在于有储能器积蓄液压能，可以使用流量较小的转向油泵，而且还可以在油泵不运转的情况下保持一定的转向加力能力，使汽车有可能续驶一定距离。

这一点对于重型汽车尤为重要。

常流式的优点则是结构简单，油泵寿命较长，漏泄较少，消耗功率也较小。

因此，目前除少数重型汽车采用常压式动力转向装置外，其余多采用常流式动力转向装置。

介绍了解：

1、转阀工作原理（动画+实物图）

2、叶片式转向油泵（动画）

3、电动助力转向（有图）

EPAS（ElectricPowerAidedStreering）的构成：

它由机械转向器、电动机、离合器、控制装置、转矩传感器和车速传感器组成。

在操纵转向盘时，扭矩传感器根据输入力的大小产生相应的电压信号，由此EPAS系统就可以检测出转向力的大小，同时根据车速传感器产生的脉冲信号又可测出车速，再用于控制电动机的电流，从而形成适当的转向助力。

4、四轮转向（4WS：

4wheelsteering）（有图）

如果一辆常规的前轮转向的汽车停在人行道旁两辆车之间，那么这辆车驶出停车位置时，前轮尽量向左转，而在驶出停车位置时后轮沿与前轮不相同的方向低速行驶，那么它将会撞到前面的汽车。

若同一辆汽车装有四轮转向装置的汽车停在同样的位置，在驶出停车位置时，后轮将沿与前轮相同的方向低速行驶，那么这辆汽车与前面的汽车之间因有足够的距离而不会撞上。

四轮转向的汽车与常规前轮转向的汽车相比有一个较小的转向半径，这会改善汽车停车时的机动性。

四轮转向系统中的后轮转向可以根据汽车速度或转向盘的转角来控制。

四轮转向系统类型：

（一）、电控四轮转向系统

（二）、电子控制液压驱动的四轮转向系统

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。

在执行机构中，装入高刚性弹簧，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。

作业：

P28123-3、23-4