汽车转向系统课件

第二十三章第二十三章 汽车转向系统汽车转向系统第1节 概 述保证汽车能按驾驶员的意愿进行直线或转向行驶。汽车转向系统的功用：？汽车转向系统的定义：用来改变或者恢复汽车行驶方向的专设机构的总称。1.1汽车转向系统类型和组成按汽车转向系统能源的不同分为：机械转向系统 动力转向系统 以驾驶员的体力为转向能源，其中所有的传力件都是机械零件。兼用驾驶员的体力和发动机(或电动机)动力为转向能源，其转向系统中需要增加动力转向装置。a.汽车转向系统的分类万向传动装置(转向万向节和转向传动轴)作用：方便布置；消除安装误差和安装支架变形引起的不利影响；可以方便的实现转向盘和转向器等部件的通用化和系列化。b.汽车转向系统的组成机械转向系统的组成:方向盘；转向管柱；转向轴；转向传动轴;转向万向节。转向摇臂；转向直拉杆；转向节臂；转向梯形机构。转向传动机构转向操纵机构转向器采用非独立悬架采用非独立悬架的机械式转向系统工作过程采用非独立悬架的机械式转向系统工作过程采用独立悬架的机械转向系统：左、右横拉杆1.2两侧车轮偏转角之间的理想关系 为避免在汽车转向时加大对车轮的磨损，希望汽车转向时每个车轮都作纯滚动。即要求所有车轮的轴线都相交于一点。cot=cot+B/L 汽车内轮转角与外轮转角之间的关系如下：B两侧主销轴线与地面相交点的距离；L汽车的轴距。R为汽车转弯半径；O为汽车转向中心。汽车最小转弯半径：当外转向轮偏转角达到最大值max时，转向半径最小:Rmin=L/sinmax汽车转弯半径：R=L/sin只用前轴转向的三轴汽车，由于中、后轮总是平行的，因此不存在理想的转向中心。计算转向中心时用一个与中、后轴线等距的平分线作为假想轴线。第一、第三轴为转向桥的三轴汽车cot1=cot1+B/L1cot2=cot2+B/L2前轴后轴转向梯形需要满足上式的设计要求。L1、L2分别为一轴、三轴到二轴的距离。前轴:cot1=cot1+B/L1后轴:cot2=cot2+B/L2第一、第二轴为转向桥的四轴汽车 以三四轴之间的平分线为转向基线。1.3 转向系的角传动比转向盘转向器转向摇臂转向节转向系角传动比i：转向盘转角增转向盘转角增量与同侧转向节相应转角增量之量与同侧转向节相应转角增量之比比i=i1*i2转向系角传动比越大，转向越省力，但转向灵敏度降低。i1较大，货车为16-32，轿车为12-20；i2较小，一般为1。转向器角传动比i1：转向盘的转角增量与转向摇臂转角的相应增量之比转向传动机构角传动比i1：转向摇臂转角增量与转向盘所在一侧的转向节的转角相应增量之比。转向盘的自由行程定义：转向盘空转阶段的角行程，称为转向盘的自由行程。作用：可以缓和路面冲击，避免驾驶员过分的紧张和疲劳；但过大转向盘自由行程会降低转向灵敏度。转向盘自由行程比较理想的情况是不超过1015。当零件磨损使转向盘自由行程超过2530时必须进行调整。产生原因：转向系统中传动件之间存在安装间隙。在转向开始阶段，所施加的转向力矩很小，用来克服转向系统内部摩擦，使个传动件开始运动直到间隙完全消除。2.1 转向操纵机构a.转向操纵机构:转向盘到转向器之间的所有零部件总称。第2节 转向操纵机构1.转向盘1.轮缘2.轮辐3.轮毂，轮毂细牙内花键与转向轴连接转向盘上装有喇叭按钮，有些轿车的转向盘上还装有车速控制开关和安全气囊。汽车碰撞时，转向盘骨架应该发生变形，以吸收碰撞的能量。转向盘内部由成形的金属骨架构成，外面包柔软材料。转向柱管固定在车身上，支承着转向盘；转向轴是连接转向盘和转向器的传动件；转向轴从转向柱管中穿过，支承在柱管内的轴承和衬套上。2.转向轴、转向柱管及其吸能装置转向轴和转向柱管吸能装置的基本工作原理是：当转向轴受到巨大冲击而产生轴向位移时，通过转向柱管或支架产生塑性变形、转向轴产生错位等方式，吸收冲击能量。方向盘转向管柱转向管支架支座橡胶垫转向操纵机构支架转向轴转向管柱转向轴衬套(1)转向轴错位缓冲当发生猛烈撞车时，转向轴上的上、下凸缘盘的销子与销孔脱开，缓和冲击，吸收冲击能量。上凸缘盘下凸缘盘转向传动轴分为上、下两段，下转向传动轴装在上转向传动轴的孔中，发生碰撞时，转向器向后移动，下转向传动轴插入上转向传动轴的孔中，上转向传动轴被压扁，吸收冲击能量。(2)转向轴错位和支架变形缓冲转向柱管通过支架和U形金属板固定在仪表板上。当驾驶员身体撞击转向盘后，转向管柱和支架将从仪表板上脱离下来向前移动。这时，一端固定在仪表板上而另一端固定在支架上的U形金属板就会产生扭曲变形并吸收冲击能量。网格状或波纹管式转向柱管吸能装置:当发生猛烈撞车导致人体冲撞转向盘时，网格部分或波纹管部分将被压缩产生塑性变形，吸收冲击能量。(3)转向柱管变形吸收冲击能量并缓冲网格状转向柱管波纹管式转向柱管转向器的传动效率 转向器的输入功率与输出功率的比值称为转向器的效率。转向器的正效率：功率由转向轴输入，由转向传动机构（如转向横拉杆或摇臂）输出的传动效率；转向器的逆效率：功率由转向传动机构输入，由转向轴输出的传动效率。1.转向器传动效率第3节 转向器可逆式转向器：逆效率很高的转向器，可以将路面阻力完全反馈到转向盘，驾驶员路感好，可以实现方向盘的回正，但可能发生“打手”现象。u现代汽车一般不采用不可逆转向器，大部分采用可逆式转向器，部分越野车辆采用极限可逆式转向器。不可逆转向器：逆效率很低的转向器，让驾驶员丧失路感，无法根据路面阻力调整方向盘转距；方向盘不会回正。极限可逆式转向器：逆效率略高于不可逆式的转向器，可以获得一定的路感，转向盘可自动回正。转向器的分类：2.转向器齿轮齿条式转向器；蜗杆曲柄指销式转向器；循环球式转向器。转向器是转向系的减速传动装置，一般有12个减速传动副。a.齿轮齿条式转向器传动副：转向齿轮(主动件)、转向齿条(从动件)。转向齿条通过两点支承在壳体上：橡胶支承套、齿轮齿条啮合点。弹簧通过垫片、压块将齿条压靠在齿轮上，保证无间隙配合。弹簧预紧力用调整螺钉调节，螺钉端部起到限位作用，防止跳齿。转向器通过两个U形支架和橡胶管支承并固定在副车架上，转向齿轮与转向轴和转向盘连接，两个转向横拉杆分别通过球头销与转向齿条的两端相连。转向器总成侧面输入两端输出；侧面输入两端输出；中间输入两端输出；中间输入两端输出；侧面输入中间输出；侧面输入中间输出；侧面输入一端输出。侧面输入一端输出。齿轮齿条式转向器的四种结构型式：转向拉杆用螺栓固定在转向齿条中部，齿条移动带动左右横拉杆移动，实现转向。齿轮齿条式转向器特点1.结构简单紧凑、质量轻，刚性大。2.转向灵敏，正、逆效率都较高，制造容易，成本低。3.省略了转向摇臂和转向直拉杆，使转向传动机构简化，适合与麦弗逊式独立悬架配用，常用于轿车、微型货车和轻型货车。b.蜗杆曲柄指销式转向器传动副主动件：转向蜗杆；从动件：指销。具有梯形截面螺纹的转向蜗杆支承在转向器壳体两端的球轴承上，蜗杆与锥形指销相啮合，指销用双列圆锥滚子轴承支于摇臂轴内端的曲柄孔中。当转向蜗杆随转向盘转动时，指销沿蜗杆螺旋槽上下移动，并带动曲柄及摇臂轴转动。双指销式转向器:每个指销所承受的载荷小，因此寿命长；一个指销脱离啮合，另一个指销仍保持啮合，在采用同样的蜗杆时，运动范围大，所以当行程固定时蜗杆较短；对蜗杆加工精度要求高。用来调整轴承的预紧度，使指销能自由转动并无明显的轴向间隙。用来调整指销和蜗杆的啮合间隙。c.循环球式转向器一般采用两级传动：第一级为螺杆螺母传动副；第二级为齿条齿扇传动副。在螺杆和螺母上都加工近似半圆形的螺旋槽(P289页图)，两者相配合形成近似圆形的螺旋管状通道中装入许多钢球。螺母的侧面有两对通孔，可将钢球塞入螺旋通道中，两根U形钢球导管的两端插入螺母侧面的两对通孔中，导管内也装满钢球。转向螺杆转动时，通过钢球将力传给转向螺母，使螺母沿轴向移动。同时，在螺杆、螺母和钢球间的摩擦力矩作用下，所有钢球便在螺旋管状通道内滚动，形成“球流”。转向螺杆支承在两个推力角接触球轴承上，轴承预紧度用调整垫片调整。解放CA1040系类轻型载货汽车循环球-齿条齿扇式转向器旋入，齿扇轴右移，啮合间隙减小，反之，增大(P278页图)正传动效率高达90%95%，操纵轻便，转向省力；寿命长，工作平稳可靠；逆效率也很高，容易打手；适合用于经常在平坦路面上行驶的中、轻型载货汽车上。循环球式转向器特点：从转向器到转向节之间的所有传动杆件(不含转向节)总称为转向传动机构第4节 转向传动机构功用：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。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不同而异。1.与非独立悬架配用的转向传动机构由转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂和转向梯形等零部件组成，其中转向梯形由梯形臂、转向横拉杆和前梁构成。前桥为转向桥前桥为转向驱动桥转向直拉杆横置转向梯形布置在前桥后，在汽车直线行驶状态，900转向梯形布置在前桥前，在汽车直线行驶状态，900转向摇臂在与道路平行的水平面内左右摆动。a.转向摇臂转向器传动副与直拉杆之间的传动件。循环球式转向器和蜗杆曲柄指销式转向器通过转向摇臂与转向直拉杆相连。转向摇臂的大端与转向器摇臂轴采用锥形细三角花键连接，以调整安装位置到正确角度、同时起到压紧和定位的作用。小端通过球头销与转向直拉杆作空间铰链连接。b.转向直拉杆转向摇臂与转向节臂之间的传动杆件，具有传力和缓冲作用。球头销连接避免空间运动的干涉，压缩弹簧补偿球头和座的磨损，保证无间隙配合，弹簧预紧力用端部螺塞调整，开口销固定螺塞位置。转向节臂球头销前端后端两个压缩弹簧分别沿轴线的不同方向起缓冲作用。c.转向横拉杆转向梯形机构的底边，由横拉杆体和旋装在两端的横拉杆接头组成。长度可调，可用来调整前轮前束上下球头座用聚甲醛制成，耐磨性好。弹簧保证球头与球头座紧密接触，预紧力由螺塞调整。两接头用螺纹与横拉杆体连接，一端为左旋，一端为右旋，当转动横拉杆体，可调整横拉杆的长度，可以调整前轮前束与梯形臂相连球头座是刚制的；螺孔切口两边无耳孔，用螺栓通过冲压制成的卡箍夹紧在横拉杆体上，简化接头的结构和制造工艺。2.与独立悬架配用的转向传动机构为了满足转向轮独立运动的需要，转向桥是断开式的，转向传动机构中的转向梯形也必须断开。与独立悬架配用的多数是齿轮齿条式转向器，转向器布置在车身上，转向横拉杆通过球头销与齿条及梯形臂相连。直拉杆采用循环球式转向器摇杆前端固定于车架横梁中部，后端借球头销与转向直拉杆和左右横拉杆相连，转向横拉杆通过球头销与梯形臂连接。弹簧用来压紧球头座、吸收路面冲击将发动机输出的部分机械能转化为压力能（或电能），并在驾驶员控制下，对转向传动机构或转向器中某一传动件施加辅助作用力，使转向轮偏转，以实现汽车转向的一系列装置。a.动力转向系统的定义1.动力转向系统概述b.动力转向系统的作用减轻驾驶员的转向操纵力，提高驾驶舒适性。c.动力转向系统的类型v液压助力转向系统（油泵）v气压助力转向系统（压缩机）v电动机助力转向系统（发电机）第5节 液压助力转向系统d.对动力转向系统的要求动力转向系统只有在汽车转向时才提供转向力；动力转向系统的响应要迅速；根据汽车转向阻力的不同，动力转向系统应有不同的输出力。车速低或路面条件不好时，动力转向系统的输出力要大，要提供大部分的转向力；车速高时，动力转向系统的输出力要小，避免驾驶员失去转向路感。动力转向系统密封要好，避免漏油。（1）液压助力转向系统的组成和分类a.汽车液压动力转向系统根据系统内部的压力不同分为：常压式液压动力转向系统常流式液压动力转向系统组成机械式转向器动力转向装置转向控制阀转向动力缸转向油泵油罐和油管常压式液压助力转向系统组成：油罐、油泵、储能器、控制阀、动力缸等。系统工作管路中总是保持高压。不转向时，转向控制阀处于关闭状态，只要转向，系统就给转向动力缸供压力，转向控制阀壳体与车轮有连接关系，壳体与阀同向运动，反应迅速。车辆直线行驶时车辆转向行驶时常流式液压助力转向系统转向油泵始终处于工作状态。不转向时，转向控制阀保持开启，活塞两边与低压管路接通，转向油泵基本处于空转状态，系统中压力很小。转向时，动力缸的工作腔与油泵相通，而与回油管路隔绝，另一腔与油泵隔绝，与回油管路相同，建立压力。汽车直线行驶时汽车转向行驶时b.常压式与常流式液压动力转向系统的比较常压式液压动力转向系统：优点：系统中一直存在油压，响应快。用储能器积蓄能量，可是用较小的油泵；油泵不运转情况下可以保持一定的转向加力能力。缺点：容易引起压力漏油；油泵总要保持系统的压力，会降低油泵的寿命；储能器占用一定的空间；燃油消耗率高；应用：少数重型汽车。常流式液压动力转向系统：优点：结构简单；油泵寿命长；泄漏少；消耗功率低。缺点：转向后才建立系统压力，响应慢；为提高相应的速度需要使用较大的油泵；应用：广泛用于各种汽车。（2）液压动力转向系统的转向控制阀转向控制阀按结构分为：滑阀式转向控制阀；转阀式转向控制阀。阀体沿轴向移动来控制油液流量的转向控制阀，简称滑阀。a.滑阀式转向控制阀常流式滑阀扭杆阀体壳体转阀结构：4个连通的进油通道A；4个通道B、C与动力缸的左右腔相连；4个回油道D；中空阀体与储油罐相连。阀体绕其轴线转动来控制油液流量的转向控制阀，简称转阀。b.转阀式转向控制阀DDDD当阀体顺时针转过一个小角度会发生什么情况？滑阀式转向控制阀：特点：滑阀式转向控制阀靠阀体的移动控制油液流量。结构简单，工艺性好，布置方便，需要较大的轴向安装和运动空间。特点：转阀式转向控制阀靠阀体的转动控制油液流量。灵敏度高，密封件少，体积小，结构更先进，加工要求精度高，目前得到广泛应用。转阀式转向控制阀：（3）常流式液压动力转向系统的布置方案按机械转向器、转向控制阀和动力缸的三者的组合及相对位置关系，分为三种：v整体式动力转向器；v半整体式动力转向器；v转向加力器。整体式动力转向系统机械转向器转向控制阀转向动力缸半整体式动力转向系统机械转向器转向控制阀转向加力器转向控制阀转向动力缸单向阀：又称短路阀，是在动力转向系统正常工作时关闭，失效时自动打开，以弥补动力缸吸油缸的真空度(因油罐油不能正常通过油泵)，即将不工作的油泵短路。流量控制阀：限定转向油泵的最大流量安全阀：限定转向油泵的最大压力组装在转向油泵内机械转向器转向油泵转向动力缸转向控制阀转向节臂横拉杆转向加力器转向加力器2.整体式动力转向器 转向油缸转向油泵机械转向器转向控制阀转向动力缸 整体式转向动力缸活塞与转向齿条制成一体，活塞将转向动力缸(即转向器壳体)分成左右两腔；转向动力缸的助力直接作用在齿条上，齿条的动力由一端输出捷达轿车整体式动力转向器示意图转向动力缸动力缸活塞转向齿轮 转向齿条流量控制阀(带安全阀)转向油泵回油管路进油管路扭杆转向轴阀芯阀套转向油罐齿轮齿条式机械转向器、转向动力缸和转向控制阀制成一体。转阀结构扭杆用销2与转向齿轮连接，用销7与阀芯连接，阀芯与转向轴末端固定在一起，因而转向轴通过扭杆带动转向齿轮转动。汽车直线行驶时：转向阀处于中立位置，使动力缸左右两腔相通，输入阀体的油液经回油管路流回转向油罐。（常流式转向阀）转向动力缸动力缸活塞转向齿轮 转向齿条流量控制阀(带安全阀)转向油泵回油管路进油管路扭杆转向轴阀芯阀套转向油罐汽车右转向行驶时：转动方向盘转向轴和阀芯转动扭杆扭转变形转阀开始工作，动力油缸左腔进入高压油，右腔与回油管路连通液压作用力使转向齿条右移，转向轮右偏转，同时，转向齿轮与转向轴同向转动，实现转向。3.转向油罐和转向油泵 转向油罐和油泵是实现动力转向的必备部件。转向油罐的作用是储存、滤清并冷却液压助力转向系统的工作油液。转向油罐组成：油罐盖；罐体；过滤装置；进出油口等。转向油泵是液压助力转向系统的供能装置，其作用是将输入的机械转向油泵是液压助力转向系统的供能装置，其作用是将输入的机械能转换为液压能输出。能转换为液压能输出。转向油泵的类型：齿轮式、叶片式、转子式、柱塞式等。转向油泵的类型：齿轮式、叶片式、转子式、柱塞式等。转向油泵 流量控制阀的作用：避免发动机转速过高时，流量过大，导致系统的功率消耗过多和油温过高。v柱塞下腔通出油腔；v柱塞上腔通出油口；v出油腔与出油口之间因为量孔的节流作用存在压差。v 当流量过大时，出油腔与出油口的压差增大，流量控制阀上下腔的压差增加，导致弹簧被压缩柱塞上移，将出油腔与进油腔接通，系统的流量降低。出油腔出油口量孔进油腔安全阀的作用：限制系统的最高压力，避免转向阻力过大时，系统内部的压力过高会导致油泵、动力缸和管路过载而损坏。安全阀球阀门安全阀座油泵输出压力达到规定的最高值时，球阀开启，出油口和进球腔接通，使出油口压力降低。传统的液压助力转向只能根据转向盘转角的变化提供助力；4.电控液压助力转向系统p电控液压助力转向系统在传统液压助力转向系统的基础上加装电控系统，使辅助转向力的大小不仅与转向盘的转角增量（或角速度）有关，还与车速有关。电控单元根据车速调节作用在转向盘上的阻力，通过控制转向控制阀的开启程度改变液压助力系统辅助力的大小，从而实现辅助转向力随车速而变化的助力特性。电控系统液流分配阀液压反应装置装在转向齿轮孔中，位于转阀下面液压助力转向（HPSHPS）系统缺点1.不管是否转向，油泵始终处于工作状态；2.油泵供油量一般根据发动机怠速时能使动力转向系统产生足够的转向助力所需的供油量确定，转速越高，供油量越大，而实际上动力转向系统所要求的供油量应该是随着转速的升高保持不变或下降。第6节电动助力转向系统电动助力转向（简称EPS）系统利用直流电动机提供转向动力，辅助驾驶员进行转向操作。根据其助力机构的不同可以分为1、电动液压助力转向（简称EPHS）系统 2、直接助力式电动转向系统1、电动液压助力转向系统液压泵通过电动机驱动，与发动机在机械上毫无关系，助力效果只与转向盘角速度和行驶速度有关，是典型的可变助力转向系统。由ECU提供供油特性，汽车低速行驶时助力作用大，驾驶员操纵轻便灵活；在高速行驶时转向系统的助力作用减弱，驾驶员的操纵力增大，具有明显的“路感”，既保证转向操纵的舒适性和灵活性，又提高了高速行驶中转向的稳定性和安全感。直接依靠电动机提供辅助转矩，可以根据不同的使用工况控制电动机提供不同的辅助动力。2、直接助力式电动转向系统转矩传感器：测量驾驶员作用在转向盘上的力矩大小和方向，有的还测量转向盘转角的大小和方向。把两段转向轴在扭杆作用下产生的相对转角转变成电信号传给(ECU)。电动机：根据电控单元指令输出适当的转矩。减速机构：与电机相连，实现降速增矩。ECU：为8位单片机系统或采用数字信号处理器，根据转矩传感器和车速传感器传来的信号进行逻辑分析计算，并发出指令控制电动机和离合器工作。应具有抗干扰能力，适应汽车多变的行驶环境。根据电动机位置的不同，直接助力式电动转向系统可以分为:1.转向轴助力式，占用空间少，距离驾驶员近，振动噪声大；2.齿轮助力式，转向助力比较大；3.齿条助力式，刚度好，传力大，适用于前轴负荷大汽车。本田雅阁轿车的前轮载荷较大，所需要的转向辅助力也大，因此采用齿条助力式电动转向系统。螺母与电动机轴相连，电动机轴是中空的，里面穿过转向齿条。汽车转向时，电动机轴驱动螺母旋转，螺母只转动不移动，从而通过滚珠带动螺杆移动，实现转向助力。直接助力式电动转向系统优缺点缺点：（1）车用电源的电压较低(一般12或24v)，提供的辅助动力较小，难以用于大型车辆；（2）减速机构、电动机等部件会影响汽车的操纵稳定性，正确匹配整车性能至关重要；（3）使用电动机、减速机构和转矩传感器等部件，增加了系统的成本。优点：（1）效率高、能量消耗少；（2）系统内部采用刚性连接，反应灵敏，滞后小，驾驶员的“路感”好；（3）结构简单，质量小；（4）系统便于集成，整体尺寸减小；省去了油泵和辅助管路，总布置更加方便；（5）无液压元件，对环境污染少。3、四轮转向（简称4WS）系统 汽车在转向时，4个车轮都可相对车身主动偏转，以改善汽车的转向机动性能。按照后轮转向机构控制和驱动方式的不同，四轮转向可分为机械式、液压式、电控机械式、电控液压式和电控电动式等几种类型。目前使用最广泛的4WS系统为电控液压式，主要用于前轮采用液压助力转向系统的汽车中。随着电动助力转向(EPS)系统的出现，电动4WS将是4WS的发展趋势。转向时，前轮转角、车速、横摆角速度传感器等信号送入ECU进行分析计算，ECU确定后轮转角并向步进电机输出驱动信号，通过后轮转向机构驱动后轮偏转以适应前轮转向，实现四轮转向。前轮采用传统转向系统，后轮采用直接助力式电动转向系统四、线控转向(Steer-by-wire)系统 ECU从转向传感器中获取驾驶员意图，通过车速传感器得到车速、加速度等汽车行驶工况信息，输出控制信号使激励器驱动前轮偏转。转向盘和转向轮之间没有机械连接，被激励器代替。对转向盘施加反馈力矩以向驾驶员提供路面信息。实时监控汽车行驶状态。结构紧凑、工作平稳，但转向系统没有机械反馈，只用软件模拟实际情况，驾驶员不能准确掌握真实的路面状况。作业：P302页1，2，3,10，11.6.说明汽车上常用的转向器传动副机构及特点。