轮式与履带式转向系原理与结构

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1、转向系与制动系 第二十三章汽车转向系 第一节概述 第二节转向器及转向操纵机构 第三节转向传动机构 第四节转向加力装置 第五节转向油罐与转向液压泵 第六节电动助力转向 EPAS 第一节概述汽车在行驶过程中 需按照驾驶员的意志经常改变其行驶方向 即转向 实现转向的方法是 驾驶员通过一套专设机构 使汽车转向桥 一般是前桥 上的车轮 转向轮 相对于汽车纵轴线偏转一定角度 该改变或恢复汽车行驶方向的专设机构 即汽车转向系 汽车转向系的类型和组成 汽车转向系可按转向能源的不同分为机械转向系和动力转向系两大类 1 机械转向系的组成及名词术语 转向盘 转向轴 转向节 转向传动轴 转向器 转向摇臂 转向直拉杆

2、转向节 转向节 转向节下臂 转向横拉杆 机械转向系组成 转向操纵机构 转向盘 转向轴 转向节 转向传动轴 转向器 转向传动机构 转向摇臂 转向直拉杆 转向节臂 转向节 梯形臂 转向横拉杆 转向节 转向节臂 转向器 左横拉杆 右横拉杆 转向减振器 需要转向时 驾驶员对转向盘施加一个转向力矩 该力矩通过转向轴输入转向器 从转向盘到转向传动轴这一系列部件和零件即属于转向操纵机构 作为减速传动装置的转向器中有1 2级减速传动副 经转向器放大后的力和减速后的运动传到转向横拉杆 再传给固定于转向节上的转向节臂 使转向节和它所支承的转向轮偏转 从而改变了汽车的行驶方向 这里 转向横拉杆和转向节臂属于转向传动

3、机构 机械转向系的组成及动画演示 动画结束 2 动力转向系统 兼用驾驶员体力和发动机 或电机 的动力为转向能源的转向系统 它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 液压式动力转向系统中属于转向加力装置的部件是 转向油泵 转向油管 转向油罐以及位于整体式转向器内部的转向控制阀及转向动力缸等 转向油管 转向油泵 转向油罐 转向节臂 转向横拉杆 整体式转向器 转向减振器 当驾驶员转动转向盘时 转向摇臂摆动 通过转向直拉杆 横拉杆 转向节臂 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

4、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 对转向系统的要求 1 要求工作可靠 操纵轻便 2 转向机构还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 二 两侧转向轮偏转角之间的理想关系式 三 转向系统角传动比与传动效率 转向器的传动比及传动效率线位移输出的转向器 如齿轮齿条式 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 角位移输出的转向器 蜗杆蜗轮式等 的传动比 用转向盘转角增量与转向摇臂轴转角增量之比来表示 转向器的传动比越大 转动转向盘所

5、需要的操纵力就越小 但转向操纵的灵敏度就会下降 有的汽车转向器在转向过程的不同阶段 其传动比的大小是不相等的 可变传动比转向器 转向器除要保证汽车转向轻便灵活 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 通常称转向操纵力由转向盘传到转向摇臂 或齿条轴 的过程为正向传动 相应的传动效率称为正传动效率 称由路面的冲击力反向通过转向摇臂 或齿条轴 和转向器传到转向盘的过程称为逆向传动 相应的传动效率称为逆传动效率 根据转向器正向和逆向传力的特性不同 转向器可分为可逆式转向器 不

6、可逆式转向器和极限可逆式转向器三种类型 可逆式转向器正传动效率高 逆传动效率也高 路面良好汽车不可逆转向器正传动效率高 逆传动效率为零 现代汽车一般不采用极限可逆式转向器逆传动效率略高于不可逆式转向器 其反向传力性能接近不可逆式 中型以上越野车和矿用自卸车 所有的转向器都要求正传动效率要高 这样转向力通过转向器时损失少 转向操纵便灵活 好的转向器应有适当的逆传动效率 使驾驶员通过操纵转向盘既能对道路情况有明显的 路感 但又不能使路面不平对转向盘产生过大的冲击 第二节转向器及转向操纵机构 一 机械式转向器转向器的功能是将转向盘的转动变为齿条轴的直线运动或转向摇臂的摆动 降低运动速度 增大转向力矩

7、并改变转向力矩的传动方向 转向器输出端的运动形式有两种 一种是线位移 如齿轮齿条式转向器 另一种是角位移 如循环球式 曲柄指销式转向器 转向器是转向系统中的减速传动装置 其结构型式很多 但目前已臻成熟并广泛采用的有齿轮齿条式 循环球式和蜗杆曲柄指销式等几种 齿条齿轮式转向器 当转动转向盘时 转向器齿轮转动 使与之啮合的齿条沿轴向移动 从而使左右横拉杆带动转向节转动 使转向车轮偏转 从而实现汽车转向 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轻型及微型轿车和货车上 例如 奥迪 桑塔纳 夏利等轿车

8、 天津TJ1010型微型货车以及南京依维柯轻型货车等都采用了齿轮齿条式转向器 循环球式转向器 是目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 为了减少转向螺杆转向螺母之间的摩擦 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 循环球式转向器工作过程 特点 正传动效率很高 操纵轻便 使用寿命长 但逆效率也高 容易将路面冲击力传到转向盘上 转向螺杆和螺母上都加工出断面轮廓为两段或三段不同心圆弧组成的近似半圆的螺旋槽 二者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面的螺旋管状通道 螺母侧面有两对通孔 可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内 转向螺母外有两根

9、钢球导管 每根导管的两端分别插入螺母侧面的一对通孔中 导管内也装满了钢球 这样 两根导管和螺母内的螺旋管状通道组合成两条各自独立的封闭的钢球 流道 转向螺杆转动时 通过钢球将力传给转向螺母 螺母即沿轴向移动 同时 在螺杆及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 在转向器工作时 两列钢球只是在各自的封闭流道内循环 不会脱出 蜗杆曲柄指销式转向器 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 二 转向操纵机构 轮圈 轮辐 轮毂 2 转向盘 方向盘 舵轮 为了司机有很好的视野 方向盘

10、上部的空一般较大 3 转向轴和转向管柱的吸能装置 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 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 波纹管变形吸能式转向操纵机构的转向轴和转向管柱都分成两段 上转向轴和下转向轴之间通过细花键结合并

11、传递转向力矩 同时它们二者之间可以作轴向伸缩滑动 在下转向波轴的外边装有波纹管 它在受到压缩时能轴向收缩变形并消耗冲击能量 如图 它的下转向管柱的上端套在上转向管柱里面 但二者不直接连接 而是通过管柱压圈和限位块分别对它们进行定位 当汽车撞车时 下转向管柱向上移动 在第一次冲击力的作用下限位块首先被剪断并消耗能量 与此同时转向管柱和转向轴都作轴向收缩 当受到第二次冲击时 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 使两侧转向轮偏转 且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

12、可能小 1 汽车转向时内外轮转角关系汽车转向时 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 为了满足上述要求 左 右前轮的偏转角应满足如下关系 ctga ctgb B L 2 与非独立悬架配用的转向传动机构及其示意图 转向器 转向器 转向器 转向摇臂 转向摇臂 转向摇臂 转向直拉杆 转向直拉杆 转向直拉杆 转向节臂 转向节臂 转向节臂 梯形臂 转向横拉杆 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 如图a所示 在发动机位置较低或转向桥兼充驱动桥的情

13、况下 为避免运动干涉 往往将转向梯形布置在前桥之前 此时梯形臂与横拉杆在与道路平行的平面 水平面 内的交角 90 若转向摇臂不是在汽车纵向平面内前后摆动 而是在汽车的横向左右摆动 则可将转向直拉杆横置 并借球头销直接带动转向横拉杆 从而推使两侧梯形臂转动 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直拉杆或横拉杆 进而推动转向轮偏转 摇臂轴 带锥度的三角形齿形花键 转向摇臂 球头销 2 转向直拉杆 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 也有压力 因此直拉杆都是采用优质特种钢材制造的 以保证工作可靠 直拉杆的典型结构如图所示 在转向轮偏转或因悬架

14、弹性变形而相对于车架跳动时 转向直拉杆与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 上述三者间的连接都采用球销 螺母 球头销 球头销 接摇臂 螺塞 球头座 弹簧及座 直拉杆杆体 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 因此多用高强度冷拉钢管制造 4 转向减振器随着车速的提高 现代汽车的转向轮有时会产生摆振 转向轮绕主销轴线往复摆动 甚至引起整车车身的振动 这不仅影响汽车的稳定性 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

15、接 另一端与转向直拉杆 或转向器 铰接 AUDI转向减振器结构图 连接环衬套 橡胶储液缸 油缸 活塞及活塞杆总成 压缩阀总成 导向座 油封 轴套及连接环总成 3 与独立悬架配用的转向传动机构当转向轮为独立悬架时 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 图为几种与独立悬架配用的转向传动机构示意图 俯视 齿轮齿条式转向器 齿轮齿条式转向器 左横拉杆 左横拉杆 左横拉杆 右横拉杆 右横拉杆 右横拉杆 左梯形臂 左梯形臂 右梯形臂 第四节转向加力装置采用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

16、能 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 以助驾驶员施力不足的一系列零部件 总称为转向加力装置 动力转向器 1 类型及工作原理 1 类型按传能介质的不同 转向加力装置有气压式和液压式两种 装载质量特大的货车不宜采用气压动力转向器 因为气压系统的工作压力较低 一般不高于0 7MPa 用于重型汽车上时 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10MPa以上 故其部件尺寸很小 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 液压转向加力装置已在各类各级汽车上获得广泛应用 根据机械式转向器 转向动力缸和转向控制阀三者在转向装置中的布置和联接关系的不同 液压转向加力装置分为整体式 机械式转向器 转向动力缸和转向控制阀三者设计为一体 组合式 把机械式转向器和转向控制阀设计在一起 转向动力缸独立 和分离式 机械式转向器独立 把转向控制阀和转向动力缸设计为一体 三种结构型式 这里仅介绍液压整