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1、第1章 绪论1.1 车辆转向的研究及现状转向系统是整车系统中必不可少的最基本的组成系统，一百多年来，汽车工业随着机械和电子技术的发展而不断前进。到今天，汽车已经不是单纯机械意义上的汽车了，它是机械、电子、材料等学科的综合产物。汽车转向系统也随着汽车工业的发展历经了长时间的演变。汽车转向一直存在着“轻”与“灵”的矛盾。随着汽车装载质量和整备质量的增加，在转向过程中所需克服的前轮转向阻力矩也随之增加，从而要求加大作用在转向盘上的转向力，使驾驶员感到“转向沉重”。尽管，人们采用了变速比转向器等手段，但始终不能从根本上解决这一矛盾。在20世纪50年代初出现了液压动力转向技术，比较好地缓解了“轻”与“灵
2、”的矛盾，符合人们对转向轻便性更高的要求，在保证其他性能的条件下，能大大降低转向盘上的手力，特别是原地转向时转向盘上的手力。使驾驶员可以轻便灵活地操纵汽车转向，减轻了劳动强度，提高了行驶安全性。随着车速和汽车性能的不断提高，人们越来越重视汽车的安全性能问题。汽车必须具有良好的主动安全性。汽车的操纵稳定性是影响其主动安全性的主要性能之一，而汽车的结构参数直接影响着汽车的操纵稳定性1。近年来计算机技术、整车试验方法以及系统动力学的研究和发展，使得汽车操纵稳定性的仿真分析更为全面，更接近实际使用情况。有关车辆转向的动力学思想始于二十世纪初期，以人们对汽车转向时轮胎侧向力及产生侧向力的轮胎侧偏角的认识
3、为标志。通常认为是法国工程师乔治布劳海特在1925 年发现了轮胎侧偏现象。1935年，Evans 给出了有关轮胎力学特性较为深入的结果2，包括轮胎侧偏刚度随着侧偏角变化的规律。在随后的几年里，汽车操纵稳定性理论的一些重要的基本概念，如不足转向、过度转向、临界车速等已为汽车工程师所熟悉。在三十年代后期，比较有效的描述汽车稳态转向的数学模型在实际中得到应用。随后，人们的注意力开始转向汽车的动态特性。大约经过三十年的时间，在汽车瞬态响应的分析方面才取得了显著的成绩。在六十年代前的研究主要是操纵稳定性的开环研究，并取得了许多研究成果，详细讨论了汽车的不足转向与过多转向的特性；分析了保持汽车的行驶方向稳
4、定性条件是临界车速必须大于汽车最高车速等。其应用的基础是经典控制理论，依据汽车的稳态和瞬态分析，使用不足过度转向特性和转向输入的阶跃响应特性来对汽车的操纵性进行评价3。七十年代初期，EVS 研究计划开始实施，促使人们去研究实用的操纵性设计方法。鉴于当时的驾驶员模型仍处于提高闭环跟踪响应的仿真精度的水平，各国研究人员主要采用系统工程学的方法去探索操纵性的评价方法。依据大量的试验与理论分析，首先指出了稳态响应特性、瞬态响应特性、回正特性和侧向滑移特性的安全容许极限，对操纵性进行客观评价（Objective Evaluation）4。七十年代中后期以后，开始利用驾驶员对汽车直线行驶性能、转弯行驶性能
5、和转向轻便性等特性的感觉，进行主观评价（Subjective Evaluation）。主观评价方法虽然没有经过理论推导，但是由于考虑了驾驶员因素和道路环境的特点，在一定程度上体现了闭环设计的思想。八十年代以来，人们从理论和试验两个方面着手，重新开始深入的研究驾驶员汽车道路闭环系统。在理论方面，充分地考虑到人的学习性和适应性，建立了许多确定性驾驶员方向控制模型，有效地仿真了驾驶员汽车道路闭环系统对给定路径的跟随过程。在仿真评价方面，最开始从事这方面研究的是日本学者安部正人，他根据预瞄模型，提出了一个理论上预测操纵性的方法5。日本另一学者原田宏在这方面也作了大量的工作67，建立了以三个单项均方值指
6、标（轨道误差、转向盘角度、驾驶员操纵负担）为基础的综合性能指标，进而对汽车参数进行优化。国内，汽车专家郭孔辉教授在驾驶员模型、驾驶员汽车道路闭环系统特性及其闭环综合评价方面做了大量的研究工作813。他在考虑了影响汽车操纵性的诸多因素的基础上，提出了物理意义明确的各个单项总方差评价指标（轨道、侧向加速度、转向盘角速度、前后轮侧向力系数、路感），并且应用频域统计分析方法提出了闭环系统主动安全性的综合评价与设计方法，便于工程应用。随着国民经济连续多年的高速发展,尤其是国家对基础设施建设投入的逐年加大，使得大型汽车的生产在近年来呈现了爆发式的发展。而大型载货汽车由于具有运输效率高、运输成本低的特点，逐
7、渐成为公路运输的首选。汽车技术的进步和人民生活水平的进一步提高，使载货汽车用户对车辆的性能水平要求越来越高，而越来越大的竞争压力使厂家的产品开发周期不断缩短。如何使车辆开发各个环节的设计方案都得到充分的分析与筛选，使其性能得到有效控制，在保障的限定的周期内开发出性能优越的汽车产品，已成为特大重型车辆产品研发部门所关注的重要课题。由于汽车保有量的增加和社会生活汽车化而造成交通错综复杂，使转向盘的操作频率增大，这就要求减轻驾驶疲劳。在汽车向轻便灵活、容易驾驶的方向发展的同时，对转向系统的要求也提到日程上来。要求其成本低，性能方面能适应车速变化，实现变特性动力转向器，并且可以与不同类型的车辆相适应、
8、相匹配。特大重型车辆和其它车辆相比具有一些显著的特点，为保障重型车辆良好的转向性能，必须对这些特点及由此引发的问题进行专门的研究。首先，转向系统必须能够实现整车所要求的车轮转角，这为转向机构的设计及动力转向器匹配提出了基本要求。其次，转向机构和悬架系统必须有协调的运动学关系，这就对转向机构设计提出了附加的要求。这两项要求基本可以在系统设计层面进行分析解决，而和转向系统相关的行驶稳定性及行驶路感则必须在整车层面进行计算分析。综上所述，随着我国特大重型汽车的发展，新的问题及要求不断涌现，在车辆设计与开发领域尚存在很多的问题需要研究和解决，如何使基础研究与产品设计实践紧密结合，将研究成果最大限度地应
9、用于产品开发过程，不断提高重型汽车的性能水平是摆在汽车产品研究与开发人员面前的重要课题。1.2 汽车转向系的类型和组成14汽车行驶过程中，经常需要改变行驶方向，即所谓的转向，这就需要有一套能够按照司机意志使汽车转向的机构，它将司机转动方向盘的动作转变为车轮(通常是前轮)的偏转动作。这一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，即称为汽车转向系统（俗称汽车转向系）。因此，汽车转向系的功用是，保证汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶。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。完全靠驾驶员手力操纵的转向系统称为机械转向系统。借助动力来操纵的转向系统称为动力转向系统。动力转向系统又可分
10、为液压动力转向系统、气压动力转向系统和电动助力动力转向系统。1.2.1 机械转向系统机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。（1）转向操纵机构转向操纵机构由转向盘、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。近年来，由于公路的改善，汽车车速的提高，许多国家都制定了严格的安全法规。对于轿车除要求装有吸能式转向盘外，而且还要求转向柱管也必须备有缓和冲击的吸能装置。转向轴和转向柱管的吸能装置有多种形式。其基本结构原理是，当转向轴受到巨大冲击时，转向轴产生轴向位移，使支架或某些支承件产生塑性
11、变形，而吸收冲击能量。（2）转向器转向器(也常称为转向机)是完成由旋转运动到直线运动(或近似直线运动)的一组齿轮机构，同时也是转向系中的减速传动装置。目前较常用的有齿轮齿条式、循环球曲柄指销式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、蜗杆滚轮式等。图1-1 机械转向系统示意图1）齿轮齿条式转向器齿轮齿条式转向器由于具有结构简单、紧凑，质量轻，刚性大，转向灵敏，制造容易，成本低，正、逆效率都高，而且特别适于与烛式和麦弗逊式悬架配用，便于布置等优点，因此，目前它在轿车和微型、轻型货车上得到了广泛地应用。作为传动副主动件的转向齿轮安装在壳体中，与水平布置的转向齿条相啮合。弹簧通过压块将齿条压靠在齿轮上，
12、保证无间隙啮合。弹簧的预紧力可用调整螺栓调整。转向器布置，在转向齿条的中部用螺栓与转向拉杆的托架连接，转向左右横拉杆的外端与转向节臂相连。当转动转向盘时，转向齿轮转动，使与之啮合的齿条沿轴向移动，从而使左右横拉杆带动左右转向节转动，使转向轮偏转，以实现汽车转向。为了避免转向轮的摆振，在该结构中装有转向减振器。上述可见，采用齿轮齿条式转向器还可以使转向传动机构简化，不需要转向摇臂和转向直拉杆等。这也是目前在轿车和微、轻型载货汽车上应用日趋广泛的原因之一。2）循环球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
13、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。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
14、列钢球只是在各自的封闭流道内循环，不会脱出。3）蜗杆曲柄指销式转向器蜗杆曲柄指销式转向器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。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。（3）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，且使二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。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主要包括转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂和转向梯形。在前桥仅为转向桥的情况下，由转向横拉杆和左、右梯形臂组成的转向梯形一般布置在前
15、桥之后。当转向轮处于与汽车直线行驶相应的中立位置时，梯形臂与横拉杆在与道路平行的平面(水平面)内的交角90。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90。若转向摇臂不是在汽车纵向平面内前后摆动，而是在与道路平行的平面向左右摇动，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。转向摇臂是转向器传动副与直拉杆间的传动件；转向直拉杆是转向摇臂与转向节臂之间的传动杆件。在转向轮偏转而且因悬架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。因此，为了不发生运动干涉，三者之间的连接件
16、都是球形铰链。转向横拉杆是转向梯形机构的底边。转向横拉杆由横拉杆体和旋装在两端的接头组成。两端的接头结构相同，其中球头销的尾部与梯形臂相连。上、下球头座用聚甲醛制成，有很好的耐磨性。装配时两球头座的凹凸部互相嵌合。弹簧保证两球头座与球头紧密接触，并起缓冲作用，其预紧力由螺塞调整。2）与独立悬架配用的转向传动机构当转向轮独立悬挂时，每个转向轮分别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，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带动。3）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
