第二十三章 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

1、第二十三章 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)第一節(jié)概述汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來改變汽車行駛方向的專設(shè)機構(gòu)的總稱。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功用是保證汽車能按駕駛員的意愿進(jìn)行直線或轉(zhuǎn)向行駛。一、汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型和組成1機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源，所有傳遞力的構(gòu)件都是機械的，主要由轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)三大部分組成。當(dāng)前輪為獨立懸架時，機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成及布置與紅旗CA7220型轎車相似。當(dāng)前輪為非獨立懸架時，機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成及布置如下圖所示。由于轉(zhuǎn)向盤距離轉(zhuǎn)向器較遠(yuǎn)，二者之間用萬向節(jié)和傳動軸構(gòu)成的萬向傳動裝置相連。2動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是兼用駕駛員體力和發(fā)動機（或電動機）的動力作為轉(zhuǎn)向能源

2、的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加設(shè)一套轉(zhuǎn)向加力裝置而形成的。二、兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角之間的理想關(guān)系式汽車轉(zhuǎn)向行駛時，為了避免車輪相對地面滑動而產(chǎn)生附加阻力，減輕輪胎磨損，要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能保證所有車輪均作純滾動，即所有車輪軸線的延長線都要相交于一點。cot=cot+B/L其中、分別是內(nèi)外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角，B是兩側(cè)主銷軸線與地面相交點之間的距離；L是汽車軸距。點擊查看動畫如果是多軸汽車轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角間的關(guān)系與雙軸汽車基本相同。三、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動比1轉(zhuǎn)向器角傳動比轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角增量與相應(yīng)的轉(zhuǎn)向搖臂轉(zhuǎn)角增量之比i1稱為轉(zhuǎn)向器角傳動比。2轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)角傳動比轉(zhuǎn)向搖臂轉(zhuǎn)角增量與轉(zhuǎn)向盤一側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)的相

3、應(yīng)轉(zhuǎn)角增量之比i2稱為轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)角傳動比。3轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動比轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角增量與同側(cè)轉(zhuǎn)向節(jié)相應(yīng)轉(zhuǎn)角增量之比i為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)角傳動比。i=i1i24轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力傳動比兩個轉(zhuǎn)向輪受到的轉(zhuǎn)向阻力與駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力之比ip稱為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力傳動比，它與角傳動比i成正比。四、轉(zhuǎn)向盤的自由行程轉(zhuǎn)向盤在空轉(zhuǎn)階段的角行程稱為轉(zhuǎn)向盤的自由行程。轉(zhuǎn)向盤的自由行程有利于緩和路面沖擊，避免駕駛員過度緊張，但不宜過大，否則將使轉(zhuǎn)向靈敏性能下降。第二節(jié)轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)一、轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)的組成轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向器之間的所有零部件總稱為轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)。二、轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)的部件及安全裝置1轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向盤由輪緣、輪輻和輪轂組成。轉(zhuǎn)向盤輪轂的細(xì)牙

4、內(nèi)花鍵與轉(zhuǎn)向軸連接，轉(zhuǎn)向盤上都裝有喇叭按鈕，有些轎車的轉(zhuǎn)向盤上還裝有車速控制開關(guān)和安全氣囊。2轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向柱管及其吸能裝置轉(zhuǎn)向軸是連接轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器的傳動件，轉(zhuǎn)向柱管固定在車身上，轉(zhuǎn)向軸從轉(zhuǎn)向柱管中穿過，支承在柱管內(nèi)的軸承和襯套上。轎車除要求裝有吸能式轉(zhuǎn)向盤外，還要求轉(zhuǎn)向柱管必須裝備能夠緩和沖擊的吸能裝置。轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向柱管吸能裝置的基本工作原理是：當(dāng)轉(zhuǎn)向軸受到巨大沖擊而產(chǎn)生軸向位移時，通過轉(zhuǎn)向柱管或支架產(chǎn)生塑性變形、轉(zhuǎn)向軸產(chǎn)生錯位等方式，吸收沖擊能量。1）轉(zhuǎn)向軸錯位緩沖2）轉(zhuǎn)向軸錯位和支架變形緩沖Mazda 6轎車轉(zhuǎn)向柱管吸能裝置的工作原理是：發(fā)生碰撞時，轉(zhuǎn)向器向后移動，下轉(zhuǎn)向傳動軸插入上轉(zhuǎn)向

5、傳動軸的孔中，上轉(zhuǎn)向傳動軸被壓扁，吸收了沖擊能量。此外，轉(zhuǎn)向柱管通過支架和U形金屬板固定在儀表板上。當(dāng)駕駛員身體撞擊轉(zhuǎn)向盤后，轉(zhuǎn)向管柱和支架將從儀表板上脫離下來向前移動。這時，一端固定在儀表板上而另一端固定在支架上的U形金屬板就會產(chǎn)生扭曲變形并吸收沖擊能量。3）轉(zhuǎn)向柱管變形吸收沖擊能量并緩沖如果汽車上裝用了網(wǎng)格狀或波紋管式轉(zhuǎn)向柱管吸能裝置，當(dāng)發(fā)生猛烈撞車導(dǎo)致人體沖撞轉(zhuǎn)向盤時，網(wǎng)格部分或波紋管部分將被壓縮產(chǎn)生塑性變形，吸收沖擊能量。第三節(jié)轉(zhuǎn)向器一、轉(zhuǎn)向器的傳動效率轉(zhuǎn)向器的輸出功率與輸入功率之比稱為轉(zhuǎn)向器傳動效率。1正效率功率由轉(zhuǎn)向軸輸入，由轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)（如轉(zhuǎn)向橫拉桿或搖臂）輸出的情況下求得的傳動

6、效率稱為正效率，顯然，正效率越高越好。2逆效率功率由轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)輸入，由轉(zhuǎn)向軸輸出的情況下求得的傳動效率稱為逆效率。3可逆式轉(zhuǎn)向器逆效率很高的轉(zhuǎn)向器稱為可逆式轉(zhuǎn)向器。其特點是路面?zhèn)鞯睫D(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的反力很容易傳到轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向盤上，利于汽車轉(zhuǎn)向結(jié)束后轉(zhuǎn)向輪和轉(zhuǎn)向盤的自動回正，但也能將壞路面對車輪的沖擊力傳到轉(zhuǎn)向盤，發(fā)生“打手”情況。常用于轎車、客車和貨車。4不可逆式轉(zhuǎn)向器逆效率很低的轉(zhuǎn)向器稱為不可逆式轉(zhuǎn)向器。不可逆式轉(zhuǎn)向器使轉(zhuǎn)向輪不能自動回正、沒有路感。由于上述特性，在汽車上很少采用。5極限可逆式轉(zhuǎn)向器逆效率略高于不可逆式轉(zhuǎn)向器稱為極限可逆式轉(zhuǎn)向器。其反向傳力性能介于可逆式和不可逆式之間，接近于不

7、可逆式。采用這種轉(zhuǎn)向器時，駕駛員有一定路感，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪自動回正，只有路面沖擊力很大時，才能部分地傳到轉(zhuǎn)向盤。常用于越野車和礦用自卸汽車。二、齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器是以齒輪和齒條傳動作為傳動機構(gòu)，適合與麥弗遜式獨立懸架配用，常用于轎車、微型貨車和輕型貨車。齒輪齒條傳動的基本工作原理如動畫所示。 目前，轎車普遍采用的都是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，其基本組成如下圖所示。 捷達(dá)轎車轉(zhuǎn)向器的安裝及布置如下圖所示，其轉(zhuǎn)向器通過兩個U形支架和橡膠管支承并固定在副車架上，兩個轉(zhuǎn)向橫拉桿分別通過球頭銷與轉(zhuǎn)向齒條的兩端相連。 有些轎車轉(zhuǎn)向齒條的動力不是兩端輸出，而是中間輸出，如下圖所示。 三、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器

8、循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器中一般有兩級傳動副，第一級是螺桿螺母傳動副，第二級是齒條齒扇傳動副。常用于各種輕型和中型貨車，也用于部分輕型越野汽車。轉(zhuǎn)向螺桿轉(zhuǎn)動時，通過鋼球?qū)⒘鹘o轉(zhuǎn)向螺母，使螺母沿軸向移動。同時，在螺桿、螺母和鋼球間的摩擦力矩作用下，所有鋼球便在螺旋管狀通道內(nèi)滾動，形成“球流”。 四、蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器具有梯形截面螺紋的轉(zhuǎn)向蝸桿支承在轉(zhuǎn)向器殼體兩端的球軸承上，蝸桿與錐形指銷相嚙合，指銷用雙列圓錐滾子軸承支于搖臂軸內(nèi)端的曲柄孔中。當(dāng)轉(zhuǎn)向蝸桿隨轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時，指銷沿蝸桿螺旋槽上下移動，并帶動曲柄及搖臂軸轉(zhuǎn)動。目前汽車使用的蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器多數(shù)是雙指銷式，即有兩個指銷，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。第四節(jié)

9、轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)從轉(zhuǎn)向器到轉(zhuǎn)向輪之間的所有傳動桿件總稱為轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)。轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的功用是將轉(zhuǎn)向器輸出的力和運動傳到轉(zhuǎn)向橋兩側(cè)的轉(zhuǎn)向節(jié)，使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，并使兩轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角按一定關(guān)系變化，以保證汽車轉(zhuǎn)向時車輪與地面的相對滑動盡可能小。一、與非獨立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)1轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的組成轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)由轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向直拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂和轉(zhuǎn)向梯形等零部件共同組成，其中轉(zhuǎn)向梯形由梯形臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿和前梁共同構(gòu)成。2轉(zhuǎn)向搖臂循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器和蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器通過轉(zhuǎn)向搖臂與轉(zhuǎn)向直拉桿相連。轉(zhuǎn)向搖臂的大端用錐形三角細(xì)花鍵與轉(zhuǎn)向器中搖臂軸的外端連接，小端通過球頭銷與轉(zhuǎn)向直拉桿作空間鉸鏈連接。3轉(zhuǎn)向直拉桿轉(zhuǎn)向直拉桿是

10、轉(zhuǎn)向搖臂與轉(zhuǎn)向節(jié)臂之間的傳動桿件，具有傳力和緩沖作用。在轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)且因懸架彈性變形而相對于車架跳動時，轉(zhuǎn)向直拉桿與轉(zhuǎn)向搖臂及轉(zhuǎn)向節(jié)臂的相對運動都是空間運動，為了不發(fā)生運動干涉，三者之間的連接件都是球形鉸鏈。4轉(zhuǎn)向橫拉桿轉(zhuǎn)向橫拉桿是轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)的底邊，由橫拉桿體和旋裝在兩端的橫拉桿接頭組成。其特點是長度可調(diào)，通過調(diào)整橫拉桿的長度，可以調(diào)整前輪前束。二、與獨立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)當(dāng)轉(zhuǎn)向輪采用獨立懸架時，為了滿足轉(zhuǎn)向輪獨立運動的需要，轉(zhuǎn)向橋是斷開式的，轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)中的轉(zhuǎn)向梯形也必須斷開。與獨立懸架配用的多數(shù)是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向器布置在車身上，轉(zhuǎn)向橫拉桿通過球頭銷與齒條及轉(zhuǎn)向節(jié)臂相連。當(dāng)采用循環(huán)

11、球式轉(zhuǎn)向器時，轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的桿件較多，如下圖所示。 第五節(jié)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是將發(fā)動機輸出的部分機械能轉(zhuǎn)化為壓力能（或電能），并在駕駛員控制下，對轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)或轉(zhuǎn)向器中某一傳動件施加輔助作用力，使轉(zhuǎn)向輪偏擺，以實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的一系列裝置。采用動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以減輕駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱力。動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由機械轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向加力裝置組成。根據(jù)助力能源形式的不同可以分為液壓助力、氣壓助力和電動機助力三種類型。其中液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)用較為普遍，以下重點介紹其類型及典型零部件。1液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1）常壓式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)其特點是無論轉(zhuǎn)向盤處于中立位置還是轉(zhuǎn)向位置，也無論轉(zhuǎn)向盤保持靜止還

12、是運動狀態(tài)，系統(tǒng)工作管路中總是保持高壓。2）常流式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)其特點是轉(zhuǎn)向油泵始終處于工作狀態(tài)，但液壓助力系統(tǒng)不工作時，基本處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。多數(shù)汽車都采用常流式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。2液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向控制閥1）滑閥式轉(zhuǎn)向控制閥閥體沿軸向移動來控制油液流量的轉(zhuǎn)向控制閥，稱為滑閥式轉(zhuǎn)向控制閥，簡稱滑閥。2）轉(zhuǎn)閥式轉(zhuǎn)向控制閥閥體繞其軸線轉(zhuǎn)動來控制油液流量的轉(zhuǎn)向控制閥，稱為轉(zhuǎn)閥式轉(zhuǎn)向控制閥，簡稱轉(zhuǎn)閥。3常流式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置方案機械轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向動力缸設(shè)計成一體，并與轉(zhuǎn)向控制閥組裝在一起，這種三合一的部件稱為整體式動力轉(zhuǎn)向器。另一種方案是只將轉(zhuǎn)向控制閥同機械轉(zhuǎn)向器組合成一個部件，該部件稱為

13、半整體式動力轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向動力缸則做成獨立部件。第三種方案是將機械轉(zhuǎn)向器作為獨立部件，而將轉(zhuǎn)向控制閥和轉(zhuǎn)向動力缸組合成一個部件，稱為轉(zhuǎn)向加力器。點擊放大二、整體式動力轉(zhuǎn)向器桑塔納2000轎車采用的是整體式動力轉(zhuǎn)向器，由轉(zhuǎn)閥、齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向動力缸組成的整體式動力轉(zhuǎn)向器如下圖所示，轉(zhuǎn)向動力缸的助力直接作用在齒條上，齒條的動力由一端輸出。點擊放大點擊放大三、轉(zhuǎn)向油罐與轉(zhuǎn)向油泵轉(zhuǎn)向油罐和油泵是實現(xiàn)動力轉(zhuǎn)向的必備部件，桑塔納2000轎車的布置如下圖所示。1轉(zhuǎn)向油罐轉(zhuǎn)向油罐的作用是儲存、濾清并冷卻液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作油液。2轉(zhuǎn)向油泵轉(zhuǎn)向油泵是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的供能裝置，其作用是將輸入的機械能轉(zhuǎn)換為

14、液壓能輸出。轉(zhuǎn)向油泵的結(jié)構(gòu)形式有齒輪式、葉片式、轉(zhuǎn)子式、柱塞式等，其中外嚙合齒輪式轉(zhuǎn)向油泵應(yīng)用最多。點擊放大四、電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝電控系統(tǒng)，使輔助轉(zhuǎn)向力的大小不僅與轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角增量（或角速度）有關(guān)，還與車速有關(guān)，就形成了電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。與傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，增加了液壓反應(yīng)裝置和液流分配閥，而加設(shè)的電控系統(tǒng)則包括動力轉(zhuǎn)向ECU、電磁閥和車速傳感器等。電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)利用電控單元根據(jù)車速調(diào)節(jié)作用在轉(zhuǎn)向盤上的阻力，通過控制轉(zhuǎn)向控制閥的開啟程度以改變液壓助力系統(tǒng)輔助力的大小，從而實現(xiàn)輔助轉(zhuǎn)向力隨車速而變化的助力特性。第六節(jié)電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電動助力轉(zhuǎn)向

15、（簡稱EPS）系統(tǒng)利用直流電動機提供轉(zhuǎn)向動力，輔助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)其助力機構(gòu)的不同可以分為電動液壓式（簡稱EPHS）和電動機直接助力式兩種。一、電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓泵（齒輪泵）通過電動機驅(qū)動，與發(fā)動機在機械上毫無關(guān)系，助力效果只與轉(zhuǎn)向盤角速度和行駛速度有關(guān)，是典型的可變助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其特點是由ECU提供供油特性，汽車低速行駛時助力作用大，駕駛員操縱輕便靈活；在高速行駛時轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力作用減弱，駕駛員的操縱力增大，具有明顯的“路感”，既保證轉(zhuǎn)向操縱的舒適性和靈活性，又提高了高速行駛中轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性和安全感。二、直接助力式電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接助力式電動轉(zhuǎn)

16、向系統(tǒng)是一種直接依靠電動機提供輔助轉(zhuǎn)矩的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可以根據(jù)不同的使用工況控制電動機提供不同的輔助動力。1 直接助力式電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理當(dāng)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)矩傳感器開始工作，把兩段轉(zhuǎn)向軸在扭桿作用下產(chǎn)生的相對轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變成電信號傳給電子控制單元（ECU），ECU根據(jù)車速傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器的信號決定電動機的旋轉(zhuǎn)方向和助力電流的大小，并將指令傳遞給電動機，通過離合器和減速機構(gòu)將輔助動力施加到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（轉(zhuǎn)向軸）中，從而完成實時控制的助力轉(zhuǎn)向。本田雅閣轎車的前輪載荷較大，所需要的轉(zhuǎn)向輔助力也大，因此輔助力直接作用在齒條上。 2直接助力式電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)電動機布置位置的不同，直接助力式電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以分為轉(zhuǎn)向軸助力式、齒輪助力式、齒條助力式三種類型。3直接助力式電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點1）優(yōu)點（1）效率高、能量消耗少；（2）系統(tǒng)內(nèi)部采用剛性連接，反應(yīng)靈敏，滯后小，駕駛員的“路感”好；（3）結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量?。唬?）系統(tǒng)便于集成，整體尺寸減小；省去了油泵和輔助管路，總布置更加方便；（5）無液壓元件，對環(huán)境污染少。2）缺點（1）直接助力式電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供的輔助動力較小，難以用于大型車輛；（2）減速機構(gòu)、電動機等部件會影響汽車的操縱穩(wěn)定性，正確匹配整車性能至關(guān)重要；（3）使用電動機、減速機構(gòu)和轉(zhuǎn)矩傳感器等部件，增加了系