汽车设计转向

1、 7 转向系的类型转向系的类型 汽车转向系根据其转向能源的不同，可以分为机械转向系汽车转向系根据其转向能源的不同，可以分为机械转向系 和动力转向系两大类型。和动力转向系两大类型。 （1）机械转向系）机械转向系 以驾驶员的体力作为转向能源，又称为以驾驶员的体力作为转向能源，又称为人力转向系人力转向系。 10 比较内比较内 容容 循环球循环球蜗杆滚轮蜗杆滚轮蜗杆指销式蜗杆指销式 齿轮齿齿轮齿 条式条式 死销死销活销活销 +高高低低低低较高较高高高 -高高低低较高较高较高较高高高 I I 可变可变基本不变基本不变可变可变可变可变可变可变 磨损磨损慢慢慢慢快快较快较快较慢较慢 调整调整易易难难易易易易

2、易易 可靠性可靠性可靠可靠可靠可靠较差较差较可靠较可靠可靠可靠 11 比较内容比较内容 循环球循环球 蜗杆滚蜗杆滚 轮轮 蜗杆指销式蜗杆指销式 齿轮齿齿轮齿 条式条式 死销死销活销活销 12 齿轮齿条式转向器的主要齿轮齿条式转向器的主要优点优点： 结构简单、紧凑、体积小、质量轻；结构简单、紧凑、体积小、质量轻； 传动效率高达传动效率高达90%90%； 可自动消除齿间间隙可自动消除齿间间隙( (图图7-17-1所示所示) )； 没有转向摇臂和直拉杆，转向轮转角没有转向摇臂和直拉杆，转向轮转角 可以增大；可以增大； 制造成本低。制造成本低。 齿轮齿条式转向器的主要齿轮齿条式转向器的主要缺点缺点：

3、逆效率高（逆效率高（60%70%60%70%）。 因此，汽车在不平路面上行驶时，发生因此，汽车在不平路面上行驶时，发生 在转向轮与路面之间的冲击力，大部分能在转向轮与路面之间的冲击力，大部分能 传至转向盘。传至转向盘。 中间输入， 两端输出 侧面输入， 两端输出 侧面输入， 中间输出 侧面输入， 一端输出 侧面输入，侧面输入， 中间输出中间输出 F 从上面看 受力图 从前面看 圆形断面齿条制圆形断面齿条制 作工艺比较简单。作工艺比较简单。 V V形和形和Y Y形断面齿形断面齿 条与圆形断面比较，条与圆形断面比较， 消耗的材料少，故质消耗的材料少，故质 量小。量小。 可防止齿条旋可防止齿条旋 转

4、。转。 根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同，根据齿轮齿条式转向器和转向梯形相对前轴位置的不同， 在汽车上有四种布置形式：转向器位于前轴后方，后置梯形；在汽车上有四种布置形式：转向器位于前轴后方，后置梯形； 转向器位于前轴后方，前置梯形；转向器位于前轴前方，后转向器位于前轴后方，前置梯形；转向器位于前轴前方，后 置梯形；转向器位于前轴前方，前置梯形。置梯形；转向器位于前轴前方，前置梯形。 图7-3 齿轮齿条式转向器的四种布置形式 3 技术要求 31 不装人体模块的整备车辆以不装人体模块的整备车辆以48.353.1kmh 之间的车速正面撞击障碍壁时，转向柱管和转向轴的上之间的车速正面

5、撞击障碍壁时，转向柱管和转向轴的上 端允许沿着平行于汽车纵向中心线的水平方向向后窜动，端允许沿着平行于汽车纵向中心线的水平方向向后窜动， 但其窜动量不得大于但其窜动量不得大于127mm（在动态下测量）。（在动态下测量）。 32 人体模块以人体模块以24.10+1.2 kmh的速度水平撞击转的速度水平撞击转 向盘时，作用在转向盘上的水平力不得大于向盘时，作用在转向盘上的水平力不得大于11123N。 二、防伤安全机构方案分析计算二、防伤安全机构方案分析计算 I. 减少转向盘、转向轴的后移减少转向盘、转向轴的后移 II.采用吸能的转向盘、转向轴、转向柱管采用吸能的转向盘、转向轴、转向柱管 有关资料分

6、析表明：汽车正面碰撞时，有关资料分析表明：汽车正面碰撞时， 转向盘、转向管柱是使驾驶员受伤的主要元件。转向盘、转向管柱是使驾驶员受伤的主要元件。 a、万向节连接转向轴、万向节连接转向轴 不断开，不吸能。不断开，不吸能。 结构简单，利于布置，结构简单，利于布置， b、两段式防伤转向轴、两段式防伤转向轴 断开，吸能少。结构简单，断开，吸能少。结构简单， 但是效果可能不理想但是效果可能不理想 c、联轴套管联轴套管 塑料销钉铆接，轴向滑动管柱，不断塑料销钉铆接，轴向滑动管柱，不断 开，吸能。其中开，吸能。其中2为注塑销钉。断开时长为注塑销钉。断开时长 度缩短，塑料增大摩擦并吸能。撞后不断度缩短，塑料增

7、大摩擦并吸能。撞后不断 开。开。 d、弹性联轴器弹性联轴器 断开，吸能。结构简单，制造容易，但断开，吸能。结构简单，制造容易，但 是弹性垫片会降低转向系统的扭转刚度。是弹性垫片会降低转向系统的扭转刚度。 弹性垫片 e、网格状转向吸能管柱、网格状转向吸能管柱 依靠管柱与套管的挤压来吸收冲击能依靠管柱与套管的挤压来吸收冲击能 量。设计时选择合适套管间的过盈量，满量。设计时选择合适套管间的过盈量，满 足所要求的压紧力。足所要求的压紧力。 转向管柱 套管 7-3转向系主要性能参数转向系主要性能参数 29 影响转向器正效率的因素有转向器的类型、结构 特点、结构参数和制造质量等。 30 )( 0 0 1

8、21 tg tg P PP 31 0 0 3 23 )( tg tg P PP 32 33 / / w wo k kk i ddtd ddtd 2 w p h F i F 转向盘转动角速度转向盘转动角速度 同侧转向节同侧转向节 偏转角速度偏转角速度 不严格的讲，就是转向盘转角与转向轮不严格的讲，就是转向盘转角与转向轮 转角之比转角之比 转向盘手力转向盘手力 两个转向轮阻力和两个转向轮阻力和 iii 0 i i 0 i ppp w d d dtd dtd i / / k p k p k p d d dtd dtd i / / a M F r W （7-3） sw h h D M F 2 （7-4

9、） hW p FFi/2 aM DM i h swr p （7-5） 如果忽略磨擦损失，根据能量守恒原理，如果忽略磨擦损失，根据能量守恒原理，2 2M Mr r/ /M Mh h 可用下式表示可用下式表示 将式将式（7-67-6）代入式代入式（7-57-5）后得到后得到 当当a a和和D Dsw sw不变时，力传动比 不变时，力传动比 越大，虽然转向越大，虽然转向 越轻，但越轻，但 也越大，表明转向不灵敏。也越大，表明转向不灵敏。 0 2 i d d M M kh r （7-6） a Di i sw p 2 0 （7-7） p i 0 i 3.转向系的角传动比转向系的角传动比 转向传动机构角传

10、动比可用转向传动机构角传动比可用 表示以外，还可表示以外，还可 以近拟地用转向节臂臂长以近拟地用转向节臂臂长L L2 2与摇臂臂长与摇臂臂长L L1 1之比来表示，之比来表示， n在汽车结构中，在汽车结构中，L L2 2与与L L1 1的比值大约在的比值大约在0.851.10.851.1之间，可近似认为其之间，可近似认为其 比值为比值为1 1则则 kp ddi / 120 /LLddi kp ddii/ 0 0 i a Di i sw p 2 0 kkk w d d dtd dtd i / / 0 原理：原理： 互啮合齿轮的基圆齿互啮合齿轮的基圆齿 距必须相等，距必须相等， 即即 Pbl=Pb

11、2 齿轮基圆齿距 Pbl=mlcos1 齿条基圆齿距 Pb2=m2cos2 mlcos1m2cos2 让齿轮具有标准模数让齿轮具有标准模数m1和标准压力角和标准压力角a1，通过改变不同位，通过改变不同位 置处齿条压力角置处齿条压力角2和模数和模数m2变来获得传动比。变来获得传动比。 节圆 对对转向轴荷较小转向轴荷较小， 或者安装动力转向或者安装动力转向 的车辆的车辆 中间位置传动比大为了高速操纵的稳定性，因为过小中间位置传动比大为了高速操纵的稳定性，因为过小 会使车辆反应过于灵敏，很难操纵；传动比大导致路会使车辆反应过于灵敏，很难操纵；传动比大导致路 感差；两端小则为满足低速操纵灵敏性。感差；

12、两端小则为满足低速操纵灵敏性。 要求：间隙中间小，要求：间隙中间小， 两边大。两边大。 新新 的的 磨损后磨损后 的的 调整过调整过 的的 46 P Gf M R 3 1 3 iDL ML F sw R h 2 1 2 48 第五节第五节动力转向机构动力转向机构 动力转向系统则是在驾驶员的控制下，借动力转向系统则是在驾驶员的控制下，借 助于汽车发动机产生的液体压力或电动机驱动助于汽车发动机产生的液体压力或电动机驱动 力来实现车轮转向。力来实现车轮转向。 动力转向 动力转向的基本要求动力转向的基本要求 GB 17675-1999 汽车转向系汽车转向系 基本要求：基本要求： 不得装用全动力转向机构

13、。不得装用全动力转向机构。 转向系统中的液压、气压或电气部件部分转向系统中的液压、气压或电气部件部分 或全部失效后，转向系统必须有控制汽车行或全部失效后，转向系统必须有控制汽车行 驶方向的能力。驶方向的能力。 因此，现在的动力转向一般是在原来机械因此，现在的动力转向一般是在原来机械 转向系统的基础上添加助力机构实现的，机转向系统的基础上添加助力机构实现的，机 械机构用于安全储备械机构用于安全储备 图7-12 动力转向机构布置方案 1分配阀 2转向器 3动力缸 ii 图7-13 静特性曲线分段示意图 要求动力转向器向右要求动力转向器向右 转和向左转的静特性曲线转和向左转的静特性曲线 应对称。对称

14、性可以评价应对称。对称性可以评价 滑阀的加工和装配质量。滑阀的加工和装配质量。 要求对称性大于要求对称性大于0.850.85。 液压式动力转向系统的缺点液压式动力转向系统的缺点 为此采用为此采用车速感应型车速感应型动力转向机构，有动力转向机构，有电控液压动力电控液压动力 转向和电动助力转向转向和电动助力转向系统系统 具有固定放大倍率的动力转向系统的主要缺点具有固定放大倍率的动力转向系统的主要缺点 n是在传统的液压动力转向系统的基础上增是在传统的液压动力转向系统的基础上增 设了设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器控制液体流量的电磁阀、车速传感器 和电子控制单元和电子控制单元等，电子控制单元根据检

15、等，电子控制单元根据检 测到的测到的车速车速信号，控制电磁阀，使转向动信号，控制电磁阀，使转向动 力力 电控液压动力转向 EHPS示意图 电控液压动力转向 一种EHPS电动泵 电控液压动力转向 EHPS的车速感应功能EHPS的特性 n液压式电子控制动力转向系统是在传统的液压式电子控制动力转向系统是在传统的 液压动力转向系统的基础上增设电子控制液压动力转向系统的基础上增设电子控制 装置而构成的。装置而构成的。 n根据控制方式的不同，液压式电子控制动根据控制方式的不同，液压式电子控制动 力转向系统又可分为力转向系统又可分为流量控制式、油压反流量控制式、油压反 馈控制式（反力控制式）、动力缸分流控馈

16、控制式（反力控制式）、动力缸分流控 制式和阀特性控制式（阀灵敏度控制式）制式和阀特性控制式（阀灵敏度控制式） 几种形式。几种形式。 流量控制式动力转向系统流量控制式动力转向系统 就是根据车速传感器的信号，就是根据车速传感器的信号， 控制电磁阀阀针的开启程度，控制电磁阀阀针的开启程度， 从而控制转向动力缸活塞两侧从而控制转向动力缸活塞两侧 油室的旁路液压油流量，来改油室的旁路液压油流量，来改 变转向盘上的转向力。变转向盘上的转向力。 车速越高，流过电磁阀电车速越高，流过电磁阀电 磁线圈的平均电流值越大，电磁线圈的平均电流值越大，电 磁阀阀针的开启程度越大，旁磁阀阀针的开启程度越大，旁 路液压油流

17、量越大，液压助力路液压油流量越大，液压助力 作用越小，使转动转向盘的力作用越小，使转动转向盘的力 也随之增加。这就是流量控制也随之增加。这就是流量控制 式动力转向系统的工作原理。式动力转向系统的工作原理。 流量控制式流量控制式 电动助力转向系统电动助力转向系统 上世纪上世纪80年代开始研制并商品化的电动助年代开始研制并商品化的电动助 力转向（力转向（EPS）系统近年来在国内外得到迅）系统近年来在国内外得到迅 速发展。速发展。 早在1988年， 这种转向系统首 先装在日本的 Suzuki Corvo 助力装置助力装置 电动助力转向系统 工作原理工作原理 转向轴 装转向盘 连接转向器 助力转向系统

18、助力转向系统 电动助力转向系统分类 转向轴式转向齿轮式 双齿轮式 滚珠丝杠杆式 齿条式 -15-10-5051015 -30 -20 -10 0 10 20 30 转 向 盘 转 矩 / N m 电 动 机 助 力 电 流 / A 堵 转 时 不 同 车 速 下 的 助 力 特 性 车 速 0 ， 5， 1 0 ， 2 0 ， 3 0， 40，60， 150 km / h 11.40541.9527 2.53.04733.5946 4 主 转 矩 传 感器 输 出 信 号 / V 205209243276310344377411444478512545579612646679713747780

19、814818 主 转 矩 传 感器 输 出 信 号 1 0位 A D转 换 值 电动助力转向系统的特点 助力特性可以根据车速调节 转向盘转矩 电 动 机 电 流 150km/h 0km/h 电动助力转向系统的特点 助力特性曲线形状可调 转向盘转矩 电 动 机 电 流 调节可以采用软件进行，减少开发成本和周期 68Nm 12 Nm P238，要求3）偏大 电动助力转向系统的特点电动助力转向系统的特点 节能 环保 结构紧凑 符合汽车的发展方向电动 技术含量要求较高，目前国内不成熟 助力不能够很大 全电动转向线控转向 （Steer-By-Wire） 特点：特点：取消了转向 盘和转向轮之间的 机械连接

20、 优点：优点： 传动比可调 提高主动安全 提高被动安全 缺点：缺点：技术含量高， 成本高，目前处于 研究阶段 主动转向 主动转向的助力百 分比是一定，为了操 纵轻便性，主动转向 要带有其它助力机构 技术含量高，成本高，目前只有极少数高 级车应用，比如BMW的一部分车 传动比可调 主动转向保持了机械连接，具有安全失 效的功能 断开点断开点 分析前提条件分析前提条件：忽略侧偏角影响的条件下 cotcot oi K L 两轴汽车转向时， 理想的内轮转角i 外轮转角o之间的 关系为： 实际的内轮转角i 与外轮转角o之间 的关系为： 式（733） 2 2 sin() arcsin ()1 2cos() 2coscos()cos2 arccos ()1 2cos() o i o o o KK mm K m KK m m K m 实际的内轮转角i与理想值i不一致 中间常用范围内越小越好，两端则可适当放宽 要求i与i尽可能小 i与i的差值在不同位置不同 因此，存在优化问题 目标函数 max 1 ()() ()() ( ,00 ) 1% o oi ioiioi oi ioi f m 实际上是求代数和代替求积分 max 1.5 0 10 ()1.0 10 2