EPS系统设计与分析

1、青岛理工大学毕业设计（论文）目 录摘 要2ABSTRACT2第1章 绪论31.1课题研究的背景31.2 课题研究的意义31.3国内外的研究现状41.4本章小结5第2章 全轮转向汽车转向系统分析62.1 前轮转向汽车与全轮转向汽车运动学分析对比62.1.1前轮转向汽车车轮运动学分析62.1.2全轮转向汽车运动学分析72.2全轮转向汽车受力分析7第3章 全轮转向系统方案的确定93.1液压助力转向系统93.1.1 机械液压助力转向系统93.1.2电子液压助力转向系统113.2 电动助力转向系统143.3全轮转向汽车转向系统方案的确定173.4本章小结17第4章 电动助力转向系统184.1转向器及转向

2、操纵机构184.1.1 转向器传动效率及转向盘自由行程184.1.2 转向器184.1.3转向操纵机构214.2转向传动机构224.2.1与非独立悬架配用的转向传动机构224.2.2与独立悬架配用的转向传动机构264.3转向加力装置274.4传感器及电子控制单元294.4.1扭矩传感器294.4.2电子控制单元29第五章 总结30摘 要全轮转向是指汽车的后轮与前轮一样具有一定的转向功能，不仅可以与前轮同方向转向，也可以与前轮反方向转向。全轮转向汽车不仅能提高工作效率，降低驾驶员的劳动强度，还能充分利用空间，减小能耗。它适应汽车未来发展的趋势，存在广阔的发展前景。本文对电动助力式转向系统进行了研

3、究，针对课题进行了文献检索，查看相关资料，了解国内外的发展现状;对国内外全轮转向汽车的研究历史及现状进行了详细的介绍，明确了本次设计的基本内容及需要解决的主要问题；对全轮转向汽车系统与传统转向系统进行了分析，包括受力分析和运动学分析；对全轮转向系统助力方案进行确定；电动助力转向系统的介绍以及各部件的功能介绍。关键词：全轮转向，系统分析，运动学分析，电动助力ABSTRACTAll wheel steering means that the rear wheels of a car have a certain steering function as the front wheels. Not

4、only can be the same direction with the front wheel steering, but also with the front wheel to reverse direction. All-wheel steering cars can not only improve work efficiency, reduce labor intensity of the driver, but also make full use of space, reduce energy consumption. It adapts to the trend of

5、the future development of the automobile, and has broad prospects for development. In this paper, electric power steering system is studied, the main problem for the study of history and present situation of all-wheel steering cars were introduced in detail, defined the basic elements of this design

6、 and need to be addressed: the subject for a literature search, review data, to understand the status of development at home and abroad ; for all-wheel steering system and the traditional automotive steering system is analyzed, including stress analysis and kinematic analysis; for all-wheel steering

7、 system booster program to determine; electric power steering system features and describes the various components of the presentation.KEY WORDS: all-wheel steering;，system analysis;，kinematics analysis;，electric Power第1章 绪论1.1课题研究的背景 随着现代汽车技术的发展，汽车行驶速度的提高以及道路行驶密度的增大，作为能够实现主动安全性的方法之一的全轮转向技术日益受到重视。全轮

8、转向的主要优点是在转向时能够保持重心偏角基本为零，极大的改善了横摆角速度和侧向加速度的瞬态性能指标。另外低速行驶时能够减少汽车的转弯半径，使汽车在低速行驶状态下更加灵活，而且还能够独立地控制汽车的运动轨迹与姿态，使方向角与姿态角重合，提高汽车行驶时的侧向稳定性：高速行驶状态下的同相位转向，方向盘到后轮产生转弯力的时间相对滞后，使车身方向与实际行驶方向的偏差减小，从而具有较好的稳定性。近几年，载货车和专用作业车的吨位逐渐增大，有的总重量已超过30t，汽车车轴由两轴增加至多轴，因而工程机械操纵的灵活性和稳定性要求显得越来越重要。电子技术日新月异，控制理论的不断完善，全轮转向技术的研究已是众多汽车生

9、产厂商占有市场的关键因素之一。全轮转向技术是未来重型汽车转向灵活性的发展趋势，在高速发展的现代化社会，更高的机械效率和较低的能量消耗在汽车设计中占有很重要的地位。全轮转向汽车与现代化的设计理念相吻合，即它的环保性和节能性，它适应未来汽车发展的趋势，存在广阔的市场前景。本课题旨在对汽车全轮转向系统的组成和结构原理进行简单介绍，结合国内外发展现状，给出电动助力转向系统的设计过程，为设计开发全轮转向系统提供参考依据。1.2 课题研究的意义 本文主要研究了电动助力转向系统的工作方式，与传统液压助力转向系统（HPS)相比，EPS系统具有如下特点：（1） 工作效率高 HPS系统为机械和液压连接，效率一般为

10、6070%，工作效率低；而EPS 系统为机械和电气连接，效率较高，可达90%以上。（2） 能耗少，环保性能高汽车在路上行驶过程中，处于转向状态的时间约为总行驶时间的5%，对于HPS系统，发动机运转时，油泵始终处于工作状态，从而使轿车燃油消耗增加46%，并且由于液压回路中有液压软管和接头，存在油液泄露问题，液压软管也是不可回收的，对环境造成一定污染；而EPS系统仅在需要转向时，才会启动电机产生助力，相比之下，轿车安装EPS系统比安装HPS系统燃油消耗可减少3.55.5%。EPS系统中不存在油液泄露问题，并且消除了转向过程中HPS系统油泵的噪音，利于环保。（3） 回正性好EPS系统结构简单，内部阻

11、力小，回正性好，从而得到最佳的转向回正特性，同时极大地改善了汽车的操纵稳定性。（4） 装配性好 HPS系统中，转向油泵与机械式转向装置相互分离，装配时不仅需要安装油泵、支架、油管等，而且还需要排气；而EPS系统元件数目少，且大多为模块化结构，方便安装、省时。1.3国内外的研究现状 汽车的全轮转向系统在20世纪80年代中期开始发展，全轮转向主要有两种方式：当后轮转向与前轮转向方向相同时称为同相位转向；当后轮转向与前轮转向方向相反时称为逆相位转向、全轮转向技术目前被很多公司所采用，其中大多应用在了大型车辆上，也有一些SUV以及跑车具有四轮转向的功能。配备全轮转向之后，车辆可以减少转弯半径、提高低速

12、行驶状态下的机动性以及高速行驶状态下的操纵性和可控制能力。近几年国内外都在积极开展全轮转向技术。从英国利兰公司1934年开始生产四轴载货汽车算起，至今已有60多年的历史。进入20世纪90年代，电子技术的高速发展和微电脑在汽车上应用日趋成熟，使汽车开始进入智能化阶段。新的控制理论不断地与四轮转向技术相结合，例如自适应控制，模糊控制，最优控制，神经网络控制以及模糊神经网络控制，使得四轮转向技术设计理念模块化，智能化。从20世纪初（1907年），日本政府颁发第一个关于四轮转向的专利证书开始，对于汽车四轮转向的研究一直伴随着汽车工业的发展而进行着。随着对四轮转向这一领域研究的不断进展，出现了多种不同结

13、构形式、不同控制策略的实用四轮转向系统。一般来说，四轮转向汽车在转向过程中，根据不同的行驶条件，前、后轮转向角之间应遵循一定的规律。目前，典型四轮转向汽车的后轮偏转规律是：(1) 逆相位转向在低速行驶或者方向盘转角较大时，前、后轮实现逆相位转向，即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相反，且偏转角度随方向盘转角增大而在一定范围内增大（后轮最大转向角一般为5°左右）。这种转向方式可改善汽车低速时的操纵轻便性，减小汽车的转弯半径，提高汽车的机动灵活性。便于汽车掉头转弯、避障行驶、进出车库和停车场。（2）同相位转向在中、高速行驶或方向盘转角较小时，前、后轮实现同相位转向，即后轮的偏转方向与前轮的

14、偏转方向相同（后轮最大转角一般为1°左右）。使汽车车身的横摆角速度大大减小，可减小汽车车身发生动态侧偏的倾向，保证汽车在高速超车、进出高速公路、高架引桥及立交桥时，处于不足转向状态。现在，有许多全轮转向汽车把改善汽车操纵性能的重点放在提高汽车高速行驶的操纵稳定性上，而不过分要求汽车在低速行驶时的转向机动灵活性。其工作特点是低速时汽车只采用前轮转向，只在汽车行驶速度达到一定数值后（50km/h），后轮才参与转向，进行同相位四轮转向。与普通的前轮转向汽车相比，四轮转向汽车具有如下特点：优越性：（1） 转向操作的响应加快，准确性提高；（2） 转向操作的机动灵活性和行驶稳定性提高；（3） 抗

15、侧向干扰的稳定性好；（4） 超车时，变换车道更容易，减小了汽车产生摆尾和侧滑的可能性。不足性：（1） 低速行驶时，汽车尾部容易碰到障碍物；（2） 实现理想控制的技术难度大；（3） 转向系统结构复杂、成本高；（4） 转向过程中，阿克曼定理难保证。1.3本章小结进入上世纪九十年代，随着电子工业的发展，使得电子技术广泛应用于提高车辆总体性能上，尤其是改善车辆操纵稳定性方面，加上现代控制理论的应用，以及计算机模拟仿真技术的融入，使得4WS发展更加成熟、应用更为广泛在工程机械领域。基于四轮转向的发展方向，目前国内外的汽车厂商对于全轮转向机构的控制主要采用的是数字控制，这是鉴于数字控制的很多优点：程序化控

16、制，控制器按照所设计的控制规律进行运算和数字信息的处理，主要通过程序（即软件）来实现，若改变控制规律只需改变软件，而不必改变系统的硬件结构：控制精度高，在模拟控制系统中，控制器的精度由元件的精度而定，数字控制器精度由字长决定；稳定性好；软件复用，在模拟系统中，需用相同的硬件环境实现，数字控制器是程序控制，只需要设计和编写实现其模型的子程序模块，即可方便地实现多个功能的环节。第2章 全轮转向汽车转向系统分析2.1 前轮转向汽车与全轮转向汽车运动学分析对比2.1.1前轮转向汽车车轮运动学分析 如图2-1，交点O称为转向中心，对于两轴汽车，由图可见，内转向轮偏转角应该大于外转向轮偏转角。在车轮为绝对

17、刚体的假设条件下，角与的理想关系式应为 （式2-1） 式中，B为两侧主销轴线与地面相交点之间的距离；L为汽车轴距。 图2-1由转向中心O到外转向轮与地面接触点的距离，称为汽车转弯半径R。由图2-1可知，当外转向轮偏转角达到最大值时，转弯半径R为最小。在如图的理想情况下，最小转弯半径R与外转向轮最大偏转角的关系为 （式2-2）2.1.2全轮转向汽车运动学分析 轮式车辆顺利完成转向的基本要求是各车轮作纯滚动。为了满足这一要求，车辆在转向时各车轮轴心线应通过同一瞬心轴线，此轴线垂直于地面，其投影点如图2-2中O点，水平投影车辆转向时车身绕瞬心O点转动。因车辆转向时的转弯半径R随前轮偏转角的变化而变化

18、，所以称O点为瞬时转向中心。 图2-2轮式车辆转向过程 a前轮转向 b四轮异相位转向（1）通过驾驶人员的操纵来实现前轮的偏转，车轮的偏转的程度决定了车辆的转弯半径。 （2）两前轮作纯滚动，要求内侧前轮偏转角比外侧前轮偏转角要大，内、外侧前轮偏转角和的关系为： （式2-3）该式即为阿克曼公式。 式中：M两转向节立轴与前轮轴心线交点之间距离； L 车辆前后轴距。若为前、后轮同时异相位偏转转向，如图2-2b则式2-1为： （式2-4） （3）转向时，两个驱动轮在同一时间内走过的路程是不相等的，外侧驱动轮转得要快，而内侧驱动轮转得慢，即： （式2-5）式中：、分别为慢、快速侧驱动轮转速； R 转弯半径

19、； B后轴轮距。2.2全轮转向汽车受力分析如图2-3所示，如果前桥主销之间距离等于后轮两主销之间的距离时，即图2-3四轮转向示意图则有： (式2-6） （式2-7) (式2-8）式中 、两侧主销中心距离； 、后轮到转向中心线的轴向距离；当前、后桥两主销之间的距离M不相等时 ，时，要满足通过各个车轮几何轴线的垂直平面都应相交于同一条直线上，则 （式2-9）由上式可得：与的差值越大，与也越大。而当转向轮偏角较大时，前后轮的瞬时转向中心就不会重合，其差值随着与差值的增大而增大，使机械在转向半径较小时，转向轮产生一定的滑移。因此应尽量减小与的差值，最好相等。再次选择两者相等，由此可得： （式2-10）

20、 （式2-11） （式2-12） 第3章 全轮转向系统方案的确定3.1液压助力转向系统3.1.1 机械液压助力转向系统 机械式液压助力转向系统一般由液压泵、油管、压力流量控制阀体、V型传动皮带、储油罐等部件构成。为保持压力，不论是否需要转向助力，系统总要处于工作状态，一般经济型轿车使用机械液压助力系统的比较多。 汽车液压助力转向系统工作原理图图3-1 汽车液压助力转向系统工作原理： 汽车直线行驶时，滑阀7在回位弹簧10和反作用阀8的作用下处于中间位置，动力缸15两端均与回油道联通，油泵输出的油液通过进油道量孔4进入阀体9的环槽A，然后分成两路：一路通过环槽B和D，另一路流过环槽C和E。由于滑阀

21、7在中间位置，两路油液经回油孔道流回油箱，整个系统内油路想通，油压处于低压状态。机械式助力转向提供液压的液压泵由发动机通过皮带驱动，也就是说只有发动机运转，转向泵才能够运转，这就是为什么发动机熄火后方向盘助力消失的原因。在转向机上，有一个能够随转向柱转动的机械阀，当方向盘未左右转动时，活塞两侧腔室内压力一一致，处于平衡状态。当方向盘转动时，连接在转向柱上的机械阀就会相应的打开或关闭，一侧油液不再经过液压缸而直接回流至储油罐，另一侧油液继续注入液压缸内，活塞两侧产生压差，便会在液力的作用下被推动，进而产生辅助力度推动转向拉杆，让车轮转向，使我们转动方向盘所需的力度大大减小。 液压助力转向系统还有

22、一个好处，就是提升舒适性和安全性，车轮的剧烈跳动和遇到坑洼路面导致轮胎出现非自主的转向时，通过液压对活塞的作用能够很好的缓冲和吸收震动，使传递到方向盘上的震动大大减少。同时这种结构还提升了安全性，比如使用传统齿轮齿条机构的车辆在转向时轮胎遇到坑洼突然变向，齿条会带动齿轮使方向盘反转，出现“打手”的情况，很容易使驾驶者的手部受到伤害，在液压助力的车辆上就不会有这样的问题。机械式液压助力类型：根据系统内液流方式的不同可以分为常压式液压助力和常流式液压助力。常压式液压助力系统的特点是无论方向盘处于正中位置还是转向位置、方向盘保持静止还是在转动，系统管路中的油液总是保持高压状态；而常流式液压转向助力系

23、统的转向油泵虽然始终工作，但液压助力系统不工作时，油泵处于空转状态，管路的负荷要比常压式小，现在大多数液压转向助力系统都采用常流式。可以看到，不管哪种方式，转向油泵都是必备部件，它可以将输入的发动机机械能转化为油液的压力。图3-2 机械式液压助力特点：整套系统均为机械结构，从由皮带驱动的机械式液压泵到转向柱上的液压机械阀体，没有任何电子系统，技术成熟稳定、可靠性高、适用范围很广，即使车辆的液压系统出现故障，失去助力，还是能够依靠传统的齿轮齿条机构进行转向。缺点是构造较复杂，占用空间较大，制造成本较高，也使得保养维护的难度和成本都比较高。并且由于液压泵靠发动机皮带驱动，无论车是否转向，这套系统都

24、要工作，所以会消耗发动机的一部分动力，影响燃油经济性和车辆的动力性，尤其是对于动力本身就相对孱弱的小排量车型的影响比较明显。又由于液压泵的压力很大，也比较容易损害助力系统，使用寿命受到影响。另外，单纯的机械式液压助力系统助力力度不可调节，很难兼顾低速和高速行驶时对指向精度的不同需求。不妨回忆一下：开这样的车，尤其时低速转弯的时候，觉得方向比较沉，发动机也比较费力气。图3-3 3.1.2电子液压助力转向系统 所谓的电子液压助力，Electro-hydraulic power steering，简称EHPS，其助力原理与机械式液压助力完全相同，而与机械式液压助力最大的区别就是不再使用由发动机通过皮

25、带驱动的液压泵，而是换成了电力驱动的电子泵。 电子液压助力的优势首先体现在能耗上，首先由电能驱动的电子泵使用发电机和电池输出的电能，不再消耗发动机本身的动力，电子泵的启动和关闭全部由电子系统控制，在不做转向动作的时候，电子泵关闭，不像机械液压助力泵那样始终与发动机联动，进一步减小能耗。图3-4 图3-4：电子液压助力转向系统主要由储油罐、助力转向控制单元、电动泵、转向机、助力转向传感器等，其中助力转向控制单元和电动泵是一个整体结构。其次，电子液压助力转向系统的电子控制单元，能够通过对车速传感器、横向加速度传感器、转向角度传感器等传感器的信息的处理，通过实时改变电子泵的流量来改变转向助力的力度大

26、小，也就是随速可变助力功能。当然，并不是只有电子液压助力能够实现助力随速可变。这种液压式EPS是在传统的液压动力转向系统的基础上增设了控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元等，电子控制单元根据检测到的车速信号，控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低速时的转向助力要求。简单地说，在低速大转向时，电子控制单元驱动电子液压泵以高速运转输出较大功率，使驾驶员打方向省力；汽车在高速行驶时，液压控制单元驱动电子液压泵以较低的速度运转，在不至于影响高速打转向的需要同时，节省一部分发动机功率。是当前使用较为普遍的助力转向系统形式。图3-5 图3-5：相比一般的电子助力转向系统，它的

27、特别之处在于其在结构上多出了一个检测方向盘转动速度的角速度传感器（转向助力传感器）。电子液压助力特点：无论是从技术、功能、还是经济性方面来看，电子液压助力都较机械式液压助力更具优势，但是，目前电子液压助力并没能够取代机械式液压助力，主要原因有如下几方面： 1.电子液压助力成本更高。相对机械式的液压助力系统，加入了电控系统换上电子泵后、电子液压助力的制造成本更高，技术也更加复杂，保养维修的难度和成本也随之提高。 2.可靠性不及机械液压助力。电子液压助力除了会出现转向机构和液压机构的故障外，还增加了电气系统出现故障的可能性，因而可靠性不及传统液压助力系统。 3.助力力度有限。虽然使用电子泵有明显优

28、势，但是，电子泵需要由发电机的电能驱动，而车载发电机的本身功率和蓄电池能够提供的最大电流都有限，所以电子泵的功率也受到限制，能承载的负荷也有限。所以目前使用电子液压助力的车型大多为中小型车辆。对于需要较大助力力度的车辆而言，电子液压助力系统就有些鞭长莫及了。 4.进化的机械液压助力系统。随着技术的发展，电子液压助力的随速可变功能在进化的机械液压助力系统上也已经能够实现（使用电磁阀体技术），甚至在机械式液压助力转向系统的基础上衍生出了可变速比的主动转向系统，所以可靠性和可承载负荷都更高的机械液压助力系统依然受到厂商的欢迎。 3.2 电动助力转向系统 电动方向助力英文全称是Electronic P

29、ower Steering，简称EPS，是上世纪90年代后期开始才逐渐应用到量产车上的转向技术，与液压助力系统一样，仍然是基于齿轮齿条式转向机构而来，只不过助力机构由复杂的液压机构变成了依靠电动机产生助力的系统。 电动助力转向系统的结构非常简单，没有了液压泵、储液罐、液压管路和转向柱阀体结构，而是由传感器、控制单元和助力电机构成。在转向柱位置安装了转矩传感器，当方向盘转动时，转矩传感器探测到转动力矩，并将之转化成电信号传给控制器，车速传感器也同时信号传给控制器，控制器运算够供给电机适当的电压，驱动电机转动，电动机通过减速机构将扭矩放大推动转向柱或转向拉杆运动，实现助力。如果不转向，则本套系统就

30、不工作，处于休眠状态等待调用。其根据速度可变助力的特性能够让方向盘在低速时更轻盈，而在高速时更稳定，俗话说方向不发飘。又由于它不转向时不工作，所以，也多少程度上节省了能源，一般高档轿车使用这样的助力转向系统的比较多。图3-6 图3-6：电动方向助力转向系统一般是由转矩（转向）传感器、电子控制单元、电动机、减速器、机械转向器、以及畜电池电源所构成。图3-7 电动助力转向系统类型：电动助力转向根据作用位置的不同主要有两种结构。这两种结构分别是对转向轴和转向拉杆施加助力。对转向轴施加助力的电动助力结构，是将助力电机（带有减速机构，起放大扭矩作用）直接接驳在转向轴上，电机输出的辅助扭矩直接施加在转向轴

31、上，相当于电机直接帮助我们转动方向盘。 另一种结构是将助力电机布置在转向拉杆上（也分为齿轮助力式和齿条助力式），直接用助力电机（带有减速机构，起放大扭矩作用）推动拉杆帮助车轮转向，这种结构更加紧凑，并且便于布置，目前使用比较广泛。而且这种结构相对第一种结构而言，方向盘转向部分与电机辅助是相对独立的，路面的信息能够很好的通过轮胎、齿轮齿条机构回馈至方向盘处，较第一种结构拥有更加清晰的“路感”，更好的兼顾了驾驶乐趣。电动助力转向系统特点：相比液压助力转向系统，电动助力转向有诸多优势： 1.其结构简单紧凑，制造成本低，工艺相对简单，后期的维护和保养也更加简单。 2.系统损耗低（不会像液压助力一样有助

32、力液损耗），运行噪音低，不会有液压泵或电子泵运转的噪音，提升舒适性。 3.助力力度能够随速可变，满足车辆高速和低速行驶时对助力大小的不同需求，响应速度较液压助力系统更快更直接。 4.同时，电动助力转向有着良好的经济性，纯电能驱动，较机械液压助力能耗低。 5.它可与其它电子系统联用。在一些高端车型上，电动助力转向与其他系统共享总线数据，与可变阻尼悬挂、电子稳定系统等电子系统联动，提升车辆的操控性能和主动安全表现。 3.3全轮转向汽车转向系统方案的确定 综上对比，我们可以发现普通液压助力设备麻烦，坛坛罐罐的液压装置比较多，能耗损失相对较大。电子液压可以看作是液压助力的升级，省却了一些复杂的液压装置

33、，直接采用电动泵来实现方向助力，一方面降低了液压的设备繁杂和能耗损失，另一方面液压的工作可靠性仍然保持，而且能够随低速高速自动助力大小。电动助力就更直接，这是助力发展的趋势，他完全不用复杂的液压设备，直接用电机给方向柱提供助力调节。当然它们有着各自的优点和缺点，从长远来看，电子助力似乎成为发展趋势所在，轻便、节能、响应迅速，不过在驾驶层面的劣势短期内还不能得到很好的弥补，所以机械液压助力和电子液压助力也还拥有自己的市场，估计未来一段时间内都将是百家争鸣的局面。3.3本章小结 通过本章的学习，液压助力转向系统和电动助力转向系统虽然各有优劣，但是长远看来，电动助力转向系统更加符合当今社会的发展趋势

34、，因此电动助力转向系统的设计师本文的重点。第4章 电动助力转向系统4.1转向器及转向操纵机构4.1.1 转向器传动效率及转向盘自由行程 转向器是转向系统的减速传动装置，一般有12级减速传动副，可按传动副的结构形式分类。曾经出现过的转向器结构形式很多，但有些已被淘汰。目前，在汽车上广泛采用的有齿轮齿条式和循环球齿条齿扇式等几种结构形式。转向器的输出功率与输入功率之比称为转向器传动效率。在功率由转向轴输入、由转向摇臂输出的情况下求得的传动效率称为正效率；而传动方向与上述相反时求得的效率，则成为逆效率。逆效率很高的转向器很容易经过传动机构传来的路面反力传到转向盘上，故称为可逆式转向器。可逆式转向盘有

35、利于汽车转向结束后转向轮和转向盘的自动回正，但也能将路面对车轮的冲击力传到转向盘对车轮的冲击力传动到转向盘，发生“打手”情况。 逆效率很低的转向器称为不可逆式转向器。不平路面对转向轮的冲击载荷输入到这种转向器，即由其中各传动零件（主要是传动副）承受，而不会传到转向盘上。路面作用于转向轮上的回正力矩同样也不能传到转向盘。 这就使得转向轮自动回正称为不可能。此外，道路的转向阻力矩也不能反馈到转向盘上，使得驾驶员不能得到路面反馈信息，丧失“路感”，无法据此调节转向力矩。 逆效率高于不可逆式的转向器称为极限可逆式转向器，其反向传力性能介于可逆式和不可逆式之间，而接近于不可逆式。采用这种转向器时，驾驶员

36、能有一定的路感，转向轮能有一定的路感，转向轮自动回正也可以实现，而且只有在路面冲击力很大时，才能部分的传到转向盘。 现代汽车上一般不采用不可逆式转向盘。经常在良好路面上行驶的汽车，多采用可逆式转向器。极限可逆式转向器多用于中型以上越野车和矿用自卸汽车。单从转向操纵的灵敏性而言，最好是转向盘和转向节的运动能同时开始并同步中止。然而，这在实际上是不可能的。因为在整个转向系统中，各传动件之间都必然存在着装配间隙，而且这些间隙将随着零件的磨损而增大。在转向盘转动过程的开始阶段，驾驶员对转向盘所施加的力矩很小，因为只是用来客服转向系统内部的摩擦，使各传动件运动到其间的间隙完全消除，故可以认为这一阶段是转

37、向盘空转阶段。此后，才需要对转向盘施加更大的转向力矩，以克服经车轮传到转向节上的转向阻力矩，从而实现使各转向轮的偏转。转向盘在空转阶段中的角行程称为转向盘自由行程。转向盘自由行程对于缓和路面冲击及避免使驾驶员过度紧张是有利的，但不宜过大，一面影响灵敏性。一般来说，转向盘从相应于汽车直线行驶的中间位置向任意方向的自由行程最好不超过10°15°。当零件磨损严重到使转向盘自由行程超过25°30°，必须进行调整。4.1.2 转向器转向器的作用是把来自转向盘的转向力矩和转向角进行适当的变换（主要是减速增矩），再输出给转向拉杆机构，从而使汽车转向，所以转向器本质上就

38、是减速传动装置。转向器有多种类型，如齿轮齿条式、循环球式、蜗杆曲柄指销式，动力转向器等。(1)齿轮齿条式转向器 它是一种最常见的转向器。其基本结构是一对相互啮合的小齿轮和齿条。转向轴带动小齿轮旋转时，齿条便做直线运动。有时，靠齿条来直接带动横拉杆，就可使转向轮转向，如图4-1所示。(2)循环球式转向器 循环球式转向器也是目前国内外汽车上较为流行的一种结构形式。循环球式转向器中一般有两级传动副，第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿轮齿条传动副或滑块曲柄销传动副，如图4-2所示。 为了减少转向螺杆和转向螺母之间的摩擦，两者之间的螺纹被沿螺旋槽滚动的许多钢球取代，以实现滑动摩擦变为滚动摩擦。 图4-1

39、1转向齿轮 2转向齿条 3弹簧 4调整螺钉 5锁紧螺母6压块 7防尘罩 8油封 9轴承 10壳体 转向螺杆转动时，通过钢球将力传给螺母， 螺母即沿轴线移动，螺母再与扇形齿轮啮合，直线运动再次变为旋转运动，使连杆臂摇动，连杆臂再使连动拉杆和横拉杆做直线运动，改变车轮的方向。同时，在螺杆与螺母两者和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”。 图4-2(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（如下图4-3）以转向蜗杆3为主动件，其从动件是装在摇臂轴1曲柄端部的指销2。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，并带动摇臂转动。再通过转向传动机构

40、使转向轮偏转。图4-34.1.3转向操纵机构 转向操纵机构是驾驶员操纵转向器工作的装置。它由转向盘、防伤转向机构、转向传动轴等组成。 如图4-4所示，它包括：转向盘1、转向柱管2、 转向轴15、上万向节8、下万向节11和转向传动轴9等。转向柱管2中部用橡胶垫3和半圆形冲压支架4固定在驾驶室前围板上， 下端插入铸铁支座5的孔中。支座5则固定在转向操纵机构支架6上。图4-4 穿过转向柱管的转向轴15上端借衬套16支承，下端则支承在转向柱管支座5中的圆锥滚子轴承（图上未示出）上，其轴向位置由限位弹簧7限定。转向轴通过双万向节万向传动装置与转向器中的转向蜗杆相连。下万向节11与转向传动轴9用 滑动花键

41、连接。 为了保证转向器摇臂轴在中间位置时，从转向摇臂13起始的全套转向传动机构也处于中间位置，在摇臂轴的外端面和转向摇臂上孔外端面上各刻印有短线，作为装配标记。装配时，应将两个零件上的标记短线对齐。 转向盘由轮缘1、轮辐2和轮毂3（图2）组成。轮辐一般为三根辐条或四根辐条，也有用两根辐条的。转向盘轮毂孔具有细牙内花键，借此与转向轴连接。 转向盘内部是由成形的金属骨架构成。骨架外面一般包有柔软的合成橡胶或树脂，也有包皮革的，这样可有良好的手感，而且还可防止手心出汗时握转向盘打滑。 当汽车发生碰撞时，从安全性考虑，不仅要求转向盘应具有柔软的外表皮，可起缓冲作用，而且还要求转向盘在撞车时，其骨架能产

42、生变形，以吸收冲击能量，减轻驾驶员的受伤程度。 转向盘上都装有喇叭按钮，有些轿车的转向盘上还装有车速控制开关和撞车时保护驾驶员的气囊装置。4.2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，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而异。 4.2.1与非独立悬架配用的转向传动机构1、转向传动机构的组成与布置 与非独立悬架配用的转向传动机构（图4-5）主要包括：转向摇臂2、转向直拉杆3、转向节臂4和转向梯形。在前桥仅为转向桥的情况下，由转向横拉杆6和左、

43、右梯形臂5组成的转向梯形一般布置在前桥之后。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（水平平面）内的交角。在发动机位置较低或转向桥兼充驱动桥的情况下，为避免运动的干涉，往往将转向梯形布置在前桥之前。此时上述交角。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内左右摆动，则可将转向直拉杆3横置，并借球头销直接带动转向横拉杆6，从而推使两侧梯形臂转动。图4-52、转向摇臂 转向摇臂是转向器传动副与直拉杆间的传动件。如图4-6所示，东风EQ1090E型汽车的转向摇臂13的大端用锥形三角细花键与转向器中摇臂轴的外端连接。其小端带有球头销，以便与转向

44、直拉杆14作空间铰链连接。3、转向直拉杆 转向直拉杆是转向摇臂与转向节臂之间的传动杆件。图4-7所示为解放CA1091型汽车的转向直拉杆构造图。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，三者之间的连接件都是球形铰链。 直拉杆体9是一段两端扩大的钢管。其前端（图中为左端）带有球头销2。球头销的尾端可用螺母1固定于转向节臂的端部。两个球头座5在压缩弹簧6的作用下将球头销的球头夹持住。为保证球头与座的润滑，可从油嘴8注入润滑脂，使充满直拉杆体端部管腔。拆装时供球头出入的孔口用耐油橡胶片3封盖。压缩弹簧6随时补偿球

45、头与座的磨损，保证二者间无间隙，并可缓和经车轮和转向节传来的路面冲击。弹簧预紧力可用端部螺塞4调节，调好后须用开口销固定螺塞位置。当球头销作用在内球头座上的冲击力超过压缩弹簧预紧力时，弹簧便进一步变形而吸收冲击能量。弹簧变形增量受到弹簧座7自由端的限制，这就可以防止弹簧超载，并保证在弹簧折断的情况下球头销不致从管腔中脱出。 直拉杆体后端（图中为右端）可以嵌装转向摇臂的球头销10。这一端的压缩弹簧也装在球头座后方（图中为右方）。这样，两个压缩弹簧可分别在沿轴线的不同方向上起缓冲作用。自球头销2传来的冲击力由前压缩弹簧承受。当球头销2受到向前的冲击力时，冲击力依次经前球头座、前端部螺塞4、直拉杆体

46、9和后端部螺塞传给后压缩弹簧。图4-64、转向横拉杆 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2和旋装在两端的接头1组成，见图4-8）。两端的接头结构相同，如图4所示。其中球头销14的尾部与梯形臂相连。上、下球头座9用聚甲醛制成，有很好的耐磨性。球头座的形状见图4。装配时两球头座的凹凸部互相嵌合。弹簧12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11调整。 两接头借螺纹与横拉杆体连接。接头螺纹部分有切口，故具有弹性。接头旋装到横拉杆体上后，用夹紧螺栓3夹紧。横拉杆体两端的螺纹，一为右旋，一为左旋。因此，在旋松夹紧螺栓3以后，转动横拉杆体，即可改变转向横拉杆的总长度，从

47、而可调整转向轮前束。图4-7 图4-8所示的东风EQ1090E型汽车转向横拉杆接头结构形式与解放CA1091型汽车横拉杆接头相似，但球头座是钢制的。此外，螺孔切口两边无耳孔，而是用螺栓通过冲压制成的卡箍12夹紧在横拉杆体上。这样就使接头的结构和制造工艺简化了。图4-84.2.2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（图4-9）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。图4-9 红旗CA7560型轿车转向传动机构即采用图所示方案，其具体

48、结构见图4-10。摇杆7前端固定于车架横梁中部，后端借球头销与转向直拉杆2和左、右横拉杆3、4连接。转向直拉杆外端与转向摇臂球头销1相连。左、右横拉杆外端也用球头销分别与左、右梯形臂5和6铰接，故能随同侧车轮相对于车架和摇杆7在横向平面内上下摆动。图4-10 转向直拉杆仅在外端有球头座， 故有必要在二球头座背面各设一个压缩弹簧， 分别吸收由横拉杆3和4传来的两个方向上的路面冲击，并自动消除球头与座之间的间隙。4.3转向加力装置 用以将发动机输出的部分机械能转化为压力能（液压能或气压能），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

49、列零部件，总称为转向加力装置。转向加力装置是由机械转向器、转向动力缸和转向控制阀三大部分组成。 随着汽车技术的发展，尤其是电子计算机技术在汽车上的应用，研 究人员提出了一种汽车 转向加力装置的新方案一电动转向加力装置。 在新方案中，除 了具有机械转向系统 的基本部件外，增 加的部件主要有转 向信号转换器、控制电脑、直流电动机及与转向轴的啮合机构和有关导 13 线，电源则是车上已有的蓄电池及发 12 电机。其组成及作用原理如图 4-11所示 驾驶员根据行驶需要，转动转向盘3，在以体能输入部分转向力的同时向转向信号转换器4输入转向信号(包括转动方向、转动角度大小、转动角速度等 )，转向信号转换器4

50、把这些机械信号转换成电信号经信号传输线2输送给控制电脑1控制电脑收到电信号后，经 由有关软件处理，即向转向助力直流电动机发出工作指夸信号(诸如转动方向、转动角速度、转动持续时间等)并通过控制从蓄电池输往电动机的电流强度大小来控制转向助力电动机输出功率的大小，转向助力电动机工作，通过其与转向轴的啮合装置驱动转向轴 9，进而驱动转向器u工作，以克服转向阻力，实现将 电能转换成机械能完成转向助力的任务。图4-11现在，电动转 向加力装置尚处于研制阶段，还有很 多复杂的技术问题有待解决，归纳起 来 是两大问题。 (1)如何尽可能减小转向助力直流电动机转子及其与转向轴啮合件中转动原件的转动惯 量，以提高转向电动机转子及其动力传输机构对转向盘转向信号的响应度。因为汽车行驶时，很多情况下需要来回转动转向盘或急打急停转向盘，如果 直流电动机转子及其动力传输机构 中转动件转动惯量大，则影响转向盘与转向车轮的动作同步性，造成 汽车操纵性能和安全性能 下降。 (2)汽