客车动力转向系统的设计布置

1、客车动力转向系统的设计布置及常见问题分析唐培云(北汽福田汽车股份有限公司北京客车分公司, 北京 102206摘 要:简述客车转向系统的设计要求、几种布置形式和各自优缺点以及常见问题分析。关键词:客车; 动力转向; 系统设计;问题分析Abstract:T his paper briefly intr oduces design requir ements, sev eral ar rangement fo rms, their co rresponding advanta g es and disadvantag es, as w ell as analysis o f co mmon prob

2、lems o f the bus steer ing system Key words:bus; pow er steering ; system design; analysis of pro blem中图分类号:U 463 4 文献标识码:B 文章编号:1006 3331(2006 03 0037 04上世纪80年代初期, 国内大部分客车都是在货车底盘上加装车身而来。由于货车底盘的前悬较短而且发动机前置, 造成车内空间利用率不高, 车内噪声较大。随着国民经济的发展, 我国高速公路也在飞速发展, 人们对出行及旅行的舒适性、安全性要求越来越高, 交通密度的增加和车速的提高对客车的转向性能都提出

3、了更高的要求。客车转向系统设计的好坏直接影响着客车的驾驶稳定性、安全性和操纵灵活性。下面简要介绍客车动力转向系统的设计布置及常见问题的分析。1 客车动力转向系统的设计要点1. 1 客车动力转向的设计要求(1 转向轮转角和驾驶员转动方向盘的转角应保持一定的比例关系。(2 动力转向系统失灵时, 仍能用机械系统操纵车轮转向。(3 减轻驾驶员作用在转向盘上的手力, 同时还应有路感, 并随转向阻力的增加而增大。(4 方向盘应能平稳回位, 保证汽车的直线行驶能力。(5 转向系统应能在车辆转弯时灵活平稳地将扭力传到前轮。(6 不允许路面不平引起的振动造成方向盘回跳或方向失控。1. 2 动力转向器的选择动力转

4、向系统由于具有转向操纵灵活、轻便, 能吸收路面对前轮产生的冲击, 设计时转向器结构形式的选择也灵活多样等优点, 因此, 已在各国的汽车制造中普遍采用。我国大客车一般采用的是整体式液压动力转向器, 其工作原理如图1所示。液压式动力转向以液体的压力作动力来完成转向加力。其特点是油液工作压力可达610M Pa, 甚至更高, 所以结构紧凑, 动力缸尺寸小、重量轻; 因油液具有不可压缩性, 故灵敏度高; 油液的阻尼作用可以用来吸收路面冲击; 动力装置无需润滑。其缺点是结构复杂, 对加工精度和密封要求高等。动力转向器型号的选择须根据前桥负荷、整车的布置等因素来综合考虑。转向器选择的合适与否对整个转向系统起

5、着 至关重要的作用。图1 动力转向液压系统示意图1 3 转向器及中间过渡臂的布置转向器及中间过度臂的合理布置对于整车的行驶稳定性有非常重要的作用。每一种转向器对其安装都有要求, 在满足转向器安装要求的情况下, 应根据整车的前转向桥和前悬挂的特点, 保证转向拉杆和前悬挂的运动干涉在允许的范围内。这需要作运动校核图, 以确保不影响整车行驶稳定性的运动干涉。另外, 需根据前轮允许的内外转角, 计算出转向垂臂和转向过渡臂的尺寸。在这个过程当中, 应尽可能地利用好转向器输出轴允许的摆角。2 几种常用布置形式和特点2. 1 传统的转向系统布置形式采用传统布置形式的转向系统主要常见于10m 长以下的高地板旅

6、游客车和长途客车, 其布置如图2所示。图2中给出了转向传动装置与悬架共同设计 计算 研究客车技术与研究 2006年 第3期工作校核图, 目的是检查转向拉杆与悬架导向机构的运动是否协调。在此种布置形式中, 转向器一般布置在前钢板前支架附近, 这样使得与转向垂臂相连接的直拉杆球头点B1与前桥上转向节臂处直拉杆球头点B2随悬架跳动的中心O2较近, 从而比较容易找到合适的转向器布置位置, 使得运动不协调造成的轨迹偏差GH 和G H 较小。一般来说, GH 和G H 这一偏差应控制在轮胎的弹性变形范围内。目前国内大部分710m 客车采用发动机后置, 前开门, 前悬较长, 而长前悬客车转向器一般布置距离O

7、2较远, 这样要使GH 和G H 控制在轮胎弹性变形范围内, 转向器的选用很重要; 因前地板高度较高, 同时, 长前悬客车如采用传统的布置形式, 前直拉杆的长度较长, 在相同的前桥载荷条件下, 需增加直拉杆的直径, 以增加拉杆稳定性。C:弹簧主片中心; O1:C 点的摆动中心; A1:转向节臂球销中心; B1:转向摇臂下端球销中心; O2:A1点随悬架的摆动中心; KK :A1点随B1点的跳动轨迹; JJ :A1点随O2点的跳动轨迹; fc:静挠度; fd:动挠度; H G 、H G :轨迹偏差图2 传统的转向系统布置形式简图2. 2 转向垂臂采用倒置或横置转向垂臂倒置多采用于二级踏步城市客车

8、上。由于转向节臂球销中心A1点随悬架的摆动中心O2一般已接近于地板面, 如转向垂臂布置向下。为满足运动不协调造成的轨迹偏差在规定的范围内, 则整个转向器将超出地板面。为使整个转向器的布置不超出地板面, 而又保证整车的接近角, 转向垂臂倒置是目前国内二级踏步城市客车普遍采用的布置形式。转向垂臂横置用于大落差前桥和空气悬架在大型超低地板城市客车上, 其简图如图3所示。由于大型超低地板城市客车的气囊较大, 在前桥工字梁上方已没有布置转向节臂的位置, 转向节臂只有布置在工字梁的下方。但是采用大落差前桥后, 工字梁和地面的间隙已较小, 所以转向节臂和工字梁的距离很小。如采用转向垂臂下置, 容易造成转向直

9、拉杆和工字梁干涉。采用转向垂臂横置后, 转向垂臂和转向节臂基本上是一个平行四边形运动关系, 转向直拉杆基本上在和地面平行的平面上运动, 所 以减小了和工字梁干涉的可能性。图3 转向垂臂横置布置简图(俯视2. 3 采用中间摆臂形式采用中间摆臂形式的转向系统主要常见于10m 以上的高地板旅游客车和长途客车。此种车型前悬较长, 传统布置形式的转向系统已不能满足整车转向性能要求。国内10m 以上大客车目前应用最为广泛的布置形式如图4 所示。图4 采用中间摆臂形式的布置简图(各符号的含义与图2相同此种布置形式与传统的布置形式相比, 整个转向系统增加了前直拉杆、中间摆臂两个总成件。设计时, 应尽量使前直拉

10、杆和后直拉杆处于中间摆臂的同侧, 否则中间摆臂在运动时会形成一个扭矩, 使中间摆臂轴承容易损坏。其主要优点是:(1 由于中间摆臂的安装及布置要比转向器的布置安装简单得多, 所以和采用传统的转向系统布置形式相比, B1点更容易布置在O2点附近, 使运动不协调造成的轨迹偏差更小。(2 转向器布置位置较为灵活, 特别是转向器的高低位置布置的选择余地较大, 从而使得在整车总布置时, 从方向盘至转向器的传动装置的布置更为合理、方便。其缺点是:38第3期 2006年客车技术与研究设计 计算 研究(1 由于转向系统增加了前直拉杆和中间摆臂, 而且中间摆臂的加工及安装精度较高, 使得整车成本有所增加, 整个转

11、向系统的可靠性也有所降低。(2 在整车营运初期, 由于多了一道中间传动环节, 增大了转向传动传动阻力, 从而使得整车转向时可能出现转向沉重、回正不好的现象。而在整车营运一段时间后, 各传动副之间的间隙加大, 使得转向系统的转向自由间隙较大, 调整比较困难。2. 4 采用角传动器传动布置形式角传动器布置形式的转向系统常见于10m 以上的低地板城市客车, 其简图如图5 所示。图5 采用角传动器传动布置形式简图(各符号的含义与图2相同在此种布置形式中, 转向器的布置均为卧置。由于从方向盘至转向器的输入角度过大, 不可能实现用一根转向管柱将方向盘与转向器连接起来, 所以通常的方法是在中间加一角传动器来

12、转换传动角度, 此种布置形式大多见于大型低地板城市客车。其优点为:(1 能有效降低地板高度。因为大型城市客车的前轴荷较大, 所以转向器的体积也较大, 加上地板较低, 如转向器按常规布置, 则转向器将会有部分或全部在地板面以上, 造成传动困难、密封困难及车内不美观等问题。而将转向器卧置后, 转向器的高度下降较多, 加上角传动器的体积很小, 所以基本上不影响地板面高度, 而且不影响整车的接近角。(2 方向盘的布置位置较为灵活。由于从方向盘传动到转向器要经过转向管柱及传动轴二次万向传动, 所以方向盘和转向器在布置位置上在整车X 及Y 方向上都可以有较大的距离, 给整车总布置带来了一定的方便性。此种布

13、置形式的缺点是:(1 转向器的安装较困难。由于转向器体积较大, 加上转向器布置在前钢板前支架附近, 可用的空间较小, 为使转向器支架有足够的强度和刚度, 转向器支架的形状一般较为复杂, 而且重量较大。(2 整个转向系统的零部件增加, 成本也增加。3 大客车转向系统常见问题及分析液压动力转向系统的常见故障主要有液压助力系统因油液泄漏、渗入空气、动力转向泵失效、转向控制阀损坏和机械传动机构损坏而引起方向回位困难、转向沉重、车辆发飘和转向噪声等故障。3. 1 方向回位困难一般车辆都有转向自动回位的功能。液压助力的汽车, 由于液压阻尼的作用, 自动回位的功能有所减弱, 但还应保持一定的自动回位能力。如

14、果回位时还需转向时那样施力, 就说明回位功能有故障。这种故障一般发生在转向机械部分。如转向节主销与衬套缺油而烧损; 转向横、直拉杆接头缺油而锈蚀; 方向盘与转向机连接的传动轴万向节缺油而锈蚀或不灵活以及转向机的转向轴扇齿与活塞直齿啮合太紧等都会造成这种故障。3. 2 转向沉重装有动力转向的汽车本来转向应是很轻便的, 但在汽车行驶中却感到转向困难、沉重。其原因一般是液压转向助力系统失效或助力不足、机械传动机构损坏或调整不当所致, 如储液罐缺油或油液高度低于规定要求; 各油管接头处密封不良, 有泄漏现象; 转向液压回路中渗入了空气; 油管变形, 油路堵塞; 动力转向泵传动带张紧力不足, 传动带打滑

15、; 动力转向泵内部磨损、泄漏严重, 使动力转向泵输出压力达不到标准; 动力转向泵内调压阀失效, 使输出压力过低; 转向控制阀、动力液压缸内部泄漏等都会造成这种故障。转向沉重问题需要重点检查:(1 轮胎气压是否正常, 按规定气压充气。(2 转向液压系统各油管接头是否泄漏, 油管有无损坏、变形或裂纹。(3 油路中是否渗入空气并检查其原因。(4 储液罐内的油液质量和液面高度是否符合规定。(5 动力转向泵传动带的张紧程度, 查看传动带是否打滑或有无损坏。通过上述检查后, 可将方向盘向左、右极限位置来回转动, 如果转向轻便, 说明故障予以排除; 如果左、右转向仍然沉重, 则故障可能在动力转向泵、动力液压

16、缸或转向传动机构; 如果左、右转向助力不同, 则故障可能在转向控制阀。下面则需要检测转向泵输出油压以确诊故障所在部位。具体操作如下:将与规定油压相适应的压设计 计算 研究客车技术与研究 2006年 第3期力表(带阀门 连接在转向泵压力输出口与转向控制阀输入油管之间。检测时, 打开压力表阀门至全开, 使发动机怠速运转, 转动方向盘至极左或极右位置, 测量转向泵的输出油压。这时, 若油压达不到原厂规定的压力, 且在逐步关闭压力表阀门时, 油压也不升高, 说明转向泵有故障; 若油压未达到原厂规定的压力, 但在逐步关闭压力表阀门时油压升高, 可达到规定值, 说明转向泵良好, 故障出现在转向控制阀或动力

17、液压缸; 若检测时油压正常, 则故障在转向传动机构。检查转向传动机构时, 需要转动方向盘, 查看与转向柱轴相关的元件是否转动灵活, 查看角传动器、中间摇臂、各传动杆件球头连接部位是否过紧等。通过上述检测可发现问题并予以调整或重新换装, 解决转向沉重问题。3. 3 车辆发飘或跑偏车辆发飘是指方向盘居中时, 汽车向前行驶过程中从一侧飘向另一侧的现象。发飘的汽车行驶时, 难以保证向正前方向行驶而总向一边跑偏。车辆发飘的故障首先应检查机械部分和外部因素。汽车行驶在拱形路面的一侧时本身就有跑偏的倾向, 拱形越大跑偏就越明显, 这是外部因素。轮胎两边气压不均匀或左右轮胎磨损差异较大, 前钢板错位(如钢板中

18、心螺栓 或悬架元件损坏, 前轮定位偏差较大, 转向传动机构连接处间隙过大或连接件松动或磨损过甚等都会造成车辆发飘或跑偏。如果排除上述外部和机械因素, 车辆发飘或跑偏问题仍然存在, 则可能是油液脏污导致阀芯与阀套运动受到阻滞, 也可能是转向机内转向控制阀弹簧损坏或太软, 难以克服转向器传动阻力, 使控制阀不能及时回位, 也可能是转向控制阀阀芯偏离中间位置, 或虽然在中间位置但与阀套槽肩的缝隙大小不一致。3. 4 转向噪声汽车转向时, 转向系统有点噪声是正常现象, 但当噪声过大或影响转向性能时, 就视为故障了。通过辨听转向噪声一般可大体判断故障所在。当出现转向柱轴接头松动、横拉杆松动或球形接头松动, 或转向器安装过松, 连接处的润滑部位没有进行必要的润滑, 或者转向泵带轮松动等故障时, 则转向时会发出咔哒声; 若动力转向泵传动带打滑, 则转向时会发出嘎嘎声, 且方向盘从一极限位置转到另一极限位置时, 噪声更大; 若液压系统中有空气, 则转向时