汽车构造第三章底盘-转向系统

第三章底盘汽车构造

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第三章底盘汽车构造第三章底盘第二节行驶系统第三节转向系统第四节制动系统第一节传动系统

一、转向系统的概述

1．转向系统的功用

转向系统是指由驾驶人操纵，能实现转向车轮偏转和复位的一套机构。转向系统的功用是按照驾驶人的意愿改变汽车的行驶方向和保持汽车稳定地直线行驶。

2．转向系统的分类

汽车转向系统按转向动力源的不同，可分为机械转向系统和动力转向系统两大类。

机械转向系统以驾驶人的体力作为转向动力源，系统的所有传动件都是机械的，图3-146所示为一般乘用车采用的机械转向系统。第三节转向系统图3-146乘用车采用的机械转向系统

动力转向系统是兼用驾驶人的体力和发动机的动力作为转向能源的转向系统。动力转向系统是在机械转向系统的基础上加设一套转向助力装置而形成的，如图3-147所示。第三节转向系统图3-147动力转向系统

3．转向系统的基本组成和工作原理

普通货车机械转向系统由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成，其具体组成如图3-148所示。转向操纵机构包括转向盘、转向轴、转向万向节、转向传动轴，转向器有多种类型，普通货车一般采用循环球式转向器，乘用车常采用齿轮齿条式转向器，转向传动机构包括转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂、转向梯形臂、转向横拉杆等。第三节转向系统图3-148普通货车机械转向系统示意图

汽车转向时，驾驶人转动转向盘，通过转向轴、转向万向节和转向传动轴，将转向力矩输入转向器。转向器中有1～2级啮合传动副，具有降速增矩的作用。转向器输出的转矩经转向摇臂，再通过转向直拉杆传给固定在左转向节上的转向节臂，使左转向节及装于其上的左转向车轮绕主销偏转。左、右转向梯形臂的一端分别固定在左、右转向节上，另一端则与转向横拉杆通过球铰链连接。当左转向节偏转时，经左转向梯形臂、转向横拉杆和右转向梯形臂的传递，右转向节及装于其上的右转向车轮也随之绕主销同向偏转一定的角度。

左、右转向梯形臂和转向横拉杆构成转向梯形，其作用是在汽车转向时，使左、右转向车轮按一定的规律进行偏转。第三节转向系统

4．转向理论

（1）转向系统角传动比转向系统角传动比是指转向盘的转角与转向盘同侧的转向车轮偏转角的比值，一般用iw表示。转向系统角传动比是转向器角传动比i1和转向传动机构角传动比i2的乘积。转向器角传动比是转向盘转角和转向摇臂摆角之比。转向传动机构角传动比是转向摇臂摆角与同侧转向车轮偏转角之比。

（2）转向盘的自由行程转向盘的自由行程（图3-149）是指转向盘在空转阶段的角行程，这主要是由于转向系统各传动件之间的装配间隙和弹性变形所引起的。由于转向系统各传动件之间都存在着装配间隙，而且这些间隙将随零件的磨损而增大，因此在一定的范围内转动转向盘时，转向节并不马上同步转动，而是在消除这些间隙并克服机件的弹性变形后，才做相应的转动，即转向盘有一空转过程。

转向盘自由行程对于缓和路面冲击及避免驾驶人过于紧张是有利的，但过大的转向盘自由行程会影响转向灵敏性。所以汽车维护工作应包括定期检查转向盘的自由行程。一般汽车转向盘的自由行程应不超过15°，否则，应进行调整。第三节转向系统第三节转向系统图3-149转向盘的自由行程

（3）转向时车轮运动规律汽车转向时，内侧车轮和外侧车轮滚过的距离是不等的。为了保证转向过程中车轮做纯滚动，要求所有车轮的轴线都交于一点方能实现。此交点O称为汽车的转向中心，如图3-150所示。汽车转向时内侧转向车轮偏转角β大于外侧转向车轮偏转角α。α

与β的关系为式中B——两侧主销中心距（可近似认为是转向车轮轮距）；L——汽车轴距。

从转向中心Ο到外侧转向车轮与地面接触点的距离R称为汽车转弯半径。转弯半径R越小，则汽车转向所需要场地就越小，汽车的机动性也越好。当外侧转向车轮偏转角达到最大值αMAX时，转弯半径R最小。第三节转向系统第三节转向系统图3-150汽车转向示意图

二、机械转向系统

1．转向器

转向器是转向系统中降速增矩的装置，其功用是增大由转向盘传到转向节的力，并改变力的传动方向。常见的转向器为齿轮齿条式转向器和循环球式转向器。

（1）齿轮齿条式转向器齿轮齿条式转向器采用一级传动副，主动件是转向齿轮，从动件是转向齿条。齿轮齿条式转向器主要由壳体、转向齿轮及转向齿轮轴、转向齿条、转向减振器、转向器补偿机构、橡胶防尘套等组成，如图3-151所示。第三节转向系统图3-151齿轮齿条式转向器

转向齿轮与转向齿轮轴制成一体，转向齿轮轴通过衬套和球轴承装于壳体上，其伸出端和转向轴连接，转向齿条与左、右横拉杆及减振器连接，并安装有橡胶防尘套，以防灰尘进入转向器。齿轮齿条式转向器分两端输出式和中间（或单端）输出式两种结构形式。齿轮齿条式转向器是利用转向齿轮顺时针或逆时针方向的转动带动转向齿条左右移动，再通过转向横拉杆推动转向节，达到转向的目的。

齿轮齿条式转向器结构简单，可靠性好，便于独立悬架的布置；同时，由于转向齿轮和转向齿条直接啮合，转向灵敏、轻便，在各类型汽车上的应用越来越多。第三节转向系统

（2）循环球式转向器循环球式转向器由转向螺杆、制有齿条的转向螺母、带齿扇的摇臂轴、侧盖、底盖、壳体等组成，如图3-152所示。第三节转向系统图3-152循环球式转向器

循环球式转向器采用两级传动副，第一级是转向螺杆与转向螺母，第二级是齿条与齿扇。转向螺杆通过一对轴承安装于壳体内，其上装有制成方形的转向螺母，形成第一级传动副。在转向螺杆和转向螺母之间形成的螺旋形通道内和转向螺母侧面的两根U形导管内装有很多钢球，转向螺杆转动时钢球在球道内做循环运动，形成“球流”，以提高传动效率，并减少转向螺杆、转向螺母的磨损。转向摇臂轴通过滚针轴承装于壳体内，齿扇与摇臂轴制成一体并与转向螺母上的齿条相啮合，形成第二级传动副。当转向螺杆转动时，转向螺母不能转动，只能沿转向螺杆轴线做轴向移动，并通过转向螺母下端面的齿条带动齿扇及转向摇臂轴转动，从而带动摇臂摆动，最后由转向传动机构将转向力矩传至转向车轮，使转向车轮偏转，以实现转向。钢球在转向螺母内绕行两周后，流出转向螺母进入导管，再由导管流回转向螺母通道，同时有两列钢球在各自的封闭通道内循环。

转向器通过托架安装在车架上，其侧盖上装有调整螺栓和锁紧螺母，用来调整齿扇和转向螺母上齿条的啮合间隙；其底盖与壳体之间装有调整垫片，以调整转向螺杆两端轴承的预紧度。壳体上方装有通气螺塞，兼作加油用，下方装有放油螺塞。

循环球式转向器的最大优点是传动效率高、操纵轻便、工作可靠、使用寿命长，其主要缺点是结构复杂、制造精度要求高。第三节转向系统

2．转向操纵机构

汽车转向操纵机构主要由转向盘、转向轴和转向柱管等组成，如图3-153所示。转向轴是连接转向盘和转向器的传动件，并传递它们之间的转矩。转向柱管安装在车身上，转向轴从转向柱管中穿过，支承在转向柱管内的轴承和衬套上。

转向操纵机构的功用是产生转动转向器所必需的操纵力，并具有一定的调节和安全性能。转向操纵机构要将驾驶人操纵转向盘的力传给转向器，同时为了驾驶人驾驶舒适，还要求转向操纵机构可以进行调节，以满足不同驾驶人的需求；为了防止车辆撞击后对驾驶人的损伤，还要求转向操纵机构具有一定的安全保护装置。第三节转向系统第三节转向系统图3-153转向操纵机构

（1）转向盘转向盘俗称为方向盘，由轮圈、轮辐和轮毂组成，如图3-154所示。轮辐一般有3或4根辐条。轮毂有圆孔及键槽，利用键和螺母将其固定在转向轴的轴端。转向盘内部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、树脂或皮革，以具有良好的手感并防止手心出汗时转向盘打滑。第三节转向系统图3-154转向盘

（2）转向轴与转向柱管乘用车的转向操纵机构要求转向柱管必须装备能够缓和冲击的吸能装置。转向轴和转向柱管吸能装置的基本工作原理是：当转向轴受到巨大冲击而产生轴向位移时，通过转向柱管或支架产生塑性变形、转向轴产生错位等方式，吸收冲击能量。

可收缩式转向柱管（图3-155）用于防止驾驶人在事故中受到严重伤害。在碰撞开始过程中可收缩转向柱管，防止转向柱管被压下时转向盘伤害驾驶人，同时它也缓冲了驾驶人与转向盘之间的二次碰撞。通过沿转向柱管垂直收缩，碰撞的能量被转向轴或转向柱管吸收。转向轴分为上下两段，为防止它滑动或转动还可以使用塑料模压销将轴的两部分连接起来。这种结构允许塑料销在碰撞开始过程中折断，转向轴将向内压缩使作用到驾驶人身上的力得到缓冲。第三节转向系统图3-155可收缩式转向柱管

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给转向车轮，使两侧转向车轮偏转，以实现汽车转向，并保证左右转向车轮的偏转角按一定关系变化。

（1）转向传动机构结构类型

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示意图如图3-156所示，它一般由转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂、转向梯形臂和转向横拉杆等组成。各杆件之间都采用球形铰链连接，并设有防止松动、缓冲吸振、自动消除磨损后的间隙等的结构。当前桥仅为转向桥时，由左、右梯形臂和转向横拉杆组成的转向梯形一般布置在前桥之后，称为后置式，如图3-156a所示；这种布置简单方便，且后置的横拉杆有前面的车桥做保护，可避免直接与路面障碍物相碰撞而损坏。当发动机位置较低或前桥为转向驱动桥时，往往将转向梯形布置在前桥之前，称为前置式，如图3-156b所示。若转向摇臂不是在汽车纵向平面内前后摆动，而是在与路面平行的平面内左右摆动，则可将转向直拉杆横向布置，并借球头销直接带动转向横拉杆，从而推动左、右梯形臂转动，如图3-156c所示。第三节转向系统第三节转向系统图3-156与非独立悬架配用的转向传动机构示意图

2）与独立悬架配用的转向传动机构。当转向车轮采用独立悬架时，由于每个转向车轮都需要相对于车架（或车身）做独立运动，所以，转向桥必须是断开式的。与此同时，转向传动机构中的转向梯形也必须分成两段或三段。图3-157所示为几种独立悬架配用的转向传动机构示意图。其中，图3-157a所示的转向传动机构与循环球式转向器配用，图3-157b所示的转向传动机构与齿轮齿条式转向器配用。第三节转向系统图3-157与独立悬架配用的转向传动机构示意图

（2）转向传动机构主要部件的结构

1）转向摇臂。图3-158所示为常见转向摇臂的结构形式，其大端具有三角细花键锥形孔与转向摇臂轴连接，并用螺母固定；其小端用锥形孔与球头销柄部连接，同样用螺母固定。转向摇臂安装后，从中间位置向两边摆动的角度应大致相等，故在把转向摇臂安装到转向摇臂轴上时，两者相应的角度位置应正确。为此，常在摇臂大孔外端面上和摇臂轴的外端面上各刻有短线，或是在两者的花键部分上都少铣一个齿作为装配标记。装配时应将标记对齐。第三节转向系统图3-158常见转向摇臂的结构形式

2）转向直拉杆。转向直拉杆（图3-159）是连接转向摇臂和转向节臂的杆件，具有传力和缓冲作用。

第三节转向系统图3-159转向直拉杆

直拉杆体由两端扩大的钢管制成，在扩大的端部里，装有由球头销、球头座、弹簧座、压缩弹簧和螺塞等组成的球铰链。球头销的锥形部分与转向摇臂连接，并用螺母固定。

球头部分通过钢管上开有的圆孔伸入钢管内前、后两个球头座之间。在螺塞和弹簧的作用下，球头与球头座紧靠。在使用中，弹簧缓冲了转向车轮传来的冲击和振动，同时也保证了当球头和球头座磨损后自动消除间隙。弹簧座小端与球头座背部具有不大的缝隙，以限制弹簧过载，防止弹簧折断时，球头从钢管中脱出。另外钢管上装有油嘴，用来加注润滑油，转向直拉杆两端的弹簧装在球头销的同一侧，是保证转向直拉杆在受到向前或向后的冲击力时，都有一弹簧起作用。第三节转向系统

3）转向横拉杆。转向横拉杆（图3-160）由横拉杆体和两个旋装在两端的拉杆接头组成，其特点是长度可调，通过调整转向横拉杆的长度，可以调整前轮前束。第三节转向系统图3-160转向横拉杆

4）转向减振器。为了衰减由于道路不平而传递给转向盘的冲击、振动，防止转向盘“打手”，稳定汽车行驶方向，许多乘用车装有转向减振器。

转向减振器一端与车身（或前桥）铰接，另一端与转向直拉杆（或转向器）铰接。转向减振器的结构如图3-161所示，其工作原理与悬架中的减振器相类似。第三节转向系统图3-161转向减振器的结构

三、液压式动力转向系统

为了减轻驾驶人的疲劳强度，改善转向系统的技术性能，目前很多汽车都采用了液压式动力转向系统。采用液压式动力转向的汽车转向时，所需的能量在正常情况下，只有小部分是驾驶人提供的体能，而大部分是发动机驱动转向油泵旋转，将发动机输出的部分机械能转化为压力能。并在驾驶人控制下，对转向传动装置或转向器中某一传动件施加不同方向的随动渐进压力，从而实现转向。

液压式动力转向系统由机械转向器、转向控制阀、转向动力缸、转向油泵和转向油罐等组成，如图3-162所示。转向油泵安装在发动机上，由曲轴通过传动带驱动运转向外输出油压，转向油罐有进、出油管接头，通过油管分别和转向油泵和转向控制阀连接。动力转向器为整体式动力转向器，其转向控制阀用以改变油路。第三节转向系统第三节转向系统图3-162液压式动力转向系统

1．转向控制阀

液压转阀式转向控制阀的结构如图3-163所示。转向控制阀的转子安装在转向齿轮轴上，在其中间插入转向控制阀扭杆并固定。转向控制阀阀体和转向油泵相通，且在其两端有与转向动力缸相通的阀门孔，由其所处位置决定是否向转向动力缸供油。转向盘转动时，根据转向控制阀扭杆的扭转量提供相应的油压辅助力。转向油泵的供油压力由转向控制阀控制。高压油经过转向控制阀内的空隙进入转向动力缸活塞两端，使活塞左右运动，带动转向齿条运动。第三节转向系统图3-163液压转阀式转向控制阀的结构

如图3-164所示，转向盘旋转时，带动转向控制阀扭杆旋转，使转向控制阀转子旋转，阀门孔打开，开始供油。当转向盘转角很大时，转向控制阀扭杆转角大，进入转向动力缸的油液多，推动转向动力缸活塞运动，从而减轻转向操纵力。高速时，转向角转角小，进入转向动力缸的油液很少，转向操纵力大。当进入转向动力缸的油液流量很大时，过剩油液通过电磁阀流回转向罐。当转向盘旋转停止时，阀门孔被关闭，转向动力缸活塞两端的油压相同。第三节转向系统图3-164液压式动力转向系统的工作原理

2．转向油泵

转向油泵是动力转向系统的动力源，其功用是将发动机的机械能变为驱动转向动力缸工作的液压能，再由转向动力缸输出的转向力，驱动转向车轮转向。

转向油泵的结构类型有多种，常见的有齿轮式、转子式和叶片式。目前最常用的是双作用叶片式转向油泵，其工作原理如图3-165所示。当发动机带动转向油泵顺时针旋转时，叶片在离心力的作用下紧贴在定子的内表面上，工作容积开始由小变大，从吸油口吸进油液，而后工作容积由大变小，压缩油液，经压油口向外供油。再转180°，又完成一次吸压油过程。第三节转向系统图3-165双作用叶片泵的结构及工作原理

四、电动式动力转向系统

电动式动力转向系统的基本原理是根据汽车行驶速度（车速传感器输出信号）、转矩及转向角信号，由ECU控制电动机及减速