第二十三章 汽车转向系统

<汽车构造>电子教案

第二十三章汽车转向系汽车转向系第一节 概述第二节 转向器及转向支配机构第三节转向传动机构第四节转向加力安装第五节转向油罐与转向液压泵12/26/20232哈尔滨工业大学〔威海〕第一节 概述汽车在行驶的过程中,需按驾驶员的意志改动其行驶方向。就轮式汽车而言,实现汽车转向的方法是,驾驶员经过一套专设的机构,使汽车转向桥(普通是前桥)上的车轮(转向轮)相对于汽车纵横线偏转一定角度。这一套用来改动或恢复汽车行驶方向的专设机构，即称为汽车转向系。一、汽车转向系的类型和组成二．两侧转向轮偏转角之间的理想关系式三．转向系角传动比12/26/20233哈尔滨工业大学〔威海〕一、汽车转向系的类型和组成转向系可按照转向能源的不同分为机械转向系和动力转向系两大类。1、机械转向系2、动力转向系12/26/20234哈尔滨工业大学〔威海〕1、机械转向系机械转向系以驾驶员的膂力作为转向能源，其中一切转力件都是机械的。机械转向系由转向支配机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。图23-1所示为机械转向系的组成和布置表示图。12/26/20235哈尔滨工业大学〔威海〕从转向盘到转向轴这一系列部件和零件，均属于转向支配机构。由转向摇臂之转向梯形这一系列部件和零件〔不包含转向节〕，均属于转向传动构造。目前，许多国内、外消费的新车型在转向操作机构中采用了万向传动安装〔转向万向节和转向传动轴〕。这有助于转向盘和转向器等部件和组件的通用化和系列化。转向盘在驾驶室安放的位置和各国交通法规规定车辆靠道路左边还有右边通行有关。12/26/20236哈尔滨工业大学〔威海〕2．动力转向系动力转向系是兼用驾驶室膂力和发动机动力为转向能源的转向系。在转向加力安装失效时，普通还应能由驾驶员独立承当汽车转向义务。因此，动力转向系是在机械转向系的根底上加设一套转向加力设备而构成的。属于转向加力安装的部件是：转向油罐9、转向液压泵10、转向控制阀5和转向动力缸12。12/26/20237哈尔滨工业大学〔威海〕二．两侧转向轮偏转角之间的理想关系式为了防止在汽车转向时产生路面对汽车的附加阻力和轮胎过快磨损，要求转向系能保证在汽车转向时，一切车轮均作纯滚动，显然，这只需在一切车轮的轴线都相交与一点时方能实现。此交点O称为转向中心。角与的理想关系式是：12/26/20238哈尔滨工业大学〔威海〕由转向中心O到外转向轮与地面接触点的间隔，称为车转弯半径。转弯半径越小，那么汽车转向所需场地就越小。当外转向轮偏转角到达最大值时，转弯半径R最小。在理想情况下，最小转弯半径与的关系为：对于只用前桥转向的三轴汽车，由于中轮和后轮的轴线总是平行的，故不存在理想的转向中心。计算转弯半径的时候，可以用一根与中、后轮轴线等间隔的平行线作为理想的与原三轴汽车相当的双轴汽车的后轮轴线。12/26/20239哈尔滨工业大学〔威海〕对于用第一、第三两车桥转向的三轴汽车〔图22-4a〕，可以第二桥车轮轴线为基线，分别利用

求出第一桥和第三桥两侧车轮偏转角之间的理想关系式，作为设计上述两车桥的转向梯形的根据。对于利用第一、第二两车桥转向的四轴车，可以第三、四两桥轴线之间平行线为基线，分别求出这两转向桥两侧车轮偏转角的近似理想关系。12/26/202310哈尔滨工业大学〔威海〕三．转向系角传动比转向盘的转动增量与转向摇臂转角的相应增量之比,称为转向器角传动比。转向摇臂转角增量与转向盘所在的一侧的转向节的转角相应增量之比，称为转向传动机构角传动比。转向盘转角增量与同侧转向节相应转角增量之比那么为转向系角传动比，以表示，显然，。转向系统角传动比乱越大，那么为了抑制一定的地面转向阻力矩所需的转向盘上的转向力矩便越小，从而在转向盘直径一定时，驾驶员应加于转向盘的手力也越小。但过大，将导致转向支配不够灵敏，即为了得到一定的转向节偏转角，所需的转向盘转角过大。因此，选取，时应适当兼顾转向省力和转向灵敏的要求。选取时应适当兼顾转向省力和转向灵敏的要求。转向系角传动比主要取决于转向器角传动比。12/26/202311哈尔滨工业大学〔威海〕机械转向系同时满足转向省力和转向灵敏要求的程度是很有限的。因此，普便采用动力转向已成为中型以上的货车和中级以上的轿车转向系的开展趋势。汽车的转向支配性能并不能完全取决于转向系，还与行驶系有关。汽车在直线行驶中，转向轮会遭到偶尔出现的地面侧向反力而发生不测偏转，因此汽车不测转向。为了使汽车稳定地坚持直线方向，要求转向轮偶尔发生偏转后能立刻自动回到相应于直线行驶的中立位置。在第二十章所述及的转向主销的后倾和内倾，即是为保证转向轮这一自动回正性能而在行驶系中所采取的构造措施之一。此外，悬架导向机构的构造和布置以及轮胎的径向和侧向刚度，都对汽车转向支配性有很大影响。12/26/202312哈尔滨工业大学〔威海〕第二节 转向器及转向支配机构一、转向器的传动效率及转向盘自在行程二、转向器三、转向支配机构12/26/202313哈尔滨工业大学〔威海〕一、转向器的传动效率及转向盘自在行程1、转向器传动效率2、转向盘自在行程12/26/202314哈尔滨工业大学〔威海〕1、转向器传动效率转向器的输出功率于输入功率之比，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，那么为逆效率。逆效率很高的转向器很容易经转向传动机构传来的路面反力传到转向轮和转向盘上，故称为可逆式转向器。可逆式转向器有利于汽车转向终了后转向轮和转向盘自动回正，但也能将坏路对车轮的冲击力传到转向盘，发生"打手"情况。12/26/202315哈尔滨工业大学〔威海〕逆效率很低的转向器，称为不可逆式转向器。不平道路对转向轮的冲击载荷输入到这种器，即由其中各传动零件〔主要是传动副〕接受，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成为不能够。此外，道路的转向阻力距也不能反响到转向盘，使得驾驶员不能得到路面反响信息〔所谓丧失“路感〞〕，无法据以调理转向力矩。逆效率略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，驾驶员能有一定的路感，转向轮自动回正也可实现，而且只需在路面冲击很大时，才干部分地传到转向盘。现代汽车上普通不采用不可逆式转向器。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汽车和工矿用自卸汽车。12/26/202316哈尔滨工业大学〔威海〕2、转向盘自在行程单从转向支配灵敏而言，最好是转向盘和转向节的运动同步开场并同步终止。然而，这在实践上是不能够的。由于在整个转向系中，各传动件之间都必然存在着装配间隙，并且这些间隙将随着零件的磨损而增大。在转向盘转向过程的开场阶段。以后，才需求对转向盘施加更大的转向力矩以抑制经车轮传到转向节上的转向阻力矩，从而实现使各种转向轮偏转的目的。转向盘在空转阶段中的角行程，称为转向盘自在行程。转向盘自在行程对于缓和路面冲击及防止使驾驶员过度紧张时有利的，但不宜过长，以免过分影响灵敏性。普通来说，转向盘从相应于汽车直线行驶的中间位置向任一方向的自在行程最好不超越10º—15º。当零件磨损严重到使转向盘自在行程超越25º—30º时，必需进展调整。12/26/202317哈尔滨工业大学〔威海〕二、转向器1、齿轮齿条式转向器2、循环球式转向器3、蜗杆曲柄指销式转向器12/26/202318哈尔滨工业大学〔威海〕1、齿轮齿条式转向器12/26/202319哈尔滨工业大学〔威海〕1、齿轮齿条式转向器齿轮齿条式转向器由于具有构造简单、紧凑，分量轻，刚性大，转向灵敏，制动容易，本钱低，正逆效率很高，而且特别适宜于烛式和麦弗逊式悬架配用，便于布置等优点，因此，目前它在轿车和微型、轻型货车上得到了广泛的运用。图23-5所示为红旗CA7220型轿车的齿轮齿条式转向器。12/26/202320哈尔滨工业大学〔威海〕齿轮齿条式转向器12/26/202321哈尔滨工业大学〔威海〕齿条齿轮转向系的变比支配12/26/202322哈尔滨工业大学〔威海〕如下图，在转向齿条的中部用螺栓〔图中未显示出来〕与转向拉杆的托架10联接，转向左、右横拉杆11、9的外侧与转向臂13相连〔右转向节臂图中未显示出来〕。当转动转向盘时，转向齿轮转动，使与之啮合的转向齿条沿轴线挪动，从而使左、右横拉杆带动左、右转向节挪动，使转向轮偏转，以实现汽车转向。由上述可见，采用齿轮齿条式转向器还可以使转向传动机构简化，不需求转向摇臂和转向直拉杆等。这也是目前在轿车和微、轻型载货汽车上运用日趋广泛的缘由之一。12/26/202323哈尔滨工业大学〔威海〕2、循环球式转向器12/26/202324哈尔滨工业大学〔威海〕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构造方式。循环球式转向器中普通有两级传动副，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。图23-7所示为解放CA1040系列轻型载货汽车的循环球---齿条齿扇式转向器。12/26/202325哈尔滨工业大学〔威海〕为了减少转向螺杆和转向螺母之间的摩擦，两者之间的螺纹以沿螺旋槽滚动的许多钢球5代之，以实现滑动摩擦变为滚动摩擦。转向螺杆转动时，经过钢球将力传给螺母，螺母即沿轴线挪动。同时，在螺杆与螺母两者和钢球间的摩擦力偶作用下，一切钢球便在螺旋管状通道内滚动，构成“球流〞。循环球式转向器的正传动效率很高〔可达90%—95%〕，故支配轻便，运用寿命长，任务平稳、可靠。但其逆效率也很高，容易将路面冲击力传到转向盘。不过，对于前轴轴载质量不大而又经常在平坦路面上行驶的轻、中型载货汽车而言，这一缺陷影响不大。因此，循环球式转向器已广泛运用于各类各级汽车。12/26/202326哈尔滨工业大学〔威海〕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〔图23-8〕以转向蜗杆3为自动件，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。12/26/202327哈尔滨工业大学〔威海〕蜗杆式转向器12/26/202328哈尔滨工业大学〔威海〕图23-9所示为东风EQ1090E型汽车的蜗杆曲柄双指销式转向器。具有梯形载面螺纹的转向蜗杆3支撑于转向器壳体两端的两个角接触轴承2和9上。转向器盖上装有调整螺塞7，用以调整上述两轴承的紧度，调整后用螺母8锁紧。12/26/202329哈尔滨工业大学〔威海〕特点：双指销式转向器在中间及其附近位置时，其两指销均与蜗杆啮合，故每个指销所受载荷较单指销式转向器的指销载荷为小，因此其任务寿命较长。当摇臂轴转角相当大时，一个指销与蜗杆脱离啮合，另一指销仍坚持啮合，因此，双指销式的摇臂轴转角范围较单指销式为大。但双指销式构造较复杂，对蜗杆的加工精度要求也较高。12/26/202330哈尔滨工业大学〔威海〕三、转向支配机构1.转向支配机构的组成和布置2.转向盘3.转向轴和转向柱管的吸能安装12/26/202331哈尔滨工业大学〔威海〕1.转向支配机构的组成和布置从转向盘到转向传动轴这一系列部件和零件属于转向支配机构。如下图，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。12/26/202332哈尔滨工业大学〔威海〕转向柱管2中部用橡胶垫3和半圆形冲压转向柱管支架4固定在驾驶室前围板上，下端插入铸铁转向柱管5的孔中，支座5那么固定在转向支配机构支架6上。穿过转向柱管的转向轴15上端借转向节衬套16支承，下端那么支承在转向柱管支座5中的圆锥滚子轴承〔图上未示出〕上，其轴向位置由转向轴限位弹簧7限定。转向轴经过双万向节万向传动安装与转向器中的转向蜗杆相连。下万向节11与转向传动轴9用滑动花键衔接。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志。装配时，应将两个零件上的标志短线对齐。12/26/202333哈尔滨工业大学〔威海〕2.转向盘转向盘由轮缘1、轮辐2和轮毂3组成。轮辐普通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，借此与转向轴衔接。转向盘内部是由成形的金属骨架构成。骨架外面普通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。12/26/202334哈尔滨工业大学〔威海〕当汽车发生碰撞时，从平安性思索，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，其骨架也能产生变形〔图23-12〕，以吸收冲击能量，减轻驾驶员受伤的程度。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维护驾驶员的气囊安装。12/26/202335哈尔滨工业大学〔威海〕3.转向轴和转向柱管的吸能安装转向轴是衔接转向盘和转向器的传动件，并传送它们之间的转矩。转向柱管安装在车身上，支承着转向盘。转向轴从转向柱管中穿过，支承在柱管内的轴承和衬套上。转向轴和转向柱管的吸能安装有多种方式。其根本构造原理是，当转向轴遭到宏大冲击时，转向轴产生轴向位移，使支架或某些支承件产生塑性变形，从而吸收冲击能量。如下图为红旗CA7220型轿车转向轴的吸能安装表示图。12/26/202336哈尔滨工业大学〔威海〕假设汽车上装的是图23-13所示的吸能安装，那么网格状转向柱管的网格部分将被紧缩而产生塑性变形。吸收冲击能量，以减轻对人体的损伤。12/26/202337哈尔滨工业大学〔威海〕转向柱12/26/202338哈尔滨工业大学〔威海〕第三节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能够小。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不同而异。一、与非独立悬架配用的转向传动机构二、与独立悬架配用的转向传动机构12/26/202339哈尔滨工业大学〔威海〕一、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2.转向摇臂3.转向直拉杆4.转向横拉杆12/26/202340哈尔滨工业大学〔威海〕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如图，主要包括转向摇臂2、转向直拉杆3、转向节臂4和转向梯形臂5。在前桥仅为转向桥的情况下，由转向横拉杆6和左、右梯形臂5组成的转向梯形，普通布置在前桥之后〔图23-14a〕。在发动机位置较低或转向桥兼充驱动桥的情况下，为防止运动的干涉，往往将转向梯形布置在前桥之前，图23-14b。假设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，那么可将转向直拉杆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23-14c〕。12/26/202341哈尔滨工业大学〔威海〕2.转向摇臂它是转向传动副与直拉杆间的传动件。如图23-10所示，东风EQ1090E型汽车的转向摇臂13的大端用锥星三角细花键与转向器中摇臂轴的外端衔接；其小端带有球头销，以便与转向直拉杆14作空间铰链衔接。12/26/202342哈尔滨工业大学〔威海〕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23-15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与车架跳动时，为了不发生运动干涉，三者之间的衔接件都是球形铰链。12/26/202343哈尔滨工业大学〔威海〕4.转向横拉杆它是转向梯形机构的底边。转向横拉杆由横拉杆体2和旋装在两端的横拉杆接头1组成，如图b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。球头座的外形如图c所示。装配时，两球头座的凹凸部相互嵌合。弹簧12保证两球头座严密接触，并起缓冲作用，其预紧力由螺塞11调整。12/26/202344哈尔滨工业大学〔威海〕图23-17所示东风EQ1090E型汽车转向拉杆接头的机构方式，与解放CA1091型汽车横拉杆接头类似，但球头座是钢制的。此外，螺孔切口两边无耳孔，而是用螺栓经过冲压制成的卡箍12夹紧在横拉杆体上。这样，就使接头的构造和制造工艺简化了。12/26/202345哈尔滨工业大学〔威海〕二、与独立悬架配用的转向传动机构12/26/202346哈尔滨工业大学〔威海〕二、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，因此转向桥必需是断开式。与此相应，转向传动机构中的转向梯形也必需分成两段〔图23-18a〕或三段〔图23-18b)，并且由在平行与路面的平面中摆动的转向摇臂直接带动或经过转向直拉杆带动。12/26/202347哈尔滨工业大学〔威海〕红旗CA7560型轿车转向传动机构的详细构造如图23-19所示。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、右转向横拉杆4、5衔接。转向直拉杆外端与转向摇臂球头销1相连。左、右转向横拉杆外端也用球头销分别与左、右梯形臂3和6铰接。故能伴随车轮相对于车架和摇杆7向平面内上下摆动。12/26/202348哈尔滨工业大学〔威海〕第四节转向加力安装一、转向加力安装概述二、整体式动力转向器三、半整体式动力转向器四、转向加力器12/26/202349哈尔滨工业大学〔威海〕一、转向加力安装概述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，对转向传动安装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，以助驾驶员施力缺乏的一系列零部件，总称为转向加力安装。转向加力安装是由机械转向器、转向动力缸和转向控制阀三大部分组成。按传能介质不同，转向加力安装有气压式和液压式两种。气压系统的任务压力较低〔普通不高于0.7MPa〕，用于这种重型汽车上时，其部件尺寸将过于庞大。液压转向加力安装的任务压力可高达10MPa以上，故其部件尺寸很小。液压系统任务时无噪声，任务滞后时间短，而且能吸收来自不平路面的冲击。因此，液压转向加力安装已在各类各级汽车上获得广泛运用。12/26/202350哈尔滨工业大学〔威海〕本节所讨论的转向加力安装也只限于液压式的。〔一〕液压转向加力安装分类〔二〕液压转向加力安装的转向控制阀分类〔三〕常流式转向加力安装的构造布置方案12/26/202351哈尔滨工业大学〔威海〕〔一〕液压转向加力安装分类液压转向加力安装有常压式和常流式两种。1.常压式液压转向加力安装2.常流式液压转向加力安装12/26/202352哈尔滨工业大学〔威海〕1.常压式液压转向加力安装常压式液压转向加力安装表示图23-20。在汽车直线行驶，转向盘坚持中立时，转向控制阀5经常处于封锁位置。当转动转向盘时，机械转向器6即经过转向摇臂等杆件使转向控制阀转入开启位置。无论转向盘处于中立位置还是转向位置，转向盘坚持静止还是运动形状，该系统任务管路中总是坚持高压。12/26/202353哈尔滨工业大学〔威海〕2.常流式液压转向加力安装常流式液压转向加力安装表示图为图23-21，不转向时，转向控制阀6坚持开启。当驾驶员转动方向盘，经过机械转向器7使转向控制阀处于与某一转弯方向呼应任务位置时，转向动力缸的相应任务腔方与回油管路隔绝，转而与液压泵输出管路相通。12/26/202354哈尔滨工业大学〔威海〕上述两种液压转向加力安装比较，常压式的优点在于有储能器积存液压能，可以运用流量较小的转向液压泵，而且还可以在液压泵不运转的情况下坚持一定的转向加力才干，使汽车有能够续驶一定间隔。这一点对重型汽车而言尤为重要。常流式的优点是构造简单，液压泵寿命长，漏泄较少，耗费功率也较少。因此，目前只需少数重型汽车〔如法国的贝利埃T25型，美国WABCO120C型等自卸汽车〕采用常压式转向加力安装，而常流式转向加力安装那么广泛运用于各种汽车。12/26/202355哈尔滨工业大学〔威海〕〔二〕液压转向加力安装的转向控制阀分类转向控制阀有滑阀式和转阀式两种。1.滑阀式转向控制阀2.转阀式转向控制阀12/26/202356哈尔滨工业大学〔威海〕1.滑阀式转向控制阀阀体沿轴向挪动来控制油液流量的转向控制阀，称为滑阀式转向控制阀，如图23-22所示。12/26/202357哈尔滨工业大学〔威海〕2.转阀式转向控制阀阀体绕其圆心转动来控制油液流量的转向控制阀，称为转阀式转向控制阀，如图23-23所示。12/26/202358哈尔滨工业大学〔威海〕〔三〕常流式转向加力安装的构造布置方案常流式转向加力安装的构造布置方案，按机械转向器、转向控制阀和转向动力缸三者组合及相对位置，有如下三种方案，如下图。12/26/202359哈尔滨工业大学〔威海〕二、整体式动力转向器目前，国产轿车上几乎毫无例外的采用了转阀式的整体动力转向器。图23-25所示为捷达轿车上采用的带整体式的动力转向器的转向加力安装表示图。齿轮齿条式机械转向器、转向动力缸和控制阀设计成一体，组成整体式动力转向器。12/26/202360哈尔滨工业大学〔威海〕转阀的构造如图23-26所示。扭杆6的前端用销2与转向齿轮衔接，后端与阀芯衔接，而阀芯又与转向轴的末端固定在一同，因此转向轴可经过扭杆带动转向齿轮转动。12/26/202361哈尔滨工业大学〔威海〕解放CA1120PK2L2汽车所采用的整体式动力转向器也是转阀式，如图23-27所示。机械转向器为循环球-齿条齿扇式。12/26/202362哈尔滨工业大学〔威海〕黄河JN1181C13型汽车为滑阀式整体动力转向器，其构造如图23-28所示。该动力转向器的前端〔图中为左端〕是具有输入轴10与一对直角传动圆锥齿轮1和5的齿轮箱，其传动比为1。12/26/202363哈尔滨工业大学〔威海〕三、半整体式动力转向器原红岩CQ261型汽车的液压转向加力安装是半整体式动力转向器，如图23-29。它是由机械转向器5和转向控制阀4组合成一个部件--半整体式动力转向器，转向动力缸那么是独立部件。12/26/202364哈尔滨工业大学〔威海〕半整体式动力转向器的构造如图23-30所示。其中的机械转向器属于循环球-滑块曲柄销式。转向器的第二级传动副是转向螺母-曲柄销副。12/26/202365哈尔滨工业大学〔威海〕转向动力缸的构造如图23-31所示。衔接叉1与转向摇臂相连，后盖5与固定在车架上的支