汽车拖拉机底盘 课件 第三章 转向系统

第三章汽车转向系统第一节转向系统概述第二节机械转向系统第三节动力转向系统第四节

转向系统助力特性第五节

履带拖拉机转向系统第六节

手扶拖拉机转向系统汽车转向系统的功用保证汽车按驾驶员的要求进行转向和正常行驶。汽车转向系统的定义汽车中用来改变或者恢复其行车路线的系统。第一节转向系统概述根据产生转向力矩的方式，可以将汽车、拖拉机等的转向方式分为以下三种（1）通过车轮相对车身偏转一定的角度实现车辆转向。如轮式拖拉机、汽车等，偏转方式可分为前轮偏转、后轮偏转、前后轮同时偏转和折腰偏转四种（2）通过改变车辆两侧行走装置的驱动力来实现转向。如有履带的车辆：履带式拖拉机和无尾轮手扶拖拉机。（3）既改变车辆两侧行走装置的驱动力又使车轮偏转实现转向。如有尾轮手扶拖拉机和在特定的情况下作业（如田间作业等）的轮式拖拉机。(a)偏转前轮(b)偏转后轮(c)偏转前后轮(d)折腰转向有尾轮手扶拖拉机无尾轮手扶拖拉机履带式拖拉机

为避免在汽车转向时加大对车轮的磨损，希望汽车转向时每个车轮都作纯滚动。即要求所有车轮的轴线都相交于一点。cotα=cotβ+B/L汽车内轮转角β与外轮转角α之间的关系如下：R为汽车转向半径；O为汽车转向中心。B—两侧主销轴线与地面相交点的距离；L—汽车的轴距。第二节机械转向系统2.1汽车转向原理两轴轮式车辆转向示意图汽车转弯半径：R=L/sinα汽车最小转弯半径：当外转向轮偏转角α达到最大值αmax时，转向半径最小Rmin：

Rmin=L/sinαmax转向系的角传动比转向盘转向器转向摇臂转向节转向器角传动比iω1转向传动机构角传动比iω2转向系角传动比iωiω=iω1*iω2转向系角传动比越大，转向越省力，但转向灵敏度降低。iω1较大，货车为16-32，轿车为12-20；一iω2较小，一般为1。机械转向系统的组成方向盘；转向管柱；转向万向节转向摇臂；转向直拉杆；转向节臂；转向横拉杆。转向传动机构转向操纵机构转向器2.2机械转向系统机械式转向系的工作过程1.转向操纵机构组成：轮缘、轮辐、轮毂转向盘转向盘的自由行程定义：转向盘空转阶段的行程，称为转向盘的自由行程。转向盘自由行程的作用：可以缓和路面冲击，避免驾驶员过分的紧张和疲劳；但过大转向盘自由行程会降低转向灵敏度。一般为10~15度。自由行程产生的原因：转向系统中各传动件之间存在安装间隙。汽车碰撞时，转向盘骨架应该发生变形，以吸收碰撞的能量。转向安全装置a、吸能式转向盘为了保证发生碰撞时驾驶员的安全，需要采用吸能型的转向管柱。b、可分离式安全转向操纵机构c、缓冲吸能式转向操纵机构1、转向器的传动效率转向器的传动效率

转向器的输入功率与输出功率的比值称为转向器的效率。转向器的正效率：

功率由转向轴输入，转向摇臂输出的传动效率为正效率。转向器的逆效率：

功率由转向摇臂输入，转向轴输出的传动效率为逆效率。2.转向器转向器的传动效率对使用的影响：（1）正效率要求高：具有合适的逆效率；（2）逆效率高，会引起“打手”现象，但是转向后方向盘和车轮自动回正性能好，过载不会损坏转向器。（3）逆效率低，方向盘不会受到冲击，但会丧失路感，无法自动回正。常用转向器按照效率分类：可逆式：逆效率很高，能自动回正，可以将路面阻力完全反馈到转向盘，路感很强，会“打手”，过载转向器不会损坏。在轿车、高速、高等级公路用车、采用动力转向的汽车上使用。不可逆式：逆效率为“0”，不能自动回正，没有路感。不会“打手”，过载转向器会损坏。现代汽车一般不用。极限可逆式：当外力小时，为不可逆；当外力大时，为可逆式，能自动回正，有路感，会轻微“打手”，过载转向器不会损坏。在一些工、矿用专线车上使用。转向器的分类循环球式转向器；齿轮齿条式转向器；蜗杆曲柄指销式转向器。第一级螺杆螺母传动副第二级齿条齿扇传动副a.循环球式转向器循环球式转向器工作过程特点：正传动效率高达90%~95%，转向省力；寿命长，工作平稳、可靠；逆效率也很高，容易将路面冲击传到方向盘，在坏路面行驶时，容易出现打手现象。应用：较轻型的、前轴轴载质量不大而又经常在好路上行驶的汽车（广泛应用于各类各级汽车）。a.循环球式转向器传动件为：齿轮、齿条。特点：结构简单，紧凑；质量轻；转向灵敏；制造容易，成本低；正、逆效率高。转向传动机构简单，不需要转向摇臂和直拉杆。b.齿轮齿条式转向器图1

两端输出的齿轮齿条式转向器1-转向横拉杆；2-防尘套；3-球头座；4-转向齿条；5-转向器壳体；6-调整螺塞；7-压紧弹簧；8-锁紧螺母；9-压块；10-万向节叉；11-转向齿轮轴；12-向心球轴承；13-滚针轴承图2中间输出的齿轮齿条式转向器1-万向节叉；2-转向齿轮轴；3-调整螺母；4-向心球轴承；5-转向齿条；6-转向齿轮；7-滚针轴承；8、10-转向横拉杆；9-固定螺栓；11-转向器壳体；12-防尘套；13-转向齿条；14-调整螺塞；15-锁紧螺母；16-压紧弹簧；17-压块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。转向减振器c.蜗杆曲柄指销式转向器传动副的组成：主动件：转向蜗杆；从动件：指销。曲柄蜗杆指销式转向器基本结构示意图1、3.球轴承2.转向蜗杆4.转向器壳体5.摇臂轴6.指销按传动副中指销的数目分类：单指销式转向器双指销式转向器双指销式转向器的特点：单个指销所承受的载荷小，因此寿命长；在采用同样的蜗杆时，运动范围大。当行程固定时蜗杆较短。对蜗杆加工精度要求高。a.与非独立悬架配用的转向传动机构转向摇臂2、转向直拉杆3、转向节臂4和转向梯形。前桥为转向桥前桥为转向驱动桥转向直拉杆横置3.转向传动机构转向摇臂转向器传动副与直拉杆之间的传动件。转向摇臂的大端与转向器轴采用锥形细三角花键连接，以调整安装位置到正确角度、同时起到压紧和定位的作用。摇臂轴转向摇臂

球头销接转向节臂螺塞调弹簧6的预紧度油嘴球头销直拉杆接转向摇臂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。解放CA1091型汽车转向直拉杆转向横拉杆b.与独立悬架配用的转向传动机构与独立悬架配合使用的转向传动机构必须是断开的，以适应轮胎的跳动。并且由在平行于路面的平面内摆动的转向摇臂直接带动或者由转向直拉杆带动。两段式三段式动力转向系统是将发动机的部分机械能转化为压力能，并在驾驶员的控制下对转向传动装置或者转向器中某一传动件施加液压或气压作用力，以减轻驾驶员的转向操纵力的一套零部件的总称。a.动力转向系统的定义动力转向系统的概述b.动力转向系统的作用减小汽车转向时，驾驶员施加给方向盘的力，提高驾驶舒适性。第三节动力转向系统动力转向系统的组成动力转向加力装置：转向油管；转向油泵；转向油罐；转向控制阀；转向动力缸。机械转向装置：转向操纵装置转向器转向传力装置1-转向盘；2-转向轴；3-转向中间轴；4-转向油管；5-转向油泵；6-转向油罐；7-转向节臂；8-转向横拉杆；9-转向摇臂；10-整体式转向器；11-转向直拉杆；12-转向减振器动力转向系统的三种类型：

机械式液压助力转向系统

电控液压助力转向系统

电动助力转向系统

利用发动机带动转向液压泵工作。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。

结合了液压助力转向系统和电控技术的优点，ECU控制单元根据车速信号和转向盘转矩、转速等信号，按需调节输出压力，实现车辆在不同行驶工况下助力随速可调。一种直接依靠电动机提供辅助转矩的动力转向系统，是为了满足人们对驾驶轻便性的要求而产生的。3.1机械式液压助力转向系统a.汽车液压动力转向系统根据系统内部的压力分为：常压式液压动力转向系统常流式液压动力转向系统组成：油罐、油泵、储能器、控制阀、动力缸等。特点：系统中保持限定的压力，只要转向，系统就提供压力，响应迅速。组成：油罐、油泵、控制阀、动力缸等。特点：不转向时，系统中没有压力，只有转向时，系统才建立并提供压力。常压式液压动力转向系统油罐储能器动力缸控制阀油泵车辆直线行驶时车辆转向行驶时特点：系统中保持限定的压力，只要转向，系统就提供压力，响应迅速。汽车直线行驶时车辆转向行驶时常流式液压动力转向系统特点：不转向时，系统中没有压力，只有转向时，系统才建立并提供压力。b.常压式与常流式液压动力转向系统的比较：常压式液压动力转向系统：优点：系统中一直存在油压，响应快。用储能器积蓄能量，可使用较小的油泵；缺点：容易引起压力漏油；油泵总要保持系统的压力，会降低油泵的寿命；储能器占用一定的空间；燃油消耗率高。常流式液压动力转向系统：优点：结构简单；油泵寿命长；泄漏少；消耗功率低。缺点：转向后才建立系统压力，响应慢；为提高响应的速度需要使用较大的油泵。目前汽车上使用的多是常流式液压动力转向系统c.轮式拖拉机液压转向系统轮式拖拉机液压转向系统原理图3.2电控液压助力转向系统

按动力源提供方式不同，电控液压助力转向系统可这样分类。a.流量控制式电磁阀流量控制式步进电机驱动控制阀流量控制式电机直接驱动油泵流量控制式流量控制式电控液压助力转向系统（ECHPS），是在传统的HPS基础上发展起来的，它不仅具有HPS的手感柔顺平滑，输出助力大的优点，还具有结构简单，易于控制，节能、安全的特点。电磁阀流量控制式分类（１）在出油口与回油口之间安装电磁阀电磁阀流量控制式分类（２）在动力缸左右腔之间安装电磁阀电磁阀流量控制式分类（３）在出油口与转阀之间安装电磁阀与旁通流量控制阀不同的是:此出油管路是常开的,锥阀根据车速变化而改变阀口开度,需要注意的是阀口全开时要保证汽车在怠速情况下的转向轻便性.所以该阀最大流量的选择是主要考虑的因素之一。步进电机驱动控制阀流量控制式该形式的电控液压转向系统由步进电机、旁通阀、控制器等组成，在动力转向器前端盖上增设了一个旁通阀，该旁通阀由步进电机驱动控制，步进电机根据车速、转矩等信号连续调节旁通阀的阀口开度，从而调节旁通流量，达到按需输出助力的目的电机直接驱动油泵流量控制式该系统主要由车速传感器、电磁阀、转向控制阀和电控单元等组成。该转向系统就是根据车速信号控制电磁阀的开启程度，从而控制旁通流量，来改变转向盘上的转向助力。流量控制式电控液压助力转向系统电机直接驱动油泵流量控制式b.反力控制式由转向控制阀、电磁阀、分流阀、动力缸、转向油泵、转向器、车速传感器及ECU等组成，可按照车速的变化，由电子控制油压反力，调整动力转向器，从而使汽车在各种行驶条件下转向盘上所需的转向操纵力达到最佳状态。反力式电子控制动力转向电磁反力式低速线圈通电后，电磁磁极异性相吸，产生附加的电磁推力以提供正向助力；高速电磁磁极同性相斥，阻碍转向行为，转向盘输入力矩增大，手感明显。电磁反力式液压转向系统油压反力室式该系统由转向控制阀、电磁阀、反力室、车速传感器等组成。按照车速和转角的变化，在转向时，则有一对柱塞的反作用力附加作用在阀芯上，使转向手力增加，从而使汽车在各种行驶条件下转向盘上所需的转向操纵力达到最佳状态。阀灵敏度控制式该系统对转向控制阀做了局部改进，在转阀上增设了可变孔，可变孔分为低速专用孔和高速专用孔两种。在高速专用可变孔的下边设有旁通电磁阀回路，能根据车速控制电磁阀开闭，通过切换转阀上的低速节流孔和高速节流孔来控制助力油压。某轿车所采用的阀灵敏度可变控制式动力转向系统电磁离合器控制式该系统在发动机与转向泵之间采用一种既可无级变速和平滑传递动力、又易于控制的电磁转差离合器装置，使转向泵随车辆运行工况的变化按需输出液压功率，实现商用车液压转向系统的节能与操纵性有机协调，满足驱动和控制商用车HPS转向泵的动力学性能要求。3.3电动助力转向系统

电动助力转向系统（EPS）是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的动力转向系统，是为了满足人们对驾驶轻便性的要求而产生的，近年来在轻型车辆上发展迅速。电动助力转向系统主要包括机械式转向器、转矩传感器、减速机构、离合器、电动机、电子控制单元（ECU）和车速传感器等。电动助力转向系统示意图转矩传感器

转向轴

减速机构

齿轮齿条式转向器

离合器电动机3.3电动助力转向系统

根据电动机布置位置的不同，电动助力转向系统可以分为转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式和双小齿轮助力式四种类型。（a）管柱式

（b）小齿轮助力式

（c）齿条助力式（d）双小齿轮助力式3.3电动助力转向系统

优点系统效率高、能量消耗少；系统内部采用刚性连接，反应灵敏，滞后小，驾驶员的“路感”好；结构简单，质量小；系统便于集成，整体尺寸减小；省去了油泵和辅助管路，总布置更加方便；无液压元件，对环境污染少。扭矩传感器车速传感器电动机转向助力控制装置3.3电动助力转向系统

直接助力式电动转向系统缺点提供的辅助动力较小，难以用于大型车辆；减速机构、电动机等部件会影响汽车的操纵稳定性，正确匹配整车性能至关重要；使用电动机、减速机构和转矩传感器等部件，增加了系统的成本。机械式四轮转向系统在二轮转向装置的基础上，增设前轮转向器、后轮转向器和中央轴等元件。机械式四轮转向系统主要由转向盘、前轮转向器、前轮取力齿轮箱、后轮转向传动轴、后轮转向器等组成。后轮转向也是绕转向节主销偏转的，其结构与前轮相似。a.机械式四轮转向系统1-前轮转向取力齿轮箱；2-转向盘；3-后轮转向传动轴；4-后轮转向器3.4四轮转向系统

液压式车速感应型四轮转向系统的结构如图所示。主要由前轮动力转向器、前轮转向油泵、控制阀及后轮转向动力缸、后轮转向油泵等组成。b.液压式四轮转向系统1-储油罐；2-转向油泵；3-前轮动力转向器；4-转向盘；3-后轮转向控制阀；6-后轮转向动力缸；7-铰接头；8-从动臂；9-后轮转向专用油泵电动四轮转向系统前、后轮转向器均为电动助力，两转向器之间无任何机械连接装置及液压管道等部件，直接对前后轮的转向进行控制，具有前后轮转向角关系控制精确、控制自由度高、机构简单等。c.电动式四轮转向系统电动四轮转向系统布置示意图优点：3.5主动转向系统

主动转向系统是在方向盘系统中装置了一套根据车速调整转向传动的变速箱。这个系统包含了一个行星齿轮和两根输入轴，其中一根输入轴连接到方向盘，另一根则通过螺旋齿轮，由电动马达进行控制。当车速较低时，控制马达与转向管柱呈同方向转动，以增加转向角度；而当高速行驶时，控制马达呈反方向转动，从而减少转向角度。主动转向系统结构3.5主动转向系统

在汽车主动转向的控制过程中，首先通过驾驶员转动转向盘输入转角和当前汽车行驶的车速作为控制系统的输入信号。通过闭环控制策略实现对主动转向电机转角输出转矩的跟踪，把转向盘转角和车速的信号输入给执行电机。最后，转向盘转角与电机输出转角叠加后作用到汽车的转向轮上，从而完成汽车的主动转向。1-前端输入太阳轮；2-前端行星齿轮；3-齿圈；4-行星架；5-后端行星齿轮；6-后端输出太阳轮汽车主动转向系统的双行星齿轮机构工作原理3.6线控转向系统

线控转向系统由方向盘总成、转向执行机构总成和主控制器三个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助系统组成。汽车线控转向系统3.7全液压转向系统

拖拉机全液压转向系总成主要由方向盘、转向立柱、转向器、液压管道、恒流泵、转向油箱以及液压油等组成全液压转向系总成1-方向盘；2-转向立柱；3-转向器；4-液压管道；5-恒流泵；6-转向油箱发动机带动液压泵，液压油进入液压转向器。在方向盘有转动时，液压油从液压转向器再进入相应的转向油缸，推动导向轮转动，实现转向；方向盘不转动时，液压油通过转向器直接回油箱；在发动机熄火或动力失效的情况下，转向器内的马达充当液压泵的功能；在人力转动方向盘时，液压泵（即马达）从液压油箱中靠负压吸油，从而依然可以实现液压油推动转向油缸进行转向的功能。这也是全液压转向和液压助力转向的主要区别。a.全液压转向系统工作原理3.7全液压转向系统

a.全液压转向系统工作原理3.7全液压转向系统

全液压转向典型回路1-油箱；2-滤油器；3-液压泵；4-安全阀；5-单路稳定分流阀；6-全液压转向器；7-组合阀块；8-转向油缸；9-转向机构b.全液压转向器3.7全液压转向系统

全液压转向器结构及工作原理全液压转向系统的技术核心在于转向控制元件:全液压转向器（SCU）。全液压转向器液压油从P口进入，经过阀芯套配油，摆线副计量，进入油缸。b.全液压转向器3.7全液压转向系统

全液压转向器按阀芯的功能形式分为开芯无反应、开芯有反应、闭芯无反应、闭芯有反应、负荷传感、同轴流量放大等几类。1-十字连接块；2-前盖；3-阀体；4-弹簧片；5-拨销；6-阀套；7-阀芯；8-联动轴；9-转子；10-限位柱；11-后盖；12-定子；13-“o”型密封圈；14-隔盘；15-钢球；16-大挡环；17-推力滚针轴承；18-小挡环；19-“o”型密封圈；20-“x”型密封圈；21-“o”型密封圈开芯无反应型全液压转向器的结构c.转向液压缸3.7全液压转向系统

拖拉机转向液压缸按布置形式划分为侧置双作用单液压缸、中置双作用单液压缸和对称布置双作用双液压缸3种类型,这三种液压缸均可实现双向驱动，且精准转向。d.液压转向优先回路3.7全液压转向系统

变量泵输出的液压油从优先阀端口P进入。液压油流经滑阀2，通过阀的油口A和油口B供给到转向（流量控制口）和远程控制系统，液压油也进入滑阀上的节流孔3和节流孔6到阀芯两端的孔道，产生的压力差与弹簧力相平衡，使优先滑阀芯移动调节输出流量，优先供给液压转向系统。d.液压转向优先回路3.7全液压转向系统

优先阀1-阀体；2-滑阀；3-节流孔；4-螺塞；5-安全阀阀芯；6-节流孔；7-螺塞；P-油泵压力油口；A-流量控制（优先）口；B-溢流口（到远程控制系统）d.液压转向优先回路3.7全液压转向系统

液压转向优先回路1-转向机；2-优先阀；3-液压泵；A、B-到转向液压缸；C-到远程控制系统优先阀保证节流口两端的压差维持在设定值，供往转向系统的流量不受影响，具有优先级。助力特性是指车辆转向系统提供的转向助力大小随汽车运动状况的变化而变化的特性。直线型助力特性曲线最简单，转向系统提供的助力与转向盘输入力矩成线性关系。第四节转向系统助力特性4.1直线型助力特性曲线该型特性曲线特点：（1）系统提供的助力与方向盘输入转矩成线性关系，助力特性曲线斜率随车速增加而减小。（2）车速越低，助力电流越大，且随着车速增加而降低，在不同的速度区间有最大助力电流限制。（3）当输入转矩小于时，转向助力系统不提供助力；当大于时，系统提供最大且固定不变的助力。—系统的目标助力转矩；—转向盘输入转矩；—开始提供助力时转矩—最大助力时输入转矩—最大转矩—助力特性曲线斜率4.1直线型助力特性曲线该助力特性曲线可用上式表示，式中4.2折线型助力特性曲线折线型助力特性曲与直线型助力特性曲线比较接近，其助力大小与驾驶员的输入转矩也是成线性关系。折线型助力特性曲线4.2折线型助力特性曲线该助力特性曲线可用下面的函数表示：

——助力特性曲线的斜——助力特性曲线斜率达到时的驾驶员输入转矩4.3抛物线型助力特性曲线非线性助力特性曲线折线型助力特性介于直线型和曲线型之间，无助力区和恒定助力区相同的情况下，转向轻便性较直线型略差，但转向手感较好。与其它两种相比，曲线型助力特性最复杂，但曲线型助力特性下转向手感较好，过渡比较平滑。4.3抛物线型助力特性曲线该助力特性曲线可用下面的函数表示：当驾驶员输入力矩达到时，转向助力系统根据驾驶员输入力矩的大小提供相应的助力，帮助驾驶员进行转向操纵；当驾驶员输入转矩大于时，系统提供最大助力并保持助力恒定。第五节履带拖拉机转向系统履带拖拉机的转向方式：是靠改变传给两侧履带的驱动力矩而实现转向的。履带拖拉机的转向系统组成：转向机构和转向操纵机构常用的转向机构：离合器式、行星齿轮式、双差速器式履带式拖拉机5.1履带拖拉机转向原理：履带拖拉机的转向简图1.当两侧转向机构都接合时，由中央传动传来的扭矩，同时传递给两侧的最终传动和驱动轮，使两侧履带的驱动力相同，拖拉机直线行驶。2.当一侧转向机构处于半分离状态或时而分离，时而接合，即减少了这一侧的驱动力，拖拉机就向该侧转大弯（转向半径大）。3.当有一侧转向机构完全分离，就切断了该侧履带的驱动力，使拖拉机可以转较小的弯。慢侧履带的驱动力虽然被切断了，并不是这一侧履带就不走，而是在快侧履带和机体的“带动下”仍以较慢的速度被带着走。4.当一侧转向机构完全分离，并将该侧制动器（或履带）加以制动，拖拉机便可以转更小的弯，当一侧转向机构完全分离，并将该侧的履带完全制动住时，拖拉机就绕该侧某点转向。5.2转向机构结构形式：干式、多片、常结合式摩擦离合器力的产生形式：干式转向离合器作用于摩擦片上的压力是靠弹簧产生湿式转向离合器（用油冷却摩擦表面）作用于摩擦片上的压力是靠弹簧、液压或弹簧加液压产生。中央传动转向离合器最终传动1、

转向离合器

履带拖拉机转向离合器1.半轴2.从动鼓3.主动鼓4.从动片5.主动片6.压盘弹簧7.压盘拉杆8.压盘9.后桥横轴10.分离轴承座11.分离轴承12.螺母13.从动鼓轮毂2、行星齿轮式转向机构行星齿轮机构的特点是：只有当固定件完全制动时，从动件才可以传递全部扭矩，当固定件完全放松而允许它空转时，从动件根本不传递扭矩。如固定件只是部分制动，则从动件只能传递部分扭矩。行星齿轮机构的这个特点与转向离合器的工作情况相类似。行星齿轮式转向机构的工作过程如下：（1）拖拉机直线行驶时，两侧半轴制动器2都放松着，而两侧行星机