汽车转向系统

第20章汽车转向系统本章重点：1．汽车转向基本特性；2．转向系统类型、组成及工作原理；3．液压式动力转向系统的组成与类型。本章难点：液压式动力转向系统的组成与类型。本章基本要求：1．要求学生掌握汽车转向基本特性、转向系统类型、组成及工作原理；2．掌握液压式动力转向系统的组成与类型；3．了解电动助力转向系统和四轮转向系统的基本知识。教学内容20.1概述汽车在道路上行驶时，驾驶员根据道路情况和交通状况转动转向盘，使转向车轮偏转，改变汽车的行驶方向。用来改变或保持汽车行驶方向的机构称为汽车转向系统。汽车转向系统的功能就是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向。汽车转向系统对汽车的行驶安全至关重要，因此汽车转向系统的零件都称为保安件。若使汽车顺利并轻便转向，需要解决两个基本问题。一是汽车转向时，所有车轮需要绕着一个转向中心转动；二是必须通过某种方式增大驾驶员操纵转向盘的手力，从而有足够的作用力使转向车轮偏转一定的角度，实现汽车转向。一、汽车转向基本特性若使汽车能顺利转向，各车轮不产生滑动，转向车轮须同向偏转，且所有车轮需要绕着一个转向中心转动，保证各车轮在转向过程中均为纯滚动。如图20.1所示，汽车四个车轮A、B、C和D转轴的延长线相交于一点O，O点即为车轮的转动中心，四个车轮的运动轨迹形成同心圆。这就是汽车转向基本特性。当车轮转向机构的几何关系为平行四边形转向机构时，转向车轮的偏转角度相同(见图20.2a)，四个车轮转轴延长线交汇点有两个，因而形成两个转动中心，转向车轮不能实现纯滚动，其转向过程异常。为满足汽车转向基本特性，运用阿克曼原理，转向机构的几何关系呈梯形(见图20.2b)。梯形转向机构由梯形臂和横拉杆组成。梯形转向机构使两侧转向车轮偏转时形成一个转向中心，即汽车的四个车轮均绕着一个点转动。此时内、外侧转向车轮偏转角度不相等，内侧车轮偏转角α比外侧车轮偏转角β大(见图20.3)。在车轮为刚体的假设条件下，内、外侧转向车轮偏转角的理想关系式为：cotβ=cotα+B/L式中：B——两侧主销轴线与地面交点之间的距离，也称为轮距；L——汽车轴距。由转向中心O到外转向轮与地面接触的距离R称为汽车的转弯半径。转弯半径越小，则汽车转向所需场地越小，其机动性越好。由图20.4可知，当前外转向轮偏转角达到最大值βmax时，转弯半径R有最小值。在图示理想情况下，最小转弯半径Rmin与βmax的关系为:Rmin=L/sinβmax二、转向系统类型、组成及工作原理汽车转向系统分为两大类：机械转向系统和动力转向系统。完全靠驾驶员手力操纵的转向系统称为机械转向系统。借助动力来操纵的转向系统称为动力转向系统。动力转向系统又可分为液压动力转向系统和电动助力动力转向系统。1.机械转向系统机械转向系统主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成(见图20.5)。转向操纵机构是驾驶员操纵转向器工作的机构，包括从转向盘到转向器输入端的零部件。转向器就是把转向盘传来的转矩按一定传动比放大并输出的增力装置。转向传动机构是把转向器的运动传给转向车轮的机构，包括从摇臂到转向车轮的零部件。当转向盘直径一定时，驾驶员操纵转向盘手力的大小取决于转向系统角传动比的大小。转向系统角传动比iω是用转向盘转角增量与同侧转向节相应转角增量之比来表示。其数值是转向器角传动比iω1和转向传动机构角传动比iω2的乘积。转向器角传动比是转向盘转角增量与同侧摇臂轴转角相应增量之比。转向传动机构角传动比是摇臂轴转角增量与同侧转向节转角相应增量之比。对于一般汽车而言，iω2大约为1。由此可见，转向系统角传动比主要取决于转向器角传动比。转向系统角传动比越大，转向时加在转向盘上的力矩就越小，转向轻便。但转向系统角传动比大会导致转向操纵不灵敏。所以，转向系统角传动比的大小要协调好“转向轻便”与“转向灵敏”之间的矛盾。2.动力转向系统使用机械转向装置可以实现汽车转向，当转向轴负荷较大时，仅靠驾驶员的体力作为转向能源则难以顺利转向。动力转向系统就是在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成的。转向加力装置减轻了驾驶员操纵转向盘的作用力。转向能源来自驾驶员的体力和发动机(或电动机)，其中发动机(或电动机)占主要部分，通过转向加力装置提供。正常情况下，驾驶员能轻松地控制转向。但在转向加力装置失效时，就回到机械转向系统状态，一般来说还能由驾驶员独立承担汽车转向任务。(1)液压式动力转向系统图20.6所示为一种液压式动力转向系统的组成和液压转向加力装置的管路布置示意图。其中属于转向加力装置的部件是：转向液压泵7、转向油管8、转向油罐6以及位于整体式转向器4内部的转向控制阀及转向动力缸5等。当驾驶员转动转向盘1时，通过机械转向器使转向横拉杆9移动，并带动转向节臂，使转向轮偏转，从而改变汽车的行驶方向。与此同时，转向器输入轴还带动转向器内部的转向控制阀转动，使转向动力缸产生液压作用力，帮助驾驶员转向操作。由于有转向加力装置的作用，驾驶员只需比采用机械转向系统时小得多的转向力矩，就能使转向轮偏转。(2)电动助力动力转向系统电动助力动力转向系统，简称电动式EPS或EPS在机械转向机构的基础上，增加信号传感器、电子控制单元和转向助力机构。图20.7为电动式EPS组成示意图。电动式EPS是利用电动机作为助力源，根据车速和转向参数等因素，由电子控制单元完成助力控制，其原理可概括如下：当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的转矩传感器不断地测出转向轴上的转矩信号，该信号与车速信号同时输入到电子控制单元。电控单元根据这些输入信号，确定助力转矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转动方向，调整转向辅助动力的大小。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。20.2机械转向系统机械转向系统主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成。一、转向操纵机构1.转向操纵机构的功用与组成转向操纵机构的功用是将驾驶员转动转向盘的操纵力矩传给转向器。它主要由转向盘1、转向轴及转向柱管2和万向传动装置3等组成(见图20.8)。转向轴上部与转向盘固定连接，下部装有转向器。转向轴与转向器的连接方式，一种是与转向器的输入轴直接连接，另一种是通过万向传动装置间接与转向器的输入轴相接连。2.转向盘转向盘主要由轮圈1、轮辐2和轮毂3组成，其结构如图20.9所示。轮辐的形式有两根辐条式(见图20.10a)、三根辐条式(见图20.10b)和四根辐条式(见图20.10c)。轮辐和轮圈的心部有钢或铝合金等金属制骨架，外层以合成树脂或合成橡胶包覆，下侧形成波浪状以利于驾驶员把持。转向盘与转向轴通常通过带锥度的细花键连接，端部通过螺母轴向压紧固定。有的汽车喇叭开关按钮装在转向盘上，方便驾驶员操作。因为在整个转向系统中，各传动件之间存在着装配间隙，这些间隙反映到转向盘上来就变成转动转向盘的空转角度。转向盘自由行程对于缓和路面冲击及避免驾驶员过度紧张是有利的。转向盘自由行程应控制在转向轮处于直线行驶位置时转向盘向左或向右的自由行程不超过10°～15°。3.转向轴和转向管柱转向轴用来连接转向盘和转向器，并将转向盘的转向转矩传给转向器。转向轴分为普通式和能量吸收式。现代汽车更多地采用能量吸收式转向轴结构。转向管柱安装在车身上，支承转向轴及转向盘。转向轴从转向管柱内穿过，靠转向管柱内的轴承和衬套支承。为方便不同体型驾驶员操纵转向盘，转向管柱上装有能改变转向盘位置的装置。转向盘的安装角度和高度可以在一定范围内调整，以适应驾驶员的体形和驾驶习惯，如图20.11所示。4.安全保护装置在转向操纵机构上体现的汽车被动安全技术有安全气囊和能量吸收式转向轴。(1)安全气囊安全气囊SRS安装在转向盘上。它的结构主要由传感器、气体发生器、气囊系统等三部分组成。传感器检测汽车发生碰撞时的车速、冲击参数，气体发生器根据传感器指令释放高压气体，或引爆固体燃料，瞬时产生高压氮气并迅速向气囊充气，气囊膨胀，达到保护乘员的目的。另外，安全气囊还有一些排气孔，使安全气囊撞到乘员时压力有所减小，以达到缓冲效果。安全气囊只能在减速度足够大的碰撞中爆发(充气)，而且只能使用一次，不能重复使用。(2)能量吸收式转向轴除了能满足转向轴常规的功能外，在汽车发生正面碰撞时，能够有效地吸收碰撞能量，防止或减少碰撞能量伤害驾驶员的转向轴叫做能量吸收式转向轴。在汽车发生正面碰撞时，会出现两次碰撞。即在汽车碰撞力作用下汽车的前部发生塑性变形，转向轴向驾驶员胸部方向运动的首次碰撞；随汽车减速，驾驶员在惯性力作用下向转向轴方向运动的二次碰撞。首次碰撞的能量通过转向轴以机械的方式予以吸收，防止或减少其直接作用于驾驶员身上，避免造成人身伤害。二次碰撞即驾驶员本身的运动能量一部分由约束装置如安全带、安全气囊等加以吸收，以防止超出人体承受能力的碰撞伤害驾驶员。图20.12所示为汽车发生正面碰撞时转向轴-驾驶员系统的碰撞关系。由于能量吸收的机理和形式的不同、转向管柱与车身受撞脱开方式以及转向轴受撞压缩的形式不同，能量吸收式转向轴的种类很多。典型的能量吸收式转向轴有万向传动装置防撞结构、网状管轴式结构。(1)万向传动装置防撞结构如图20.13所示，隔绝首次碰撞影响的方法是通过转向轴中的万向传动轴防撞结构来实现的。防撞型万向传动轴除了要保证汽车正常行驶时传递转向转矩外，当汽车发生正面碰撞、碰撞力达到一定值时万向传动轴随汽车前部发生塑性变形而向后弯曲。图中虚线为碰撞前的位置，实线为碰撞后的位置。当万向传动轴向后弯曲变形时，迫使上端转向轴及管柱连带转向盘前移。这种结构布置达到了隔绝首次碰撞、同时减轻二次碰撞影响的目的。另一种形式是将万向传动轴的中间轴制成轴—套管(图20.14)，两者之间用销子连接，当碰撞力达到一定值时连接销子被“冲”断，轴可以伸缩至套管深处，由此隔断首次碰撞的冲击能量(见图20.15)。(2)网状管轴式结构如图20.16所示，转向轴管的部分管壁制成网状，当汽车发生正面碰撞而受到压缩时很容易轴向变形，吸收能量。二、机械转向器转向器是汽车上重要的安全部件。机械转向器是把转向盘的转动变为转向摇臂的摆动，并按一定传动比放大转矩的机构。1.机械转向器的传动效率与类型(1)机械转向器的传动效率机械转向器在转向系统中起到减速增矩作用，并能改变转向力矩的传动方向。汽车行驶时，驾驶员操纵转向盘的转向力通过转向器传到转向轮，同时路面的冲击力也能够通过转向器反传到转向盘。机械转向器的传动效率是指转向器的输出功率与输入功率之比。转向摇臂输出功率与转向轴输入功率之比称为正效率。而转向摇臂输入功率与转向轴输出功率之比称为逆效率。为了减轻驾驶员操纵转向盘的体力消耗，应尽量提高转向器的传动效率，特别是其正效率。正效率与逆效率均很高的转向器叫做可逆式转向器；逆效率极低的转向器称为不可逆式转向器；逆效率略高于不可逆式转向器的称为极限可逆式转向器。驾驶汽车时需要一定的逆效率，一方面有利于汽车转向结束后转向轮和转向盘的自动回正，另一方面可以使驾驶员获得路面反馈的信息，即“路感”。但逆效率过高、路面的冲击反力过大时，反馈给转向盘的冲击力也大，极易造成“打手”情况。由于可逆式转向器不仅正效率高，而且逆效率也高，路面的冲击反力容易通过转向器传给转向盘，所以用于良好道路的汽车多采用可逆式转向器。不可逆式转向器在现代汽车上没有应用。在路面条件差的情况下使用的汽车多采用极限可逆式转向器。(2)机械转向器的类型按力传动的可逆性及构造不同，机械转向器类型可分为：①可逆式转向器：循环球式，齿轮齿条式；②极限可逆式转向器：蜗杆滚轮式，蜗杆曲柄双销式；③不可逆式转向器：蜗杆扇形齿轮式，球面螺杆式。转向器的转向轻便性是由转向器传动比的大小来决定的。转向器传动比越小，转向操纵力越大。反之，传动比越大，转向操纵力越小。传动比小时，转向灵敏；反之，传动比大时，转向不灵敏。若不考虑转向沉重与汽车机动能力的问题，转向器传动比为等速比。若需要兼顾转向轻便与转向灵敏的要求，则将转向器的传动比设计成可变的，即在转向过程的不同阶段，转向