转向系统(柳兴林)

单击此处编辑母版标题样式标题文字代称部门名称│科室名称部门名称│科室名称转向系统简要介绍---汽车构造转向系统培训资料一、转向系统主要零部件的结构及工作原理第1章汽车转向系统概述第2章前轴总成第3章动力转向器第4章动力转向泵第5章动力转向油罐第6章转向助力缸二、转向系统的失效模式和经典案例目录：转向系统培训资料一、转向系统主要零部件的结构及工作原理第1章汽车转向系统概述1.1转向系统作用转向系统是改变汽车行驶方向和保持汽车直线行驶的机构，在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。转向系统对汽车的行驶安全性影响很大，其所有零件应有足够的强度、刚度和寿命。对转向系统主要要求：（1）保证整车具有足够小的最小转弯直径，能在有限场地处转弯行驶。（2）保证转弯时所有车轮绕一个瞬时中心旋转，各车轮纯滚动。（3）操纵轻便，转向盘上手力要小。（4）转向后，转向盘能自动回正。（5）既要减少转向轮受到的冲击传到转向盘，又要保证驾驶员有路感。（6）装有动力转向的汽车，在动力转向失效时，靠人力仍能操纵汽车转向。转向系统培训资料1.2转向系统工作原理转向系按照能源不同分为机械转向系和动力转向系两大类。机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。动力转向系是兼用驾驶员体力和转向泵动力为转向能源，相当于机械转向系基础上加一套转向助力装置。1.2.1机械部分右转向时，驾驶员对转向盘1施加一个顺时针力矩，该力矩通过转向轴2，转向万向节3，转向传动轴4输入转向器5，经过转向器放大后的力矩通过转向器输出轴带动转向垂臂6后摆，推动转向纵拉杆7后移，推动转向节上臂8，使左转向节9和左转向轮向右偏转。同时左侧转向节下臂10随左转向节转动，拉动转向横拉杆11向左移动，横拉杆11拉动右侧转向节下臂12，使右转向节13和右转向轮向右偏转。左转向时动作与上述相反。（见图1）转向系统培训资料图1转向系统工作原理-机械部分转向系统培训资料1.2.2液压助力部分转向油罐1用于贮存、滤清和冷却液压油，转向油泵3由发动机驱动或电机驱动，输出高压油。转向油罐1中的液压油通过进油管2给转向油泵3供油，转向油泵3输出的高压油通过高压油管4供给转向器5。当驾驶员在方向盘上施加转向力矩时，一开始转向器内部活塞是不动的，转阀内的阀芯才能相对阀套转动一个角度，从而建立起系统压力，推动活塞移动实现助力。同时体积减小的腔排出的油通过回油管6回到转向油罐1。（见图2）图2转向系统工作原理-液压助力部分转向系统培训资料第2章前轴总成2.1概述及总体结构前轴通过悬挂系统与车架相连，用以在车架与车轮之间传递各种作用力，并利用转向传动机构，使两转向轮转角按一定关系变化，以实现汽车的转向。为保证车辆安全行驶，设有适当的前轮定位角。根据所配悬架结构的不同，前轴分为整体式和断开式两种。非独立悬架一般采用整体式前轴，前轴两端通过主销安装有转向节，转向节上装有转向梯形臂和转向节臂。整体式前轴总成的结构如下图所示：1-转向横拉杆；2-横拉杆接头；3-横拉杆球头销；4-梯形臂；5-轮毂；6-轮毂轴承；7-前轮毂内轴承；8-制动鼓；9-制动底板；10-转向节；11-转向节臂；12-前轴转向系统培训资料2.2前轮定位及其选择为保证汽车稳定地直线行驶，汽车前轮都设有前轮外倾角、主销内倾角、注销后倾角、前束等定位参数。2.2.1前轮外倾角前轮外倾角的作用是保证汽车满载时抵消车桥变形，使轮胎垂直与路面，并可减轻外轮毂轴承的负荷。此角度是在转向节设计中确定的，载货车一般为1°左右，轿车多接近与0°。转向系统培训资料2.2.2主销内倾角设有主销内倾角可使前轮依靠汽车本身的重力回正，使车辆保证直线稳定行驶。并可控制轮胎中心线与主销中心线交点位置，使操纵更轻便，减小轮胎的磨损。主销内倾角是在前轴设计中确定的，一般载货车在6°～8°之间，轿车要更大些，轮胎中心线与主销中心线交点多设计地面以下。2.2.3主销后倾角主销后倾角可使转向轮中心线与地面交点在轮胎接地点之前，当车轮偏离直线方向时，在轮胎接地点处的作用力绕主销的稳定力矩正好同车轮偏转方向相反，从而使车轮回正。但稳定力矩越大，转向时需要克服的阻力也越大，使转向沉重。另外，在汽车转向时，主销后倾角使汽车内侧有升高趋势，高速转弯容易翻车，因此不宜选择过大，一般在-1°～3°之间。转向系统培训资料2.2.4前束由于车轮外倾角的影响和路面阻力大多作用在车轮受推力的外侧，使车轮有外滚趋势，因此为减轻这一趋势，使车轮接近纯滚动状态，设有前束。其值为由整车生产厂试验得出，范围多在0～8mm之间，并可通过改变转向横拉杆长度来调整。转向系统培训资料第3章动力转向器3.1概述转向器(也常称为转向机、方向机)是汽车转向系统的核心部件，转向器按有无助力可分为机械转向器和动力转向器，动力转向器就是在机械转向器的基础上加设一套转向加力装置而形成的。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。动力转向系统的优点主要有：明显减小了原地转向力，轻松地实现原地转向。减小了路面激励经前轮传递到转向盘的反冲力。在某个轮胎爆破的情况下，可以更好地阻止车辆的突然转向，从而改善安全性。汽车在行驶中发生爆胎时，由于发生爆破的轮胎的滚动半径减小、阻力增大使汽车迅速向爆胎的方向偏转，要阻止这种偏转需要对前轮施加很大的转向力矩，动力转向可以保证驾驶员能够以合理的转向力迅速反向转动方向盘，控制汽车行驶方向，阻止其突然转向。转向系统培训资料3.2转向器的种类汽车上常用的转向器型式有循环球式、蜗杆滚轮式、齿轮齿条式和蜗杆指销式等几种。循环球式转向器因其传动副之间用滚动摩擦代替滑动摩擦，所以效率η+高，应用也最广泛。3.2.1循环球式转向器循环球式转向器的内部结构如图3所示，有两级传动副，第一级是螺杆螺母传动副，第二级是齿条齿扇传动副。为了减少转向螺杆转向螺母之间的摩擦，二者的螺纹并不直接接触，其间装有多个钢球，以实现滚动摩擦。转向螺杆转动时，通过钢球将力传给转向螺母，螺母即沿轴向移动。同时，在螺杆及螺母与钢球间的摩擦力偶作用下，所有钢球便在螺旋管状通道内滚动，形成球流。动力转向器按助力方式可分为液压助力和气压助力，由于液体不可压缩，压力可达15MPa以上，而气体可压缩，最高压力也就1MPa左右，所以液压助力效果远大于气压助力，汽车上的动力转向器均采用的是液压助力转向器。转向系统培训资料转向系统培训资料3.3动力转向器的结构及工作原理动力转向器内部最核心的零件是转阀，转阀阀芯与阀套的三维实体模型如图4所示。图4阀套和阀芯当汽车直线行驶时，方向盘位于中间位置，如图5所示。在扭杆的作用下，转阀中的阀芯相对于阀套处于中间对称位置，阀芯与阀套之间的各个间隙的流通面积相等。来自油泵的液压油首先流进阀套外圆上的中央环槽，经中心油孔流进阀芯外圆上的轴向槽，再经回油间隙流进在阀套内圆上的轴向槽；再经阀芯上的油孔进入阀芯的中心，流回动力转向油罐。流经R腔与L腔的压力相等，活塞保持不动。转向系统培训资料图5直线行驶时转阀工作情况P—接液压泵R—接右转动力缸L—接左转动力缸G—接油箱1—阀套2—阀芯3—扭杆转向系统培训资料向左转动方向盘时，转矩通过转向控制机构施加在转向器输入轴上，再通过扭杆固定销传到扭杆的上端。而扭杆的下端固结在螺杆上，由于转向车轮的阻力和转向器内部的摩擦力暂时将扭杆下端固定不动，这就使得扭杆产生扭转变形，使阀芯相对于阀体转动一个角度，如图6所示。图6左转弯时转阀工作情况P—接液压泵R—接右转动力缸L—接左转动力缸G—接邮箱1—阀套2—阀芯3—扭杆转向系统培训资料若此时在扭杆上施加了一个很大的转矩，使阀芯相对于阀体转了一个很大的角度，从而将压力油道和回油道完全隔绝。因动力转向器两腔分别与转阀的两油道相连，此时就在活塞螺母两侧产生了一个很大的压差，从而推动活塞螺母向左运动。汽车向右转向结果与左转类似。为保证转向液压系统安全可靠，动力转向器内部装有安全阀和行程卸荷阀。安全阀是为了限制整个液压系统的最高压力，保证系统安全可靠；当系统压力达到设定压力值时，高压油顶开钢球，高压油与低压油口相通，通过低压油孔道回油罐，安全阀具体结构见图7。图7安全阀剖面图转向系统培训资料转向限位阀的作用是保护前轴及转向杆系，当前轴内轮达到最大转角时，即转向节上的限位螺钉顶到前轴工字梁上，前轴转角被机械限位。若转向器内没有安装转向限位阀，系统压力就迅速升高至安全阀打开。前轴限位螺钉及转向杆系受力会都达到最大。若转向器内装有转向限位阀，极限位置时，转向器内部活塞螺母高压腔与低压腔连通，通过节流孔保持两腔有额定压差，从而维持一定的助力压力，减少了杆系及限位螺钉受力。转向限位阀的具体结构见图8。由图可知，当转向螺母向左移动，一直到顶杆顶开钢球，此时转向螺母左侧腔室与右侧腔室相通，从而达到行程卸荷的目的。图8转向限位阀结构图转向系统培训资料第4章动力转向泵汽车动力转向泵的作用是把机械能转换成液压能，并且通过动力转向油管输送给动力转向器，以此达到助力转向的作用。4.1转向泵种类按照结构形式，分为叶片式、齿轮式、螺杆式、柱塞式等几种类型；按驱动形式，分为齿轮驱动式、皮带驱动式、十字键式、花键式及电机驱动。在商用车领域叶片泵应用广泛。4.2动力转向泵原理叶片式转向泵体积小、重量轻、噪声低，被广泛应用。叶片泵是由一个定量式叶片泵与一个组合阀复合构成，叶片泵提供油液动力源，组合阀保证转向泵输出要求的恒流流量，其内部的安全阀对转向系统起到安全防护的作用。转向系统培训资料转向系统培训资料下图所示叶片泵的主要功能元件与泵油腔。泵油腔是由相邻两个叶片、转子外表面和泵环内表面所围成的一个空间。转向系统培训资料当叶片处于进油位置时，随着叶片的转动，叶片跟随泵环的内表面向外伸出，泵油腔的容积增大，压力降低，从油罐吸油。当叶片处于压油位置时，随着叶片的转动，叶片跟随泵环的内表面向内收缩，泵油腔的容积减小，压力增高，向外压油。转向系统培训资料下面就以3407010-X112动力转向泵总成来简单说明该类转向泵的工作原理。当转向泵按图示方向以低于恒流转速旋转时，其排出的流量全部通过节流口C进入转向器，此时助力不足。当发动机转速提高，超过了恒流转速后，转向泵输出的流量大于规定的恒流流量，此时在节流口和恒流阀的调节作用下，将多余的流量从回油口F返回到泵的吸油口，保证输出的流量为恒定值。转向系统培训资料动力转向油泵如何实现横流输出呢？当输出流量达到设定值时，滑阀在内部液动力作用下克服弹簧阻力向左移动，使多余的流量通过工艺孔卸荷，回到吸油腔，从而实现恒流输出。转向系统培训资料当方向盘转到左右两极限位置或转向阻力过大时，系统压力升高，超出安全阀调定的压力，压力油推动滑阀内部的锥阀向右移动，使滑阀组件的压力油腔低压油腔连通，组件左侧的压力迅速下降，滑阀快速向左移动，输出端(既出油口)与吸油口连通，使压力不再升高，从而起到保护转向系统的作用。转向系统培训资料第5章动力转向油罐5.1动力转向油罐的功能1.向动力转向系统添加液压油；2.为动力转向液压油的热膨胀提供空间（油温范围为-40~149℃）；3.当动力转向油管受压膨胀时提供补偿液压油；4.用于去除动力转向系统中的空气。5.2动力转向油罐的结构转向系统培训资料第6章转向助力缸6.1转向助力缸双前转向桥车型上，在一二转向桥之前的转向传动杆系中，都配有转向助力缸。转向助力缸一端通过助力缸支架固定在车架纵梁上，另一端连接在转向中间臂上。两端均为球头销连接。6.1.1结构转向助力缸是一个活塞式的助力装置。结构图如下：转向系统培训资料6.2功能通过改变活塞两侧油液的压力，产生沿活塞杆方向的正负推力，施加到转向中间臂上，从而对二轴转向进行助力。6.3工作原理左转向时，助力缸腔体内的无杆腔形成高压腔，推动活塞，助力缸伸长，对转向中间臂施加推力，转向中间臂前摆，车轮左转；反之，右转向时，助力缸腔体内的有杆腔形成高压腔，推动活塞，助力缸缩短，对转向中间臂施加拉力，转向中间臂后摆，车轮右转。转向系统培训资料第二部分转向系