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1、汽车转向系统 本 章 要 点 基本要求：了解汽车转向系的作用，掌握转向系的组成，了解汽车转向条件；了解转向装置的作用和转向器的类型，掌握常用转向器的构造。了解转向传动机构的功用，掌握与非独立悬架、独立悬架配用的转向传动机构的构造，掌握转向器与转向传动机构的连接，了解转向器传动效率、转向盘自由行程。了解转向加力装置的类型和特点、对转向加力装置的要求，掌握转向加力装置的构造，了解其工作原理和安全转向柱结构。 重点：常用转向器的构造，转向传动机构构造形式。 难点：常用转向器的构造和转向助力装置的构造和工作原理。 第一节 概 述 汽车转向系统-汽车上用来改变或恢复其行驶方向的专设机构。 转向系统的基本
2、组成： (1)转向操纵机构 主要由转向盘、转向轴、转向管柱等组成。它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。 (2)转向器 将转向盘的转动变为转向摇臂的摆动或齿条轴的直线往复运动，并对转向操纵力进行放大的机构。转向器一般固定在汽车车架或车身上，转向操纵力通过转向器后一般还会改变传动方向。 (3)转向传动机构 将转向器输出的力和运动传给车轮(转向节)，并使左右车轮按一定关系进行偏转的机构。 一、汽车转向系统的类型和组成 汽车转向系统可按转向能源的不同分为机械转向系统和动力转向系统两大类。 1、2、 以驾驶员的体力(手力)作为转向能源的转向系统，其中所有传力件都是机械的。 兼用驾驶员体力和发
3、动机(或电机)的动力为转向能源的转向系统，它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。 属于转向加力装置的部件是：转向油罐、转向液压泵、转向控制阀和转向动力缸。 3、对转向系统的要求 (1)要求工作可靠，操纵轻便。 (2)转向机构还应能减小地面传到转向盘上的冲击，并保持适当的“路感”。 (3)当汽车发生碰撞时，转向装置应能减轻或避免对驾驶员的伤害。 二、两侧转向轮偏转角之间的理想关系式 要求转向系能保证在汽车转向时，所有车轮均作纯滚动。只有在所有车轮的轴线都相交于一点时方能实现。此交点O称为转向中心。内转向轮偏转角应大于外转向轮偏转角。 在车轮为绝对刚体的假设条件下，角与的理想关系
4、式应是： cot=cot+B/L B-两侧主销轴线与地面相交点之间的距离；L-汽车轴距。 由转向中心o到外转向轮与地面接触点的距离，称为汽车转弯半径。最小转弯半径 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。计算转弯半径时，可以用一根与中、后轮轴线等距离的平行线作为假想的与原三轴汽车相当的双轴汽车的后轮轴线。 对于用第一、第三两车桥转向的三轴汽车(右图)，可以第二桥车轮轴线为基线，分别利用上式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依据。 若L1=L2=L2，则应有 对于利用第一、第二两车桥转向的四轴汽车，可以第三
5、、四两桥轴线之间的中间平行线为基线，分别求出这两转向桥两侧车轮偏转角的近似理想关系。三、转向系角传动比 转向器角传动比-转向盘的转角增量与转向摇臂转角的相应增量之比i1。 转向传动机构角传动比-转向摇臂转角增量与转向盘所在一侧的转向节的转角相应增量之比i2。 转向系角传动比-转向盘转角增量与同侧转向节相应转角增量之比i。 i=i1i2。 选取i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i主要取决于转向器角传动比i1。 转向盘转角较小时，转向阻力较小，i1小一些可以使转向灵敏；转向盘转角较大时(如低速急转弯工况)， i1应大一些，以保证转向轻便。 第二节 转向器及转向操纵机构 一、转
6、向器的传动效率及转向盘自由行程 转向器是转向系的减速传动装置，一般有12级减速传动副。 转向器的功能 -将转向盘的转动变为齿条轴的直线运动或转向摇臂的摆动，降低运动速度，增大转向力矩并改变转向力矩的传动方向。 转向器输出端的运动形式有两种 ：一种是线位移(如齿轮齿条式转向器)，另一种是角位移(如循环球式、曲柄指销式转向器) 目前在汽车上广泛采用的有齿轮齿条式、循环球齿条齿扇式、循环球曲柄指销式和蜗杆曲柄指销式等几种结构形式。 1转向器传动效率 转向器传动效率-转向器的输出功率与输入功率之比。 转向操纵力由转向盘传到转向摇臂(或齿条轴)的过程称为正向传动，相应的传动效率称为正传动效率； 转向摇臂
7、将地面的冲击力传到转向盘的过程称为逆向传动，相应的传动效率称为逆传动效率。 转向器分类：可逆式转向器，不可逆式转向器，半可逆式转向器（极限可逆式转向器）。 可逆式转向器-正传动效率高，逆传动效率也高； 不可逆转向器-正传动效率高，逆传动效率为零； 半可逆式转向器-正传动效率高，逆传动效率较低，接近于不可逆式 ，即正效率远大于逆效率的转向器。 所有的转向器都要求正传动效率要高，这样转向力通过转向器时损失少，转向操纵便灵活。好的转向器应有适当的逆传动效率，使驾驶员通过操纵转向盘既能对道路情况有明显的“路感”，但又不能使路面不平对转向盘产生过大的冲击。 现代汽车上一般不采用不可逆式转向器。 经常在良
8、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。 2转向盘自由行程 单从转向操纵灵敏而言，最好是转向盘和转向节的运动能同步开始并同步终止。然而，这在实际上是不可能的。 转向盘空转阶段-克服转向系内部的摩擦，使各传动件运动到其间的间隙完全消除这一阶段。 转向盘自由行程-转向盘在空转阶段中的角行程。 转向盘自由行程对于缓和路面冲击及避免使驾驶员过度紧张是有利的，但不宜过大，以免过分影响灵敏性。 一般说来，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由行程最好不超过1015。当零件磨损严重到使转向盘自由行程超过2530时，必须进行调整。 二、
9、转向器 1齿轮齿条式转向器 优点：结构简单、紧凑，重量轻，刚性大，转向灵敏，制造容易，成本低，正、逆效率都高，便于布置，使转向传动机构简化(不需转向摇臂和转向直拉杆等)。 应用：轿车和微型、轻型货车上得到了广泛的应用，多用于前轮为独立悬架的轻型及微型轿车和货车上。例如，奥迪、桑塔纳、夏利等轿车，天津TJ1010型微型货车以及南京依维柯轻型货车等都采用了齿轮齿条式转向器。 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。 转向盘安全转向轴机械转向器转向横拉杆转向节臂转向节转向轮 中间（或单端）输出式 两端输出式 2循环球式转向器 国内外应用最广泛的结构型式之一。 循环球式转向器中一般有两
10、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或滑块曲柄销传动副。 循环球式转向器的正传动效率很高(可达9095)，故操纵轻便，使用寿命长，工作平稳、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，这一缺点影响不大。因此，循环球式转向器已广泛应用于各类各级汽车。 如解放CAl040系列轻型载货汽车、北京BJl041型、BJ2023型、解放CAl091型和黄河JNll81C13型等汽车的转向器。 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以转向蜗杆3为主动件，其从动件是装在摇臂轴1曲柄端部的指销2。
11、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，并带动摇臂轴转动。 图239东风EQl090E型汽车转向器 三、转向操纵机构 1转向操纵机构的组成和布置 组成：由转向盘、转向轴、转向管柱等组成。 作用：将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。 从转向盘到转向传动轴这一系列部件和零件属于转向操纵机构。 2转向盘 由轮缘1、轮辐2和轮毂3(右图)组成。 轮辐一般为三根辐条或四根辐条，也有用两根辐条的。 3转向轴和转向柱管的吸能装置 转向轴是将驾驶员作用于转向盘的转向操纵力矩传给转向器的传力轴，它的上部与转向盘固定连接，下部装有转向器。 转向轴和转向柱管的吸能装置有多种形式。其基本结构原理是，
12、当转向轴受到巨大冲击时，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。 转向轴分为上、下两段，中间用柔性联轴器连接。联轴器的上、下凸缘盘靠两个销子与销孔扣合在一起。 第三节 转向传动机构 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 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、转向横拉杆6。 a)转向桥,b) 转向桥兼驱动桥,c)北京BJ2020N 2、转向摇臂 转向器传动副与直拉杆间的传动件。 用:把转向器输出的力和运动传给直拉杆或横拉杆，进而推动转向轮偏转。 3转向直拉杆 转向摇臂与转向节臂之间的传动杆件。 作用：将转向摇臂传来的力
13、和运动传给转向梯形臂(或转向节臂)。 4转向横拉杆 联系左、右梯形臂并使其协调工作的连接杆，它在汽车行驶过程中反复承受拉力和压力，因此多用高强度冷拉钢管制造。 二、与独立悬架配用的转向传动机构 转向传动机构中的转向梯形是断开式的。 第四节 转向加力装置(动力转向器) 一、转向加力装置概述 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，对转向传动装置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，以助驾驶员施力不足的一系列零部件，总称为转向加力装置(动力转向器)。 转向加力装置是由机械转向器、转向动力缸和转向控制阀三大部分组成。 动力转向器 l 气压式 工作时
14、无噪声，工作滞后时间短，且能吸收来自不平路面的冲击。 l 液压式 前轴最大轴载质量为3-7吨并采用气压制动的货车或轿车。 (一)液压转向加力装置分类 1常压式液压转向加力装置 常压式的优点：有储能器积蓄液压能，可以使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保持一定的转向加力能力，使汽车有可能续驶一定距离。这一点对重型汽车而言尤为重要。 2常流式液压转向加力装置 常流式的优点：结构简单，液压泵寿命长，漏泄较少，消耗功率也较少。 广泛应用于各种汽车。 (二)液压转向加力装置的转向控制阀分类 转向控制阀有滑阀式和转阀式两种。 1滑阀式转向控制阀 阀体沿轴向移动来控制油液流量的转向控制
15、阀 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。（三）常流式转向加力装置的结构布置方案 根据机械式转向器、转向动力缸和转向控制阀三者在转向装置中的布置和联接关系的不同，液压动力转向装置分为： 整体式：机械式转向器、转向动力缸和转向控制阀三者设计为一体。 组合式：把机械式转向器和转向控制阀设计在一起，转向动力缸独立。 分离式：机械式转向器独立，把转向控制阀和转向动力缸设计为一体。 二、整体式动力转向器 国产轿车上几乎毫无例外地采用了转阀式的整体动力转向器。 第五节 转向油罐与转向液压泵 一、 转向油罐作用：储存、滤清并冷却液压转向加力装置的工作油液(一般是锭子油或透平油)。
16、由转向控制阀和转向动力缸流回来的油液，通过中心油管接头座的径向油孔流入滤芯内部的空腔，经滤清后进入储液腔，准备供入转向液压泵。滤芯弹簧7的预紧力不大，故当滤芯堵塞而回油压力略有增高时，滤芯便在液压作用下升起，让油液不经过滤清便进入储液腔，以免液压泵进油不足。滤网片14用以防止油液乳化。 二、转向液压泵 液压转向加力装置的能源，其作用是将输入的机械能转换为液压能输出。 转向液压泵的结构形式有齿轮式、叶片式、转子式、柱塞式等。目前，大多采用双作用式叶片泵和外啮齿轮式转向液压泵。 l 双作用式叶片泵 由于转子每旋转一周，每个工作腔都各自吸、压油两次，故将这种型式的叶片泵称为双作用式叶片泵（卸荷式叶片
17、泵）。 l 外啮齿轮式转向液压泵 液压泵内部装有流量控制阀和溢流阀。 为了确保转向加力装置的工作可靠性，有些重型汽车在转向液压泵的驱动装置中采用自由轮机构，使转向液压泵在正常情况下受发动机驱动，而在发动机转速过低甚至熄火时，脱离发动机而受以较高速度滑行的汽车驱动。 另外一些重型汽车，为了同样目的而加装了一个应急转向液压泵，与主转向液压泵并联。应急液压泵可以借蓄电池通过直流电动机驱动，也可以由汽车传动系驱动。在后一情况下，当主液压泵工作正常时，应急液压泵卸荷空转；主液压泵一旦停止运转，应急液压泵即可在应急阀的控制下，代替主液压泵向转向加力液压系统供油。为什么汽车前轮要向外倾斜？站在汽车的侧面看车
18、轮，转向主销(也就是车轮转向时的旋转中心)向后倾斜一定的角度，即主销轴线在纵向平面内与通过前轮中心的垂线之间的夹角称为主销后倾角。这个角度即为转向主销后倾角，俗称主销后倾。在主销后倾角度设定后，主销中心线的接地点与车轮中心地面投影点之间就会产生一个距离，这两个点之间的距离称为主销纵倾移动距。车轮的接地点位于转向主销延长线的后端，车轮会依靠行驶中的滚动阻力被向后拉，使车轮的方向自然朝向前行驶的方向。主销后倾角与主销纵倾移距就会使转向轮产生直线行驶的效果。主销后倾的角度增大，可以提高车辆直线行驶性能，但主销纵移距也会同时增大。主销纵倾移距过大对行驶中的车辆操纵和控制不利，不但加重转向盘的操作力度，
19、同时也会由于路面干扰而加剧车轮的前后颠簸，在车辆碰到凹凸不平的路面时，甚至可使方向盘产生急剧的摆动，打伤或挫伤驾驶者的手指或手掌。主销在具有后倾角时，主销的轴线与路面的交点将位于车轮与路面接触点的前面。在汽车直线行驶时，如果转向轮在偶然受到外力或路面的作用而产生偏转，使车辆的行驶发生方向偏移。这时，由于汽车本身离心力的作用，在车轮与路面接触点处，路面对车轮会产生侧向反作用力，这个反作用力将会围绕车轮主轴线形成一个作用力，其方向正好与车轮偏转方向相反。在这个力矩作用下，将使车轮回复到原来的中间位置，从而保证汽车稳定的直线行驶。这个力矩称为“稳定力矩”。但这个力矩不宜过大，如果力矩过大，在转向时为
20、了克服这个稳定力矩，驾驶员须在方向盘上施加较大的力。稳定力矩的大小取决于力臂上的数值，一般的主销后倾角不超过23度。目前在一些高速轿车上，由于悬挂系统技术的提高和越来越多的车辆采用了独立悬挂，改变了传统的车轮定位理论。还由于轮胎弹性和截面宽度都增加了，而导致稳定力矩增加。因此，有些轿车的主销后倾角度有了很大变化，基本上可减少到接近于零，甚至是负值。转向主销内倾从前部向后看，转向节产销在前轴上安装，其上部还暗向内倾斜，这就是主销内倾。其中心线与转向车轮的中心线形成了一个夹角，这个夹角称为转向主销内倾角。转向主销内倾有两个主要作用。第一个作用是使转向车轮在转弯后自动回正。当转向车轮在外力作用下，由
21、中间位置偏转一个角度(即驾驶员转动方向盘进行转弯)时，车轮的最低点将陷入路面以下，但实际上车轮边缘不可能陷入路面以下，而是将转向车轮连同整个汽车前部向上抬起一个相应的高度。这样，转向车轮在转弯后就会在汽车重量的作用下回复到原来的中间位置，这就是转向主销内倾所产生的自动回正效应。另一个作用是转向轻便。转向主销内顿使主销中心线的延长线与路面交点到车轮中心平面的距离减少，因而可减少从转向轮传递到方向盘上的冲击力。但主销中心线的延长线与路面交点到车轮中心平面的距离不宜过小，也就是说转向主销内倾角不宜过大；否则在转向时，车轮围绕主销偏转，随春滚动将同时产生车轮沿路面的滑动，而增加轮胎与路面的摩擦阻力，使
22、转向变得沉重，同时，使转向时施加于方向盘上的力增加。一般情况下，转向主销内倾角不大于8度，主销中心线的延长线与路面交点到车轮中心的距离为4065mm。传统汽车的主销内倾角是在前轴设计时就己确定，在轴加工时将前轴两端的主销的轴线上端向内倾斜。现代汽车的前轮多采用独立悬挂系统、且是在设计时确定，只是在装配过程中通过上下控制瞥进行设定。前轮外倾从汽车的前后方向看转向车轮，可以看到轮胎不是垂直的，而是下部有些向内倾，上部有些向外倾，这就是车轮外倾。但车轮的外倾有两种形式：一种是正外倾，就是以上所述；还有一种称为负外倾，它的上部向内倾斜，下部向外倾斜。在传统汽车上，负外顿是不允许出现的，但现代汽车的悬挂
23、系统结构与传统汽车有很大区别，从高速行驶的稳定性方面考虑，己允许有负外倾存在。 车轮外顿的作用在于提高车轮工作时的安全性。由于转向主销与套之间，轮船与轴承等配合部位不可避免地要有装配间隙。如车辆在空车时车轮正好垂直于路面，那么在满载时，车桥受到重力将会产生承载变形，而导致车轮内倾。这样的话就会加速汽车轮胎的磨损。同时，还由于路面对车轮的垂直反作用力沿轮船的轴向分力，特使轮船压向外端，加重了外端轴承及轮船锁紧螺母的负荷，使它们的使用寿命降低。因此，设置车轮外倾的目的是防止车轮内倾和与拱形路面相适应。一般车辆的主销外倾角在1度以内。现代汽车由于装用子午线轮胎和采用独立悬挂装置，车轮外倾角都在减少，
24、如果设置过大外倾角，将会使轮胎出现偏磨等不正常早期磨损，而且会降低轮胎使用寿命和轮胎摩擦力。前轮前束及后束在传统汽车上，从汽车前部看，转向车轮的前端略微向内收束，使左右两端车轮之间的距离前后不相等，端大于前端。这就称为前轮前束，两车轮前后距离差即后端减去前端就为前束值。而现代汽车有些车型则与之反，后端小于前端，这就称为后束。前束及后束的作用在于减少和消除车轮外倾所造成的不良后果。车轮有了外倾角后，在滚动时，就会出现类似圆锥的滚动，而使车轮不断地向外南开，车轮将夜地面上出现边溶边滑的现象，增加轮胎的磨损。而前束及后束可减少上述缺陷，使车轮在任何时间的滚动方向都接近于正前方，减轻轮船外轴承的压力负
25、荷及轮胎的磨损，修正车轮外倾的横向推力。前束及后束的另一个作用是补偿行驶阻力使前轮张开。汽车在直线前进时，路面的纵向阻力作用在转向车轮上，而克服纵向阻力所需要的前进力，要经过钢板弹簧或减震器才能传递到前轮或车身上，因此路面对车轮的纵向阻力就有使车轮绕主销向外张开的倾向，引起转向操纵的困难、轮胎的因损、转向横拉杆应力的增加。合适的前束可以抵偿转向车轮纵向阻力而张开的距离，保持车轮直线行驶。在传统汽车上前束值一般不大于8mm而现代汽车则小于该数值。主销后倾、主销内倾、车轮外倾及前轮前束或后束总称为车轮定位，而它们的角度则称为车轮定位角，保证汽车的行驶稳定性、操纵的平顺性及轻便灵活性具备很大意义。但
26、是各个车型上的车轮定位的数值各不相同，制造厂家对每个车型的车轮定位都有严格的规定。鉴定准确性的设备发展如何?车辆在经过一段时间的使用，部件间的磨损使间隙增大，车轮在高速行驶时受到严重创伤，或车辆发生冲撞事故，均可造成车轮定位的失准。车轮定位的失准又会直接影响和破坏汽车的行驶稳定性、操纵性和轮胎的磨损。严重的还会存在交通事故的随患，必须经常对车轮定位进行检验。而检验又要通过检验设备来进行检测。车轮定位检验设备的种类很多，但是大同小异。一类是静态检测设备中有水准式车轮定位仪、光束式车轮定位仪和激光式电脑车轮检测仪。水准式车轮定位仪，在检测车轮定位时，需要检查的角度较小，读数又不够方便，目前基本己被
27、淘汰，而改用光束式车轮定位仪。光束式定位仪的读数很方便，目前在国内比较普通。近年来，有一种用激光测量、电脑处理的电子检测仪进入了市场，它在电脑中事先输入了各种车型的车轮定位参数，检测时，可输入汽车品牌及型号，它的检测系统就可将车轮定位的数据与被测车辆的车轮定位参数直接在电脑屏幕上显示，并计算发生偏移的数值。在调整时，可一边调整，一边观察参数对比情况，使用非常精确和方便，现己成为汽车维修行业进行车轮定位的主流设备。动态检测仪的种类有滚筒式侧滑试验台和滑板式侧滑试验台。滚简式侧滑试验台是利用滚筒代替移动路面，被侧车轮在滚筒上滚动。当车轮存在侧滑力时，将对滚筒产生轴向推力，根据该推力的大小及方向，诊
28、断出车轮定位的状况。滑板式侧滑试验台是较为常见和常用的一种车轮定位检测设备，它按汽车左、右车轮分别设置两块5B板，滑板为上下两层，上板通过滚动体可以往下板上横向移动，但不能纵向移动。检测时，汽车左、右车轮分别沿滑板的中心线绍慢驶过，如汽车转向轮的车轮外倾角与前轮前束配合得当，车轮的轨迹在汽车行驶时为一条直线；但如果配合适当，车轮滚动时必然向某一侧偏斜。不过，由于左、右车轮都是安装在车轮上或是悬挂上而受到限制和约束，车轮将会在地面上产生横向滑移，车轮将带动上滑板一起在下滑板上移动。移动量将会在仪表上显示出来，以供检测人员进行分析。现代汽车对车轮定位的要求较为严格，电子检测设备的精确性，智能化使车轮定位设备得到了迅速的普及广泛的应用
