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1、汽车构造电子教案第二十三章 汽车转向系5/26/2023 1汽车转向系统第一节 概 述第二节 转向器及转向操纵机构第三节 转向传动机构第四节 转向加力装置第五节 转向油罐与转向液压泵5/26/20232第一节 概 述 汽车在行驶的过程中,需按驾驶员的意志改变其行驶方向。就轮式汽车而言,实现汽车转向的方法是,驾驶员通过一套专设的机构,使汽车转向桥(一般是前桥)上的车轮(转向轮)相对于汽车纵横线偏转一定角度。这一套用来改变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5/26/20233一、汽车转向系的类型和组成 转向系
2、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5/26/20234 从转向盘到转向轴这一系列部件和零件，均属于 从转向盘到转向轴这一系列部件和零件，均属于转向操纵机构。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 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 于转向传动结构。目前，许多国内、外生产的新车型在转向操作机构中采用了万向传动 目前，许多国内、外生产的新车型在转向操作机构中采用了万向传动装置（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 装置（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
3、的通用化和系列化。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 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。右边通行有关。5/26/202362动力转向系 动力转向系是兼用驾驶室体力和发动机动力为转向能源的转向系。在转向加力装置失效时，一般还应能由驾驶员独立承担汽车转向任务。因此，动力转向系是在机械转向系的基础上加设一套转向加力设备而形成的。n 属于转向加力装置的部件是：转向油罐9、转向液压泵10、转向控制阀5和转向动力缸12。5/26/20237二两侧转向轮偏转角之间的理想关系式 为了避免在汽车转向时产生路面对汽车的附加阻力和
4、轮胎过快磨损，要求转向系能保证在汽车转向时，所有车轮均作纯滚动，显然，这只有在所有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：5/26/20238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依据。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。5/26/202310三转向系角传动比 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
5、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则为转向系角传动比，以 表示，显然，。转向系统角传动比乱越大，则为了克服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，将导致转向操纵不够灵敏，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。5/26/202311第二节 转向器及转向操纵机构一、转向器的传动效率及转向盘自由
6、行程二、转向器三、转向操纵机构5/26/2023131、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，则为逆效率。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结束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。5/26/202315 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）承受，而不会传到转向
7、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可能。此外，道路的转向阻力距也不能反馈到转向盘，使得驾驶员不能得到路面反馈信息（所谓丧失“路感”），无法据以调节转向力矩。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，而且只有在路面冲击很大时，才能部分地传到转向盘。现代汽车上一般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。5/26/202316二、转向
8、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 5/26/2023181、齿轮齿条式转向器5/26/2023191、齿轮齿条式转向器 齿轮齿条式转向器由于具有结构简单、紧凑，重量轻，刚性大，转向灵敏，制动容易，成本低，正逆效率很高，而且特别适合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应用。图23-5所示为红旗CA7220型轿车的齿轮齿条式转向器。5/26/2023205/26/2023215/26/2023222、循环球式转向器5/26/2023242、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结构形式
9、。循环球式转向器中一般有两级传动副，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。5/26/202325 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，通过钢球将力传给螺母，螺母即沿轴线移动。同时，在螺杆与螺母两者和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”。循环球式转向器的正传动效率很高（可达90%95%），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
10、。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。5/26/2023265/26/202328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。5/26/202329三、转向操纵机构1.转向操纵机构的组成和布置2.转向盘3.转向轴和转向柱管的吸能装置5/26/2023311.转向操纵机构的组成和布置 从转向盘到转向传动轴这一系列部件和零件属于转向
11、操纵机构。如图所示，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。5/26/202332 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则固定在转向操纵机构支架6上。穿过转向柱管的转向轴15上端借转向节衬套16支承，下端则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。转向轴通过双万向节万向传动装置与转向器中的转向蜗杆相连。下万向节11与转向传动轴9用滑动花键连接。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
12、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记。装配时，应将两个零件上的标记短线对齐。5/26/2023332.转向盘 转向盘由轮缘1、轮辐2和轮毂3组成。轮辐一般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，借此与转向轴连接。转向盘内部是由成形的金属骨架构成。骨架外面一般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。5/26/202334 当汽车发生碰撞时，从安全性考虑，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
13、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保护驾驶员的气囊装置。5/26/2023353.转向轴和转向柱管的吸能装置 转向轴是连接转向盘和转向器的传动件，并传递它们之间的转矩。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装置有多种形式。其基本结构原理是，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。如图所示为红旗CA7220型轿车转向轴的吸能装置示意图。5/26/202336 如果汽车上装的是图23-13所示的吸能装置，则网格状转向柱管的网格部分将被
14、压缩而产生塑性变形。吸收冲击能量，以减轻对人体的伤害。5/26/2023375/26/202338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可能小。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 5/26/202339一、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 2.2.转向摇臂 转向摇臂 3.3.转向直拉杆 转向直拉杆 4.4.转向横拉杆 转向横拉杆 5/
15、26/202340 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，一般布置在前桥之后（图23-14a）。在发动机位置较低或转向桥兼充驱动桥的情况下，为避免运动的干涉，往往将转向梯形布置在前桥之前，图23-14b。若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，则可将转向直拉杆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）。5/26/202341 2.转向摇臂 它是转向传动副与直拉杆间的
16、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连接；其小端带有球头销，以便与转向直拉杆14作空间铰链连接。5/26/202342 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，三者之间的连接件都是球形铰链。5/26/202343 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
17、甲醛制成，有很好的耐磨性。球头座的形状如图c所示。装配时，两球头座的凹凸部互相嵌合。弹簧12保证两球头座紧密接触，并起缓冲作用，其预紧力由螺塞11调整。5/26/202344 图23-17所示东风EQ1090E型汽车转向拉杆接头的机构形式，与解放CA1091型汽车横拉杆接头相似，但球头座是钢制的。此外，螺孔切口两边无耳孔，而是用螺栓通过冲压制成的卡箍12夹紧在横拉杆体上。这样，就使接头的结构和制造工艺简化了。5/26/202345 二、与独立悬架配用的转向传动机构 5/26/202346 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，因而转向桥必须是
18、断开式。与此相应，转向传动机构中的转向梯形也必须分成两段（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通过转向直拉杆带动。5/26/202347 红旗CA7560型轿车转向传动机构的具体结构如图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连接。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。故能随同车轮相对于车架和摇杆7向平面内上下摆动。5/26/202348第四节 转向加力装置一、转向加力装置概述 一、转向加力装置概述 二、整体式动力转向器 二
19、、整体式动力转向器 三、半整体式动力转向器 三、半整体式动力转向器四、转向加力器 四、转向加力器5/26/202349一、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。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。按传能介质不同，转向加力装置有气压式和液压式两种。气压系统的工作压力较低（一般不高于0.7MPa），用于这种重型汽车上时，其部件尺寸将过于庞大。液压转向加力装置的工作压力可高达10MPa以上，故其部
20、件尺寸很小。液压系统工作时无噪声，工作滞后时间短，而且能吸收来自不平路面的冲击。因此，液压转向加力装置已在各类各级汽车上获得广泛应用。5/26/202350 本节所讨论的转向加力装置也只限于液压式的。（一）液压转向加力装置分类（二）液压转向加力装置的转向控制阀分类（三）常流式转向加力装置的结构布置方案5/26/202351（一）液压转向加力装置分类 液压转向加力装置有常压式和常流式两种。1.常压式液压转向加力装置2.常流式液压转向加力装置5/26/2023521.常压式液压转向加力装置 常压式液压转向加力装置示意图23-20。在汽车直线行驶，转向盘保持中立时，转向控制阀5经常处于关闭位置。当转
21、动转向盘时，机械转向器6即通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，转向盘保持静止还是运动状态，该系统工作管路中总是保持高压。5/26/2023532.常流式液压转向加力装置 常流式液压转向加力装置示意图为图23-21，不转向时，转向控制阀6保持开启。当驾驶员转动方向盘，通过机械转向器7使转向控制阀处于与某一转弯方向响应工作位置时，转向动力缸的相应工作腔方与回油管路隔绝，转而与液压泵输出管路相通。5/26/202354 上述两种液压转向加力装置比较，常压式的优点在于有储能器积 上述两种液压转向加力装置比较，常压式的优点在于有储能器积蓄液压能，可以使用流量较
22、小的转向液压泵，而且还可以在液压泵不运 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 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。常流式的优点是结构简单，液压泵寿命 一点对重型汽车而言尤为重要。常流式的优点是结构简单，液压泵寿命长，漏泄较少，消耗功率也较少。因此，目前只有少数重型汽车（如法 长，漏泄较少，消耗功率也较少。因此，目前只有少数重型汽车（如法国的贝利埃 国的贝利埃T25 T25型，美国 型，美国WABCO120C WABCO120C型等自卸汽车）采用常压式转向
23、 型等自卸汽车）采用常压式转向加力装置，而常流式转向加力装置则广泛应用于各种汽车。加力装置，而常流式转向加力装置则广泛应用于各种汽车。5/26/202355（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。1.1.滑阀式转向控制阀 滑阀式转向控制阀2.2.转阀式转向控制阀 转阀式转向控制阀5/26/2023561.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阀，称为滑阀式转向控制阀，如图23-22所示。5/26/2023572.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。5/26/202358（三）常
24、流式转向加力装置的结构布置方案 常流式转向加力装置的结构布置方案，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，如图所示。5/26/202359 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装置示意图。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。5/26/202360 转阀的构造如图23-26所示。扭杆6的前端用销2与转向齿轮连接，后端与阀芯连接，而阀芯又与转向轴的末端固定在一起，因而转向轴可通过扭杆带动转向齿轮转动。5/26/20236
25、1 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。5/26/202362 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。5/26/202363三、半整体式动力转向器 原红岩CQ261型汽车的液压转向加力装置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，转向动力缸则是独立部件。5/26/202364 半整体式动力转向器的构造如图23-3
26、0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。5/26/202365 转向动力缸的构造如图23-31所示。连接叉1与转向摇臂相连，后盖5与固定在车架上的支座以球铰链连接。前、后腔通油孔口A和B分别与转向控制阀相应的通油孔口连通。随着转向控制阀滑阀位置的不同，动力缸两腔可以交替成为低压腔和高压腔，也可以都成为低压腔。5/26/202366四、转向加力器 由机械转向器和转向加力器组成的动力转向系的结构布置方案如图23-32所示。转向加力器由转向控制阀5和转向动力缸6组成。5/26/202367第五节 转向油罐与转向液压泵 一、转向油罐二、转向液压泵5/
27、26/202368一、转向油罐 转向油罐的作用是储存、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）。转向油罐一般是单独安装，但也有直接装在转向液压泵上的。图23-34所示为一种重型汽车转向油罐的构造。5/26/202369二、转向液压泵 转向液压泵是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。在转向液压泵只受发动机驱动的情况下，一旦发动机停止运转，液压泵即无压力油输出。这对前轴（转向轴）最大轴载质量在25t以上的重型汽车而言，是极为不利的，因为驾驶员的体力根本不能胜任使法向载荷这样大的转向轮偏转的任务。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
28、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。应急液压泵可以接蓄电池通过直流电动机驱动，也可以由汽车传动系驱动。5/26/202370 转向液压泵的结构形式有齿轮式、叶片式、转子式、柱塞式等。在国内、外汽车动力转向系中应用的最多的是外啮齿轮式转向液压泵。一种国产汽车的外啮齿轮式转向液压泵的结构示意图23-35。右侧二轴套12和15则可以轴向浮动，称为浮动轴套。限制齿轮液压泵的轴向间隙，以提高液压泵的容积效率和工作压力的较先进的结构措施之一，即采用浮动轴承。5/26/202371 转向液压泵的流量与齿轮转速（从而与发动机转速）成正比。转向液压泵的输出压力取决于液压系统的负荷（即动力缸活塞所受的运动阻力）。该液压泵内部装有流量控制阀和安全阀。差压式的流量控制阀装在液压泵进油腔和出油腔之间，与液压泵齿轮副并联。安全阀则位于流量控制阀内。5/26/202372