汽车在行驶过程中,需按驾驶人的意志经常改变其行驶方向,即所谓汽车转向。就轮式汽车而言,实现汽车转向的方法是驾驶人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)相对于汽车纵轴线偏转一定角度。在汽车直线行驶时,转向轮往往也会受到路面侧向干扰力的作用,自动偏转而改变行驶方向。此时,驾驶人也可以利用这套机构使转向轮向相反的方向偏转,从而使汽车恢复原来的行驶方向。这一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构,称为汽车转向系统。因此,汽车转向系统的功用就是保证汽车能按驾驶人的意志而进行转向行驶。24.1概述

　　汽车转向系统可按转向能源的不同,分为机械转向系统和助力转向系统两大类。24.1概述一、汽车转向系统的类型和组成1.机械转向系统机械转向系统以驾驶人的体力作为转向能源,其中所有传力件都是机械的。它主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。图24-1所示为一种机械转向系统的组成和布置示意图。当汽车转向时,驾驶人对转向盘1施加一个转向力矩。该力矩通过转向轴2、转向万向节3和转向传动轴4输入转向器5。经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向摇臂6,再经过转向直拉杆7传给固定于左转向节9上的转向节臂8,使左转向节和它所支承的左转向轮偏转。为使右转向节13及其支承的右转向轮随之偏转相应角度,还设置了转向梯形。转向梯形由固定在左、右转向节上的梯形臂10、12和两端与梯形臂做球铰链连接的转向横拉杆11组成。

　　24.1概述一、汽车转向系统的类型和组成向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向摇臂6,再经过转向直拉杆7传给固定于左转向节9上的转向节臂8,使左转向节和它所支承的左转向轮偏转。为使右转向节13及其支承的右转向轮随之偏转相应角度,还设置了转向梯形。转向梯形由固定在左、右转向节上的梯形臂10、12和两端与梯形臂做球铰链连接的转向横拉杆11组成。从转向盘到转向传动轴这一系列零部件,均属于转向操纵机构。由转向摇臂至转向梯形这一系列零部件(不含转向节),均属于转向传动机构。

　　24.1概述一、汽车转向系统的类型和组成目前,国内外生产的许多新车型在转向操纵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的通用化和系列化。只要适当改变转向万向传动装置的几何参数,便可满足各种变型车的总布置要求。即使在转向盘与转向器同轴线的情况下,其间也可采用万向传动装置,以补偿由于部件在车上的安装误差和安装基体(驾驶室、车架)的变形所造成的两者轴线实际上的不重合。转向盘在驾驶室内安放的位置与各国交通法规有关。包括我国在内的大多数国家规定车辆右侧通行,相应地应将转向盘安置在驾驶室左侧。这样,驾驶人的左方视野较广阔,有利于两车安全交会。相反,在一些规定车辆左侧通行的国家使用的汽车上,转向盘则应安置在驾驶室右侧。

　　24.1概述一、汽车转向系统的类型和组成2.助力转向系统助力转向系统是一套兼用驾驶人体力和发动机动力为转向能源的转向系统。在正常情况下,汽车转向所需的能量只有一小部分由驾驶人提供,而大部分能量由发动机通过转向加力装置提供。但在转向加力装置失效时,一般还应当能由驾驶人独立承担汽车转向任务。因此,助力转向系统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。如图24-2所示为一种液压动力转向系统的组成示意图。其中属于转向加力装置的部件主要有:转向油罐9、转向液压泵10、转向控制阀5和转向助力缸12。当驾驶人逆时针转动转向盘1(左转向)时,转向摇臂7带动转向直拉杆6前移。转向直拉杆的拉力作用于转向节臂4,并依次传到梯形臂3和转向横拉杆11,使之右移。与此同时,转向直拉杆还带动转向控制阀5中的滑阀,使转向助力缸12的右腔接通液面压力为零的转向油罐,转向液压泵10的高压油进入转向助力缸的左腔,于是转向助力缸的活塞上受到向右的液压作用力便经推杆施加在转向横拉杆11上,也使之右移。这样,驾驶人施于转向盘上很小的转向力矩,便可克服地面作用于转向轮上的转向阻力矩。

　　24.1概述二、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行驶的附加阻力和轮胎过快磨损,要求转向系统能保证在汽车转向时所有车轮均做纯滚动。显然,这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(图24-3)。对于两轴汽车,由图可见,内转向轮偏转角β应大于外转向轮偏转角α。

　　24.1概述二、两侧转向轮偏转角之间的理想关系式在车轮为绝对刚体的假设条件下,角α与β的理想关系式应为：式中,B为两侧主销轴线与地面相交点之间的距离;L为汽车轴距。为此,必须精心确定转向传动机构中转向梯形的几何参数。但是迄今为止,所有汽车的转向梯形实际上都只能设计得在一定的车轮偏转角范围内,使两侧车轮偏转角的关系大体上接近于理想关系。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R。转弯半径R越小,则汽车转向所需场地就越小。由图24-3可知,当外转向轮偏转角达到最大值αmax时,转弯半径R为最小。在图示的理想情况下,最小转弯半径Rmin与外转向轮最大偏转角αmax的关系为

　　24.1概述二、两侧转向轮偏转角之间的理想关系式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(图24-4a),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。对于利用第一、第二两车桥转向的四轴汽车(图24-4b),可以第三、四两桥轴线之间的中间平行线为基线,分别求出这两个转向桥两侧车轮偏转角的近似理想关系。显然,对上述两种汽车,都可得到下列理想的或近似理想的关系式

　　24.1概述二、两侧转向轮偏转角之间的理想关系式在图24-4a中,若L1=L2=L/2,则应有且最小转弯半径即图24-4a所示汽车的转弯半径,仅为同轴距的前轮转向双轴汽车的转弯半径的1/2。

　　24.1概述三、转向系统角传动比转向盘的转角增量与相应的转向摇臂转角增量之比iω1称为转向器角传动比;转向摇臂转角增量与转向盘所在一侧的转向节相应的转角增量之比iω2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iω则为转向系统角传动比。显然,iω=iω1iω2。另外,两个转向轮所受到的转向阻力与驾驶人作用在转向盘上的手力之比iP称为转向系统的力传动比,它与角传动比iω成正比。转向系统角传动比iω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,驾驶人应加于转向盘的手力也越小。但iω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iω时应适当兼顾转向省力和转向灵敏的要求。

　　24.1概述三、转向系统角传动比对于一般汽车而言,转向传动机构角传动比iω2大约为1。在转向过程中,iω2虽然会随转向节转角不同而有所变化,但一般变化幅度不大。货车的转向器角传动比iω1约为16~32,轿车约为12~20。由此可知,转向系统角传动比iω主要取决于转向器角传动比iω1。有些转向器的iω1是常数,有些则是可变的。转向盘转角较小时,转向阻力较小,iω1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),iω1应大一些,以保证转向轻便。采用传动比可变的转向器只能在一定程度上改善转向“轻”与“灵”之间的矛盾。因此,采用助力转向系统已成为发展趋势。汽车的转向操纵性能并不完全取决于转向系统,还与行驶系统有关。汽车在直线行驶中,转向轮会受到偶然出现的地面侧向反力而发生意外偏转,因而使汽车意外地转向。为了使汽车能稳定地保持直线行驶方向,要求转向轮偶然发生偏转后能立即自动回到相应于直线行驶的中立位置。在第二十二章所述及的转向主销的后倾和内倾,即是为保证转向轮这一自动回正性能而在行驶系统中所采取的结构措施之一。此外,悬架导向机构的结构和布置以及轮胎的径向和侧向刚度,都对汽车的转向操纵性有很大影响。

　　24.2转向器及转向操纵机构转向器是转向系统的减速传动装置,一般有1~2级减速传动副,可按传动副的结构形式分类。曾经出现过的转向器结构形式很多,但有些已被淘汰。目前,在汽车上广泛采用的有齿轮齿条式和循环球-齿条齿扇式等几种结构形式。一、转向器传动效率及转向盘自由行程

　　24.2转向器及转向操纵机构1.转向器传动效率转向器的输出功率与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,则称为逆效率。逆效率很高的转向器很容易将经转向传动机构传来的路面反力传到转向盘上,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的自动回正,但也能将坏路面对车轮的冲击力传到转向盘,发生“打手”情况。逆效率很低的转向器称为不可逆式转向器。不平路面对转向轮的冲击载荷输入到这种转向器,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,道路的转向阻力矩也不能反馈到转向盘上,使得驾驶人不能得到路面反馈信息,丧失“路感”,无法据此调节转向力矩。一、转向器传动效率及转向盘自由行程

　　24.2转向器及转向操纵机构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,驾驶人能有一定的路感,转向轮自动回正也可实现,而且只有在路面冲击力很大时,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矿用自卸汽车。一、转向器传动效率及转向盘自由行程

　　24.2转向器及转向操纵机构2.转向盘自由行程单从转向操纵的灵敏性而言,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。因为在整个转向系统中,各传动件之间都必然存在着装配间隙,而且这些间隙将随着零件的磨损而增大。在转向盘转动过程的开始阶段,驾驶人对转向盘所施加的力矩很小,因为只是用来克服转向系统内部的摩擦,使各传动件运动到其间的间隙完全消除,故可以认为这一阶段是转向盘空转阶段。此后,才需要对转向盘施加更大的转向力矩,以克服经车轮传到转向节上的转向阻力矩,从而实现使各转向轮的偏转。转向盘在空转阶段中的角行程称为转向盘自由行程。转向盘自由行程对于缓和路面冲击及避免使驾驶人过度紧张是有利的,但不宜过大,以免影响灵敏性。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10°~15°。当零件磨损严重到使转向盘自由行程超过25°~30°时,必须进行调整。一、转向器传动效率及转向盘自由行程

　　24.2转向器及转向操纵机构1.齿轮齿条式转向器由于齿轮齿条式转向器具有结构简单、紧凑,质量小,刚性大,转向灵敏,制造容易,成本低,正、逆效率都高以及便于布置等优点,适合与独立悬架配合使用,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24-5所示为某轿车的齿轮齿条式转向器。作为传动副主动件的转向齿轮1安装在壳体10中,与水平布置的转向齿条2相啮合。弹簧3通过压块6将齿条压靠在转向齿轮1上,以保证无间隙啮合。弹簧的预紧力可用调整螺钉4调整。如图24-6所示,在转向齿条的中部用螺栓(图中未示出)与转向拉杆的托架10连接,转向左、右横拉杆11、9的外端与转向节臂13相连(右转向节臂图中未示出)。当转动转向盘时,转向齿轮转动,使与之啮合的转向齿条沿轴向移动,从而使左、右横拉杆带动左、右转向节转动,使转向轮偏转,实现汽车转向。为了避免转向轮摆振,在该结构中装有转向减振器8。二、转向器

　　24.2转向器及转向操纵机构由上述可见,采用齿轮齿条式转向器省略了转向摇臂和转向直拉杆,使转向传动机构简化。这也是其目前在轿车和微、轻型载货汽车上应用日趋广泛的原因之一。二、转向器

　　24.2转向器及转向操纵机构2.循环球式转向器循环球式转向器也是目前国内外汽车上应用较多的一种转向器。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,第二级一般采用齿条齿扇传动副。图24-7所示为某轻型载货汽车的循环球-齿条齿扇式转向器。转向螺杆3的轴颈支承在两个推力角接触球轴承2上。轴承预紧度可用调整垫片9调整。转向螺母4外侧的下平面上加工成齿条,与齿扇轴(即摇臂轴)20上的齿扇啮合。可见,转向螺母既是第一级传动副的从动件,也是第二级传动副(齿条齿扇传动副)的主动件(齿条)。通过转向盘和转向轴转动转向螺杆时,转向螺母不能转动,只能轴向移动,并驱使齿扇轴转动。二、转向器

　　24.2转向器及转向操纵机构为了减少转向螺杆3和转向螺母4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,使滑动摩擦变为滚动摩擦。转向螺杆3和螺母4上都加工出断面轮廓为两段或三段不同心圆弧组成的近似半圆的螺旋槽。两者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面的螺旋管状通道。螺母侧面有两对通孔,可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内。两根U形钢球导管7的两端插入螺母侧面的两对通孔中。导管内也装满了钢球。这样,两根导管和螺母内的螺旋管状通道组合成两条各自独立的封闭的钢球“流道”。转向螺杆3转动时,通过钢球5将力传给转向螺母4,使螺母4沿轴向移动。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”。钢球在管状通道内绕行1.5周后,流出螺母4而进入导管的一端,再由导管另一端流回螺旋管状通道。因此,在转向器工作时,两列钢球只是在各自的封闭流道内循环,而不致脱出。二、转向器

　　24.2转向器及转向操纵机构与齿条相啮合的齿扇,其齿厚是在分度圆上沿齿扇轴线按线性关系变化的,即为变厚齿扇。只要使齿扇轴20相对于齿条做轴向移动,即能调整两者的啮合间隙。调整螺钉14旋装在侧盖16上,齿扇轴内侧端部有切槽,调整螺钉的圆柱形端头嵌入此切槽中。将调整螺钉旋入,啮合间隙减小;反之,啮合间隙增大。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。不过,对于前轴载质量不大而又经常在平坦路面上行驶的汽车而言,这一缺点影响不大。因此,循环球式转向器广泛应用于各类各级汽车。二、转向器

　　24.2转向器及转向操纵机构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为主动件,其从动件是装在摇臂轴曲柄端部的指销。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24-8所示为某型汽车的蜗杆曲柄双指销式转向器。具有梯形截面螺纹的转向蜗杆3支承于转向器壳体两端的两个角接触球轴承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。二、转向器

　　24.2转向器及转向操纵机构蜗杆与两个锥形的指销13相啮合。两个指销均用双列圆锥滚子轴承14支于摇臂轴11内端的曲柄上,其中靠指销头部的一列无内座圈滚子直接与指销轴颈接触。这样,所受剪切载荷最大的这段轴颈的直径可做得大一些,以保证指销有足够的强度。指销装在滚动轴承上可以减轻蜗杆和指销的磨损,并提高传动效率。螺母15用以调整轴承14的紧度,以使指销能自由转动且无明显的轴向间隙为宜。摇臂轴用粉末冶金衬套19和20支承在壳体中。指销同蜗杆的啮合间隙用侧盖16上的调整螺钉17调整,调整后用螺母18锁紧。双指销式转向器在中间及其附近位置时,其两指销均与蜗杆啮合,故每个指销所受载荷较单指销式转向器的指销载荷小,因而工作寿命较长。当摇臂轴转角相当大时,一个指销与蜗杆脱离啮合,另一指销仍保持啮合。因此,双指销式的摇臂轴转角范围较单指销式的大。但双指销式结构较复杂,对蜗杆的加工精度要求也较高。二、转向器

　　24.2转向器及转向操纵机构1.转向操纵机构的组成和布置前已述及,从转向盘到转向传动轴这一系列零部件属于转向操纵机构。如图24-9所示,它包括转向盘1、转向管柱2、转向轴15、上万向节8、下万向节11和转向传动轴9等。转向管柱2中部用橡胶垫3和半圆形冲压转向管柱支架4固定在驾驶室前围板上,下端插入铸铁转向管柱支座5的孔中,支座5则固定在转向操纵机构支架6上。三、转向操纵机构

　　24.2转向器及转向操纵机构穿过转向管柱的转向轴15上端借转向轴衬套16支承,下端则支承在转向管柱支座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。三、转向操纵机构

　　24.2转向器及转向操纵机构2.转向盘转向盘由轮缘1、轮辐2和轮毂3(图24-10)组成。轮辐一般为三根辐条(图24-10a)或四根辐条(图24-10b),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(图24-10c),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。三、转向操纵机构

　　24.2转向器及转向操纵机构当汽车发生碰撞时,从安全性考虑,不仅要求转向盘应具有柔软的外表皮,起到缓冲作用,而且还要求转向盘在撞车时,其骨架能产生一定变形,以吸收冲击能量,减轻驾驶人受伤的程度。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人的安全气囊装置。三、转向操纵机构

　　24.2转向器及转向操纵机构3.转向轴和转向管柱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。转向管柱安装在车身上,支承着转向盘。转向轴从转向管柱中穿过,支承在管柱内的轴承和衬套上。近年来,由于公路的改善和汽车车速的提高,许多国家都制定了严格的安全法规。对于轿车,除要求装有吸能式转向盘外,还要求转向管柱也必须备有缓和冲击的吸能装置。转向轴和转向管柱的吸能装置有多种形式。其基本结构原理是,当受到巨大冲击时,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。三、转向操纵机构

　　24.2转向器及转向操纵机构图24-11所示为某型轿车转向轴的吸能装置示意图。转向轴分为上、下两段,中间用柔性联轴器连接(参看图24-6)。联轴器的上、下凸缘盘靠两个销子与销孔扣合在一起,销子通过衬套与销孔配合。当发生猛烈撞车时,车身、车架产生严重变形,导致转向轴、转向盘等部件后移。与此同时,在惯性作用下驾驶人人体向前冲,致使转向轴上的上、下凸缘盘的销子与销孔脱开,从而缓和了冲击,吸收了冲击能量,有效地减轻了驾驶人受伤的程度。三、转向操纵机构

　　24.2转向器及转向操纵机构如果汽车上装用了图24-12所示的吸能装置,当人体冲撞到转向盘上的力超过允许值时,则网格状转向管柱的网格部分将被压缩而产生塑性变形,吸收冲击能量,以减轻对人体的伤害。三、转向操纵机构

　　24.3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,并使两转向轮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。

　　24.3转向传动机构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(图24-13),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24-13a)。当转向轮处于与汽车直线行驶相应的中立位置时,梯形臂与横拉杆在与道路平行的平面(水平平面)内的交角θ90°。在发动机位置较低或转向桥兼充驱动桥的情况下,为避免运动干涉,往往将转向梯形布置在前桥之前。此时,上述交角θ90°(图24-13b)。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,使两侧梯形臂转动(图24-13c)。一、与非独立悬架配用的转向传动机构

　　24.3转向传动机构2.转向摇臂它是转向器传动副与转向直拉杆间的传动件。如图24-9所示,某型汽车的转向摇臂13的大端用锥形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做空间铰链连接。一、与非独立悬架配用的转向传动机构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24-14所示为某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于车架跳动时,转向直拉杆与转向摇臂及转向节臂的相对运动都是空间运动。因此,为了不发生运动干涉,三者之间的连接件都是球形铰链。

　　24.3转向传动机构直拉杆体9是一段两端扩大的钢管。其前端(图中为左端)带有球头销2。球头销的尾端可用螺母1固定于转向节臂的端部。两个球头座5在压缩弹簧6的作用下,将球头销的球头夹持住。为保证球头与座的润滑,可从油嘴8注入润滑脂,使其充满直拉杆体端部管腔。供球头拆装时出入的孔口用耐油橡胶防尘垫3封盖。压缩弹簧6随时补偿球头与座的磨损,保证两者之间无间隙,并可缓和经车轮和转向节传来的路面冲击。弹簧预紧力可用端部螺塞4调节,调好后需用开口销固定螺塞位置。当球头销作用在内球头座上的冲击力超过压缩弹簧的预紧力时,弹簧便进一步变形而吸收冲击能量。弹簧变形增量受到弹簧座7自由端的限制,这就可以防止弹簧超载,并保证在弹簧折断的情况下球头销不致从管腔中脱出。直拉杆体后端(图中为右端)可以嵌装转向摇臂球头销10。这一端的压缩弹簧也装在球头座后方(图中为右方)。这样,两个压缩弹簧可分别在沿轴线的不同方向上起缓冲作用。自球头销2传来的向后的冲击力由前压缩弹簧承受。当球头销2受到向前的冲击力时,冲击力依次经前球头座、前端部螺塞4、直拉杆体9和后端部螺塞传给后压缩弹簧。一、与非独立悬架配用的转向传动机构

　　24.3转向传动机构4.转向横拉杆转向横拉杆是转向梯形机构的底边。如图24-15a所示,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。两端的接头结构相同,如图24-15b所示。其中,球头销14的尾部与梯形臂相连。上、下球头座9用聚甲醛制成,有很好的耐磨性。球头座的形状如图24-15c所示。装配时,两球头座的凹凸部互相嵌合。弹簧12保证两球头座与球头紧密接触,并起缓冲作用,其预紧力由螺塞11调整。两接头借螺纹与横拉杆体连接。接头螺纹部分有切口,故具有弹性。接头旋装到横拉杆体上后,用夹紧螺栓3夹紧。横拉杆体两端的螺纹,一端为右旋,一端为左旋。因此,在旋松夹紧螺栓3以后,转动横拉杆体,即可改变转向横拉杆的总长度,从而可调整转向轮前束。一、与非独立悬架配用的转向传动机构

　　24.3转向传动机构图24-16所示某型汽车转向横拉杆接头的结构形式,与图24-15所示汽车转向横拉杆接头相似,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。一、与非独立悬架配用的转向传动机构

　　24.3转向传动机构当转向轮采用独立悬架时,每个转向轮分别相对于车架做独立运动,因而转向桥必须是断开式的。与此相应,转向传动机构中的转向梯形也必须分成两段(图24-17a)或三段(图24-17b),并且由在平行于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。二、与独立悬架配用的转向传动机构

　　24.3转向传动机构某型轿车转向传动机构即采用图24-17a所示方案,其具体结构如图24-18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,故能随同侧车轮相对于车架和摇杆7在横向平面内上下摆动。二、与独立悬架配用的转向传动机构

　　24.3转向传动机构转向直拉杆仅在外端有球头座,故有必要在两球头座背面各设一个压缩弹簧,分别吸收由横拉杆4和5传来的两个方向上的路面冲击,并自动消除球头与座之间的间隙。二、与独立悬架配用的转向传动机构

　　24.4转向加力装置及其附属部件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),并在驾驶人控制下,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,以助驾驶人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、转向助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。气压转向加力装置主要应用于一部分其前轴最大轴载质量为3~7t并采用气压制动系统的货车和客车。装载质量特大的货车也不宜采用气压转向加力装置,因为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。本节所讨论的转向加力装置也只限于液压式的。液压转向加力装置有常压式和常流式两种。常压式的优点在于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。常流式的优点则是结构简单、液压泵寿命长、泄漏较少、消耗功率也较少。因此,只有少数重型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。一、转向加力装置概述

　　24.4转向加力装置及其附属部件常流式液压转向加力装置示意图如图24-19所示。不转向时,转向控制阀6保持开启。转向助力缸8的活塞两边的工作腔,由于都与低压回油管路相通而不起作用。转向液压泵2输出的油液流入转向控制阀,又由此流回转向油罐1。因转向控制阀的节流阻力很小,故液压泵输出压力也很低,液压泵实际上处于空转状态。当驾驶人转动转向盘、通过机械转向器7使转向控制阀处于与某一转弯方向相对应的工作位置时,转向助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,而助力缸的另一腔则仍然通回油管路。地面转向阻力经转向传动机构传到转向助力缸的推杆和活塞上,形成比转向控制阀节流阻力高得多的液压泵输出管路阻力。于是,转向液压泵输出压力急剧升高,直到足以推动转向助力缸活塞为止。转向盘停止转动后,转向控制阀随即回到中立位置,使助力缸停止工作。一、转向加力装置概述

　　24.4转向加力装置及其附属部件液压转向加力装置的转向控制阀有滑阀式和转阀式两种。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,图24-19中的转向控制阀6即为滑阀式结构。阀体绕其轴线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24-20所示。该转阀具有4个互相连通的进油道A,通道B、C分别与助力缸的左、右腔连通。当阀体1顺时针转过一个很小的角度时,从液压泵来的压力油经通道A流入4个通道C,继而进入助力缸的一个腔内。另外4个通道B的进油被隔断,压力油不能进入,因而助力缸另一腔的低压油在活塞的推动下经回油道流回储油罐。与滑阀式相比较,转阀式结构灵敏度高、密封件少,在各种车辆的助力转向系统中得到了广泛的应用。常流式转向加力装置的结构布置方案,通常是将机械转向器和转向助力缸设计成一体,并与转向控制阀组装在一起。这种三合一的部件,称为整体式助力转向器。一、转向加力装置概述

　　24.4转向加力装置及其附属部件目前,国产轿车的液压转向系统基本上都采用了转阀式的整体式助力转向器。图24-21所示为某国产轿车上采用的带整体式助力转向器的转向加力装置示意图。齿轮齿条式机械转向器、转向助力缸和控制阀设计成一体,组成整体式助力转向器。其控制阀为转阀。转向助力缸活塞2与转向齿条4制成一体。活塞2将转向助力缸1分成左右两腔。转阀的构造如图24-22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。二、整体式助力转向器

　　24.4转向加力装置及其附属部件转向控制阀(转阀)处于中间位置时(图24-21a),由转向油罐7、转向液压泵(叶片泵)6、流量控制阀(带溢流阀)5组成的供能装置输出的油液,流入转阀进油口P进入阀腔。由于转阀处于中间位置,它使助力缸的两腔相通,则油液经回油管路8流回转向油罐7。因此,转向助力缸完全不起作用,该转向加力装置为常流式转阀整体式助力转向器。当刚一开始转动转向盘、转向轴连同阀芯被顺时针转动时(图24-21b),因为受到转向节臂传来的路面转向阻力,助力缸活塞和转向齿条暂时都不能运动,所以转向齿轮暂时也不能随转向轴转动。这样,由转向轴传到转向齿轮的转矩只能使扭杆10产生少许扭转变形,使转向轴(即阀芯)得以相对转向齿轮(即阀套)转过不大的角度,从而转阀使助力缸左腔成为高压的进油腔,右腔则成为低压的回油腔。作用在助力缸活塞上向右的液压作用力,帮助转向齿轮迫使转向齿条开始右移,转向轮开始向右偏转。同时,转向齿轮本身也开始与转向轴同向转动。只要转向盘继续转动,扭杆10的扭转变形便一直保持不变,转向控制阀所处的右转向位置也不变。一旦转向盘停止转动,助力缸暂时还继续工作,导致转向齿轮继续转动,使扭杆的扭转变形减小,直到扭杆恢复自由状态,控制阀(转阀)回到中间位置,助力缸停止工作为止。此时,转向盘即停驻在某一位置上而不动,则车轮转角也就保持一定。若转向盘继续转动时,转向助力缸又继续工作。这种转向助力缸随转向盘的转动而工作,又随转向盘停止转动而停止加力的作用,称为转向加力装置的随动作用。二、整体式助力转向器

　　24.4转向加力装置及其附属部件对于上述助力转向器,若转向盘逆时针转动时,扭杆、转阀阀芯的转动方向以及助力缸活塞移动的方向均与前述相反,则转向轮向左偏转。在用机械转向系统时,路面转向阻力矩经机械传动件传到转向盘,成为转向盘运动的阻力矩。驾驶人施加于转向盘上的力矩必须足以平衡这一阻力矩,方能使转向轮偏转,即所需转向力矩与路面转向阻力矩成一定的递增函数关系。这样,驾驶人可以直接感知转向阻力矩的大小(即有“路感”),从而可以随时调节所施加的转向力矩,保证转向正确进行。在采用助力转向系统的情况下,路面转向阻力矩的绝大部分传到助力缸推杆,只有小部分能传到转向盘上,这部分传到转向盘上的阻力矩,还应当与转向助力液压系统的工作压力成递增函数关系。图24-21所示的助力转向器,在转向过程中,转向齿条(同时也是助力缸的活塞杆)始终承受与转向盘手力相对应的转向齿轮作用在转向齿条上的力以及助力缸活塞作用在齿条上的液压力,二者与地面转向阻力矩通过转向传动机构传到转向齿条上的力相平衡。地面转向阻力矩越大,转阀中的扭杆扭转变形就越大,相应的转向盘手力就越大,同时转阀开度加大,助力缸中作用在活塞上的液压力也相应地增大,因此转向盘手力的变化可以反映出地面转向阻力的变化,使驾驶人获得一定强度的路感。二、整体式助力转向器

　　24.4转向加力装置及其附属部件某商用车所采用的整体式助力转向器也是转阀式,如图24-23所示。机械转向器为循环球-齿条齿扇式。转向器壳体11,同时也是转向助力缸的缸体。转向螺母9也是助力缸的活塞,其上加工有齿条并与摇臂轴上的齿扇相啮合。转向螺母9的前端用密封圈12将助力缸分成前、后两腔。转向螺杆8的前端用销10与扭杆1连接,后端制成圆筒形,其内圆面上加工有油道,并用轴承14支承在转向器后端盖4上。扭杆1的后端用销3与转阀阀芯2连接。阀芯2与转阀阀体5用销7连接成一体。阀芯2用花键与转向轴连接。其工作原理与前述的轿车整体式转阀助力转向器相同,这里不再重复。二、整体式助力转向器

　　24.4转向加力装置及其附属部件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24-24所示为一种重型汽车转向油罐的构造。中心油管接头座13专门用以装接转向控制阀的回油管路。另外两个油管接头座12则分别装接转向液压泵的进油管和半整体式助力转向器的漏泄回油管路。中心油管接头座下部有滤芯密封圈11,上部旋装着中心螺栓16。滤芯10套装在中心螺栓上,而且由锁销5限位的弹簧7压住。罐盖3靠翼形螺母压紧。三、转向油罐和转向液压泵

　　24.4转向加力装置及其附属部件由转向控制阀和转向助力缸流回来的油液,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。转向液压泵是液压转向加力装置的供能装置,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,因为驾驶人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,被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。应急转向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统驱动。在后一情况下,当主液压泵工作正常时,应急转向液压泵卸荷空转;主液压泵一旦停止运转,应急转向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。转向液压泵的结构形式有齿轮式、叶片式、转子式和柱塞式等。在国内、外汽车助力转向系统中应用最多的是外啮齿轮式转向液压泵。三、转向油罐和转向液压泵

　　24.4转向加力装置及其附属部件一种国产汽车的外啮齿轮式转向液压泵的结构如图24-25所示。图中液压泵顶部的右孔口为进油口,左孔口为出油口。主动齿轮14和从动齿轮13均与轴制成一体。两者的轴颈借轴套支承在泵体10和泵盖18上。左侧两轴套11的轴向位置是固定的;右侧两轴套12和15则可以轴向浮动,称为浮动轴套。三、转向油罐和转向液压泵

　　24.4转向加力装置及其附属部件一般齿轮液压泵不用带凸缘的浮动轴套,而用普通衬套作为齿轮轴的轴承。在此情况下,齿轮端面与其相对运动件泵体、泵盖之间必须留有一定的轴向间隙。齿轮泵各处的间隙都将导致油液漏泄,而齿轮端面处的轴向间隙对漏泄量的影响最大。而且,随着零件的磨损和液压泵工作压力的升高,轴向间隙和漏泄量将急剧增加,使得液压泵的容积效率(实际流量与理论流量的比值)降低,而且输出压力可能达不到工作要求的值。这是影响齿轮液压泵工作压力提高的主要因素之一。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就是采用浮动轴套。在图24-25所示的转向液压泵中,浮动轴套12、15凸缘的背面与泵盖18之间留有一个密闭空间,经泵体上的小油孔(图中未示出)与泵腔中压力较高的区域相通,其中还装有弹簧片17。液压泵不工作时,浮动轴套在弹簧片的作用下压靠着齿轮端面。液压泵开始运转后,泵腔液压作用力便使浮动轴套外移少许,形成轴向间隙,但此时浮动轴套凸缘背面也受到液压作用力。因为在设计上保证了浮动轴套背面的液压作用力与弹簧力之和略大于其正面液压作用力,所以当液压泵压力升高而使轴向间隙增大时,浮动轴套可在液压和弹簧作用下内移,对间隙增量加以补偿。液压泵压力越高,这一补偿作用越强。这就是对齿轮液压泵轴向间隙的“液压补偿”方法。零件磨损所致的间隙增量则由弹簧片随时补偿。三、转向油罐和转向液压泵

　　24.4转向加力装置及其附属部件每个齿轮两轴颈的端面处各有一个漏泄油腔。这四个油腔借泵体上的孔道和齿轮13中心孔道互相连通。自齿轮端面处的轴向间隙漏泄出来的油液,在润滑各摩擦面之后流到这些油腔中。漏泄油腔中的压力受控于由阀门21、弹簧20和螺塞19组成的单向阀。单向阀进油口与固定轴套11一侧的漏泄油腔相通,出油口则与液压泵进油腔连通。当漏泄油腔压力高达一定值时,单向阀即开启,使液压泵内部润滑循环油路接通。转向液压泵的流量与齿轮转速(从而与发动机转速)成正比。转向液压泵一般设计得即使在发动机怠速运转时,其流量也能保证急速转向所需的助力缸活塞最大移动速度。这样,当发动机转速高时,液压泵流量将过大,导致液压泵消耗功率过多且油温过高。为此,转向加力装置中必须设置流量控制阀,以限制转向液压泵最大流量。转向液压泵的输出压力取决于液压系统的负荷(即助力缸活塞所受的运动阻力)。在转向阻力矩过大时,助力缸和液压泵均将超载而导致零件损坏。因此,液压系统中还必须装设用以限制系统最高压力的溢流阀。三、转向油罐和转向液压泵

　　24.4转向加力装置及其附属部件该液压泵内部装有流量控制阀和溢流阀。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。溢流阀则位于流量控制阀内。流量控制阀9内的柱塞2在弹簧8的作用下处于下极限位置。柱塞下方通液压泵出油腔,上方通液压泵出油口。在液压泵出油腔与出油口之间有量孔1。当油液自出油腔以一定速度流过量孔时,由于量孔的节流作用,量孔外侧的出油口压力低于量孔内侧的出油腔压力。液压泵流量越大(即通过量孔的流速越高),则量孔内、外压力差越大。在液压泵流量增大到规定值,使柱塞2两端压力差的作用力足以克服弹簧8的预紧力,并进一步压缩弹簧,将柱塞向上推到柱塞下密封环带高于径向油孔的下边缘时,液压泵出油腔即与进油腔连通(图24-26)。于是,出油腔中的一部分油液便经流量控制阀流到进油腔,因而经量孔输出的流量便减小。流量减小到一定值以下时,量孔内、外两侧的压力差不足以平衡弹簧力,柱塞便被弹簧推下,重新切断进油腔到出油腔的通路。这样,转向液压泵的流量便被限制在9.5~16.0L/min。三、转向油罐和转向液压泵

　　24.4转向加力装置及其附属部件安全阀座7(图24-25)借螺纹固定在流量控制阀柱塞上端。阀门6及弹簧3所处的柱塞内腔与液压泵进油腔相通,阀门上方油腔经泵体内的油道通向量孔外的出油口。液压泵输出压力升高到规定的最高值时,球阀开启,将出油口与进油腔接通,使出油口压力降低(图24-27)。三、转向油罐和转向液压泵

　　24.4转向加力装置及其附属部件为了保证出油的连续性,齿轮式液压泵总是将齿轮设计得在一对轮齿脱离啮合之前,下一对轮齿即已进入啮合。两对同时啮合的轮齿啮合线之间的密闭空间容积先是缩小,继而又增大。在该空间缩小的阶段中,其中的油压剧增,对齿轮造成很大的径向力。为了改善这一情况,在各个轴套的正面加工出卸荷槽。齿轮式液压泵的齿轮齿顶圆上的压力分布很不均匀,而且不能互相平衡。这一不平衡的径向力不仅影响轴套寿命,而且也限制了液压泵压力的提高。一般齿轮式液压泵的最高压力多为6~7MPa,但也有高达14~16MPa的。上述齿轮泵为溢流阀所限定的最高压力约为7MPa。三、转向油罐和转向液压泵

　　24.5电动助力转向系统电动助力转向(ElectricPowerAidedSteering,EPAS)系统是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的助力转向系统,是为了满足人们对驾驶轻便性的要求而产生的。它可以根据不同的使用工况控制电动机提供不同的辅助动力,这也符合当前电控技术与汽车技术相结合的趋势。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。图24-28为电动助力转向系统示意图。转矩传感器1通过扭杆连接在转向轴2中间。当转向轴转动时,转矩传感器开始工作,把两段转向轴在扭杆作用下产生的相对转角转变成电信号传给电子控制单元(ECU)7,ECU根据车速传感器和转矩传感器的信号决定电动机6的旋转方向和助力电流的大小,并将指令传递给电动机,通过离合器5和减速机构3将辅助动力施加到转向系统(转向轴)中,从而完成实时控制的助力转向。它可以方便地实现在不同车速下提供不同的助力效果,保证汽车在低速转向行驶时轻便灵活,高速转向行驶时稳定可靠。因此,EPAS系统助力特性的设置具有较高的自由度。一、电动助力转向系统概述

　　24.5电动助力转向系统EPAS系统与传统的液压助力转向系统相比较,具有以下优点:1)节省空间。因为电动机和减速机构集成在转向柱或者转向器壳体中,此外也省略了液压泵和辅助管路。2)质量小。因为仅仅是在机械转向系统的基础上增加了一套电动机和减速机构。3)节省动力。因为设计的控制电路使电动机只在需要时才工作,而省去了不断工作的液压泵。4)因为部件更少且不需要充入液体或滤清空气,所以更加容易集成。但是,由于使用了电动机和减速机构等部件,因此增加了系统的成本;另外,减速机构、电动机等部件产生的摩擦力和惯性力可能会影响转向特性(如产生过多转向),或者改变了转向盘的自动回正作用以及它的阻尼特性等。因此,正确匹配整车性能至关重要。由此可见,EPAS系统尤其适合使用在对空间、重量要求更高的使用小排量发动机的微型汽车上。自从1988年2月日本铃木公司的Cervo轿车装备了EPAS系统之后,其他一些微型汽车(如铃木公司的Alto汽车和三菱公司的Minica汽车)也开始装备EPAS系统。一、电动助力转向系统概述

　　24.5电动助力转向系统根据电动机布置位置不同,EPAS系统可以分为以下三种类型:转向轴助力式、齿轮助力式和齿条助力式,如图24-29所示。二、EPAS系统的类型

　　24.5电动助力转向系统转向轴助力式EPAS系统的电动机固定在转向轴一侧,并装有一个电磁控制的离合器,通过减速机构与转向轴相连,直接驱动转向轴助力转向。例如,Alto轿车就采用了这种类型和布置方式,其控制单元安装在驾驶人座椅下。齿轮助力式EPAS系统的电动机和减速机构与小齿轮相连,直接驱动齿轮助力转向。例如,在Minica微型汽车上,转速传感器、电动机和减速机构以及离合器集成在一起,电动机直接通过减速机构驱动齿轮轴进行助力。它的控制单元安装在前排乘客一侧。齿条助力式EPAS系统的电动机和减速机构则直接驱动齿条提供助力。例如,在Mira微型汽车中,转矩传感器单独安装在转向小齿轮附近,而电动机和减速机构集成在一起安装在小齿轮另一面的齿条上,电动机的动力直接作用到齿条上。控制单元安装在乘员一侧仪表板的后面。二、EPAS系统的类型

　　24.5电动助力转向系统EPAS系统是根据车速进行控制的,随着车速的提高所提供的辅助转向力就逐渐减小。根据提供辅助转向力的车速范围不同,EPAS系统可以分为全速助力型和低速助力型。Mira汽车在所有的车速范围内都提供转向助力,而Alto和Minica汽车则只在低速范围内提供助力。Alto和Minica汽车的助力车速上限分别是45km/h和30km/h。低速助力型系统的成本较低,但在不同车速下,即有助力和没有助力的情况下转向路感会有所不同。尤其是处于辅助动力系统开始起作用的车速附近时,对转向手感会有显著的影响。二、EPAS系统的类型

　　24.5电动助力转向系统1.转矩传感器转矩传感器是测量驾驶人作用在转向盘上力矩的大小与方向的,有的转矩传感器还能够测量转向盘转角的大小和方向。转矩测量系统比较复杂且成本较高,所以精确、可靠、低成本的转矩传感器是决定EPAS系统能否占领市场的关键因素之一。转矩传感器有接触式与非接触式两种。图24-30所示为一种接触式转矩传感器,它在转向轴1与转向小齿轮5之间安装了一个扭杆2。当转向系统工作时,利用滑环6和电位计4测量扭杆的变形量并转换为电压信号,通过信号输出端3将信号输出并转换得到所产生的转矩。三、EPAS系统的关键部件

　　24.5电动助力转向系统图24-31所示非接触式转矩传感器中有两对磁极环4,当输入轴1与输出轴3之间发生相对转动时,磁极环之间的空气间隙发生变化,从而引起电磁感应系数的变化,在线中产生感应电压,并将电压信号转换为转矩信号。非接触式转矩传感器的优点是体积小、精度高,缺点是成本较高。汽车的行驶速度也是EPAS系统的控制信号,它是由车速传感器来测量的。三、EPAS系统的关键部件

　　24.5电动助力转向系统2.电动机电动机是EPAS系统的动力源,其功能是根据电子控制单元的指令输出适当的辅助转矩。目前采用较多的是永磁式直流电动机,分为有刷式和无刷式两种。电动机对EPAS系统的性能有很大影响,所以EPAS系统对电动机有很高的要求。不仅要求其转矩大、转矩波云开官网动小、转动惯量小、尺寸小、重量轻,而且要求其可靠性高、易控制。为此,设计时常针对EPAS系统的特点,对电动机的结构作一些特殊的处理,如沿转子的表面开出斜槽或螺旋槽,定子磁铁设计成不等厚等。三、EPAS系统的关键部件

　　24.5电动助力转向系统3.减速机构EPAS系统的减速机构与电动机相连,起降速增矩作用。常采用蜗轮蜗杆减速机构、滚珠螺杆螺母减速机构和行星齿轮减速机构等。蜗轮蜗杆减速机构一般应用在转向轴助力式EPAS系统上,而行星齿轮减速机构则被应用在齿条助力式EPAS系统和齿轮助力式EPAS系统上。图24-32所示蜗轮蜗杆减速机构中,蜗杆5与电动机3的输出轴相连,通过蜗轮6和蜗杆的啮合传动将电动机的转矩作用到转向轴1上,以实现转向助力。三、EPAS系统的关键部件

　　24.5电动助力转向系统低速助力型EPAS系统还采用了离合器,如图24-28所示。它装在减速机构与电动机之间,其作用是保证EPAS系统只在设定的行驶车速范围内起作用。当车速达到界限值时,离合器分离,电动机停止工作,转向系统变为手动转向系统。此时,系统不再受电动机部件惯性力的影响。另外,当电动机发生故障时,离合器将自动分离。三、EPAS系统的关键部件

　　24.5电动助力转向系统4.电子控制单元电子控制单元(ECU)的功能是,根据转矩传感器和车速传感器信号进行逻辑分析与计算后发出指令,控制电动机和离合器的动作。EPAS系统控制原理如图24-33所示。此外,ECU还有安全保护和自我诊断功能。通过采集电动机的电流、发电机电压、发动机工况等信号,判断其系统工作状况是否正常。一旦系统工作异常,将自动取消助力作用,同时还将进行故障诊断分析。ECU通常是一个8位单片机系统,也有采用数字信号处理器(DigitalSignalProcessing,DSP)作为控制单元的。控制系统与控制算法也是EPAS系统的关键之一。控制系统应有很强的抗干扰能力,以适应汽车多变的行驶环境。控制算法应快速、正确,满足实时控制的要求,并能有效地实现理想的助力规律与特性。三、EPAS系统的关键部件

　　24.5电动助力转向系统某乘用车齿轮助力式EPAS系统结构如图24-34所示。它是由齿轮齿条式机械转向器和电动助力系统组成的。电动助力系统的执行机构是直流电动机8。它通过单向离合器9驱动蜗杆6,将转矩传递给蜗杆的同时保证蜗杆不会反向驱动电机轴。与蜗杆相啮合的蜗轮5是由具有金属骨架的塑料材料制成的,利用过盈配合固定在转向齿轮2上。转向齿轮上部做成中空结构,空心的转向输入轴1下端插入其中,二者构成的空腔中装有扭杆3,扭杆上、下两端分别用短销固定在转向输入轴上部和转向齿轮的上部。转向输入轴上端外缘有外花键与转向操纵机构相连接,转向盘的运动由此输入到转向器。非接触式转矩传感器4包括固定在转向输入轴和转向齿轮(相当于输出轴)上的磁极环以及外面缠绕的线圈。四、齿轮助力式EPAS

　　24.5电动助力转向系统同时保证蜗杆不会反向驱动电机轴。与蜗杆相啮合的蜗轮5是由具有金属骨架的塑料材料制成的,利用过盈配合固定在转向齿轮2上。转向齿轮上部做成中空结构,空心的转向输入轴1下端插入其中,二者构成的空腔中装有扭杆3,扭杆上、下两端分别用短销固定在转向输入轴上部和转向齿轮的上部。转向输入轴上端外缘有外花键与转向操纵机构相连接,转向盘的运动由此输入到转向器。非接触式转矩传感器4包括固定在转向输入轴和转向齿轮(相当于输出轴)上的磁极环以及外面缠绕的线圈。当驾驶人转动转向盘时,转向操纵机构通过花键带动转向输入轴1转动,并通过短销和扭杆3将转矩传递到转向齿轮2。一方面,由于与转向齿轮相啮合的转向齿条7受到地面转向阻力矩形成的阻力很大,不能立即产生移动,因此齿轮并没有与输入轴一起转动,导致二者之间产生了相对转角。这时连接二者的扭杆变形产生的恢复力反向传递给转向盘,形成驾驶人的路感。另一方面,转矩传感器4根据转向齿轮与输入轴的相对转角产生感应电压并将其转换为转矩信号,传递给ECU。ECU根据采集到的转矩、车速等信号判断此时系统应提供的助力大小及方向,将控制信号传递给电动机8,使其输出相应的转速和转矩,并通过蜗杆-蜗轮传动副施加到转向齿轮2上,与通过输入轴和扭杆施加到转向齿轮上的驾驶人手力一起克服路面转向阻力矩作用到转向齿条上的阻力,推动转向齿条移动,并通过转向横拉杆带动转向轮绕主销偏转一定角度,实现转向作用;同时转向齿轮转动到相应位置,使其与输入轴的相对位置回到转向前的初始状态。转矩传感器输出转矩信号为零,ECU停止助力;此时,连接输入轴和转向齿轮的扭杆的扭转变形消失,驾驶人的转向手力也消失。这时转向盘和转向轮均保持一定转角不变,汽车进入稳定转向行驶状态。四、齿轮助力式EPAS

　　24.5电动助力转向系统当转向结束时,驾驶人松开转向盘,由路面作用在转向轮上的回正力矩通过转向横拉杆、转向齿条作用到转向齿轮上,通过扭杆带动输入轴反向转动,使转向盘自动回正。在转向回正过程中,ECU根据检测到的转矩和车速等信号,使系统提供适当的助力以保证回正性能最佳。早期的EPAS系统主要应用在微型车上,现在随着操控性、耐久性的改善以及成本的降低,开始逐渐应用于中、高级轿车。四、齿轮助力式EPAS

　　思考题24-1何谓汽车转向系统?机械转向系统由哪几部分组成(以简图说明之)?24-2目前生产的一些新车型的转向操纵机构中,为什么采用了万向传动装置?24-3何谓转向器角传动比、转向传动机构角传动比和转向系统角传动比?为同时满足转向省力和转向灵敏的要求,应采取哪些措施?24-4何谓转向盘的自由行程?它的大小对汽车转向操纵有何影响?一般范围应为多大?24-5为什么目前在轻型及微型轿车和货车上大多采用齿轮齿条式转向器?24-6转向摇臂与摇臂轴之间可否用平键或半月键连接?用锥形三角细花键连接时,它们之间的相对位置有无定位要求?怎样定位?24-7转向直拉杆、横拉杆两端的压缩弹簧有什么作用?横拉杆两端的弹簧可否设计成沿轴线助力转向器中的控制阀有哪些形式?工作原理如何?24-9电动助力转向系统是如何分类的?与液压助力式相比较,它有哪些优点?

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