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助力装置主要有液压助力系统、电子液压助力系统和电动转向系统。

1.转向助力技术的发展

现代车辆转向系统发展可以划分为5个阶段,即液压助力转向、电子液压伺服转向、电动助力转向(EPS)、主动转向和线控转向(SBW)。

这5种转向系统的集成度和功能范围依次递增,其中电子伺服转向相对于传统液压助力转向最大的优点是,通过引入传感器技术,使转向助力大小可以根据车速而变化;

而EPS系统在此基础上还具有主动阻尼功能和主动回正功能。

机械液压助力是我们最常见的一种助力方式,它诞生于1902年,由英国人Frederick 

W. 

Lanchester发明,而最早的商品化应用则推迟到了半个世纪之后,1951年克莱斯勒汽车把成熟的液压转向助力系统应用在了Imperial车系上。

由于技术成熟可靠,而且成本低廉,得以被广泛普及。

机械液压助力的转向盘与转向轮之间全部是机械部件连接,操控精准,路感直接,信息反馈丰富;

液压泵由发动机驱动,转向动力充沛,大小车辆都适用;

技术成熟,可靠性高,平均制造成本低。

 

由于依靠发动机动力来驱动油泵,能耗比较高,所以车辆的行驶动力无形中就被消耗了一部分;

液压系统的管路结构非常复杂,各种控制油液的阀门数量繁多,后期的保养维护需要成本;

整套油路经常保持高压状态,使用寿命也会受到影响,这些都是机械液压助力转向系统的缺点所在。

机械液压助力需要大幅消耗发动机动力,所以人们在机械液压助力的基础上进行改进,开发出了更节省能耗的电子液压助力转向系统。

这套系统的转向油泵不再由发动机直接驱动,而是由电动机来驱动,并且在之前的基础上加装了电控系统,使得转向辅助力的大小不光与转向角度有关,还与车速相关。

机械结构上增加了液压反应装置和液流分配阀,新增的电控系统包括车速传感器、电磁阀、转向控制单元等。

电子液压助力拥有机械液压助力的大部分优点,同时还降低了能耗,反应也更加灵敏,转向助力大小也能根据转角、车速等参数自行调节,更加人性化。

不过引入了很多电子单元,其制造、维修成本也会相应增加,使用稳定性也不如机械液压式的牢靠,随着技术的不断成熟,这些缺点正在被逐渐克服,电子液压助力已经成为很多家用车型的选择。

EPS就是英文Electric 

Power 

Steering的缩写,即电动助力转向系统。

电动助力转向系统是汽车转向系统的发展方向。

该系统由电动助力机直接提供转向助力,省去了液压动力转向系统所必需的动力转向油泵、软管、液压油、传送带和装于发动机上的皮带轮。

驾驶人在操纵转向盘进行转向时,轴距传感器检测到转向盘的转向以及转矩的大小,将电压信号输送到电子控制单元,电子控制单元根据转矩传感器检测到的转距电压信号、转动方向和车速信号等,向电动机控制器发出指令,使电动机输出相应大小和方向的转向助力转矩,从而产生辅助动力。

汽车不转向时,电子控制单元不向电动机控制器发出指令,电动机不工作。

主动转向系统,就是依据驾驶条件,自动调节车辆转向传动比,从而增加或减小前轮的转向角度。

在低速时,电动机的作用与驾驶者转动转向盘的方向一致,转向传动比增大,可以减少驾驶者对转向力的需求。

在高速时,电动机的运转方向与驾驶者转动转向盘方向相反,这减少了前轮的转向角度,转向传动比减小,转向稳定性提高。

主动转向系统在转向比固定的传统转向系统上增加了一套行星齿轮组,其中的行星齿轮有两个输入轴和一个输出轴,一个输入轴连接到转向盘,另一入输入轴则由电动机通过一个自锁式蜗轮蜗杆驱动机构控制,输出轴则与转向柱相连。

最终从输出轴传出的整体转向角度是由驾驶者输入的转向盘角度叠加上电动马达附加的角度而成。

此外,主动式转向系统的其他组成部件还包括判定当前驾驶条件和驾驶者指令的独立控制单元和多个传感器。

另外,主动式转向系统始终通过车载网络与DSC(动态稳定控制)控制单元联网。

线控转向系统(Steering–By-WireSystem,简称SBW)是继EPS后发展起来的新一代转向系统,具有比EPS操纵稳定性更好的特点,而且它在转向盘和转向轮之间不再采用机械连接,彻底摆脱传统转向系统所固有的限制,在给驾驶人带来方便的同时也提高了汽车的安全性。

来自转向盘传感器和各种车辆当前状态的信息送给电子控制子系统后,利用计算机对这些信息进行控制运算,然后对车辆转向子系统发出指令,使车辆转向。

同时车轮转向子系统中的转向阻力传感器给出的信息也经电子控制子系统,传给转向盘子系统中模拟路感的部件。

2.可变传动比技术

在传统转向系统中,转向盘到前轮的转向传动比是严格固定的。

转向系传动比设计的缺陷主要表现为:

低速或停车工况下驾驶人需要大角度地转动转向盘,而高速时又不能满足低转向灵敏度的要求,否则车辆的稳定性和安全性会随之下降。

因此,同时满足转向系统在低速时的灵活性要求与高速时的稳定性要求是当今车辆转向系统设计的核心问题之一。

转向比指打方向时,转向盘的旋转角度与前轮旋转角度的比值,一般的汽车转向比是16:

1~18:

可变转向比即根据汽车速度和转向角度来调整转向器传动比,当汽车开始处于停车状态,汽车速度较低或者转向角度较大时,提供小的转向器传动比;

而当汽车高速行驶或者转向角度较小时,提供大的转向器传动比,从而提高汽车转向的稳定性。

可变转向系统目前主要有两种方式实现这种功能,一种方式是依靠特殊的齿条实现,原理简单,成本也相对较低,没有过高的技术含量,而另一种就比较复杂,是通过行星齿轮结构和电子系统实现的。

(1)机械式可变转向比系统:

它主要是在“齿轮齿条机构”的“齿条”上做文章,通过特殊工艺加工齿距间隙不相等的齿条,这样转向盘转向时,齿轮与齿距不相等的齿条啮合,转向比就会发生变化,中间位置的左右两边齿距较密,齿条在这一范围内的位移较小,在小幅度转向时(例如变线、方向轻微调整时),车辆会显得沉稳,而齿条两侧远端的齿距较疏,在这个范围内,转动转向盘,齿条的相对位移会变大,所以在大幅度转向时(如泊车、掉头等),车轮会变得更加灵活,如图4-1所示。

这种技术除了对齿条的加工工艺要求比较严格之外,并没有多少“高科技”在其中,缺点在于齿比变化范围有限,并且不能灵活变化,而优势也很明显--完全的机械结构,可靠性较高,耐用性好,结构也非常简单。

图4-1可变齿比的齿轮齿条转向机构实物图

(2)电子式可变转向比系统:

科技含量高,相比机械式可变转向比系统,电子式可变转向比系统使用了更复杂的机械结构并且需要与电子系统结合使用,如图4-2所示。

能够更好的实现“低速时轻盈灵敏,高速稳健厚重”的需求,其为车辆行驶带来的便利性和稳定性都是普通的可变系统和单纯的“机械式”可变齿比转向无法比拟的。

图4-2主动转向系统的转向机

4.2机械转向系统

4.2.1机械转向系统的基本组成

现代汽车转向系的结构形式多样,但都包括转向操纵机构、转向器、转向传动机构和转向电子控制系统基本组成部分。

1.转向操作机构

转向操纵机构主要由转向盘、转向轴、转向管柱等组成。

作用是将驾驶人转动转向盘的操

纵力传给转向器。

为了方便不同体形驾驶人的操纵及保护驾驶人的安全,现代汽车转向操纵机构还带有各种调整机构及保护装置。

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,这实际上是不可能的。

因为在整个转向系中,各传动件之间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转动力矩很小,只是用来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,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来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偏转的目的。

1)转向盘

转向盘由轮圈、轮辐和轮毂组成。

轮辐和轮圈都有由钢、铝或镁合金制的骨架,外表面通过注塑方法包裹一定形状的塑料外层或合成橡胶,以改善操纵转向盘的手感并提高驾驶时的安全性。

转向盘轮毂的细牙内花键与转向轴连接,端部通过螺母轴向压紧固定,如图4-3所示。

图4-3转向盘实物

转向盘上都装有喇叭按钮,很多轿车的转向盘上还装有车速控制开关和安全气囊。

通常,转向盘用自锁紧螺栓或螺母固定在转向柱上。

当转向器输入轴上的挡齿处于正上方时,前轮应处于直行位置,转向盘的辐条处于正常位置。

如果辐条未处于正常位置,可以通过改变前束进行调整,只有将转向盘上标线与转向柱上标线对正时才能调整前束。

通常,在转向盘毂和转向轴上分别设有防止装配错位的定位齿和相应的齿槽,将转向盘毂上的凸齿与转向轴上的齿槽对正,就能确保处于原始位置。

转向盘在空转阶段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,但此自由行程也不宜过大,以免过分影响转向灵敏性。

转向盘从相应于汽车直线行驶的中间位置向两侧转角的自由行程最好不超过10°

~15°

2)转向柱

转向管柱总成是由把转向盘旋转传送到转向器的转向主轴机构和把转向主轴固定到车身上的柱管组成的。

转向管柱总成包括下列零部件:

上管柱、中间轴、万向节和轴承等,有些车还有安全气囊,如图4-4所示。

转向主轴是通过万向节和转向器相连,也有的转向主轴是直接与转向器输入轴连接。

图4-4转向盘和转向管柱总成结构图

如图4-5所示,即使在转向盘与转向器同轴线的情况下,也采用万向传动装置,以补偿由于部件在车上的安装误差和安装基体(如驾驶室、车体)的变形所造成的二者轴线实际上的不重合。

采用柔性万向节间接连接,还可以有效阻止路面对轮胎的冲击经过转向器传到转向盘,从而可以显著减轻转向盘上的冲击和振动。

现代汽车的转向轴除装有柔性万向节,有的还装有能改变转向盘工作角度(即转轴的传动方向)和转向盘的高度(即转向轴轴向长度)的机构,以方便不同体型驾驶人的操纵。

图4-5转向柱上的万向传动装置

(1)可溃缩式安全设计

可溃缩式转向柱从结构上能使转向轴和转向管柱在受到冲击后,轴向收缩并吸收冲击能量,从而有效地缓和转向盘对驾驶人的冲击,减轻其所受伤害的程度,如图4-6所示。

汽车撞车时,首先车身被撞坏(第一次冲击),转向操纵装置被向后推,从而挤压驾驶人,使其受到伤害;

接着,随着汽车速度的降低,驾驶人在惯性力的作用下向前冲,再次与转向操纵机构接触(第二次冲击)而受到伤害。

可溃缩式操纵机构对这两次冲击都具有吸收能量、减轻驾驶人受伤程度的作用。

通过塑料定位器内的塑料封壳、系列嵌插件或钢球将转向轴锁定在柱管中,还可以用可折叠装置将转向轴锁定在柱管中。

当汽车发生碰撞事故后,应该检查转向柱是否发生折叠。

即使将折叠过的转向柱拉伸后汽车还能转向,必须更换折叠部分。

图4-6速腾可溃缩式转向柱

(2)机械式转向柱长度与倾斜调整机构

如图4-7所示,转向柱是通过两组金属薄片来固定的,每组各有8片钢片。

其中四个钢片均可进行轴向调节,钢片上用于调节的间隙是呈轴向布置的。

每侧的另外另四个钢片是呈垂直方向布置的,用于完成转向柱的垂直调节。

由两个辊子沿盘形凸轮的斜面向上运动来完成夹紧过程。

杠杆用一个偏心弹簧固定住,如图4-8所示。

图4-7可调整型转向柱总成图4-8转向柱调整操作机构

(3)电动式转向柱长度与倾斜调整机构

电动长度和倾斜可调式转向柱是用电动方式调节倾斜机构和轴向机构的转向柱,其各机构都使用电机,电机用开关操纵。

用于操纵这些电机的开关安装在转向管柱盖板上。

倾斜和轴向调整机构的运动由电机推动螺杆移动来完成。

转向柱的轴向调整:

带有减速器的电机和螺杆与箱式摇臂是固定在一起的,带有转向柱管的导板盒与调整座是固定在一起的。

螺杆拧在调整座的内螺纹内。

螺杆的旋转运动转换成带有导板盒和转向柱管的轴向运动,如图4-9所示。

电机内有一个霍尔传感器,该传感器会测定出电机转动的圈数,控制单元由此就可计算出转向柱当前的位置。

图4-电动转向柱的轴向调整机构

转向柱的倾斜调整:

带有导板盒和转向柱管的箱式摇臂是支承在支架内且可转动的。

带有柔性轴、螺杆和减速器的电机与箱式摇臂是固定在一起的。

支架内装有一个螺纹套,螺杆就柠在该套内。

螺杆的转动会使得螺纹套在垂直方向运动。

带有导板盒和转向柱管的箱式摇臂就会绕共同的旋转中心转动。

螺杆的另一端与一个圆柱齿轮固定在一起,这个转动通过一条齿型皮带传到转向柱另一面的一根螺杆上,在这面使用相同的部件来进行调整,如图4-10所示。

这种两面支承可以大大提高转向柱的连接刚度。

图4-10电动转向柱的倾斜调整机构

(4)转向锁定机构

转向锁定机构属于防盗系统的组成部分,当拔出点火钥匙后,会将转向主轴锁定到转向管柱上,禁止转向盘转动。

带有圆锥型外花键的锁止轮通过一个滑动摩擦联轴节与转向柱管相连;

带有圆锥型内花键的锁止滑块支承在导板盒内,可以纵向移动。

电机通过蜗杆来驱动圆柱齿轮。

换向杠杆支承在转向柱锁总成内,可纵向移动,并通过拉杆与锁止滑块相连,如图4-11所示。

电机开始工作时就会带动圆柱齿轮转动,圆柱齿轮的侧面呈斜面状。

换向杠杆就在这个斜面上运动,且可根据圆柱齿轮和斜面的的位置来纵向移动。

换向杠杆的运动会直接传给锁止滑块。

当锁止滑块和锁止轮啮合在一起时,转向柱就被机械锁定了。

图4-11电动转向柱锁工作原理图

2.转向器

转向器总成实物,如图4-12所示。

转向器是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改变传动方向。

图4-12转向器实物

转向器的功能是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,降低传动速度,增大转向力矩并改变传动方向,转向器输出端的运动形式有两种,一种是线位移,齿轮齿条式转向器;

另一种是角位移,循环球式转向器。

转向器除要保证汽车转向轻便灵活外,还应能防止由于路面反力对转向盘产生过大的冲击,即所谓的“回弹打手”现象。

为了实现这一目的,转向器应具有较高的正传动效率和适当的逆传动效率。

通常将转向操纵力由转向盘传到转向齿条轴或摇臂的过程称为正向传动,相应的传动效率称为正传动效率;

将由路面的冲击力反向通过转向齿条轴或摇臂和转向器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。

汽车转向器都要求正传动效率高,这样转向力通过转向器时损失少,转向操纵轻便灵活。

但对转向器的逆传动效率,则要进行具体分析。

逆传动效率高,驾驶人的“路感”强,车轮转向后能充分利用稳定力矩使转向轮自动回正,可以减轻驾驶人的劳动强度,又能提高行驶安全性能。

但过高的逆传动效率会使汽车在坏路上行驶时,车轮受到的路面冲击力很容易传到转向盘,从而使转向盘受到冲击和振动,引起“打手”现象,使汽车操纵困难。

反之,转向器逆传动效率太低,驾驶人会失去“路感”,转向器承受的冲击负荷大,零部件也容易损坏。

好的转向液有适当的逆传动效率,使驾驶人通过操纵转向盘既能对道路情况有明显的“路感”,但路面平时又不会对转向盘产生过大的冲击。

装有液力转向助力器的汽车,由于液体具有良好的阻尼减振和缓和冲击作用,因此多采用可逆式转向器。

常用的转向器类型有:

循环球式、齿轮齿条式和蜗杆曲柄指销式。

其中齿轮齿条式转向器由于结构简单紧凑,操控轻便灵敏,被大众汽车所采用。

齿轮齿条式转向器通常是用于轿车、微型货车和轻型货车上,适合与麦弗逊式独立悬架配合使用,现在几乎所有轿车都采用齿轮齿条式转向器系统。

采用齿轮齿条式转向器可以使转向传动机构简化(不需要转向摇臂和转向直拉杆等),齿轮齿条无间隙啮合无需调整,而且逆传动效率很高。

齿轮齿条式转向器的结构如图4-13所示。

图4-13齿轮齿条式转向器结构实物解剖图

齿轮齿条转向器设计有两种类型:

端部输出(ETO)和中部输出(CTO)。

每种类型的名称表明了转向横拉杆相对于齿条的位置,如图4-14所示。

两种设计功能相同,都能够和机械转向或动力转向系统一起使用。

图4-14齿轮齿条式转向器的类型

齿轮齿条式转向器是把转向盘的旋转运动转变为横向运动。

当转向盘转动时,主动齿轮的轮齿就啮合齿条的轮齿,引起齿条的运动。

齿条的运动使转向横拉杆移动,带动了车轮的转动。

齿轮齿条转向器右转时的工作过程:

右转转向盘时,与主动齿轮啮合的齿条向右移动;

齿条的右移使转向横拉杆向右伸;

转向横拉杆带动车轮向右转动,实现车辆向右转向,如图4-15所示。

左转向时工作过程与上类似,只是齿条通过横拉杆带动车轮向左转动。

图4-15齿轮齿条式转向器右转时工作过程示意图

齿轮齿条式转向器的特点:

结构紧凑、简单和轻便,齿轮箱小,并且齿条本身可用作转向传动机构;

直接齿轮啮合,转向反应非常灵敏;

滑动和转动阻力小,转矩传送好,转向轻;

转向齿轮组件完全密封,因此不需要维护。

3.转向传动机构

转向传动机构是一个杆和臂的组合件。

转向传动机构的作用是把转向齿轮输出轴的运动传送到转向节上,转向节使车轮转动,控制车辆的行驶方向。

它允许有一些挠性的运动,来适应车轮和悬架的运动。

转向传动机构的组成和布置因转向器结构形式、安装位置及悬架类型而异。

当转向轮采用独立悬架时,为了满足转向轮独立运动的需要,转向桥是断开式的,转向传动机构中的转向梯形也必须断开。

与独立悬架配用的多数是齿轮齿条式转向器,其形式有两端输出式和中间输出式,如图4-16所示。

转向器布置在车身上,转向横拉杆通过球头销与齿条及转向节臂相连。

图4-16与独立悬架配用的转向传动机构示意图

两端输出式齿轮齿条式转向器,转向器齿条本身就是转向传动机构的一部分,转向横拉杆的内端通过球头销与齿条铰接,外端通过螺纹与连接转向节的球头销总成相连,如图4-17所示。

需要调整前束时,松开锁紧螺母,转动横拉杆体,达到合理的前束值时,再将锁紧螺母锁紧。

图4-17两端输出型齿轮齿条式转向器结构图图4-18中间输出型齿轮齿条式转向器结构图

中间输出式齿轮齿条式转向器,横拉杆的内端通过内、外托架和螺栓与转向器齿条的一端相连,外端通过球头销与转向节铰接(如图4-18所示)。

由于横拉杆体不能绕自身轴线转动,为调整前束,在横拉杆体与球头销之间装有调节螺栓,螺栓两端的螺纹旋向相反,并各旋装一个锁紧螺母。

当需要调前束时,先拧松两端的锁紧螺母,然后转动调节螺栓,达到合理的前束值时,再将锁紧螺母锁紧。

4.3液压式动力转向系统

4.3.1液压助力转向系统的组成

液压助力转向系统主要包括:

液力转向油泵、储油罐、流量控制阀、转向器阀体总成、液力转向冷却器、管道和软管、怠速提速装置等,如图4-19所示。

图4-19液压助力转向系统组成

1.液力转向油泵

动力转向系统使用发动机的动力来驱动产生液压力的助力转向油泵,给转向器的动力缸提供液力。

助力转向油泵通常是由发动机曲轴带动的皮带驱动的;

泵出的油液与发动机的速度成正比例关系,送给转向器动力缸的油液通过流量控制阀来调节,过多的油液返回转向油泵吸油口。

液压转向油泵有四种类型:

叶片油泵、滑动叶片油泵、齿轮油泵和滚子油泵。

现仅以使用较多的叶片泵作详细介绍。

叶片油泵有6到10片旋转的叶片,如图4-20所示。

油液被强制通过旋转的叶片产生油压。

叶片泵有一个外径带槽的转子,叶片装配到转子槽里。

固定的内表面为椭圆形的绕着泵环的转子,叶片的外侧边与环的内表面接触。

转子转动时,叶片在各自槽中来回滑动,并与泵环内表面保持接触,转子、环和任何两个相邻叶片形成泵腔。

当转子旋转时,由于泵环是椭圆形,因此每一泵腔容积不断地变化;

叶片运动通过环的“长轴”部分时,容积增大,通过进油口吸进油液。

当叶片运动通过环的“短轴”部分时;

容积减少,减小后的容积使压力增加,迫使油液流出排油口。

图4-20叶片式液力转向油泵

叶片泵进油口吸入来自储油罐的低压油液。

排油口排出高压油液流向转向器动力缸,为助力转向提供所需的液压力,如图4-21所示。

为了避免液压泵运转不平衡(产生噪声和振动),通常采用平衡式设计,即泵转子每旋转一周,泵腔吸入和排放油液两次,因此作用在转子上的液压作用力是大小相等、方向相反,使液压泵平稳地运转。

图4-21叶片式液力转向油泵实物图

2.流量控制阀

转向助力油泵由发动机驱动,其输出流量随发动机转速而变化,流量控制阀可以控制从油泵流向转向器动力缸的流量,保持流量恒定。

在大众车型上,流量控制阀已经从转向助力油泵外部移植到油泵内部。

流量控制阀的结构及原理如图4-22所示。

图4-22流量控制阀的结构及原理示意图

在发动机低转速时,转向系统能够容易地控制液压泵提供的液压液体容积,在高转速时,由于液压泵吸入和排放更大容积的液体,流量急剧增加。

软管和转向器阀总成中的流动阻力也随之增加,导致整个系统产生高背压。

这些状况使工作温度升高,并减少液压泵使用寿命。

流量控制阀通过弹簧,使钢球牢牢地定位在流量控制阀内侧上,在减压模式外的所有转向状态下,弹簧弹力始终大于相对的液压压力,因此钢球保持不动。

只有在驾驶人转动并保持转向盘在最左或最右极限位置时,才会发生减压,当车轮转到极限位置时,转向器动力缸内油液基本不流动,这种将导致转向油泵排放一侧压力和温度迅速上升。

如果此压力不降低,将严重损坏转向系统。

减压工作过程简述如下:

一旦转向油泵出油口一侧的液体流动停止后,油泵的继续运转,试图泵送更多油液进入系统,使得油泵压力持续增加。

这个增大的液压力最终顶开流量控制阀内的钢球。

当钢球被顶离阀座时,阀后的高压油液迅速流过钢球,经由流量控制阀体的侧面小孔,返回到低压吸入处。

注意:

转向盘在极限转动位置时间过长,将可能导致转向油泵过热或损坏。

3.储油罐

储油罐位于液力转向泵附近,用于储存液力转向油。

它可以直接安装到泵体上也可以分开安装。

通常贮油罐盖上有液位指示,用于检查液位。

如果贮油罐中的油液低于标准液位以下时,泵就会吸入空气,导致操作失灵。

机油罐内装有精细滤清器,它可以有效地滤掉液压系统内的污物和磨屑,因此可大大减轻部件的磨损,尤其是泵、转向阀和活塞油封的磨损。

储油罐剖视图,如图4-23所示。

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