转向系统概述.docx

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转向系统概述

一转向系统概述

   汽车上用来改变或恢复其行驶方向的专设机构称为汽车转向系统。

   1.转向系统的基本组成

（1）转向操纵机构主要由转向盘、转向轴、转向管柱等组成。

（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。

   2.转向系统的类型及工作原理

   按转向能源的不同，转向系统可分为机械转向系统和动力转向系统两大类。

（1）机械转向系统以驾驶员的体力（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。

   图d-zx-17是一种机械式转向系统。

需要转向时，驾驶员对转向盘1施加一个转向力矩。

该力矩通过转向轴2输入转向器8。

从转向盘到转向传动轴这一系列部件和零件即属于转向操纵机构。

作为减速传动装置的转向器中有1、2级减速传动副（右图所示转向系统中的转向器为单级减速传动副）。

经转向器放大后的力和减速后的运动传到转向横拉杆6，再传给固定于转向节3上的转向节臂5，使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而改变了汽车的行驶方向。

这里，转向横拉杆和转向节臂属于转向传动机构。

l.转向盘2.安全转向轴3.转向节4.转向轮5.转向节臂6.转向横拉杆7.转向减振器8.机械转向器

2）动力转向系统兼用驾驶员体力和发动机（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。

   图d-zx-18为一种液压式动力转向系统示意图。

其中属于转向加力装置的部件是：

转向油泵5、转向油管4、转向油罐6以及位于整体式转向器10内部的转向控制阀及转向动力缸等。

当驾驶员转动转向盘1时，转向摇臂9摆动，通过转向直拉杆11、横拉杆8、转向节臂7，使转向轮偏转，从而改变汽车的行驶方向。

1.方向盘2.转向轴3.转向中间轴4.转向油管5.转向油泵6.转向油罐7.转向节臂8.转向横拉杆9.转向摇臂10.整体式转向器11.转向直拉杆12.转向减振器

   与此同时，转向器输入轴还带动转向器内部的转向控制阀转动，使转向动力缸产生液压作用力，帮助驾驶员转向操纵。

这样，为了克服地面作用于转向轮上的转向阻力矩，驾驶员需要加于转向盘上的转向力矩，比用机械转向系统时所需的转向力矩小得多。

   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。

在汽车行驶中，转向运动是最基本的运动。

我们通过方向盘来操纵和控制汽车的行驶方向，从而实现自己的行驶意图。

在现代汽车上，转向系统是必不可少的最基本的系统之一，它也是决定汽车主动安全性的关键总成，如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车厂家和科研机构的重要课题。

特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同的驾驶人群，汽车的操纵性设计显得尤为重要。

　　我们主要是通过方向盘和我们的爱车实现交流，除了驾驶室裸露的一部分转向管柱外，在仪表盘下面，一直延伸到汽车前桥，还有转向系统的主要执行机构：

转向器及其它附件。

　　汽车发展了一百多年，到今天，转向系统也历经了长时间的演进，很大程度上也促进了汽车的发展。

传统转向系统　

　  传统的汽车转向系统是机械系统，汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。

普通的转向系统建立在机械转向的基础上，通常根据机械式转向器形式可以分为：

齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。

常用的有两种是齿轮齿条式和循环球式（用于需要较大的转向力时）。

这种转向系统是我们最常见的，目前大部分低端轿车采用的就是齿轮齿条式机械转向系统。

　　从上世纪四十年代起，为减轻驾驶员体力负担，在机械转向系统基础上增加了液压助力系统HPS（hydraulicpowersteering），它是建立在机械系统的基础之上的，额外增加了一个液压系统，一般有油泵、V形带轮、油管、供油装置、助力装置和控制阀。

由于其工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。

现在液压助力转向系统在实际中应用的最多，根据控制阀形式有转阀式和滑阀式之分。

这个助力转向系统最重要的新功能是液力支持转向的运动，因此可以减少驾驶员作用在方向盘上的力。

　　虽然传统转向系统工作最可靠，但是也存在很多固有的缺点，传统转向系统由于方向盘和转向车轮之间的机械连接而产生一些自身无法避免的缺陷：

①汽车的转向特性受驾驶员驾驶技术的影响严重；②转向传动比固定，使汽车转向响应特性随车速、侧向加速度等变化而变化，驾驶员必须提前针对汽车转向特性幅值和相位的变化进行一定的操作补偿，从而控制汽车按其意愿行驶。

这就变相地增加了驾驶员的操纵负担，使汽车转向行驶存在很大的不安全隐患；③液压助力转向系统经济性差，一般轿车每行驶一百公里要多消耗0.3~0.4升的燃料；另外，存在液压油泄漏问题，对环境造成污染，在环保性能被日益强调的今天，无疑是一个明显的劣势。

电液动力转向系统　

　   近年来，随着电子技术的不断发展，转向系统中愈来愈多的采用电子器件。

相应的就出现了电液助力转向系统。

电液助力转向可以分为两大类：

电动液压助力转向系统EHPS（electro-hydraulicpowersteering）、电控液压助力转向ECHPS（electronicallycontrolledhydraulicpowersteering）。

EHPS是在液压助力系统基础上发展起来的，其特点是原来有发动机带动的液压助力泵改由电机驱动，取代了由发动机驱动的方式，节省了燃油消耗。

ECHPS是在传统的液压助力转向系统的基础上增加了电控装置构成的。

电液助力转向系统的助力特性可根据转向速率、车速等参数设计为可变助力特性，使驾驶员能够更轻松便捷的操纵汽车。

　　现代电液动力转向系统主要通过车速传感器将车速传递给电子元件，或微型计算机系统，控制电液转换装置改变动力转向的助力特性，使驾驶员的转向手力根据车速和行驶条件变化而改变，即在低速行驶或转急弯时能以很小的转向手力进行操作，在高速行驶时能以稍重的转向手力进行稳定操作，使操纵轻便性和稳定性达到最合适的平衡状态。

      为了保证转向轻便性，要求增大转向器的传动比。

但是，增大角传动比虽然可以减小转向盘上的手力，但同时也造成汽车对操纵的反应减慢，甚至有可能导致驾驶员没有能力来转动转向盘进行紧急避障等转向操作，即不够“灵”。

机械式转向器的设计目标是保证汽车在各种行驶条件下将转向盘上的手力保持在驾驶员能接受的合理范围内，同时保证适当的转向灵敏度。

但是机械式转向器的结构特点注定“轻”与“灵”矛盾的存在（包括变传动比机械转向器），而电液助力转向系在一定程度上解决了这一矛盾。

EHPS相比传统HPS降低了能源损耗。

但电液动力转向系统，不论ECHPS还是EHPS都与传统的HPS一样存在液压油泄漏问题。

电动助力转向系统

　　电动转向系统EPS（ElectricPowerSteering）把一个机械的系统和一个电控的电动马达结合在一起形成的一个动力转向系统。

与液压系统不同的是，助力改由电机提供，因此，要有一个力矩传感器来测量作用在方向盘上的力矩，由电子控制单元来计算所需要的力矩。

作用在方向盘上的力矩曲线由一个电动马达来分配。

通过电动马达提供转向所必须要的力，它通过一个减速器作用在转向柱上，在循环球式的传动装置中，直接作用在齿扇上的力太大，因此大多选用齿轮齿条转向器。

根据助力位置不同分为三种形式：

1、转向柱助力式.2、小齿轮助力式.3、齿条助力式.

　　由于EPS改由电机提供助力，助力大小由电控单元ECU实时调节与控制，可以较好解决汽车操纵时轻与灵的矛盾。

电动助力转向最早应用在微型汽车上，1988年2月日本铃木公司首次在其Cervo车上装备，目前电动助力转向系统主要应用在轿车上，并逐渐从微型轿车向更大型轿车和商务车发展]。

其优点有：

1.EPS能在各种行驶工况下提供最佳助力，减小由路面不平所引起的对转向系统的扰动，改善汽车的转向特性，减轻汽车低速行驶时的转向操纵力，提高汽车高速行驶时的转向稳定性，进而提高汽车的主动安全性。

并且可通过设置不同的转向手力特性来满足不同使用对象的需要。

2.EPS只在转向时电动机才提供助力（不像HPS，即使在不转向时，油泵也一直运转），因而能减少燃料消耗。

3.由于直接由电动机提供助力，电动机由蓄电池供电，因此EPS能否助力与发动机是否起动无关，即使在发动机熄火或出现故障时也能提供助力。

4.EPS取消了油泵、皮带、皮带轮、液压软管、液压油及密封件等，其零件比HPS大大减少，因而其质量更轻、结构更紧凑，在安装位置选择方面也更容易，并且能降低噪声。

5.EPS没有液压回路，比HPS更易调整和检测，装配自动化程度更高，并且可以通过设置不同的程序，快速与不同车型匹配，因而能缩短生产和开发周期。

6.EPS不存在渗油问题，消除了液压助力中液压油泄漏问题，可大大降低保修成本，减小对环境的污染，改善了环保性。

7.EPS比HPS具有更好的低温工作性能。

　　电动助力转向目前已成为世界汽车技术发展的研究热点之一。

电子转向

　　电子转向系统取消了方向盘与转向轮之间的机械连接，改而由方向盘模块、转向执行模块和主控制器ECU三个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助模块组成。

电子转向系统SBW（Steer-By-Wire）是汽车转向方面最为先进和前沿的技术之一，具有很多优点：

1.取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接，通过软件协调它们之间的运动关系，因而取消了它们之间的机械约束和干涉，使之可以相对独立运动，因而可以实现传动比的任意设置，可以根据车速和驾驶员喜好由程序根据汽车的行驶工况实时设置传动比。

同时还可以从信号中提出最能够反映汽车行驶状态的信息，作为方向盘回正力矩的控制变量，使方向盘仅仅提供驾驶员有用信息，以减轻驾驶员的体力脑力负荷，提高“人-车闭环系统”对道路的跟踪特性。

同时由于减少了机构部件数量，而减少了从执行机构到转向车轮之间的传递过程，使系统惯性、系统摩擦和传动部件之间的总间隙都得以降低，从而使系统的响应速度和响应的准确性得以提高。

2、电子转向系统采用了软件控制，因而可以把转向系统与其它主动安全设备如ABS、汽车动力学控制、防碰撞、轨道跟踪、自动导航以及自动驾驶等功能相结合，实现对汽车的整体控制，提高汽车整体稳定性，且实现了ITS中的汽车辅助转向功能。

3、电子转向系统在实现上述操作性能上的突破的同时也带来了可观的经济性和环境效益。

4、电子转向系统是通过一个通用的执行器来调整转向的。

要对汽车转向的动力性进行调整，必须使用一个转角传感器，这并不影响方向盘对车轮的快速调整。

另一方面，一个力矩传感器也是必须的，它将对汽车转向的调整和自动驾驶起重要作用。

因此，驾驶员通过提供到方向盘的力矩知道正确的方向，并通过进一步的引导控制系统来进行评估。

5、与“电子驾驶”和“电子停车”一起，它提供了把它们实际化的条件，并且把动力性和汽车控制统一到一个系统中。

6、对汽车生产商的好处。

传统转向系中转向柱安装要求提供足够的空间（左手或右手驾驶），而电子转向严格的控制了转向柱在发动机间隔内的自由度，表明了机械式的转向柱没有很好的利用发动机的空间。

7、对将来的好处：

提供转向的舒适性，路况作为评估系统，只有有用的信息才提供给驾驶员；方向盘的回馈力矩和转向传动比能通过软件不断的调整，因此，可以使转向系统对任何目标和环境进行调整，而不需要对系统进行重新设计；没有转向柱减少了驾驶员在事故中受伤的危险；·转向行为（减速、加速、自动转向）都被软件记录，为再以后的继续完善提供了第一手的资料。

       SBW可以追溯到二十世纪六十年代末，当时德国Kasselmann等试图将转向盘与转向车轮之间通过导线连接，由于电子和控制技术的制约，一直无法在实车上实现，到1990年左右，世界上各大汽车厂商、研发机构等先后对SBW深入研究，到目前为止，在一些概念车上安装了改系统，SBW预示着未来汽车的一个发展方向。

　　目前应用广泛的助力转向器是传统液压助力系统、电液助力系统和电动助力系统。

数据表明，在世界范围内，电动转向器和电液转向器的使用会增加很快，2001年大约26.7%的安装在新车中的转向器是这种节能型的。

即使是保守的估计，到2006年欧洲市场中电动转向器和电液转向器的份额会达到56%。

　　由于电动助力系统不仅可以提供汽车在高速下的操纵稳定性，还能减小转向系统的质量并节省能源，因而迎合了下一代汽车对环保的要求。

根据汽车车型的不同，使用电动助力系统能够降低燃油费用达5%～10%。

但是由于目前汽车电源和电机本身的一些原因，限制了电动助力在大型汽车上的应用。

随着未来技术的不断发展和进步，这一问题将会得到解决。

未来转向系统将会是以电动助力为主导，其他形式为辅。

四.转向传动机构

　　汽车转向时，要使各车轮都只滚动不滑动，各车轮必须围绕一个中心点O转动，如图d-zx-07所示。

显然这个中心要落在后轴中心线的延长线上，并且左、右前轮也必须以这个中心点O为圆心而转动。

　　为了满足上述要求，左、右前轮的偏转角应满足如下关系：

　　与非独立悬架配用的转向传动机构主要包括转向摇臂2、转向直拉杆3转向节臂4和转向梯形。

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，如图d-zx-08a所示。

当转向轮处于与汽车直线行驶相应的中立位置时，梯形臂5与横拉杆6在与道路平行的平面（水平面）内的交角＞90。

　　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＜90，如图d-zx-08b所示。

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向左右摇动，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，

1.转向器2.转向摇臂3.转向直拉杆4.转向节臂5.梯形臂6.转向横拉杆

　　当转向轮独立悬挂时，每个转向轮都需要相对于车架作独立运动，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是断开式的。

1.转向摇臂2.转向直拉杆3.左转向横拉杆4.右转向横拉杆5.左梯形臂6.右梯形臂7.摇杆8.悬架左摆臂9.悬架右摆臂10.齿轮齿条式转向器

　　转向直拉杆的作用是将转向摇臂传来的力和运动传给转向梯形臂（或转向节臂）。

它所受的力既有拉力、也有压力，因此直拉杆都是采用优质特种钢材制造的，以保证工作可靠。

直拉杆的典型结构如图十所示。

在转向轮偏转或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，为了不发生运动干涉，上述三者间的连接都采用球销。

1.螺母2.球头销3.橡胶防尘垫4.螺塞5.球头座6.压缩弹簧7.弹簧座8.油嘴9.直拉杆体10.转向摇臂球头销

　　随着车速的提高，现代汽车的转向轮有时会产生摆振（转向轮绕主销轴线往复摆动，甚至引起整车车身的振动），这不仅影响汽车的稳定性，而且还影响汽车的舒适性、加剧前轮轮胎的磨损。

在转向传动机构中设置转向减振器是克服转向轮摆振的有效措施。

转向减振器的一端与车身（或前桥）铰接，另一端与转向直拉杆（或转向器）铰接。

1.连接环衬套2.连接环橡胶套3.油缸4.压缩阀总成5.活塞及活塞杆总成6.导向座7.油封8.挡圈9.轴套及连接环总成　10.橡胶储液缸

 五.液压助力转向系统

　　动力转向系统兼用驾驶员体力和发动机（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。

其中属于转向加力装置的部件是：

　　转向油泵5、转向油管4、转向油罐6以及位于整体式转向器10内部的转向控制阀及转向动力缸等。

当驾驶员转动转向盘1时，转向摇臂9摆动，通过转向直拉杆11、横拉杆8、转向节臂7，使转向轮偏转，从而改变汽车的行驶方向。

1.方向盘2.转向轴3.转向中间轴4.转向油管5.转向油泵6.转向油罐7.转向节臂8.转向横拉杆9.转向摇臂10.整体式转向器11.转向直拉杆12.转向减振器

　　与此同时，转向器输入轴还带动转向器内部的转向控制阀转动，使转向动力缸产生液压作用力，帮助驾驶员转向操纵。

这样，为了克服地面作用于转向轮上的转向阻力矩，驾驶员需要加于转向盘上的转向力矩，比用机械转向系统时所需的转向力矩小得多。

　　当转子顺时针方向旋转时，叶片在离心力及高压油的作用下紧贴在定子的内表面上。

其工作容积开始由小变大，从吸油口吸进油液；而后工作容积由大变小，压缩油液，经压油口向外供油。

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。

双作用叶片泵有两个吸油区和两个压油区，并且各自的中心角是对称的，所以作用在转子上的油压作用力互相平衡。

因此，这种油泵也称为卸荷式叶片泵。

1.进油口2.叶片3.定子4.出油口5.转子

　　汽车直线行驶时，阀芯与阀套的位置关系如图中所示。

自泵来的液压油经阀芯与阀套间的间隙，流向动力缸两端，动力缸两端油压相等。

驾驶员转动方向盘时，阀芯与阀套的相对位置发生改变，使得大部分或全部来自泵的液压油流入动力缸某一端，而另一端与回油管路接通，动力缸促进汽车左传或右转。

　　转向油泵是助力转向系统的动力源。

转向油泵经转向控制阀向转向助力缸提供一定压力和流量的工作油液。

目前，转向油泵大多采用双作用式叶片泵。

这种油泵有两种结构型式，一种是潜没式转向油泵，另一种为非潜没式转向油泵。

本图所示为潜没式油泵，它与贮液罐是一体的，即油泵潜没在贮液罐的油液中；非潜没式转向油泵的贮液罐与转向油泵分开安装，用油管与转向油泵相连接。

l.驱动轴2.壳体3.前配油盘4.叶片5.储油罐6.定子7.后配油盘8.后盖9.弹簧10.管接头11.柱塞12.阀杆13.钢球14.转子A.出油口B.出油腔C.进油腔D.油道H.主量孔