周航 汽车常用转向系统的性能分析.docx

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周航汽车常用转向系统的性能分析

郑州交通职业学院

毕业论文

论文题目：

汽车常用转向系统的性能分析

所属系别车辆工程系

专业班级10级平安班

姓名周航

学号49

指导教师孙玉凤

撰写日期2013年2月

摘要

汽车转向系统是用来改变和恢复汽车行驶方向保持汽车直线行驶的机构，对转向轮的正常运转和汽车的安全行驶影响很大。

汽车转向系一旦有问题，很用以造成事故。

因此汽车转向系的技术状况对与保证汽车行驶安全、减轻驾驶劳动强度、提高运输效率、延长车辆使用寿命有着十分重要的作用。

在使用中，由于汽车转向系统工作条件恶劣，转速与负荷经常变化，长期弯曲、扭矩剪切和道路不平引起的冲击载荷同时受到各种因素的影响，其零部件必然会产生不同程度的弯曲、扭曲变形和绣缺裂纹断裂损失，从而影响汽车的操纵轻便性、经济性和安全性。

为使汽车正常行驶必须采取经常性的检修、维护措施，防止不应有的损坏及时查明故障隐患并予以消除，使之保持完好的技术状况。

熟练掌握汽车转向系统的结构原理、使用维护和故障诊断及汽车诊断仪的熟练使用等技术，这对于我们从事汽车行业的人员至关重要。

通过本次毕业论文对转向系统进行进一步的了解，并且结合通过实习了解的知识对转向系统的可能出现的问题进行分析和解决方法，从而提高自身对转向系统的深入认识

关键词：

动力转向，性能，发展，故障诊断

Abstract

Thesteeringsystemisusedtochangeandrestorethevehicletravelingdirectiontokeepthecardrivingstraightbodies,agreatimpactonthenormaloperationofthesteeringwheelandthecarcandrivesafely.AutomotiveSteeringSystemoncehaveaproblem,itisforthecauseoftheaccident.Thetechnicalconditionoftheautomotivesteeringsystemhasaveryimportantroletoensurethesafetyofcardriving,reducedrivinglaborintensity,improvetransportefficiency,extendthelifeofthevehicle.Inuse,duetotheharshworkingconditionsofthevehiclesteeringsystem,thespeedandtheloadchangesfrequently,long-termbendingtorqueshearandunevenroadscausedbytheimpactloadatthesametimesubjecttoavarietyoffactors,theircomponentswillinevitablyproducedifferentdegreesofbending.thecrackfracturelossdistortionandembroideredmissing,thusaffectingthemanipulationoflightcars,economyandsecurity.Carnormaldrivingmusttakeregularoverhaulandmaintenancemeasurestopreventunduedamagetothetimelyidentificationofhiddenfaultsandeliminate,sothatitremainsintactstateoftechnology.Mastertheprincipleofthestructureoftheautomotivesteeringsystem,maintenanceandtroubleshooting,andskilleduseofautomotivediagnostictechnology,whichisessentialforthepersonnelengagedintheautomotiveindustry.Furtherunderstandingofthethesisofthesteeringsystem,andcombinedtoanalyzeandsolveproblemsthatmayarisesteeringsystemthroughinternshipsunderstandknowledge,soastoimprovetheirownin-depthunderstandingofthesteeringsystem

Keywords:

powersteering,performance,development,faultdiagnosis

1引言

转向系统：

用来改变或保持汽车行驶方向的机构称为汽车转向系统（steeringsystem）。

汽车转向系统的功能就是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向。

汽车转向系统对汽车的行驶安全至关重要，因此汽车转向系统的零件都称为保安件。

汽车转向系统分为两大类：

机械转向系统和动力转向系统。

完全靠驾驶员手力操纵的转向系统称为机械转向系统。

借助动力来操纵的转向系统称为动力转向系统。

动力转向系统又可分为液压动力转向系统和电动助力动力转向系统。

随着产业布局、产品结构的调整，就业结构也将发生变化。

企业对较高层次的第一线应用型人才的需求将明显增加，培养相当数量的具有高等文化水平的职业人才，成为迫切要求。

据统计，目前，我国技术工人中，高级技工占3.5℅，中级工占35℅，初级工占60℅。

而发达国家技术工人中，高级技工占35℅，中级工占50℅，初级工占15℅。

这表明，我们的高级技工在未来5—10年内仍会有大量的人才缺口。

因此熟悉汽车转向系统，熟练掌握现代化汽车转向系统的设计、操作和维护的应用型高级技术人才成为社会较紧缺、企业最需要的人才。

随着汽车工业的迅速发展，转向装置的结构也有很大变化。

现代汽车转向装置的设计趋势主要向适应汽车高速行驶的需要、充分考虑安全性、轻便性、低成本、低油耗、大批量专业化生产发展。

2转向系统的类型

车转向系统经历了纯机械式转向系统、液压助力转向系统、电动助力转向系统、线控转向系统4个基本发展阶段。

（1）纯机械式转向系统∶机械式的转向系统，由于采用纯粹的机械解决方案，为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘，这样一来，占用驾驶室的空间很大，整个机构显得比较笨拙，驾驶员负担较重，特别是重型汽车由于转向阻力较大，单纯靠驾驶员的转向力很难实现转向，这就大大限制了其使用范围。

但因结构简单、工作可靠、造价低廉，目前在一部分转向操纵力不大、对操控性能要求不高的微型轿车、农用车上仍有使用。

（2）液压助力转向系统∶动力转向系统的技术革新差不多都是基于液压转向系统，比较有代表性的是变流量泵液压动力转向系统和电动液压助力转向系统。

变流量泵助力转向系统在汽车处于比较高的行驶速度或者不需要转向的情况下，泵的流量会相应地减少，从而有利于减少不必要的功耗。

电动液压转向系统采用电动机驱动转向泵，由于电机的转速可调，可以即时关闭，所以也能够起到降低功耗的功效。

液压助力转向系统使驾驶室变得宽敞，布置更方便，降低了转向操纵力，也使转向系统更为灵敏。

由于该类转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力，目前在部分乘用车、大部分商用车特别是重型车辆上广泛应用。

（3）汽车电动助力转向系统（EPS）∶EPS在日本最先获得实际应用，1988年日本铃木公司首次开发出一种全新的电子控制式电动助力转向系统，并装在其生产的Cervo车上，随后又配备在Alto上。

此后，电动助力转向技术得到迅速发展，其应用范围已经从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。

EPS的助力形式也从低速范围助力型向全速范围助力型发展，并且其控制形式与功能也进一步加强。

日本早期开发的EPS仅低速和停车时提供助力，高速时EPS将停止工作。

新一代的EPS则不仅在低速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性。

（4）线控转向系统：

线控转向系统是更新一代的汽车电子转向系统，线控转向系统与上述各类转向系统的根本区别就是取消了转向盘和转向轮之间的机械连接。

3汽车转向系功能要求与其相应机构的分析

汽车转向系统性能即很大程度地决定了对汽车操纵的轻便舒适性和安全行驶的稳定平顺性，也是减少交通事故和提高道路通行能力的重要因素。

随着现代汽车及其相关技术的发展，对汽车转向系统的功能提出了越来越高的要求，现结合其相应机构的运行原理分析如下：

3.1对转向盘的操纵要求即轻便灵活又有稳定的操作感受

由于车轮转向时轮胎与地面的摩擦阻尼随车速降低而增大。

即在汽车低速转向时，对无助力传统机械转向系的方向盘操纵会相当费力，为此目前基本已均采用了动力转向系。

并对转向助力的控制要求随车速增加而减小。

而在车速很高时由于方向盘的转动力会很轻，为避免对转向盘微小的干扰力而引起汽车偏离方向，削减因路面不平撞击转向轮的冲击传到转向盘而造成“打手”现象，并在转向结束时转向盘能有自动回正功能使汽车保持稳定直线行驶，使驾驶员通过转向盘对转向过程中车轮与地面之间的运动状况能始终保持适当的“路感”，在汽车高速行驶时又希望能对转向系统有一种“反向”助力，即适当增加转向系的阻尼。

3.2对转向操控有较高的灵敏性并能简化其结构以减小能耗

对转向系操纵时要求车轮快速响应使车身能及时转向。

这除了尽可能减小转向系各传动机构的空行程间隙外，还要求用于转向助力的动力控制装置响应快。

目前所用的动力转向系统主要有液压、气压和电动三种，前两种存在能耗大、响应慢等缺点。

虽然液压助力转向系统是目前传统汽车较为普遍采用的装置。

但随电动汽车的发展，以及按各相关控制的特点，需采用电子控制电动助力转向系统（EPSElectricPowerSteering）较为合适。

由于省去了液压动力转向系所须的常运转油泵、储油罐、管路等，电机只在需转向期间才接通电源转动，即降低了能耗又使结构紧凑减轻车载自重，并不必补充油液和担心漏油等，使工作更可靠。

这对车载能源不富裕的纯电动汽车尤为适用。

而现有电动助力转向系统EPS采用的是旋转电动机，需经电磁离合器、齿轮减速传动等机械机构，还存在机构庞杂，占用空间大，响应速度较慢等缺点。

根据转向机构最终带动转向节臂的横拉杆均为左右直线运动等特点，为此本文提出用直线步进电机直接带动左右横拉杆，使控制更直接，动态响应更快[1]。

3.3要求转向车轮的运动规律正确稳定

即要求内、外侧转向轮的偏转角以及驱动轮的差速比正确稳定，两者的比值与转向盘的转角始终保持一定的关系，以确保在转向时各个车轮只有滚动而无滑动现象。

通过对汽车转向时其内、外侧转向轮和驱动轮的运动过程分析，为保证各车轮只滚动无滑动，要求四车轮均应绕同一圆心转动。

设L为汽车轴距，B为汽车轮距，α、β分别为外、内侧转向轮的偏转角。

说明了外转向轮偏转角α须小于内转向轮偏转角β，并同时要求内、外侧驱动轮还需满足相应的差速条件。

图2-1汽车转向偏传角

为满足内、外侧转向轮的偏转角要求，需使其转向机构的左、右横拉杆与转向节臂成相应角度的梯形即非平行四边形关系，这也是各类转向系普遍采用的基本方法。

为满足驱动轮差速要求有采用机械差速和电子差速两种。

机械差速是传统汽车普遍采用的方法，其机构庞大而复杂。

而电子差速系统EDS是采用电子控制来实现，有诸多优点，随电动汽车的发展，特别是轮毂电机的应用，它将是汽车驱动轮差速控制的发展方向。

3.4有相应的安全可靠性

当汽车发生碰撞时，转向盘等装置应能减轻或避免对驾驶员的伤害。

而当动力转向系统失效或发生故障时，应能保证通过人力转向仍能进行转向操纵。

3.5尽可能减小转弯半径和提高高速转向时的稳定性

为减小低速转向时的转弯半径，便于低速选位停车或窄道转向行驶；以及改善高速转向或在侧向风作用时的行驶稳定性，还需采用高性能的四轮转向来满足。

通过上述分析，根据转向机构最终带动转向节臂的横拉杆均为左右直线运动等特点，为提高转向系的快速响应性和满足在不同车速下有相应的助力等功能要求，在此特提出用直线步进电机直接带动左右横拉杆的两种汽车转向系统控制机构。

为说明其转向系的结构原理，还得对直线控制电机先作必要说明[3]。

4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[5]。

机械转向系特点分析如下：

（1）效率高，操纵轻便，有一条平滑的操纵力特性曲线。

（2）布置方便。

特别适合大、中型车辆和动力转向系统配合使用；易于传递驾驶员操纵信号；逆效率高、回位好，与液压助力装置的动作配合得好。

（3）可以实现变速比的特性，满足了操纵轻便性的要求。

中间位置转向力小、且经常使用，要求转向灵敏，因此希望中间位置附近速比小，以提高灵敏性。

大角度转向位置转向阻力大，但使用次数少，因此希望大角度位置速比大一些，以减小转向力。

由于循环球式转向器可实现变速比，应用正日益广泛。

（4）通过大量钢球的滚动接触来传递转向力，具有较大的强度和较好的耐磨性。

并且该转向器可以被设计成具有等强度结构，这也是它应用广泛的原因之一。

（5）变速比结构具有较高的刚度，特别适宜高速车辆车速的提高。

高速车辆需要在高速时有较好的转向稳定性，必须保证转向器具有较高的刚度。

（6）间隙可调。

齿条齿扇副磨损后可以重新调整间隙，使之具有合适的转向器传动间隙，从而提高转向器寿命，也是这种转向器的优点之一[6]。

5助动力转向系统

使用机械转向装置可以实现汽车转向，当转向轴负荷较大时，仅靠驾驶员的体力作为转向能源则难以顺利转向。

动力转向系统就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。

转向加力装置减轻了驾驶员操纵转向盘的作用力。

转向能源来自驾驶员的体力和发动机（或电动机），其中发动机（或电动机）占主要部分，通过转向加力装置提供。

正常情况下，驾驶员能轻松地控制转向。

但在转向加力装置失效时，就回到机械转向系统状态，一般来说还能由驾驶员独立承担汽车转向任务。

5.1液压式动力转向系统

其中属于转向加力装置的部件是：

转向液压泵7、转向油管8、转向油罐6以及位于整体式转向器4内部的转向控制阀及转向动力缸5等。

当驾驶员转动转向盘1时，通过机械转向器使转向横拉杆9移动，并带动转向节臂，使转向轮偏转，从而改变汽车的行驶方向。

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，帮助驾驶员转向操作。

由于有转向加力装置的作用，驾驶员只需比采用机械转向系统时小得多的转向力矩，就能使转向轮偏转。

优缺点：

能耗较高,尤其时低速转弯的时候，觉得方向比较沉，发动机也比较费力气。

又由于液压泵的压力很大，也比较容易损害助力系统。

5.2电动助力动力转向系统

简称电动式EPS或EPS（ElectronicPowerSteeringsystem）在机械转向机构的基础上，增加信号传感器、电子控制单元和转向助力机构。

电动式EPS是利用电动机作为助力源，根据车速和转向参数等因素，由电子控制单元完成助力控制，其原理可概括如下：

当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的轴距传感器不断地测出转向轴上的转矩信号，该信号与车速信号同时输入到电子控制单元。

电控单元根据这些输入信号，确定助力转矩的大小和方向，即选定电动机的电流和转动方向，调整转向辅助动力的大小。

电动机的转矩由电子离合器通过减速机构减速增矩后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与汽车工况相适应的转向作用力。

例如，福克斯的EHPAS电子液压系统由电脑根据发动机转速、车速以及方向盘转角等信号，驱动电子泵给转向系统提供助力。

助力感觉非常的自然。

因此很多人对福克斯方向的感觉相当不错，转向操控感觉可以说是随心所欲。

有些车也号称采用电子助力，但是只是电机助力，没有液压辅助，容易产生噪音。

助力效果也远不如福克斯这一类型的电子助力。

优缺：

能耗低，灵敏，电子单元控制，节省发动机功率，助力发挥比较理想

6现代汽车转向装置的发展趋势

6.1现代汽车转向装置的使用动态

随着汽车工业的迅速发展，转向装置的结构也有很大变化。

汽车转向器的结构很多，从目前使用的普遍程度来看，主要的转向器类型有4种：

有蜗杆肖式（WP型）、蜗杆滚轮式（WR型）、循环球式（BS型）、齿条齿轮式（RP型）。

这四种转向器型式，已经被广泛使用在汽车上。

据了解，在世界范围内，汽车循环球式转向器占45％左右，齿条齿轮式转向器占40％左右，蜗杆滚轮式转向器占10％左右，其它型式的转向器占5％。

循环球式转向器一直在稳步发展。

在西欧小客车中，齿条齿轮式转向器有很大的发展。

日本汽车转向器的特点是循环球式转向器占的比重越来越大，日本装备不同类型发动机的各类型汽车，采用不同类型转向器，在公共汽车中使用的循环球式转向器，已由60年代的62．5％，发展到现今的100％了（蜗杆滚轮式转向器在公共汽车上已经被淘汰）。

大、小型货车大都采用循环球式转向器，但齿条齿轮式转向器也有所发展。

微型货车用循环球式转向器占65％，齿条齿轮式占35％。

综合上述对有关转向器品种的使用分析，得出以下结论：

·循环球式转向器和齿轮齿条式转向器，已成为当今世界汽车上主要的两种转向器；而蜗轮#0；蜗杆式转向器和蜗杆肖式转向器，正在逐步被淘汰或保留较小的地位。

在小客车上发展转向器的观点各异，美国和日本重点发展循环球式转向器，比率都已达到或超过90％；西欧则重点发展齿轮齿条式转向器，比率超过50％，法国已高达95％。

由于齿轮齿条式转向器的种种优点，在小型车上的应用（包括小客车、小型货车或客货两用车）得到突飞猛进的发展；而大型车辆则以循环球式转向器为主要结构。

6.2循环球式转向器特点

循环球式转向器的特点是：

效率高，操纵轻便，有一条平滑的操纵力特性曲线。

布置方便。

特别适合大、中型车辆和动力转向系统配合使用；易于传递驾驶员操纵信号；逆效率高、回位好，与液压助力装置的动作配合得好。

可以实现变速比的特性，满足了操纵轻便性的要求。

中间位置转向力小、且经常使用，要求转向灵敏，因此希望中间位置附近速比小，以提高灵敏性。

大角度转向位置转向阻力大，但使用次数少，因此希望大角度位置速比大一些，以减小转向力。

由于循环球式转向器可实现变速比，应用正日益广泛。

通过大量钢球的滚动接触来传递转向力，具有较大的强度和较好的耐磨性。

并且该转向器可以被设计成具有等强度结构，这也是它应用广泛的原因之一。

变速比结构具有较高的刚度，特别适宜高速车辆车速的提高。

高速车辆需要在高速时有较好的转向稳定性，必须保证转向器具有较高的刚度。

间隙可调。

齿条齿扇副磨损后可以重新调整间隙，使之具有合适的转向器传动间隙，从而提高转向器寿命，也是这种转向器的优点之一[5]。

我国的转向器生产，除早期投产的解放汽车用蜗杆#0；滚轮式转向器，东风汽车用蜗杆肖式转向器之外，其它大部分车型都采用循环球式结构，并都具有一定的生产经验。

目前解放、东风也都在积极发展循环球式转向器，并已在第二代换型车上普遍采用了循环球式转向器。

由此看出，我国的转向器也在向大量生产循环球式转向器发展。

6.3动力转向是发展方向

动力转向系统的应用日益广泛，不仅在重型汽车上必须装备，在高级轿车上应用的也较多，在中型汽车上的应用也逐渐推广。

主要是从减轻驾驶员疲劳，提高操纵轻便性和稳定性出发；次要是从减小因在高速行驶中前轮突然爆胎而造成的事故出发。

虽然带来成本较高和结构复杂等问题，但由于优点明显，还是得到很快的发展。

动力转向有3种形式：

整体式、半分置式及联阀式动力转向结构。

目前3种形式各有特点，发展较快，整体式多用于前桥负荷3～8t汽车，联阀式多用于前桥负荷5#0；18t汽车，半分置式多用于前桥负荷6t以上到超重型汽车。

从发展趋势上看，国外整体式转向器发展较快，而整体式转向器中转阀结构是目前发展的方向。

结束语

通过上文对转向系统基本知识的介绍，可以看出转向系统在车辆中的重要性，它直接影响着公交车辆在运行中的舒适性、可靠性等各种性能，若设计者缺乏设计知识及经验，可能会造成极其严重的后果。

影响转向系统性能的因素涉及到很多方面。

我们作为工程技术人员，必须不断积累理论知识，积累实践经验，以严谨科学的态度面对各个技术难题，设计出更加安全、舒适的车辆。

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