液压助力转向试验台的设计本科学位论文.docx

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液压助力转向试验台的设计本科学位论文

本科毕业设计（论文）

题目液压助力转向试验台的设计

姓名AAAA

专业交通运输

学号1111111111

指导教师wwww

郑州科技学院车辆与交通工程系

二〇一五年五月

液压助力转向试验台的设计

中文摘要

汽车转向系是汽车安全行驶的一个重要总成之一，现在中高档轿车都采用电动助力转向器，一些重型卡车、货车都采用液压助力转向器。

在科学技术突飞猛进和经济飞速发展的社会中，随着汽车行业迅速发展以及人们的需求水平不断提高，汽车的安全性、舒适性、操纵性、经济性、排放性等越来越受到人们的关注。

作为汽车的设计者、制造者、销售者也应与时俱进，更多的满足消费者的需求。

汽车的转向系是汽车底盘的四大系统之一，是决定汽车性能的关键总成之一。

它直接影响着汽车的舒适性、平顺性、操纵稳定性和安全性，它对于确保车辆的行驶安全、减少交通事故以及保护驾驶员的安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。

如何使汽车具有良好的转向操作性能，一直以来都是各科研部门重要的研究课题。

尤其是在如今的智能化、科技化、高速化的时代，汽车具有良好的操纵性越来越受到人们的青睐。

汽车行驶的路况和外部环境对汽车的转向系的可靠性和操作性能有着非常重要的影响，因此，需要制作实验台来研究转向系内部个参数的变化对其操作性能和可靠性的影响。

本文在分析了国内外汽车转向系的发展历程、钻研了行业前辈的研究成果的基础上，提出制作液压助力转向试验台的方案。

主要针对液压助力转向系统的结构、工作原理进行综合分析，结合转向器的机械系统和液压系统建立一个能够模拟汽车转向过程的试验台。

关键词：

液压助力转向系统；转向器；实验台；

Thedesignofhydraulicpowersteering

Abstract

Automotivesteeringsystemisthesafetyofoneofanimportantassembly,high-gradecarsarenowtheuseofelectricpowersteering,someheavytrucks,trucksareadoptinghydraulicpowersteeringgear.Rapiddevelopmentinscienceandtechnologybyleapsandboundsandeconomicsociety,alongwiththerapiddevelopmentofautomotiveindustryandthedemandofpeoplelevelenhancesunceasingly,vehiclesafety,comfort,maneuverabilityandeconomyandemissionsmoreandmoregettheattentionofpeople.Asacardesigner,manufacturerandsellershouldalsokeeppacewithTheTimes,moremeettheneedsoftheconsumers.

Thecar'ssteeringsystemisoneofthefoursystemsofautomobilechassis,isoneofthekeyassemblytocarperformance.Itdirectlyaffectsthecar'scomfort,ridecomfortandhandlingstabilityandsecurity,itistoensurethesafetyofthevehicledriving,reducethenumberoftrafficaccidentsandprotectthesafetyofthedriver,playsanimportantroleinimprovingthedriver'sworkingconditions.Howtomakecarsgoodsteeringperformance，hasalwaysbeentheimportantresearchtopicresearchdepartment.Especiallyintoday'seraofintelligence,scienceandtechnology,highspeed,thecarisbecomingmoreandmoregetthefavourofpeoplewithgoodmaneuverability.Vehicledrivingroadconditionsandexternalenvironmentofvehiclesteeringsystemperformancereliabilityandoperationhasaveryimportantinfluence,therefore,needtomaketestbenchtoresearchthechangeofthesteeringsysteminternalparametersonitsperformanceandreliability.

Basedontheanalysisofthedevelopmentofautomobilesteeringsystemathomeandabroad,theresearchachievementsofpredecessorstodelveintotheindustry,onthebasisofmakingtheschemeofhydraulicpowersteeringtestrigisputforward.Mainlyforthehydraulicpowersteeringsystemoncomprehensiveanalysisofthestructure,workingprinciple,combiningwiththemechanicalsystemandhydraulicsystemofsteeringatestbenchtosimulatevehiclesteeringprocess.

Keywords：

Hydraulicpowersteeringsystem；Steering；Testbench；

前言

近年来，随着我国汽车工业的迅猛发展，汽车车型和汽车保有量以惊人的速度增长。

特别是一些新机构、新技术等在汽车上的应用也越来越多。

汽车是改变世界面貌、综合多门学科研究成果、技术密集型的产品。

各国政府对保护环境、节约能源及交通安全日益关注，人们对汽车的性能、品质及功能多样化的要求日益提高，汽车市场的激烈竞争等都促使汽车技术更加日新月异地向前发展。

我国政府确定汽车工业为国民经济的支柱产业，进入了形成自主开发、大力振兴民族汽车工业的关键时期，同时也面临合理利用能源，开发清洁燃料汽车，降低汽车排放，保护环境，提高产品性能的迫切需要。

随着世界汽车发展的趋势，汽车高新技术已成为汽车行业发展的迫切需要，怎样才能把高科技运用到汽车制造领域，这也是各国极度关注研究的问题。

总之，现在汽车高新技术对汽车行业有着巨大深远的影响，是推动汽车行业的主要动力。

汽车的转向系是汽车底盘的四大系统之一，是决定汽车性能的关键总成之一。

它直接影响着汽车的舒适性、平顺性、操纵稳定性和安全性，它对于确保车辆的行驶安全、减少交通事故以及保护驾驶员的安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。

如何使汽车具有良好的转向操作性能，一直以来都是各科研部门重要的研究课题。

尤其是在如今的智能化、科技化、高速化的时代，汽车具有良好的操纵性越来越受到人们的青睐。

在汽车的发展历程中，转向系统经历了五个发展阶段：

从最初的纯机械式转向系统发展为液压助力转向系统，然后又出现了电控液压助力转向系统和电动助力转向系统，以及现在正处于发展初期的线控转向系统。

纯机械式转向系统结构简单、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；液压助力转向系统技术成熟、能提供大的转向操纵助力，在重型车辆上广泛应用；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。

但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面存在不足。

EPS以其特有的优越性而得到青睐，它代表着未来动力转向技术的发展方向，EPS将作为标准配置装备到汽车上，未来一段时间在动力转向领域占据主导地位；而SBW由于有利于提高汽车被动安全性、有利于汽车设计制造、有利于提高汽车乘坐舒适性和汽车操控稳定性等原因，将成为动力转向系统的发展方向。

本实验台主要针对液压助力转向系统，制作能够进行助力转向的试验台台。

要求能够模拟汽车转向的过程以及转向过程的实际阻力，进行与转向阻力有关的实验。

本课题内容主要包括机械系统的设计、液压系统的设计，确定所需要零件的规格和型号，确保制作的试验台能够完成汽车转向的模拟过程。

本课题欲模拟汽车转向系统实际使用模式和环境条件，更真实的反应转向性能，以提高实验台设计水平，满足教学展示为目的。

1液压助力转向系的结构和工作原理

1.1汽车转向系的概述

汽车转向即汽车行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向。

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，使汽车转向桥上的车轮相对于汽车纵轴线偏转一定的角度。

在汽车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面侧向阻力的作用自动偏转而改变行驶方向。

此时，驾驶员也可以利用这套机构使转向轮相反的方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。

这套用来改变和恢复汽车行驶方向的机构，称为汽车转向系统。

因此，汽车转向系统的功用是保证汽车能按驾驶员的意志进行转向行驶[1]。

汽车转向系根据转向能源的不同可分为机械转向系和动力转向系两大类。

机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，又称为人力转向系。

机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。

动力转向系是兼用驾驶员的体力和发动机动力作为转向能源的转向系，在正常情况下，汽车转向所需的能量，只有一小部分由驾驶员提供，而大部分是由发动机通过转向助力装置提供的。

动力转向系统按照能源介质的不同又可分为三种类型：

气压、液压和电动。

气压式基本淘汰；液压式在目前的汽车发展当中应用非常广泛；而电动式是近几年新研发的。

液压助力转向系统按照其内部的压力状态的不同，液压助力转向系统又可以分为常压式和常流式两种[2]。

常压式液压助力转向系统的优点是系统中有储能器积蓄液压能，可以使用流量较小的转向油泵，而且在转向油泵不运转的情况下有保持一定的动力转向的能力。

但系统工作压力高，易泄露，发动机功率消耗较大，因此目前只有少数重型汽车采用此种动力转向系统。

而长流式液压动力转向系统结构简单，油泵寿命长，工作压力低，不易泄露，消耗功率也较少，因此目前应用较为广泛。

转向器是转向系中的减速传动装置。

其功用是将驾驶员加在方向盘上的力矩放大，并减低转速，传给转向传动机构。

常见的转向器有齿轮齿条式和循环球式。

齿轮齿条式转向器结构简单、紧凑、质量轻，制造简单，操作灵敏度高，工作可靠属于可逆式转向器。

液压助力转向系统的转向控制阀按照阀体的运动方式不同，转向阀分为滑阀式和转阀式两种。

滑阀式转向控制阀的结构简单，工艺性较好，布置方便；而转阀式转向控制阀的灵敏度高，工作可靠，密封件少，结构更为先进，因此目前得到广泛的应用。

1.1.1汽车转向系的现状及其发展趋势

1.机械式转向系统（MS）

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[7]。

2.液压助力转向系统（HPS）

1953年通用汽车公司首次使用了液压助力转向系统，此后该技术迅速发展，使得动力转向系统在体积、功率消耗和价格等方面都取得了很大的进步。

80年代后期，又出现了变减速比的液压动力转向系统。

在接下来的数年内，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（VariableDisplacementPowerSteeringPump）和电动液压助力转向（ElectricHydraulicPowerSteering，简称EHPS）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。

但是液压助力转向系统在系统布置、安装、密封性、操纵灵敏度、能量消耗、磨损与噪声等方面存在不足[7]。

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（牡鹿）车上，随后又配备在Alto（奥拓）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。

日本的大发汽车公司、三菱汽车公司、本田汽车公司，美国的Delphi公司，英国的Lucas公司，德国的ZF公司，都研制出了各自的EPS。

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。

随着电子技术的发展，EPS技术日趋完善，并且其成本大幅度降低，因此其应用范围将越来越大[7]。

4.线控转向系统（SBW）

线控转向系统（SteeringbyWire-SBW）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。

该系统具有2个电机：

路感电机和驱动电机。

路感电机安装在转向柱上，控制器根据汽车转向工况控制路感电机产生合适的转矩，向驾驶员提供模拟路面信息。

驱动电机安装在齿条上，汽车的转向阻力完全由驱动电机来克服，转向盘只是作为转向系统的一个转角信号输入装置。

线控转向系统能够提高汽车被动安全性，有利于汽车设计制造，并能大大提高汽车的乘坐舒适性。

但是由于转向盘和转向柱之间无机械连接，驾驶员感知汽车实际行驶状态和路面状况的“路感”比较困难；且电子器件的可靠性难以保证。

所以线控转向系统目前处于研究阶段，只配备在一些概念汽车上。

相信在未来的科技发展下它将取代电动助力转向系统，标配在所有汽车上[7]。

1.2液压助力转向系统的结构

其实液压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。

其结构示意图如图1-1所示：

图1-1液压助力转向系统的结构示意图

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-转向器；11-转向直拉杆；12-转向减振器

1.2.1转向操纵机构

汽车转向操纵机构主要由从方向盘到转向传动轴这一系列零部件组成。

如图1-2所示。

它包括转向盘、转向柱、转向轴、上万向节、下万向节、和转向传动轴等。

图1-2转向操纵机构示意图

1.转向盘

转向盘由轮缘1、轮辐2和轮毂3组成，如图1-3所示。

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（如图1-3c）。

图1-3转向盘的构造

a-三根辐条；b-四根辐条；c-转向盘外观

1-轮缘；2-轮辐；3-轮毂

2.转向轴

转向轴是连接转向盘和转向器的传动件，用以传递它们之间的转矩，如图1-1中2所示。

3.转向器

转向器是转向系中的减速传动装置。

其功用是将驾驶员加在方向盘上的力矩放大，并减低转速，传给转向传动机构。

常见的转向器有齿轮齿条式和循环球式，其结构简图如图1-4和1-5所示。

图1-4齿轮齿条式转向器

1-齿条；2-齿轮；3-补偿弹簧；4-调整螺钉；5-螺母；6-压板；7-防尘罩；8-油封；9-轴承

图1-5循环球式转向器

1-上盖锁紧圈；2-上盖；3、9-推力球轴承；4、5-油封；5-螺杆轴；6-O型圈；7-加油螺塞；8-壳体；10-放油螺塞；11-摇臂轴；12-垂臂；13-垂臂锁紧螺母；16、24-衬套；17-螺母；18-导管；19-螺钉；20-导管夹；21-钢球；22-侧盖衬垫；23-螺栓及垫圈；25-侧盖；26-密封螺母；27-调整螺钉；28-卡簧；29-垫圈；30-平垫片

1.2.2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动到转向桥两侧的转向节，使两侧的转向轮偏转，且使二转向轮的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的小。

转向传动机构的组成和结构因转向器位置和转向轮悬架类型而异。

1.转向传动机构的组成与结构形式

当采用独立悬架时，每个转向轮都需要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臂也必须分成两段或三段，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横拉杆带动，如图1-6所示。

图1-6与独立悬架配用的转向传动机构

2.转向减震器

转向减震器的作用是当车轮撞到不平路面时，吸收一部分能量并阻止冲击传到转向盘，如图1-6中所示。

1.2.3转向控制阀的结构

转向控制阀是在驾驶员的操纵下控制转向动力缸输出动力的大小、方向和增力快慢的控制阀。

按阀体的运动方向，转向控制阀分为滑阀式和转阀式两种。

1.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，简称滑阀式，其结构简图如图1-7所示。

图1-7滑阀式转向阀的结构（a为常流式，b为常压式）

1-阀体；2-阀套；3-壳体；4、6-动力缸左右通道；5-通油泵输出管路通道

2.转阀式转向控制阀

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，简称转阀，其结构简图如图1-8所示。

图1-8转阀式转向阀的结构

1-阀体；2-扭杆；3壳体；A-通油泵输出管路的通道；B、C-动力缸左右侧的通道；D-储油罐的回油通道

1.3液压助力转向系统的工作原理

1.3.1汽车直线行驶时

图1-9直行时转向阀工作示意图

汽车直线行驶时，转向器中阀芯与阀套的位置关系如图1-9所示。

方向盘居中，低压液压油通过油泵成为高压液压油，经阀芯的凸台与阀套的凹槽之间的间隙，流向动力缸两端。

由于方向盘居中，阀芯凸台两侧的间隙与阀套凹槽两端的间隙是相等的。

即动力缸两端油压相等。

动力缸中的活塞不移动，所以没有助力作用。

液压油经阀芯与阀套之间间隙流回储油罐。

1.3.2汽车右转弯时

图1-10右转时转向阀工作示意图

汽车右转弯时，如图1-10所示。

方向盘顺时针转动，阀芯通过转向输入轴也随之顺时针转动。

由于扭杆分别与阀芯和小齿轮相连，所以小齿轮也应随着阀芯同向转动，但是由于车轮受到地面的转向阻力的作用小齿轮暂时没有转动，阀套通过轴销与小齿轮相连，故阀套也没移动。

此时扭杆在方向盘的转向力矩和转向阻力力矩的作用下就会产生一个扭转角，即阀芯与阀套之间也有一个夹角。

此时，转向阀的进油口与动力缸左侧的节流面积比右侧大，动力缸的左侧油压比右侧大，产生压力差，形成助力推动活塞向右移动，而活塞与齿条做成一体。

齿条同时承受小齿轮的推力和活塞的推力，当二者的合力大于道路阻力时，就推着齿条向右移动。

进而通过转向传动组件使轮胎右转。

当方向盘转过某一角度保持不变时，齿条的位置也保持不变。

扭杆由于方向盘的转向力矩的作用仍然有扭角，故转向器依然有助力作用。

只是动力缸的活塞保持一定的位置不移动，液压油通过阀芯和阀套的间隙流回储油罐。

1.3.3汽车左转弯时

如图1-11左转时转向阀工作示意图

汽车左转时，如图1-11所示。

方向盘逆时针转动，其工作原理与右转时基本相同，只是扭杆产生一个相反的扭角，阀芯与阀套的转动方向相反，压力缸内产生一个相反的压力差，形成一个方向的助力推动齿条向左移动，进而使轮胎左转。

1.4本章小结

本章首先对汽车转向系进行概述并介绍转向系的发展历程和现状。

其次介绍了液压助力转向系统的结构。

再次对各种工况下液压助力转向器工作原理进行分析。

2试验台的机械系统和液压系统设计

2.1液压助力转向试验台概述

2.1.1实验台概述

液压助力转向实验台主要有机械系统、液压助力系统、泵站系统、电动系统四部分构成。

机械系统由方向盘、转向轴、转向万向节、转向输入轴、转向器、转向横拉杆、转向节、转向直拉杆、转向减震器、等组成。

液压助力系统主要由转向阀、液压油、扭杆、齿轮齿条机构等组成。

泵站系统主要是由油泵、储油罐、油管等组成。

它主要是将低压油转换为高压油，为液压助力系统提供液压油。

油泵通常采用可靠性较高的齿轮泵。

电动系统主要由电动机、220v电源组成。

通常汽车上都有两个电源：

蓄电池和发电机，汽车各大系统的动力均来源于发动机。

而本实验台主要针对汽车的液压助力转向系，所以本实验台只需用电动机来为液压助力转向系统提供动力即可。

本实验台制作主要包括：

机械系统的设计、液压系统设计、确定所需组件的规格和型号以及实验台的总体布置总体方案设计，在制作本实验台时，以结构简单，功能完整，制作成本低为原则。

实验台的制作要有利于本专业的建设和发展，同时有利于对相关理论知识的巩固和完善，提高学生的学习积极性。

2.1.2液压助力转向实验台设计目标

实验台模拟实际工作条件，所以试验台必须尽可能接近真实的情况。

其具体设计目标如下：

1.使用交流电动机为实验台提供动力；

2.采用齿轮齿条式转向器、转阀式转向阀；

3.采用常流式液压动力转向系的结构方案；

4.能够模拟各种工作条件和测试实验的参数；

5.收集到的实验数据尽可能很容易。

2.2机械系统设计

2.2.1转向操纵机构设计

1.转向盘

从安全角度考虑，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，其骨架能产生变形，以吸收冲击能量，减轻驾驶员的受伤程度。

因此，本实验台方向盘采用四根辐条式的结构，其外表材料采用合成橡胶或树脂，这样有良好的手感，而且还可以防止手心出汗时打滑。

2.转向轴

近年来，由于公