1、 广东技术师范学院本科毕业设计 2 标准对车辆转弯能力的要求，给转向系统的设计提出了新的课题。对于长轴距的汽车， 必须通过增加转向轮转角才能提高其转弯能力。对于载货车惯常采用的转向系统结构， 大的转角设计很容易造成转向轮与周边部件干涉及转向机构卡死、左右转向不对称等后 果。因此，必须建立转向系统设计计算的辅助分析方法，提高转向系统设计的能力和水 平。 转向系统性能和整车及其它总成、系统的性能息息相关，在系统设计的每一个环节 都需要考虑整车及其它总成的性能。首先，转向系统必须能够实现整车所要求的车轮转 角，这为转向机构的设计及动力转向器匹配提出了基本要求。其次，转向机构和悬架系 统必须有协调的运
2、动学关系，这就对转向机构设计提出了附加的要求。这两项要求基本 可以在系统设计层面进行分析解决，而和转向系统相关的行驶稳定性及行驶路感则必须 在整车层面进行计算分析。 综上所述，随着我国大型载货汽车的发展，新的问题及要求不断涌现，在车辆设计 与开发领域尚存在很多的问题需要研究和解决，如何使基础研究与产品设计实践紧密结 合，将研究成果最大限度地应用于产品开发过程，不断提高大型载货汽车的性能水平是 摆在汽车产品研究与开发人员面前的重要课题。 1.2 汽车转向系的类型和组成 汽车在行驶过程中，需按驾驶员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，驾驶员通过一套专设
3、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，往 往转向轮也会受到路面例向干扰力的作用，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，即称为汽车转向系。因此，汽车转向系的 功用是，保证汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶。 汽车转向系可按转向能源的不同分为机械转向系和动力转向系两大类。机械式转向 器由转向器、转向操纵机构和转向传动机构三大部分组成。按照转向器的不同形式可分 为循环球式、齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式等转向器。不同的转向
4、器有着不同的特点应 用于不同的汽车上。 其中小轿车上常用的是齿轮齿条式的转向器。 在本文的后面分析中， 就是以这种转向器来做分析的。动力式按照加力装置的不同可以分为液压助力式、气压 助力式和电动助力式三种。 气压助力式主要应用于一部分其前轴最大轴载质量为 3 一 7t并采用气压制动系的货车和客车上。由于气压系统的工作压力较低(一般不高于 0.7MPa)，使得其部件的尺寸比较庞大；同时压缩空气工作时的噪声和滞后性使得这种 助力方式的转向器只配置在极少一部分车辆上。相比之下，液压助力式的转向器成了当 今汽车助力转向器的主流。 1.2.1 机械转向系 机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传
5、力件都是机械的。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。 1 一转向盘；2 一转向轴；3 一转向万向节；4 一转向传动轴；5 一转向器； 6-转向摇臂；7 一转向直拉杆；8 一转向节臂；9 一左转向节； 10、 12 一梯形臂；11 一转向横拉杆；13 一右转向节 图 1-1 机械转向系示意图 图 1-1 所示为机械转向系的组成和布置示意图。当汽车转向时，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、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
6、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 7 转向梯形。转向梯形由固定在左、 右转向节上的梯形臂 10、12 和两端与梯形臂作球铰链连接的转向横拉杆 n 组成。 从转向盘到转向传动轴这一系列部件和零件，均属于转向操纵机构。由转向摇臂至 转向梯形这一系列部件和零件(不含转向节 )，均属于转向传动机构。 目前，许多国内外生产的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和组件的通用化和系列化。只要适广东技术师范学院本科毕业设计 4 当改变转向万向传动装置的几何参数，便可满足各种
7、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 )的变形所造成的二者轴线实际上的不重合。 转向盘在驾驶室安放的位置与各国交通法规规定车辆靠道路左侧还是右侧通行有 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，驾驶员的左方视野较广阔，有利于两车安全交会。相反，在一些规定车辆靠 左侧通行的国家和地区使用的汽车上，转向盘则应安置在驾驶室右侧。1.2.2 动力转向系 动力转向系是兼用驾驶员体力和发动机动力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
8、部分由驾驶员提供，而大部分是由发动机通过动力转向 装置提供的。 但在动力转向装置失效时， 一般还应当能由驾驶员独立承担汽车转向任务。 因此，动力转向系是在机械转向系的基础上加设一套动力转向装置而形成的。 对最大总质量在 12t 以上的大型汽车而言，一旦动力转向装置失效，驾驶员通过机 械传动系加于转向节的力远不足以使转向轮偏转而实现转向。故这种汽车的动力转向装 置应当特别可靠。图 1-2 为一种液压动力转向系的组成和液压动力转向装置的管路布置示意图。其中 属于动力转向装置的部件是：转向油罐、转向油泵、转向控制阀和转向动力缸。当驾驶员逆时针转动转向盘(左转向 )时，转向摇臂带动转向直拉杆前移。直拉
9、杆的拉力作用于 转向节臂，并依次传到梯形臂和转向横拉杆，使之右移。与此同时，转向直拉杆还带动 转向控制阀中的滑阀，使转向动力缸的右腔接通液面压力为零的转向油罐。转向油泵的 高压油进入转向动力缸的左腔，于是转向动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上，也使之右移。这样，驾驶员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。1.3 动力转向技术的发展 汽车转向一直存在着“轻”与“灵”的矛盾。尽管，人们采用了变速比转向器等手 段， 但始终不能从根本上解决这一矛盾。 在 20 世纪 50 年代初出现了液压动力转向技术， 比较好地缓解了“轻”与“灵”的矛盾，符
10、合人们对转向轻便性更高的要求，在保证其 他性能的条件下，能大大降低转向盘上的手力，特别是原地转向时转向盘上的手力。 1.3.1 液压动力转向 液压动力转向首先是在大型车辆上得到发展的，随着当时汽车装载质量和整备质量 的增加，在转向过程中所需克服的前轮转向阻力矩也随之增加，从而要求加大作用在转 向盘上的转向力，使驾驶员感到“转向沉重” 。当前轴负荷增加到某一数值后，靠人力 转动转向轮就很吃力。为使驾驶员操纵轻便和提高车辆的机动性，最有效的方法就是在 汽车转向系中加装转向助力装置，借助于汽车发动机的动力驱动油泵、空气压缩机和发 电机等，以液力、气力或电力增大驾驶员操纵前轮转向的力矩。使驾驶员可以轻
11、便灵活 地操纵汽车转向，减轻了劳动强度，提高了行驶安全性。液压动力转向系统除了传统的 机械转向器以外，尚需增加控制阀、动力缸、油泵、油罐和管路等。轿车对动力转向的 要求与重型车辆不完全相同。比如大型车辆对动力转向系统噪声的要求较低，轿车则对 噪声要求很高，轿车还要求装用的转向器系统结构要更简单、尺寸更小、成本更低等。 但是重型车辆动力转向技术的发展无疑为轿车动力转向技术奠定了基础。 开始阶段液压动力转向的控制阀采用滑阀式，即控制阀中的阀以轴向移动来控制油 路。滑阀式控制阀结构简单，生产工艺性好，操纵方便，宜于布置，使用性能较好。但 是滑阀灵敏度不够高，后来逐渐被转阀代替。 20 世纪 50 年
12、代末沙基诺发明了转阀式液压动力转向，即控制阀中的阀芯以旋转运 动来控制油路。与滑阀相比，转阀的灵敏度高、密封件少、结构比较先进。虽然由于转阀利用扭杆弹簧来使阀回位， 结构较复杂， 特别是对扭杆的材质和热处理工艺要求较高。 但是其性能相对于滑阀有很大改进，达到令人满意的程度，并且在齿轮齿条式转向器中 布置转阀比较容易，目前在轿车及大部分重型汽车上的液压动力转向采用的均是转阀式 控制阀。在大型汽车上装备液压动力转向系统有如下优点： (1)减小驾驶员的疲劳强度。动力转向可以减小作用在转向盘上的力，提高转向轻便 性。 (2)提高转向灵敏度。可以比较自由地根据操纵稳定性要求选择转向器传动比，不会 受到转
13、向力的制约。允许转向车轮承受更大的负荷，不会引起转向沉重问题。 (3)衰减道路冲击，提高行驶安全性。液压系统的阻尼作用可以衰减道路不平度对转 向盘的冲击；另一方面，当汽车高速行驶时，如果发生爆胎，将导致汽车转向盘难以把 握，应用动力转向可以使驾驶员较容易把握转向盘。 同时液压动力转向系统也有不足： (1) 选定参数完成设计之后，助力特性就确定了，不能再进行调节与控制。因此协调 轻便性与路感的关系困难。低速转向力小时，高速行驶时转向力往往过轻、 “路感”差，甚至感觉汽车发“飘” ，从而影响操纵稳定性；而按高速性能要求设计转向系统时，低 速时转向力往往过大。(2) (2)即使在不转向时，油泵也一直
14、运转，增加了能量消耗。 (3) (3)存在渗油与维护问题，提高了保修成本，泄漏的液压油会对环境造成污染。(4)低温工作性能较差。 (4) 随着人们对汽车经济性、环保、安全性的日益重视以及大型汽车技术的发展，人们 开始对液压动力转向存在的不足进行改进，开发出一些新型液压动力转向技术。这种技术上的改进主要围绕第(1)、(2)点不足。对第(1)点不足的主要改进措施是将车速引入 动力转向系统，得到车速感应型助力特性，发展了两种车速感应型液压动力转向系统。一种是机械式，通过与调速器及变速器相连的泵来控制油压阀，现在已经很少采用；另 一种是电子控制式，通过传感器由 EUC 控制阀操作，现在用得比较多。对第
15、(2)点不足， 主要通过开发节能泵、提高系统的效率以及电控液压动力转向系统来加以改进。 (5) 1.3.2 电动动力转向 (6) 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(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16) 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，既节省能量，又保护了环境。另外，还具有调整简单、装配灵活以 及在多种状况下都能提供转向助力的特点。正是有了这些优点，电动助力转向系统作为 一种新的转向技术，将挑战大家都非常熟知的、已具有 50 多年历史的液压转向系统。 驾驶员
16、在操纵方向盘进行转向时，转矩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。 (17)与乘用车相比，轻中型商用车由于其独特的机械式循环轴转向器及拉杆式转向系 统，使得其 EPS 系统不同于目前轿车上应用的几种 EPS 传动耦合方式。对轻中型载重汽 车而言，所需电机助力远超过乘用车，因此需要设计全新的适用于商用汽车重载工况的电机助力传动耦合机构，使得
17、电机助力经过传动耦合机构，可以和原来的机械式转向器 合成为整体式助力转向系统。目前电动助力转向系统主要应用于齿轮齿条式转向器，而 轻中型商用汽车采用循环球式转向器，乘用车所用的通用助力方式不适用于轻中型商用 汽车。因此，电动助力转向机构在乘用车上得到应用，而在商用车上很少采用。(18) 2 液压助力布置方案的拟定 (19) 2.1 转向系的功用与要求 (20) 转向系是用来改变汽车的行驶方向和保持汽车的直线行驶的。它是由转向器和转向 传动装置两大部分所组成。在采用动力转向的汽车上还有动力系统。 (21) 根据转向系的工作特点，对其提出如下要求： (22) 1.工作可靠。转向系对汽车的行驶安全性
18、影响很大，因此其零件应有足够的强度、 刚度和寿命。 (23) 2.操纵轻便。这是减轻驾驶员的劳动强度和保证汽车安全行驶的重要因素之一。操 纵轻便性应包含三方面内容： (24)(l)汽车转向时必须作用在转向盘上的手力 P 手 要小，一般最大极限值是：(25) 小客车 20 P = 手最大 公斤 中型载重车 36 P = 手最大 公斤 重型载重车 45 (26) P = 手最大 公斤 采用转向加力器、增大转向传动装置的力传动比 i 力 (27) 、提高转向器的效率(用滚动摩 擦代替滑动摩擦) 等都是减小转向盘手力 P 手的有效方法。 (28) (2)汽车转向时，转向盘的回转圈数要少。当汽车朝一个方
19、向极限转弯时，转向盘 的转动圈数不能超过 22.5 圈。因此转向系的角传动比不宜太大。 (29)(3)汽车直线行驶时，转向盘应稳定，无抖动和摆动现象。这就要求转向系在整车 布置上与行走系统运动协调；汽车在转向后，转向盘能自动回正，要求转向器有一定的 可逆性，同时要正确地选择前轮定位角。(30) 3.汽车转向时要有正确的运动规律。要求合理地设计梯形机构，保证汽车在转向时 车轮是纯滚动而没有滑动。 (31) 4.既要尽量减少汽车转向轮受到的冲击传到方向盘上，又要保证驾驶员有正确的道 路感觉。从而要求适当地控制转向器的可逆程度。 (32)5.转向系的调整应尽量少而简单。(33) 2.2 转向器方案分
20、析 (34) 根据转向器所用传动副的不同， 转向器有多种。 常见的有循环球式球面蜗杆蜗轮式、 蜗杆曲柄销式和齿轮齿条式等。转向器的结构形式，决定了其效率特性以及对角传动比 变化特性的要求。选用那种效率特性的转向器应有汽车用途来决定，并和转向系方案有 关。经常行驶在好路面上的轿车和市内用客车，可以采用正效率较高的、可逆程度大的 转向器。 (35) 齿轮齿条式转向器的结构简单，因此制造容易，成本低，正、逆效率都高。为了防 止和缓和反向冲击传给方向盘，必须选择较大的传动比，或装有吸振装置的减振器。蜗 杆曲柄销式转向器角传动比的变化特性和啮合间隙特性变化受限制，不能完全满足设计 者的意图。 (36)
21、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，第二级是齿条齿 扇传动副。转向螺杆的轴颈支撑在两个圆锥滚子轴承上。轴承紧度可用调整垫片调整。 转向螺母的下平面上加工成齿条，与齿扇轴内的齿扇部分相啮合。通过转向盘转动转向 螺杆时，转向螺母不转动，只能轴向移动，并驱使齿扇轴转动。为了减小转向螺杆和转 向螺母之间的摩擦，其间装有小钢球以实现滚动摩擦。二者的螺旋槽能配合形成近似圆 形断面轮廓的螺旋管状通道。转向螺母外有两根导管，两端分别插入螺母的一对通孔。 导管内装满了钢球。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。转向器工作是两列钢球只是在各自封闭的流道内循环，而
22、不脱出。 (37) 转向螺母上的齿条式倾斜的，因此与之啮合的齿应当是分度圆上的齿厚沿齿扇轴线 按线性关系变化的变厚齿扇。因为循环球转向器的正传动效率很高，操作轻便，使用寿 命长。经常用于各种汽车。 (38) 综上最后本次设计选定循环球式转向器。 (39) 2.3 液压助力转向机构布置方案分析 (40) 液压式动力转向由于油压工作压力高，动力缸尺寸小、质量轻，结构紧凑，油液具 有不可压缩性，灵敏度高以及油液的阻尼作用可以吸收里面的冲击等优点而得到广泛应 用。 (41) 2.3.1 动力转向机构布置方案 (42) 液压式动力转向机构是由分配阀、转向器、动力缸、液压泵、储油罐和油管等组成。(43)(
23、44)(45)(46)(47)(48)(49)(50)(51)(52) 广东技术师范学院本科毕业设计 (53) 10 (54)根据分配阀、转向器和动力缸三者相互位置的不同，液压式动力机构可分为整体式、半 整体式、转向加力器。机械转向器和转向动力缸设计成一体，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动力转向器（如图 21） 。另一种方案是只将转向控制 阀同机械转向器组合成一个部件，该部件称为半整体式动力转向器（如图22） ，转向动 力缸则做成独立部件。第三种方案是将机械转向器作为独立部件，而将转向控制阀和转 向动力缸组合成一个部件，称为转向加力器（如图 23） 。(55)(56)(
24、57)(58) 在分析比较上述几种不同动力转向机构布置方案时，常从结构上是否紧凑、转向器 主要零件是否承受有动力缸建立起来的载荷、拆装转向器是否容易、管路特别是软管的 管路、转向轮在侧向力作用下是否容易引起转向轮摆振、能不能采用典型转向器等方面 来做比较。例如，整体式动力转向器，由于其分配阀、转向器、动力缸三者装在一起， 因而结构紧凑，管路也短。其缺点是转向摇臂轴、摇臂等转向器的主要零件，都要承受 有动力缸所建立起来的载荷， 因此必须加大它们的尺寸和质量， 给布置带来不利的影响； 同时还不能采用典型的转向器，拆装转向器时要比分置式的困难。除此之外，由于对转 向器的密封性要求比较高，这些给转向器
25、的设计带来不少的困难。(59) 分置式动力转向器由于分开布置，故其机械转向器可以采用任何一种典型的结构； 转向器零件也不受动力缸助力载荷的影响；当汽车的转向桥负荷过大时，可加大缸径或 增加动力缸的缸数而不影响转向器的基本尺寸。但分置式的零件数较多，管路布置也比 较复杂。在分置式的结构中，半分置式和联阀式的应用最多，连杆式的应用最少。 (60)综上最后本次设计的布置形式选定为半分置式。(61) 2.3.2 动力转向器结构形式的选择 (62) 动力转向器的结构形式有常压式和常流式之分。当转向分配阀在中间位置时常闭， 使工作油液一直处于高压状态的动力转向器，称为常压式动力转向器；当转向分配阀在 中间
26、位置时常开， 使工作油液一直处于常流状态的动力转向器， 称为常流式动力转向器。 (63) 上述的两种液压转向加力装置相比较，常压式的优点在于有蓄能器积蓄液压能，可(64)(65)(66)(67)(68)(69)(70)(71)(72)(73) 广东技术师范学院本科毕业设计 (74) 12 (75)以使用流量较小的转向液压泵，而且能还可以在液压泵不运转的情况下保持一定得转向 能力，使汽车有可能续驶一定的距离。这一点对大型汽车而言尤为重要。故本设计采用 常压式的。(76) 2.3.3 分配阀的结构方案 (77)(78) 图 2-4 滑阀的结构和工作原理 (79) 分配阀有两种结构方案：分配阀中的阀
27、与阀体以轴向移动方式来控制油路的称为滑 阀式（如图 2-4） ，以旋转运动来控制油路的称为转阀式。 (80) 滑阀式分配阀结构简单，生产工艺性好，易于布置，使用性能好，曾得到广泛的运 用。 (81) 转阀式与滑阀式比较，灵敏度高、密封件少而且结构较为先进。由于转阀式是利用 扭杆弹簧使转阀回位，所以结构复杂。 (82)综上最后本次设计的控制阀选用滑阀。(83) 2.4 液压系统方案分析 (84) 2.4.1 常用转向液压系统工作原理 (85)汽车直线行驶时，方向盘保持不动，转向器分配阀 5 处于中位常开，液压泵 2 卸载，液压油直接回油箱 8。转向时，驾驶员旋转方向盘，螺杆作微前移或后移，转向器内滑 阀偏离中间位置，压力油自液压泵出来，经液压控制集成元件 4 稳流稳压后，经转向器 分配阀 5，进入转向缸 6，由液压缸推动转向轮转动，实现转向(如图 2-5 所示)。
