动力转向系统的概述.doc

第4章 动力转向系统
4.1概述
动力转向系统是利用发动机的动力来帮助驾驶员进行转向操纵的装置，它把发动机的能量转换成液压能（电能或气压能），再把液压能（电能或气压能）转换成机械能作用在转向轮上帮助驾驶员进行转向，故应称之为动力助力转向系统。它最初主要是为了减小驾驶员施加到转向盘上的转向力而装到汽车上的。从本世纪30年代开始在汽车上应用动力转向系统。当时，主要是在重型汽车上安装，采用的动力源包括气压和液压。到目前为止，气压动力转向已被淘汰，最广泛应用的是液压动力转向，另外还有刚开始推广应用的电动动力转向。
目前在国外不但重型车装用动力转向系统，而且在轻型车和轿车上也极普遍地应用。从50年代起，各汽车工业发达国家就竞相发展动力转向装置。出现了许多生产动力转向器和转向油泵的专业厂家，并且已将产品系列化。
本章主要介绍在现代汽车上得到最广泛应用的液压动力转向系统，它具有如下一些优点：
具有固定的自润滑特性。
压力高、输出扭矩大。
液体的不可压缩性使得可以精确的控制运动。
它是一种封闭的系统，可以防止异物侵入。
容易在整车上布置。
4.2 动力转向系统的优点：
1.减轻转向盘上的转向力，特别是在原地转向和低速大转角转向时减小转向力。
2.提高了转向灵敏性。从汽车转向系统设计的两个主要要求即转向轻便与转向灵敏这一矛盾出发，现在动力转向解决了转向轻便问题，从而使得转向器设计可以根据整车布置的不同要求，选择更为合适的转向器速比以提高转向系统的灵敏性，也即是可以更合理地选择转向盘的圈数。这一点对于经常在山区多弯(尤其是多急弯)公路上行驶的汽车，效果更为明显。
3.减小了地面反冲对方向盘的影响。
4.在某个车轮爆破的情况下，可以更好地阻止车轮的突然转向，从而改善安全性。
5.转向车轮的允许负荷较大，可以增加总布置的自由度。
4.3.对动力转向系统的要求
1.安全性：要有足够的使用寿命。即使在动力转向系统失效的情况下，车辆仍然具有转向的能力。
2.敏感性：除了在各种行驶情况下都能提供足够的动力助力外，还应该在方向盘上保持足够的路感。
3.维修保养性：维修保养性要好。
4.3转向器结构与性能的分析比较和选型
1.动力转向按其动力源可分为三类：
(1)气压式
(2)液压式
(3)电动式
目前气压式已经淘汰，电动式在国外刚开始发展，而使用最多的是液压式。
2.液压式动力转向系统结构分类与选型
典型的液压式动力转向系统的组成有六大部分：
(1)机械转向机
(2)控制阀
(3)助力缸
(4)转向油泵
(5)转向油罐
(6)转向油管
3.液压式动力转向系统按其布置型式分为：
(1)整体式--机械转向器、控制阀、助力缸包含在一个总成内。
(2)分置式--机械转向器与助力缸分开。
现在中等吨位车多采用整体式。
4.动力转向控制阀型式可分为滑阀与转阀两类。
4.5.转阀概述
4.5.1.优点 : 灵敏性高；结构简单、紧凑；零件数目少。
4.5.2.工作原理。
1.中间位置:在阀不工作时(转向盘不动)，油泵来油从进油口进入， 经过阀的预开间隙后，从回油口回到油罐，此时转向器两个工作腔油压相同。见图4-5-1a。
2.转向过程:当转动转向盘时，由于车轮阻力的作用，起初活塞不动，则螺杆(阀体)也不动。这样阀芯与阀体之间将出现相对转动，阀口的间隙发生了变化，从而使得流向对应工作腔的油产生与转向阻力相应的油压。该油压作用在活塞上推动其克服转向阻力而产生位移，带动臂轴转动从而实现前轮转向。
图4-5-1b和图4-5-1c分别表示了左转和右转时阀的作用过程，
3.回位过程 : 转向完成后，转向盘上的力消失，则由于扭杆的作用将使得阀芯回到相对螺杆 (阀体) 的平衡位置，转向器两个工作腔的油压差随之消失。之后汽车前轮自动回正力矩的作用下，活塞和转向螺杆将向汽车直线行驶位置运动，而芯阀在扭杆的对中作用下随着转向螺杆一起回转，直至回到汽车直行位置为止。
4.5.3.阀的随动作用
在转向盘转动过程中，若油压过高，则液压助力会使活塞加速运动，这样阀口开隙加大，减小了油压而与外载荷平衡。反之当油压不足时，外载荷会使阀口开隙减小，加大了油压而与之平衡。
即在某一位置，阀会自动调节其开隙的大小使油压作用力能与外载荷相平衡。
4.5.4.扭杆的作用
1.路感效应 : 扭杆通过销钉联接在转向螺杆(阀体)与阀芯(与转向盘相联)之间。当驾驶员将转向力施于转向盘上时，也就同时作用于扭杆上使之产生扭转变形。而此变形量取决于外界载荷。当外界载荷大时，则要求此变形量大，才能使阀口间隙变小到能产生与外界载荷相平衡的油压的程度。因此驾驶员可以根据他加在转向盘上的转向力 (与扭杆的扭转变形成正比)的大小来判断转向阻力的变化。
归纳起来即:扭杆扭转变形的大小决定了阀口开隙的大小，而阀口开隙的大小决定了油压，油压又是与转向阻力正比，所以驾驶员靠扭杆的弹性变形量能够获得“路感”效应。
2.回正作用 ：转向完成后，使阀芯相对于转向螺杆 (阀体) 回到平衡位置。并且当车轮在其回正力矩作别用下回正时，保证阀不发生反接现象。
3.对中作用 ：保证当方向盘上无作用力时，阀能保持在汽车直行的中间位置不动。
汽车回正和直线稳定性
回正和直线稳定性产生的根本原因-----前轮定位
回正性：动力转向回正较机械转向差，因为它内部的油阻，油封的摩擦力以及各个间隙的摩擦力都较大。
直稳：不“打手”----液体阻尼
不“偏离”----对中弹簧的定中作用
液压油：
常采用矿物油，因植、动物油中有酸碱杂质、腐蚀性大、化学稳定性差。
工作用油的选择
一般来说，工作用油应符合下述要求 :
1．不得含有蒸气、空气及其它容易气化和产生气体的杂质，否则会起气泡，使转向机发生震颤而影响其工作平稳性。
2．不得含有水溶性酸及碱类以防侵蚀机件和破坏密封装置。
3．具有良好的润滑性
4．有高度的化学稳定性。即当系统内温度、压力、流量、流速等有变化时，仍保持原有性质。
5．适宜的粘度和良好的粘温性能。
如一汽CA1120PK2L2车选定工作油为8号液力传动油 (上炼、兰炼)。它具有以下主要特点:
1、凝固点低。其值不高于-40℃，可用于低温地区。
2、氧化安定性好。
3、防锈、润滑、粘温性能好。
4、工作时泡沫少、声响小。
几种油的指标：
1、ATF Dexron Ⅱ 15℃时，比重0.878;40℃运粘32厘池；100℃--7.25mm/s2.粘指202;倾点：-42℃，凝点：-45℃
2、（上炼）8号液力传动油：运动粘度（100℃）时，7.5-9.0mm2/s,粘指不小于200,凝点不高于-25℃
１、 ZF对液压油的要求：50℃粘度最高为25 mm2/-35℃
Dexron Ⅱ Automibile Transmission Fluid
管路的设计
1、液压系统中，推荐管支架间距
管外径
10
14
18
22
28
支架最大间距
400
450
500
600
700
2、在管子的直角拐弯处，两端必须加一个固定支架，以免引起管子振动
3、软管的安装
应避免急弯，R≥（9-10）D，软管接头至开始弯曲处的最短距离L=6D
软管受压时，长度和直径均有变化，一般长度变化约±4％,因此长度需有余量。
２、 油箱的回油管需回到其油面以下，以免引起气泡和飞溅。
３、 清洗
管路安装后，必须对油箱及管路进行清洗，清洗油一般用38℃时粘度20厘池的透平油，并在油箱回油口安装80-100网目的附设滤清器，清洗油一般对橡胶有溶蚀能力，若加热到50-80℃时，则管内的橡胶煤渣易除去。
不能用水、煤油、蒸气、酒精等清洗，以免留有残余。
４、 软管过长或急剧振动的情况下，宜用夹子夹牢，但在高压下使用的软管应尽量少用夹子，因为软管受压变形，在夹子处发生磨损。
５、 油箱的吸入侧及回油側要用隔板隔开，以清洗气泡。
油泵的设计和选择要点
动力转向油泵是整个动力转向系统的动力源。其作用是把发动机的机械能变为液压能。液压油经动力转向泵供给动力转向器后，由动力转向机再将液压能转换为机械能作用于转向车轮上，帮助驾驶员进行汽车的转向操纵。
转向油泵一般安置在发动机上由发动机直接驱动（有齿轮驱动和皮带驱动等驱动方式）。目前汽车上主要应用常流式液压转向泵。
对于常见的常流式动力转向系统，是不允许发动机熄火滑行的。因为这样会由于油泵停止工作而使方向盘上的转向力变得很大，其原因主要如下：
1．为提高汽车的转向灵敏性，动力转向系统的机械传动比较小。
2．动力转向系统内的油液和密封件的运动阻力较大。
尤其对于重型汽车，此时驾驶员靠手力已很难操纵汽车。
动力转向泵的特点
目前的动力转向泵结构本身都带有流量控制阀和压力限制阀。
流量控制阀作用：当油泵转速（与发动机转速相应）超过一定值后，保证动力转向泵输出的油的流量基本为一恒定值。其目的是使汽车高速行驶时方向盘不发飘。
压力限制阀作用：当动力转向系统油压超过其限定值时，压力限制阀即卸压，将动力转向系统的最高压力限制在设计要求的范围内。
对动力转向泵的要求
1·在发动机怠速时提供足够的流量和压力。
2·工作效率高，能耗小。
3·低噪声。
4·工作可靠、耐久。
5·工作温度在希望的范围之内。一般控制在-40°C～120°C。
6·带有限压阀，以保证动力转向系统的最高压力限制在设计要求的范围内。
7·带有流量控制阀，以处理发动机高速时带来的过多流量，保证汽车转向盘不“发飘 ”。
8·尺寸小、重量轻。
9·低成本。

油泵的选择
转向油泵必须有足够的流量以保证汽车有较快的转向速度。据对国外主要动力转向器生产厂家(如Burman公司、TRW公司等)关于转向速度的统计，汽车转向盘的最快转速一般要求在1.5--2.0转/秒 。如取为2转/秒，即120转/分，则动力转向系统设计时要求油泵在发动机怠速运转时要能够提供给转向器足够的工作流量，由此对于转向油泵的流量可计算如下:
控制流量=转向器活塞移动速度（mm/min）×转向器活塞面积(mm2)× L/min
= 转向盘转速(r/min)×线角传动比×转向器活塞面积(mm2)xL/min

即
L/ min (4-13-1)
式中
Q—转向器所需的油泵控制流量，L/min；
S—活塞的有效面积，设缸径为D mm，则 ，mm；
V—活塞移动速度， mm/min；
n—转向盘转速， r/min；
i—线角传动比。
在油泵流量计算时，还应考虑到转向器的内泄漏因素。根据部颁标准JB3785—84《汽车液压转向加力装置及动力转向器总成技术条件》规定 : 转向器内泄漏量最多不得超过油泵控制流量的15%，则油泵控制流量为:

Q’=Q/0.85 (4-13-2)
根据上面计算结果再作适当修整，即可确定所需要的转向泵控制流量。如CA1120PK2L2车所选定的转向泵控制流量为14L/ min。
转向油罐设计
4.14.1转向油罐的功能
1·为动力转向系统提供加液压油的容器。
2·为动力转向系统提供检查液压油的地方。
3·为动力转向系统液压油热膨胀提供空间。
4·当系统使油管膨胀时(如限压时)，提供补偿液压油。
5·使动力转向系统能够排除空气。
4.14.2转向油罐设计要点
1·尽量靠近油泵。
2·材料：目前有金属罐和塑料油罐，金属罐重量大、散热性好；而塑料罐重量轻、成本低。
3·油罐应有足够的容积，空气/油约为1:1。
4·进油口总是设计在油面以下，能为油泵提供顺畅的进油，且油中不含空气。
5·回油管接头能够顺利地使油从转向器流回油罐，并不引起涡流(它会把掺入空气的油吸入油泵)。回油口也总是设计在油面以下。
6·有些油罐中设计有磁铁槽。
7·油罐油面的正常高度应高于泵的进油口。
8·油罐中一般设计有阻隔板以控制流动、减少油中的空气含量；并使回油引起的涡流不集中在进油口处。
9·油罐材料应能满足使用温度要求-40℃～120℃。
10·油罐必须和大气相通。
11·工作中油罐芯中的压力不得超过2×Pa。
12·要注意充油量是否正确。油量过多会引起油罐盖泄漏；而油量过少又会导至吸入空气引起泵的噪声。
13·要时刻注意避免油中进入异物。
14·管路布置应尽量圆滑，拐弯尽可能少。
15·使用中要能正确排气。
16·油罐的布置应有利于转向系统的散热。
常见故障原因及排除：
一、 转向沉重：
１、 液压系统缺油，检查油面高、检查是否漏油
２、 液压系统中有空气，排气并检查密封性
３、 油泵磨损、内泄漏严重、压力或排量不足
４、 油泵安全阀泄漏或弹簧太软
５、 油泵皮带打滑
６、 油泵、动力缸、分配阀的密封圈损坏
７、 滤清器堵塞，使油泵供油不足
８、 管路堵塞
９、 转向器轴承过紧
１０、 转向系统各活动关节处缺油
１１、 前轮气压不足
１２、 主销烧结、主销推力轴承损坏
二、 左右转向轻重不同
１、 阀偏离中间位置或虽处于中间位置但台肩两侧开隙不同
２、 阀内部有脏物
３、 行程限制阀开起过早
三、 前轮摆头
１、 转向器支架、转向管柱支架、悬挂支架松动
２、 转向拉杆球销间隙过大
３、 分配阀室中元件损坏
４、 液压系统缺油或有空气
５、 油泵流量过大、使转向过于灵敏
６、 前轮安装不正
７、 减震器堵塞或失灵
８、 前轮气压不同、磨损不同
９、 前轮毂轴承间隙大，车轮不平衡量大
１０、 骑马螺栓松动
１１、 转向节臂松动
四、 在行驶中不能保持正确方向
１、 分配阀室中无元件损坏或太软，不足以克服逆传动阻力，不能及时回正
２、 阀室中不准，有毛刺
３、 油泵流量过大和管路布置问题使节流损失过大，造成动力缸两侧压力差过大
４、 前轮安装不正
５、 前轮气压不同，磨损严重，轴承卡住
６、 一个前轮经常处于制动
五、 快转动方向盘时感到沉重
１、 油泵油量不足
２、 油泵流量小
３、 传动带松动、油泵调节阀有问题
４、 高压油管变形过大
六、 方向盘抖动
１、 有空气、缺油、吸入空气
七、 方向盘自由间隙大
１、 各个活动部位损坏、间隙过大
２、 支架松动
３、 转向器内部间隙大
八、 回正困难
１、 各个活动部位缺油、阻力大
２、 转向器阻力大
３、 分配阀有赃物
４、 室中元件损坏
九、 液压油耗损严重
１、 油罐漏油
２、 管路漏油
十、 油泵压力不足
１、 皮带打滑
２、 安全阀不好
３、 溢流阀泄漏
４、 油粘度低
十一、 油泵压力过高
６、 安全阀堵塞
７、 安全阀弹簧硬
十二、 油泵流量不足
１、 皮带打滑
２、 溢流阀弹簧软，安全阀、溢流阀泄漏严重
３、 管路有堵
４、 油泵损坏
十三、 油泵流量过大
１、 溢流阀卡住
２、 溢流阀弹簧太软
十四、 油泵噪音大
１、 油少、吸空气
２、 有空气
３、 油路有堵
４、 油泵损坏
动力转向机能检查
1、排气：
a、 向油罐内注入纯正的（无杂质）油
b、 支起前轮，发动机怠速，左右转动方向盘，不断补充油箱中的油量
c、 提高发动机转速，到油罐没有气泡
d、 排气后，检查各处是否漏油，油面要达到油罐油标高度
机能确认：
在发动机怠速，放开方向盘时的油压5kgf/cm2,表示溢流阀作用是不好的，但低于装配调整值说明溢流阀或弹簧也是不好的。
详见下表：
试验项目
试验工况
装配标准
确定动作是否圆滑
把前轮顶起，方向盘左右打满，反复数次
全行程必须动作圆滑
动作油压的确定
a、 把能测量110 kgf/cm2的油压表和断流阀组合在一起，装于油泵的出口至转向器进口之间，然后排出空气。
b、 在发动机低速情况下，方向盘左右反复操作数次，使油量升至50-60℃。
c、 发动机怠速，把断流阀全开。
d、 测定放开了方向盘时的油压
不大于5 kgf/cm2
溢流阀压力测定
a、 把发动机转速提高到1000-1200rpm,关闭断流阀，测定最高压力。
b、 关闭断流阀时间不得大于15秒
调整溢流阀压力95±3 kgf/cm2
方向盘的游隙
把车辆准确地朝向直线前行方向，左右轻轻地转向方向盘，带动动力转向的车辆要起动发动机。
在国外上游隙必须在20-40mm范围内。
附注：游隙不在此范围时，要调整各个部分的装配间隙
汽车动力转向油泵技术条件
1、关于油泵的技术要求
在有关图纸或技术文件上，必须写明：
a、 代号和型式
b、 几何排量（即输入轴每转理论的排量）
c、 最大工作压力（安全阀完全开启时的压力）
d、 工作转速范围
e、 空载和满载时的最大输出流量
f、 空载流量特征和满载流量特征；空载开启流量和满载开启流量；空载开启转速和满载开启动转速（即流量控制阀分别在空载和最大工作压力工况下开启时的流量和转速）；空载流量变化率和满载流量变化率（即流量控制阀开始开启后，转速每增加1r/min时的流量的变化量）
2、几何排量计算推荐采用下列公式
a、对于叶片泵： 单位为ml/r
式中：R1----定子短半径；cm
R2----定子长半径；cm
b------叶片的宽度；cm
t-------叶片的厚度；cm
z-------叶片的数目
α------叶片与半径间夹角
b、对于齿轮泵：
式中：b-----齿宽
z-----齿数
m----模数
α---刀具压力角
c、对于摆线转子泵：
式中：b-----转子宽；cm
Re1---内转子齿顶圆半径；cm
Ri1----内转子齿根圆半径；cm
d、对于柱塞泵：
式中：Z-----柱塞数
A-----柱塞断面面积；cm2
L-----柱塞行程；cm
汽车动力转向油罐
在产品的有关图纸或技术文件上必须标注：
a、 代号；
b、 总容积；
c、 最大允许贮油量；
d、 最小允许贮油量；
e、 最大允许通过流量；
f、 绝对过滤精度μm，即制能通过转向油罐滤芯的最大球状颗粒的直径。
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