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转向系统

目录
转向系统概述
类型
机械转向系统简介
动力转向系统
设计要求
发展趋势
转向系统养护
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转向系统概述
　　用来改变或保持汽车行驶方向的机构称为汽车转向系统(steering system)。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。
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类型
　　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。
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机械转向系统简介
　　机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。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）转向操纵机构
　　转向操纵机构由方向盘、转向轴、转向管柱等组成，它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。
　　（2） 转向器
　　转向器(也常称为转向机)是完成由旋转运动到直线运动(或近似直线运动)的一组齿轮机构，同时也是转向系中的减速传动装置。 目前较常用的有齿轮齿条式、循环球曲柄指销式、蜗杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、蜗杆滚轮式等。我们主要介绍前几种。
　　1）齿轮齿条式转向器

　　齿轮齿条式转向器分两端输出式和中间（或单端）输出式两种。
　　两端输出的齿轮齿条式转向器如图4所示，作为传动副主动件的转向齿轮轴11通过轴承12和13安装在转向器壳体5中，其上端通过花键与万向节叉10和转向轴连接。与转向齿轮啮合的转向齿条4水平布置，两端通过球头座3与转向横拉杆1相连。弹簧7通过压块9将齿条压靠在齿轮上，保证无间隙啮合。
　　弹簧的预紧力可用调整螺塞6调整。当转动转向盘时，转向器齿轮11转动，使与之啮合的齿条4沿轴向移动，从而使左右横拉杆带动转向节左右转动，使转向车轮偏转，从而实现汽车转向。
　　中间输出的齿轮齿条式转向器如图5所示，其结构及工作原理与两端输出的齿轮齿条式转向器基本相同，不同之处在于它在转向齿条的中部用螺栓6与左右转向横拉杆7相连。在单端输出的齿轮齿条式转向器上，齿条的一端通过内外托架与转向横拉杆相连。
　　2）循环球式转向器
　　循环球式转向器是目前国内外应用最广泛的结构型式之一， 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。
　　为了减少转向螺杆转向螺母之间的摩擦，二者的螺纹并不直接接触，其间装有多个钢球，以实现滚动摩擦。转向螺杆和螺母上都加工出断面轮廓为两段或三段不同心圆弧组成的近似半圆的螺旋槽。二者的螺旋槽能配合形成近似圆形断面的螺旋管状通道。
　　螺母侧面有两对通孔，可将钢球从此孔塞入螺旋形通道内。转向螺母外有两根钢球导管，每根导管的两端分别插入螺母侧面的一对通孔中。导管内也装满了钢球。这样，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"。
　　转向螺杆转动时，通过钢球将力传给转向螺母，螺母即沿轴向移动。同时，在螺杆及螺母与钢球间的摩擦力偶作用下，所有钢球便在螺旋管状通道内滚动，形成"球流"。在转向器工作时，两列钢球只是在各自的封闭流道内循环，不会脱出。
　　3）蜗杆曲柄指销式转向器
　　蜗杆曲柄指销式转向器的传动副(以转向蜗杆为主动件，其从动件是装在摇臂轴曲柄端部的指销。转向蜗杆转动时，与之啮合的指销即绕摇臂轴轴线沿圆弧运动，并带动摇臂轴转动。
　　（3）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到转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，且使二转向轮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小。
　　1）与非独立悬架配用的转向传动机构
　　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9 a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9 b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。
　　2）与独立悬架配用的转向传动机构
　　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。
　　3）转向直拉杆
　　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11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。
　　4）转向减振器
　　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。
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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。
　　(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。
　　(2) 电动助力动力转向系统，简称电动式EPS或EPS(Electronic Power Steering system)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，装在转向盘轴上的转矩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。电动机的转矩由电磁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。
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设计要求
　　1)汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转。
　　2)转向轮具有自动回正能力。
　　3)在行驶状态下，转向轮不得产生自振，转向盘没有摆动。
　　4)转向传动机构和悬架导向装置产生的运动不协调，应使车轮产生的摆动最小。
　　5)转向灵敏，最小转弯直径小。
　　6)操纵轻便。
　　7)转向轮传给转向盘的反冲力要尽可能小。
　　8)转向器和转向传动机构中应有间隙调整机构。
　　9)转向系应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。
　　10)转向盘转动方向与汽车行驶方向的改变相一致。
　　正确设计转向梯形机构，可以保证汽车转弯行驶时，全部车轮应绕瞬时转向中心旋转。
　　转向轮的自动回正能力决定于转向轮的定位参数和转向器逆效率的大小.合理确定转向轮的定位参数，正确选择转向器的形式，可以保证汽车具有良好的自动回正能力。
　　转向系中设置有转向减振器时，能够防止转向轮产生自振，同时又能使传到转向盘上的反冲力明显降低。
　　为了使汽车具有良好的机动性能，必须使转向轮有尽可能大的转角，其最小转弯半径能达到汽车轴距的2~2.5倍。
　　转向操纵的轻便性通常用转向时驾驶员作用在转向盘上的切向力大小和转向盘转动圈数多少两项指标来评价。
　　轿车转向盘从中间位置转到第一端的圈数不得超过2.0圈，货车则要求不超过3.0圈。
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发展趋势
　　改革开放以来，我国汽车工业发展迅猛。作为汽车关键部件之一的转向系统也得到了相应的发展，基本已形成了专业化、系列化生产的局面。有资料显示，国外有很多国家的转向器厂，都已发展成大规模生产的专业厂，年产超过百万台，垄断了转向器的生产，并且销售点遍布了全世界。
　　1、现代汽车转向装置的设计趋势
　　1.1适应汽车高速行驶的需要
　　从操纵轻便性、稳定性及安全行驶的角度，汽车制造广泛使用更先进的工艺方法，使用变速比转向器、高刚性转向器。“变速比和高刚性”是目前世界上生产的转向器结构的方向。
　　1.2充分考虑安全性、轻便性
　　随着汽车车速的提高，驾驶员和乘客的安全非常重要，目前国内外在许多汽车上已普遍增设能量吸收装置，如防碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊等，并逐步推广。从人类工程学的角度考虑操纵的轻便性，已逐步采用可调整的转向管柱和动力转向系统。
　　1.3低成本、低油耗、大批量专业化生产
　　随着国际经济形势的恶化，石油危机造成经济衰退，汽车生产愈来愈重视经济性，因此，要设计低成本、低油耗的汽车和低成本、合理化生产线，尽量实现大批量专业化生产。对零部件生产，特别是转向器的生产，更表现突出。
　　1.4汽车转向器装置的电脑化
　　汽车的转向器装置，必定是以电脑化为唯一的发展途径。
　　2、现代汽车转向装置的发展趋势
　　2.1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。
　　2.2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。
　　我国的转向器生产，除早期投产的解放牌汽车用蜗杆#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。
　　2.3转向器生产专业化
　　循环球式转向器在国外实现了专业化生产，同时以专业厂为主、大力进行试验和研究，大大提高了产品的产量和质量。在日本“精工”(NSK)公司的循环球式转向器就以成本低、质量好、产量大，逐步占领日本市场，并向全世界销售它的产品。德国ZF公司也作为一个大型转向器专业厂著称于世。它从1948年开始生产ZF型转向器，年产各种转向器200多万台。还有一些比较大的转向器生产厂，如美国德尔福公司SAGINAW分部；英国BURM#0；AN公司都是比较有名的专业厂家，都有很大的产量和销售面。专业化生产已成为一种趋势，只有走这条道路，才能使产品质量高、产量大、成本低，在市场上有竞争力。
　　2.4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。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。
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转向系统养护
　　现代原中高级轿车和重型汽车普遍采用动力转向系统，不仅大大改善了汽车操纵轻便性，还提高了汽车行驶安全性。动力转向系统是在机械转向系的基础上加设一套依靠发动机输出动力的转向加力装置而形成的。目前轿车普遍采用齿轮条式动力转向机构。这种转向器结构简单、操纵灵敏性高、转向操纵轻便，而且由于转向器完全封闭的，平时不需检查调整。
　　动力转向系统的养护主要是：
　　1、定期检查储液缺罐内动力转向液液面高度。热态时(约66摄氏度，用手摸感觉烫手)，其液面高度必须在HOT(热)和COLD(冷)标记之间。如果是冷态(约为21摄氏度)，则液面高度必须在ADD(加)和CLOD(冷)标记之间。如果液面高度不符合要求，必须加注DEXRON2型动力转向液(液力传动油)。
　　2、动力转向系的清洗、换油与保护。动力转向系的清洗、换油与保护应在有动力转向换油的设备的汽车养护中心进行，使用专用设备，用动力转向系统强力清洗剂首先换出动力转向系统中的旧油，然后用清洗剂清洗动力转向系统，最后用新油(加动力转向保护剂)再次换出动力转向清洗剂，直至换油结束。动力转向系的清洗、换油与保护作业通常应行驶5万km进行一次。这样能确保动力转向系工作更安全更可靠，避免出现早期损坏，延长使用寿命。