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1 绪论
转向系统是汽车底盘的重要组成部分,转向系统性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性,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人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。随着现代汽车技术的迅速发展,汽车转向系统已从纯机械式转向系统、液压助力转向系(HPS)、电控液压助力转向系统(EHPS),发展到利用现代电子和控制技术的电动助力转向系统(EPS)及线控转向系统(SBW)。
按转向力能源的不同,可将转向系分为机械转向系和动力转向系。
机械转向系的能量来源是人力,所有传力件都是机械的,由转向操纵机构(方向盘)、转向器、转向传动机构三大部分组成。其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动(严格讲是近似直线运动)的机构,是转向系的核心部件[2]。
动力转向系除具有以上三大部件外,其最主要的动力来源是转向助力装置。由于转向助力装置最常用的是一套液压系统,因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐,它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电机和地线的作用。
通常,对转向系的主要要求是:
(1) 保证汽车有较高的机动性,在有限的场地面积内,具有迅速和小半径转弯的能力,同时操作轻便;
(2) 汽车转向时,全部车轮应绕一个瞬时转向中心旋转,不应有侧滑;
(3) 传给转向盘的反冲要尽可能的小;
(4) 转向后,转向盘应自动回正,并应使汽车保持在稳定的直线行驶状态;
(5) 发生车祸时,当转向盘和转向轴由于车架和车身变形一起后移时,转向系统最好有保护机构防止伤及乘员
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轮来完成的。机械式转向系统工作过程为:驾驶员对转向盘施加的转向力矩通过转向轴输入转向器,减速传动装置的转向器中有1、2 级减速传动副,经转向器放大后的力矩和减速后的运动传到转向横拉杆,再传给固定于转向节上的转向节臂,使转向节和它所支承的转向轮偏转,从而实现汽车的转向。纯机械式转向系统根据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。
纯机械式转向系统为了产生足够大的转向扭矩需要使用大直径的转向盘,需占用较大的空间,整个机构笨拙,特别是对转向阻力较大的重型汽车,实现转向难度很大,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,目前该类转向系统除在一些转向操纵力不大、对操控性能要求不高的农用车上使用外已很少被采用。
(HPS)
装配机械式转向系统的汽车,在泊车和低速行驶时驾驶员的转向操纵负担过于沉重,为解决这个问题,美国GM 公司在20 世纪50 年代率先在轿车上采用了液压助力转向系统。该系统是建立在机械系统的基础之上,额外增加了一个液压系统。液压转向系统是由液压和机械等两部分组成,它是以液压油做动力传递介质,通过液压泵产生动力来推动机械转向器,从而实现转向。液压助力转向系统一般由机械转向器、液压泵、油管、分配阀、动力缸、溢流阀和限压阀、油缸等部件组成。为确保系统安全,在液压泵上装有限压阀和溢流阀。其分配阀、转向器和动力缸置于一个整体,分配阀和主动齿轮轴装在一起(阀芯与齿轮轴垂直布置),阀芯上有控制槽,阀芯通过转向轴上的拨叉拨动。转向轴用销钉与阀中的弹性扭杆相接,该扭杆起到阀的中心定位作用。在齿条的一端装有活塞,并位于动力缸之中,齿条左端与转向横拉杆相接。转向盘转动时,转向轴(连主动齿轮轴)带动阀芯相对滑套运动,使油液通道发生变化,液压油从油泵排出,经控制阀流向动力缸的一侧,推动活塞带动齿条运动,通过横拉杆使车轮偏转而转向。
液压助力转向系统是在驾驶员的控制下,借助于汽车发动机带动液压泵产生的压力来实现车轮转向。由于液压转向可以减少驾驶员手动转向力矩,从而改善了汽车的转向轻便性和操纵稳定性。为保证汽车原地转向或者低速转向时的轻便性,液压泵的排量是以发动机怠速时的流量来确定。汽车起动之后,无论车子是否转向,系统都要处于工作状态,而且在大转向车速较低时,需要液压泵输出更大的功率以获得比较大的助力,所以在一定程度上浪费了发动机动力资源。并且转向系统还存在低温工作性能差等缺点。
(EHPS)
由于液压助力转向系统无法兼顾车辆低速时的转向轻便性和高速时的转向稳定性,因此,在1983年日本Koyo 公司推出了具备车速感应功能的电控液压助力转向系统(EHPS)。EHPS 是在液压助力系统基础上发起来的,在传统的液压助力转向系统的基础上增设了电控装置,其特点是原来由发动机带动的液压助力泵改由电机驱动,取代了由发动机驱动的方式,节省了燃油消耗;具有失效保护系统,电子元件失灵后仍可依靠原转