1．绪论 1.1 转向系统概述 汽车转向系统是指汽车上用来改变或恢复其行驶方向的专设机构称为汽车转向系 统。汽车的转向系统是用来改变汽车行驶方向和保持汽车直线行驶的机构。 1.1.1 基本组成 转向操纵机构 转向器 主要由转向盘、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。 将转向盘的转动变为转向摇臂的摆动或齿条轴的直线往复运动，并对转 向操纵力进行放大的机构。
转向器一般固定在汽车车架或车身上，转向操纵力通过转向 器后一般还会改变传动方向。 转向传动机构 将转向器输出的力和运动传给车轮(转向节)， 并使左右车轮按一定 关系进行偏转的机构。 1.1.2 类型 按转向能源的不同，转向系统可分为机械转向系统和动力转向系统两大类。 机械转向系统：由转向器和转向传动机构组成。转向传动机构是由转向臂(转向垂 臂)，直拉杆，直拉杆臂，左右梯形臂，横拉杆，若干球头关节组成。 动力转向系统：由机械转向系加转向加力装置构成。图 1.1 机械转向系示意图 机械转向系统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 向系统由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。 汽车转向时，驾驶员转动转向盘，通过转向轴、万向节和转向传动轴，将转向力矩第 1 页 共 36 页输入转向器。 从转向盘到转向传动轴这一系列部件即属于转向操纵机构。 转向器中有 1～ 2 级啮合传动副，具有减速增力作用。经转向器减速后的运动和增大后的力矩传到转向 摇臂，再通过转向直拉杆传给固定于左转向节上的转向节臂，使左转向节及装于其上的 左转向轮绕主销偏转。左、右梯形臂的一端分别固定在左、右转向节上，另一端则与转 向横拉杆作球铰链连接。当左转向节偏转时，经梯形臂 1、横拉杆和梯形臂 2 的传递， 右转向节及装于其上的右转向轮随之绕主销同向偏转相应的角度。转向摇臂、转向直拉 杆、转向节臂、梯形臂和转向横拉杆总称为转向传动机构。梯形臂以及转向横拉杆和前 轴构成转向梯形，其作用是在汽车转向时，使内、外转向轮按一定的规律进行偏转。 （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。 （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。主要由转向直拉杆、转向节臂、向横拉杆、左右梯形臂等机件构成。 前轴的两端和转向节由主销铰接在一起，转向节上连有左右梯形臂，两臂铰接在转向横 拉杆上。 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、转向直拉杆、转向节臂和转 向梯形。在前桥仅为转向桥的情况下，由转向横拉杆和左、右梯形臂组成的转向梯形一 般布置在前桥之后，当转向轮处于与汽车直线行驶相应的中立位置时，梯形臂与横拉杆 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。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，则可将转向直拉杆横置，并借球头销直接带动转 向横拉杆，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）转向直拉杆第 2 页共 36 页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。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。图 1.2转向直拉杆1.螺母 2.球头销 3.橡胶防尘垫 4.螺塞 5.球头座 6.压缩弹簧 7.弹簧座 8.油嘴 9. 直拉杆体 10.转向摇臂球头销 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。1.连接环衬套 2.连接环橡胶套 3.油缸 4.压缩阀总成 5.活塞及活塞杆总成 6.导向 座 7.油封 8.挡圈 9.轴套及连接环总成 10.橡胶储液缸 图 1.3 转向减振器第 3 页共 36 页1.1.3 动力转向器 动力转向系是兼用驾驶员体力和发动机动力作为转向动力源的转向系。动力转向系 是在机械转向系的基础上加设一套转向加力器而构成的。下图为一种液压式动力转向系 示意图。其中，转向油罐、转向油泵、转向控制阀和转向动力缸为构成转向加力器的各 部件。图 1.4 动力转向系统示意图 采用动力转向系的汽车，在正常情况下转向时，驾驶员操纵机械转向系一方面提供 转向所需的一小部分能量，另一方面则同时带动转向加力器工作，由发动机通过转向加 力器提供转向所需的大部分能量。在转向加力器失效时，一般还能由驾驶员独立承担汽 车转向任务。 1.2 动力转向在汽车上的应用 1.2 动力转向在汽车上的应用 1.2 动力转向系统 1.2.1 动力转向系统的使用操作 1.严禁机车在发动机熄火后滑行；道路不平直时不要高速行驶；机车转弯时要先降 低车速（但发动机的转速不得低于 800r／min），必要时要事先换入低速挡以提高发动 机的转速。另外，当发动机由于某些原因而难以启动时，不要随意采用牵引方式启动。 如在不得以情况下必须采用牵引启动时，应在平直的道路上进行，挂上低速挡并踏下离 合器踏板。当机车需要转向时，应松开离合器踏板，使动力转向系产生作用，以保证机 车能转向。第 4 页 共 36 页2.机车在行驶过程中， 驾驶员应随时注意转向助力作用的变化， 以防发生意外事故。 因为具有动力转向系的车辆在行驶中，如因动力转向系的技术状况不良，发动机转速过 低或驱动皮带打滑而使转向油泵转速不够，都会使油液的流量压力降低，转向助力作用 大为减弱，这时机车如需要急转弯，则可能会因转向失灵而引发行车事故。特别是机车 在快速行驶时转弯，如动力转向系统因液压油管破裂、转向油泵损坏或驱动皮带折断而 突然不起助力作用，机车势必会因无法转向而发生车祸，造成不必要的损失。 3.机车在急转弯时，当把方向盘转至极限位置后要稍微放松。这是为了使分配阀的 滑阀能回至中立位置，以便降低液压系统的油压。否则，液压系统内存在最大油压的时 间过长，会导致发动机功率消耗过多，转向油泵机件磨损增大，并使橡胶油管破裂，油 缸密封圈及液压泵主动齿轮轴上的油封损坏。而稍微放松方向盘使滑阀回至中立位置 后，虽因转向主销内倾的作用，会使转向轮有自动回正的趋势，但只要转向轮稍微回正 一点，通过转向传动机构就能使油缸套筒连滑阀体向一端作轴向移动，分配阀使油缸一 侧的油压增大，其产生的助力作用又使转向轮转至最大转角位置，从而保证机车仍以最 小转向半径进行转向。 1.2 动力转向系统 1.2.2 动力转向系统的维护保养 机车在使用过程中，应对动力转向系进行如下的正确维护保养： 1.检查液压件及油管各接合部位有无漏油现象，如有漏油必须要进行及时修复或更 换新件。 2.检查转向油泵、分配阀、油缸的固定连接情况，以免机车在行驶中出现松动而危 及行车安全。 3.检查贮油罐油面高度， 油量不足时应添加， 所用油料应符合规定， 不得随意代用。 加油时，油液应经过滤清。如果缺油过多，还应进行排气。在排气时，应顶起前桥，启 动发动机，并保持转速在 1000r／min 以下，左右转动方向盘至极限位置（在此位置不 能停留过久），如此反复 10 余次，直至罐内油面平静而无气泡为止。在进行上述操作 时，应不断往贮油罐内补充油液，以免空气进入液压系统。 4.定期检查液压系统内油液的质量，如油质不符合要求时，应予更换。更换油液时 不但要放尽原用油液，还应对液压系统进行彻底清洗。为此，应顶起前桥，松开油缸上 的油管接头，打开分配阀或动力转向器底盘（整体式动力转向系统）上的放油螺塞，启 动发动机，怠速运转 15s，并同时左右转动方向盘至极限位置，以排尽油液，然后按要 求加注新油，再启动发动机，怠速运转 10～20s，并左右转动方向盘进行清洗（如贮油 罐滤网脏污，应拆下清洗）。清洗后，按上述方法放尽清洗油，加注新油并排出空气。 5.按时润滑油缸的球头销和销座，如球头销、销座和滑套过脏，应进行清洗。 6.定期检查动力转向系统的油液流量和压力。此外，对于转向油泵由三角皮带驱动 的动力转向系统，还应定期检查其皮带的张紧度是否符合规定要求，如不符合规定时， 应予以调整。第 5 页 共 36 页1.2 1.2.3 转向装置工作情况的检查 1.机车在良好的道路上用Ⅱ档（发动机转速保持在 800～1000r／min）行驶，转动 方向盘时机车转向应轻便灵活，施于方向盘上的力应不大于 50～100N，否则，应查明原 因后予以排除。 2.机车在正常行驶条件下转向时，转向轮应随方向盘转动的方向和速度进行偏转， 如果出现不灵的现象，应查明原因予以排除。 3.机车行驶在平直的路面上， 不转动方向盘时， 转向轮应能保证车辆稳定直线行驶， 无左右偏摆现象，否则应查明原因予以排除。 4.机车在宽阔的平坦场地上以 I 档（保持发动机转速在 800～1000r／min 范围内） 行驶时，将方向盘向左打到底（打死后稍放松使分配阀的滑阀回至中立位置），待车辆 行驶一圈后，测量车辆右前轮轮迹圆周直径，其半值即为车辆转向半径，应符合该车型 的规定。如大于或小于规定值，说明转向轮转角过小或过大，应进行调整。 1.2 停转方向盘后机车仍转弯 1.2.4 停转方向盘后机车仍转弯 产生这一现象的主要原因是：由阀杆一侧的复位弹簧片折断造成的。当该侧弹簧片 折断后，虽然停止转动方向盘，但阀杆和阀套不能复位，转向机继续配油，使转向不能 停止。此时，应更换复位弹簧片。若无配件，可按下述方法进行制作：选取 1 根长度合 适的旧钢锯条，在砂轮上磨掉锯齿，放入炉火中加温至紫红色，然后取出弯成弹簧片形 状，自然冷却后即可。 1.3 1.3 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，第 6 页 共 36 页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。例如， 轿车货车： 机械转向 50-100N 动力转向 20-50N 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。 1.4 1.4 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。 1.4 1.4.1 现代汽车转向装置的设计趋势 （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。 （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。 （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。 （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。 1.4 1.4.2 现代汽车转向装置的发展趋势 （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。第 7 页 共 36 页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）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。 (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 公第 8 页 共 36 页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 BURMAN 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。 （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 5～18t 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。 1.4.3 转向系角传动比 转向器角传动比--转向盘的转角增量与转向摇臂转角的相应增量之比 iω1。 转向传动机构角传动比--转向摇臂转角增量与转向盘所在一侧的转向节的转角相 应增量之比 iω2。 转向系角传动比--转向盘转角增量与同侧转向节相应转角增量之比 iω。 iω=iω1iω2。 选取 iω时应适当兼顾转向省力和转向灵敏的要求。 转向系角传动比 iω主要取决于转向器角传动比 iω1。 转向盘转角较小时，转向阻力较小，iω1 小一些可以使转向灵敏；转向盘转角较大 时(如低速急转弯工况)， iω1 应大一些，以保证转向轻便。第 9 页共 36 页2.动力转向系统的设计 动力转向系统的功用、 2.1 动力转向系统的功用、要求 2.1.1 功用 对于一些重型汽车，由于其使用条件复杂，加之载货量大，因此转向阻力都很大。 如果采用人力机械式转向，就很难达到操纵轻便和转向迅速的目的，甚至于根本无法实 现转向。所以大多数工程机械和载货汽车，采用了液压助力式转向，可以减轻驾驶员的 劳动强度，并使转向灵活可靠。 发动机排量在 2.5L 以上的乘用车，由于对其操纵轻便性的要求越来越高，采用或 者可供选装的动力转向器的逐渐增多。转向轴轴载质量超过 2.5 吨的货车，可以采用动 力转向；当超过 4 吨时，应该采用动力转向。 2.1.2 要求 1）运动学上应保持转向轮转角和驾驶员转动方向盘的转角之间保持一定的比例关 系。 2）随着转向轮阻力的增大或减小，作用在转向盘的手力必须增大或减小，称之为 路感。 3）当作用在转向盘上的切向力大于等于 0.025---0.190KN 时，动力转向器就应该 开始工作。 4）转向后，转向盘应自动回正，并使汽车保持在稳定的直线行使状态。 5）工作灵敏，转向盘转动后，系统内压力能很快的增长到最大。 6）动力转向失灵时，仍然能用机械系统操纵车轮转向。 7）密封性能好，内、外泄漏少。 从上述对液压助力系统的要求看，一般的液压传动系统是不能用做液压助力系统 的，因为在液压助力系统中，转向轮是靠液压缸活塞杆的伸缩而产生偏转的，控制转向 轮的转向就是控制活塞杆伸出的长短。在一般的液压系统中最多只能控制活塞杆的伸缩 速度，而其伸缩的长短取决于换向阀在工作位置停留时间的长短，这是很难控制的。所 以，采用一般液压传动系统不可能使车轮转角与方向盘转角保持一定的关系，这就很难 做到工作可靠。 为了使转向精确可靠，一般都采用液压随动系统，以满足机械转向要求。 2.2 液压随动系统的工作原理和工作特点 2.2.1 工作原理 当给主动部分一位移后，引起控制阀的主动部分和从动部分之间产生误差，这一误第 10 页 共 36 页差使执行元件产生动作，由于执行元件的动作而消除这一误差。故随动系统是靠误差来 工作的，这个误差随着主动部分的位移而产生，同时又由于输出量的输出而使误差自动 消除。 2.2.2 工作特点 （1）液压随动系统是一个位置跟踪装置。液压缸的缸体始终跟随阀杆的位置。阀杆 的位移是输入信号，缸体的移动是输出信号，所以输出量能自动的跟随输入信号动作。 （2）液压随动系统是一个力的放大装置。液压缸的推力由油压决定，可以很大，而 移动阀杆所需要的力却很小，所以输出量可以比输入量大几十倍以上。 （3）为使液压缸能克服外载荷的阻力，并以一定的速度移动，阀杆必须先有一定的 开口度，也就是说刚体的位移必须落后于阀杆位移一定距离。这个微小的距离为系统的 误差。没有这个误差，执行元件便不能动作，而执行元件的动作又力求消除这个误差。 因此，液压随动系统的动作总是由不平衡到平衡，再由平衡到不平衡，如此周而复始才 能连续工作。 （4）随动系统中，控制阀不仅起到控制油泵进入油缸的流量、压力以及油缸运动方 向的作用，还起到将系统中的输出和输入信号加以比较，以定出它们之间误差的测量元 件的作用。 液压式动力转向因为油液工作压力高，动力缸尺寸小、质量小，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吸收路面冲击等优点而被广泛应用。 2.3 转向器的设计 根据所采用的转向传动副的不同， 转向器的结构型式有多种。 常见的有齿轮齿条式、 循环球式、球面蜗杆滚轮式、蜗杆指销式等。 对转向其结构形式的选择， 主要是根据汽车的类型、 前轴负荷、 使用条件等来决定， 并要考虑其效率特性、角传动比变化特性等对使用条件的适应性以及转向器的其他性 能、寿命、制造工艺等。中、小型轿车以及前轴负荷小于1.2t的客车、货车，多采用齿 轮齿条式转向器。球面蜗杆滚轮式转向器曾广泛用在轻型和中型汽车上。循环球式转向 器则是当前广泛使用的一种结构， 高级轿车和轻型及以上的客车、 货车均多采用。 轿车、 客车多行驶于好路面上，可以选用正效率高、可逆程度大些的转向器。矿山、工地用汽 车和越野汽车，经常在坏路或在无路地带行驶，推荐选用极限可逆式转向器，但当系统 中装有液力式动力转向或在转向横拉杆上装有减振器时，则可采用正、逆效率均高的转 向器，因为路面的冲击可由液体或减振器吸收，转向盘不会产生“打手”现象。 对于前轴负荷不大的或装有动力转向的汽车来说，转向的轻便性不成问题，而主要 应考虑汽车高速直线行驶的稳定性和减小转向盘圈数以提高汽车的转向灵敏性。因为高 速行驶时，很小的前轮转角也会导致产生较大的横向加速度使轮胎发生侧滑。这时应选 用转向盘处于中间位置时角传动比较大而左、右两端角传动比较小的转向器。对于前轴第 11 页 共 36 页负荷较大且未装动力转向的汽车来说，为了避免“转向沉重”，则应选择具有两端的角 传动比较大、中间较小的角传动比变化特性的转向器。 2.3.1 转向器的结构： 向器的结构： 循环球式转向器的传动副有两对，一对是螺杆和螺母，一对是齿条和齿扇，在螺杆 和螺母间装有钢球。如图 6.2 所示：图 2.2 转向器结构 螺杆通过两端的滚锥轴承支承在壳体上，轴承间隙可通过端盖与壳体间的调整垫片 进行调整。螺母的内径略大于螺杆的外径，在螺杆和螺母上都加工出断面近似为半圆形 的螺旋槽，二者的槽相配合便形成近似为圆形断面的螺旋形滚道。螺母侧面制有圆孔， 钢球由此孔装入滚道内，两根钢球导管装在螺母上，每根导管的两端分别插入螺母侧面 的圆形孔内，导管内也装满钢球。这样，两根导管和螺母内的螺旋形滚道组成了两个各 自独立密封的钢球流道。 齿扇与垂臂轴制成一体，并与螺母上的齿条相啮合，转向垂臂轴支承在壳体内的滚 针轴承内。在垂臂轴的端部嵌入调整螺钉的圆柱形端头。调整螺钉拧在侧盖上，并用螺 母紧锁。因为齿扇的高是沿齿扇轴线而变化的，故转动调整螺钉使转向垂臂轴做轴向移 动，可以调节齿条与齿扇的啮合间隙。 2.3.2 转向器的原理 当转动方向盘时，转向轴带动螺杆转动，通过刚球将力传给螺母，螺母产生轴向移 动，并通过齿条带动齿扇及与齿扇制成一体的转向垂臂轴转动，经转向传动机构使机械 转向。 转向器的调整 2.3.3 转向器的调整 循环球式转向器的调整有两方面； （1） 螺杆轴承间隙的调整：通过增减端盖与壳体间的调整垫片来调整，增加垫片，间 隙变大，减少垫片，间隙变小。第 12 页 共 36 页（2） 齿条与齿扇啮合间隙的调整：通过拧动侧盖上的调整螺钉进行调整，往里拧进间 隙变小，往外拧出间隙变大，调整完毕将锁紧螺钉锁紧。 循环球式转向器又有两种结构型式， 即常见的循环球-齿条齿扇式和另一种即循环球 -曲柄销式。它们各有两个传动副，前者为：螺杆、钢球和螺母传动副以及落幕上的齿 条和摇臂轴上的齿扇传动副；后者为螺杆、钢球和螺母传动副以及螺母上的销座与摇臂 轴的锥销或球销传动副。两种结构的调整间隙方法均是利用调整螺栓移动摇臂轴来进行 调整。 循环球式转向器的传动效率高、工作平稳、可靠，螺杆及螺母上的螺旋槽经渗碳、 淬火及磨削加工，耐磨性好、寿命长。齿扇与齿条啮合间隙的调整方便易行，这种结构 与液力式动力转向液压装置的匹配布置也极为方便。 2.3.4 循环球式转向器的设计与计算图 2.3 螺杆螺母结构 1.环球式转向器各参数如下表所示： 表 2.1 转向器各参数齿 扇 摇 臂 钢 球 模 数 轴 直 中 心 mm 径 mm 距 mm 螺 杆 外 径 mm 钢球直 径 mm 螺距 mm 工作 圈数 环 螺 流 母 行 长 数 度 mm 齿 扇 齿 数 齿 扇 整 圆 齿 数 齿扇 压力 角 切削 角 齿 扇 宽 mm4.03025256.3509.5251．524651322.5° 6.5° 282.钢球直径 d 及数量 n第 13 页共 36 页每个环路中的钢球数 n=nπDw / d cos α 0 （ cos α 0 ≈ 1 ）（6-6）≈ πDw / d = 19个3.滚道截面： 当螺杆和螺母各由两条圆弧组成， 形成四段圆弧滚道截 （如下图所示） ，此时螺杆和螺母沟槽的半径R2 =（0.15-0.53）d （6-7）取 R2 =0.52d=3.302mm &d/2=6.350/2=3.175B=P-d=9.525-6.350=3.175&2.5mm( 合格)图 2.4 滚道结构形式 导管内径 d 1 =d+e=6.350+0.65=7mm 导管壁厚取为 1mm。4.接触角 θ = 45° ，以使轴向力和径向力分配均匀。5.齿条齿扇传动副设计设计参数参照是下表，一般将 1-1 中间剖面规定为基准剖面， 1-1 剖面向右时，变 位系数 ξ 为正，向右时由正变零，再变为负。此时计算 0-0 剖面： 表 2.2 齿扇参数表（0-0 截面） 分度圆直径 齿顶高 ha 齿根高 全齿 h 齿顶圆直径 d a 齿根圆直径df hfD=mz=4 × 13* ha =m × ha52mm 4mmhf=(* ha + c * ) m5mm 9mm 60mm 42mm第 14 页 共 36 页h = ha + h f d a = d + 2 ha d f = d ? 2h f图 2.5 齿扇剖面图 齿扇轮在从轴线自左向右看是又窄又低的形状，变位系数逐渐增大，设 0-0 面与中 间面 1-1 面的间距 α 0 = 5mm， 1―1 截面:由公式：ζ1 =α 0 tan γmtan 6.5° = 0.14mm 4 =5 × =26-（1.0+0.25-0.14） × 4 = 21.56mm=26+（1.0+0.25+0.14） × 4=31.56mm* r f 1 = r ? (ha + c * ? ζ 1 )m* ra1 = r + (ha + c * + ζ 1 )m2―2 截面：ζ2 =α 2 tan γmtan 6.5° = 0.541 4 =(14+5) mm × =26-（1.0+0.25-0.541） × 4 = 23.16mm* r f 2 = r ? (ha + c * ? ζ 2 )m * ra 2 = r + ( ha + ζ 2 ) m=26+（1.0+0.541） × 4=32.16mm3—3 截面：ζ3 =α 3 tan γmtan 6.5° = ?0.26 4 =(-14+4.6) mm × =26-（1.0+0.25+0.26） × 4 = 19.96mm第 15 页 共 36 页* r f 3 = r ? (ha + c * ? ζ 3 )m* ra 3 = r + (ha + ζ 3 )m=26+（1.0-0.267） × 4=28.96mm分度圆处的齿厚：S max = (π + ζ max × tan α 0 ) S min = (π + ζ min × tan α 0 ) m 2 =（ π +0.541 tan 22.5° ）×2=6.7mm大端齿厚小端齿厚m 2 =（ π -0.26*tan22.5）*2=6.06mm齿条在与齿扇配合时，因齿扇为变厚齿扇，则满足啮合间隙特性，齿条变厚方向应 与齿扇相反，齿条的齿扇与齿扇的齿槽宽相等。二者啮合为等移距变为齿轮啮合传动。6.循环球式转向器零件强度的计算为了进行强度计算，首先要确定其计算载荷，可利用汽车在干燥硬路面上作原地转 向时转向轮的转向阻力矩，利用它可求的转向摇臂上得力矩和在转向盘上的切向力。他 们均可作为转向系的最大载荷。 钢球与滚道间的接触应力 σ3σ=k3F3 E 2 ( R2 ? r ) 2 ( R2 r ) 2（6-8）σ=1.615466.72 × (2.1 × 10 5 ) 2 (3.302 ? 3.175) 2 (3.302 × 3.175) 2=2334.49Mpa& [σ]=2500MPa式中系数 k 由下式确定1 1 1 ( ? ) A 2 r R2 0.0061 = = = 0.03 B 1 1 1 0.1198 ( + ) 2 r R1 07（6-9）查汽车设计表 7-3 取 k=1.615r―钢球半径R2 ―滚道截面半径 R1 ―螺杆外半径5 2 E―材料弹性模为 2.1 × 10 N / mmF3―钢球与螺杆间正压力，可用下式计算F3 F2 α = /ncos 0 cos θ（6-10）第 16 页 共 36 页F3=12418.72/（38*cos8 *cos45 ） θ— 接触角取 45°式中α 0 —螺杆螺线导程角取 8°n—参与工作的钢球数 38F2 —作用在螺杆上的轴向力= Fh Rsw cot α 0 = 95.23 * 200 * cot 8 0 /(25 ? 3.175) * 2 = 12418.72 N D/2?b/2F2由以上可知接触应力可以满足要求。7.齿的弯曲应力：σw =6 F × h 6 × 3662.73 × 9 = = 310.33 [σ ] BS b2 28 × 4.7712 & w =540Mpa 式中：F—作用在齿扇上的圆周力 F= M r / L2 =3662.73Nh—齿扇的齿高 b—齿扇的齿宽 Sb— 基 圆 齿 厚 S b =S /r-2r b（ invα b -invα ）=2* π *24.02/26-2*24.02*(0.)=4.771mm （基圆齿厚的计算公式见机械原理课本） 由上可知弯曲应力完全满足。 螺杆与螺母用 20CrMnTi 刚材料制造，表面渗碳，深度为 0.8-1.2mm，表面硬度为HRC58-63。2.4 液压助力转向系统 液压助力系统的类型较多，按基本部件的组合方式有以下几种类型： （1） 转向器，控制阀及转向油缸三个部件分开布置（分置式） 。 （2） 转向器单独布置，而控制阀和转向油缸两部件组成助力器（连杆式） 。 （3） 转向器与控制阀组成一体，转向油缸单独布置。 （4） 液压缸，控制阀和转向器安装在一个总成上成一个整体（整体式） 。 另外按照机械不转向时系统中油液状态分为常流式和常压式。 常流式的特点是结构简单，成本低，功率损失较小并能获得良好的转向性能，是汽 车上广泛采用的一种形式。 2.4.1 液压助力系统 （1）液压助力系统示意图如图所示：第 17 页 共 36 页l.转向操纵机构 2.转向控制阀 3.机械转向器与转向动力缸总成 4.转向传动结构 5. 转向油罐 6.转向油泵 R.转向动力缸右腔 L.转向动力缸左腔 2.8 液压助力系统示意图 （2）液压助力系统的原理图如图所示：第 18 页共 36 页1)油路途径 液压助力系统的油路分为主油路和辅助油路。 1．主油路 在发动机工作时，主油泵从油箱吸油，油泵出来的压力油经过组合阀的单向阀进入 转向助力器，供机械转向。此时辅助油泵出来的压力油经过辅助控制阀流回油箱。 2．辅助油路 在主油泵损坏，发动机熄火或汽车被向前牵引时，由辅助油泵泵出来的压力油，经 组合阀的辅助控制阀`单向阀到转向助力器，供机械转向。 2）油泵 油泵有主油泵和辅助油泵。主油泵为 CB-F25C-FL 型逆时针齿轮油泵，由变矩器齿 轮箱内油泵驱动齿轮驱动，工作压力为 8MP；辅助油泵为 CB-F18C-FL 型逆时针齿轮泵， 由变矩器二`四挡齿轮轴驱动，工作压力为 8MP。 3）组合阀 组合阀主要用与控制辅助油泵参加转向工作的时机以及限制系统最高压力不超过 8MP，以保证液压系统正常可靠的工作。 1．结构 组合阀用螺钉固定在转向油箱上，主要由阀体`单向阀`安全阀`辅助油路控制阀等 组成。 阀体 孔通油箱。 单向阀 安全阀 两个单向阀结构相同，均由阀芯`弹簧`定位螺塞组成。 安全阀由阀杆、弹簧、弹簧座、压盖、调整螺等组成。安全阀通过斜油 它主要由阀杆、弹簧、弹簧座、压盖等组成。阀杆装在阀体圆 阀体上有四个孔，F 孔通主油泵，G 孔通辅助油泵，E 孔通转向助力器，O道与阀体上 O 孔相通。 辅助油路控制阀 孔内，在圆孔内有 3 道油槽，上油槽通单向阀，中油槽通阀体 G 孔，下油槽通阀体上 O 孔。弹簧装在阀杆的下端，由压盖压紧，在压盖与阀体间装有调整垫片，以便调整弹簧 的预紧力。 2．工作原理 当发动机工作时，从主油泵来的压力油由 F 孔进入控制阀上腔，推动上单向阀，压 缩弹簧，使压力油经单向阀从 E 孔进入转向助力器；同时，进入控制阀上腔的油推动控 制阀杆，压缩弹簧下移，堵死 G 孔经上油槽通向下单向阀的油路，并打开 G 孔经下油槽 通往 O 孔去油箱的油路使辅助泵卸载。 当主油泵损坏、发动机熄火或汽车被向前拖动时，因主油泵不工作，由 F 孔进入控 制阀上腔的油液压力消失，当油压低于 0.3MP 时，控制阀杆在弹簧作用下上移，封闭下 油槽，使中、上油槽相通。辅助油泵的压力油经 G 孔、下单向阀、E 孔进入转向助力器， 使机械仍然能有效的转向。第 19 页 共 36 页当系统油压超过 8MP 时，压力油推动安全阀阀芯压缩弹簧下移，使阀杆离开阀座， 多余的压力油便经斜油道由 O 孔流回油箱。 4）转向助力器 转向助力器的功用是在驾驶员转动方向盘时，通过转向器控制随动阀，借助高压油 的作用，使转向轻便、灵活、准确、可靠。其结构图如下图所示：12345678695101112131415161718192021225621343130252928272526252423341．结构 转向助力器主要由球铰、随动阀和油缸三部分组成。 a.球铰 球铰分转向臂球铰和固定球铰及主动球铰。各球铰结构基本相同，都由球 头销、球头碗、螺塞和弹簧等组成。 转向臂球铰的球头销、球头碗安装在转向臂接头的空腔内，由弹簧和螺塞限位。转向臂 接头和传动套以螺纹联结，并用螺母固定，转向臂球头销与转向直拉杆连接。 固定球铰与车架连接在一起，球销接头通过螺纹和活塞杆连接。 主动球铰的球头销、球头碗装在滑套内，滑套又装在传动套内，滑套的下部制有轴 向地槽，拧在传动套上的导向螺钉端部深入地槽内，使滑套只能左右滑动而不能转动。 球头碗右侧装有蝶型弹簧和间隔套，左侧装有螺塞，用与调整和消除球头销与球头碗之 间因磨损而产生的间隙。 各球铰上都装有油杯， 以注油润滑球头销和球头碗的表面， 为防止尘土进入球铰内， 三个球铰都装有防尘罩。 b.随动阀 随动阀由阀体、阀杆、回位弹簧、限位套等组成。 阀体上有三个孔，经过油管进油孔通油泵，回油孔通油箱，出油孔通油缸右腔。阀 体内圆有 5 道油环槽，槽 1 和槽 5 暗油道相通并经阀体上回油孔通油箱，槽 3 经进油孔 通油泵，槽 2 经出油孔通油缸右腔，槽 4 经暗油道通油缸左腔。 阀杆装在阀体内，其上有两道环槽，在环槽的肩部制成斜面，以使进入油缸的流量 随阀杆的移动而逐渐增加。为防止漏油，在阀杆和阀体上各装有一道密封圈。 限位套装在阀杆的左端，与挡圈之间留有 3.5mm 的间隙，以限制阀杆在阀体内每次 移动的距离不超过 3.5mm。 回位弹簧装在限位套上。阀杆、限位套、回位弹簧、挡圈和滑套用螺杆串联在一起， 并用螺母固定限位。 c.油缸 油缸主要由缸体、活塞、活塞杆、导向套筒和密封圈等组成。第 20 页 共 36 页缸体内装有活塞。为防止油缸左、右两腔互相窜油，活塞上的环槽内装有 O 型橡胶 圈，活塞和活塞杆通过螺母固定在一起。缸体端部通过导向套支承着活塞杆。导向套与 缸体之间装有密封圈。 2．工作原理 1）直线行驶 方向盘不动，阀杆在回位弹簧的作用下位于中间位置，此时由槽 3 来的压力油经阀 体和阀杆间的锥面间隙 0.8mm，经槽 2 到槽 1 和经槽 4 到槽 5，并从回油孔中流回油箱。 因为槽 2 和槽 4 和油缸两腔相通，此时油缸两腔并无油压差，因而缸体不动，机械直线 行驶。 2）向左转弯 方向盘向左移动，通过转向器使主动球销向左移动一定距离，并由滑套拉动阀杆也 向左移动一定距离，使阀杆由中间位置进入工作位置。此时压力油从槽 3 经槽 4 进入油 缸左腔，由于活塞通过活塞杆固定在车架上不能移动，所以进入左腔的压力油就迫使缸 体、阀体也向左移动，通过转向臂球铰带动转向臂和梯型机构，使转向车轮向左偏转一 个角度，机械便实现向左转向。与此同时，油缸右腔内的油液由槽 2 经槽 1 流回油箱。 当缸体、阀体的移动距离和阀杆的移动距离相等时，阀杆又处于中间位置，此时油 泵的压力油便经阀体和阀杆间的锥面间隙流回油箱，油缸两腔的油又经随动阀和油箱相 通。 缸体和阀体停止移动， 机械停止转向。 继续转动方向盘使阀杆再向左移动一段距离， 进入左腔的压力油又迫使缸体、阀体也向左移动相同距离使车轮继续向左转，转向后， 又使阀杆处于中间位置。 4）向右转弯 向右转弯与向左转弯原理相同，方向相反。 5）发生道路冲击时 当转向轮和道路发生冲击时，转向轮将使转向臂球铰移动，因驾驶员握住方向盘不 放，故阀杆不能带动主动球头销移动。因此转向臂球铰的的运动只能使缸体连同阀体移 动。由于阀杆不动，阀体的移动旧使阀杆由中间位置进入工作位置。设阀体、缸体向右 移动，这时来自槽 3 的压力油就从槽 4 进入油缸左腔，推动缸体、阀体向左移动，使阀 杆又回到中间位置，自动克服道路冲击，使转向轮不能自由偏转。 6）转向轮自动回正 转向轮偏转使机械转向后，驾驶员松开方向盘，转向轮的稳定力矩便经转向臂传到 球铰，使其向左或向右移动。设向右移动，球头销便经过接头推动传动套、缸体、阀体 向右移动，与此同时，传动套通过挡圈、回位弹簧推阀杆并带动滑套同阀体、缸体一起 移动。由于回位弹簧的预紧力大于随动阀到方向盘之间各传动副中摩擦力之和，故回位 弹簧并不产生变形，阀杆始终保持在中间位置。这时，缸体、阀体、阀杆、滑套、回位 弹簧便一起向右移动，并带动方向盘回转，于是，转向轮便在稳定力矩的作用下自动回 到直线行驶位置。第 21 页 共 36 页7）手动转向 若液压助力系统出现故障，转向系仍能工作，这时助力器仅起一个连杆作用。转向 时，主动球铰直接带动转向臂球铰，通过转向臂、转向梯形结构，使车轮偏转。 由上述工作原理可知，回位弹簧不仅关系到使用的可靠性，而且对行驶的稳定性也 有影响。回位弹簧的作用是：在阀杆受到小于其预紧力作用的条件下，保持阀杆处于中 间位置，以保证机械稳定的直线行驶和车轮自动回正，当转向或发生冲击时，回位弹簧 被压缩，呈工作状态。 2.4.2 动力转向机构布置方案 .4.2 由分配阀、转向器、动力缸、液压泵、贮油罐和油管等组成液压式动力转向机构。 根据分配阀、 转向器和动力缸三者相互位置的不同， 它分为整体式(图 6.3a)和分置式两 类。 后者按分配阀所在位置不同又分为： 分配阀装在动力缸上的称为联阀式， 见图 6.3b； 分配阀装在转向器和动力缸之间的拉杆上称为连杆式， 见图 6.3c； 分配阀装在转向器上 的称为半分置式，见图 2.3 动力转向机构布置方案图1—分配阀2—转向器3—动力缸第 22 页 共 36 页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 主要零件是否承受由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 的管路长短；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。在转向轮受到侧向力作用时或者发动机的振动不会影响分配 阀的振动， 因而不能引起转向轮摆振。 它的缺点是转向摇臂轴、 摇臂等转向器主要零件， 都要承受由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，这对布置它们 带来不利的影响。同时还不能采用典型转向器，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能要求高，这对转向器的设计，特别是重型汽车的转向器 设计带来困难。整体式动力转向器多用于轿车和中型货车。 2.4.2 分配阀的结构方案 分配阀有两种结构方案：分配阀中的阀与阀体以轴向移动方式来控制油路的称为滑 阀式，以旋转运动来控制油路的称为转阀式。 滑阀式分配阀结构简单，生产工艺性较好，易于布置，使用性能较好，曾得到广泛 应用。 转阀式与滑阀式比较，灵敏度高，密封件少，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。转阀式分配阀在国内、外均得到广泛应用。 综合以上，我所设计的液压助力系统为常流滑阀式连杆式偏转前轮转向系统。 2.4.3 动力转向机构的计算 1、动力缸尺寸的计算 动力缸的主要尺寸有动力缸内径、活塞行程、活塞杆直径和动力缸壳体壁厚。推力： F1 = A1 P 拉力： F1 = A2 P(kgf) (kgf)A1 =π4推侧活塞受压面积D2(C ㎡)第 23 页共 36 页拉侧活塞受压面积：A2 =π(D 42?d2)(C ㎡)液压缸内径，即活塞直径：D 活塞杆直径：d (cm) 推侧压力： P1 (kgf/C ㎡) 拉侧压力： P2 (kgf/C ㎡)(cm)效率： 注：1：油缸实际出力低于理论出力 2：效率，在惯性力小的场合取 80%，惯性力大的场合取 60% 油缸理论出力表：(kgf) 推侧 70(kgf/C 140(kgf/C 活塞 拉侧 210(kgf/C ㎡) 受压 活塞 速 ㎡) ㎡) 内 杆直 受压 面积 杆螺 度 径 径 面(C 拉力 推力 拉力 推力 拉力 (C 牙 比 推力 F1 (cm) ㎡) F2 F1 F2 F1 F2 ㎡) 30 7.O7 16 20 25 20 30 25 35 30 40 35 100 78.5 4 M14× 1.4 5.06 354 495 708 1.5 0 990 4012.5 7M16× 1.3 9.43 660 880 80
3 M22× 1.9 6.32 536 880 08
9 M16× 1.1 115 16.5 44 .5 9 5 M26× 12.5 1.5 880 44 .5 7 6 M22× 26.2 1.1 183 68 .5 6 9 8 M30× 18.9 1.6 132 68 .5 2 5 4 M26× 1.1 302 43.2 42
1.5 6 4 M30× 36.2 1.3 263 42
1.5 7 8 9 M30× 68.9 1.1 482 98
1.5 2 4 4 0 3 M40× 58.9 1.3 412 98
2.0 2 3 4 0 3第 24 页 共 36 页5019.6 46331.1 78050.2 750125122. 7250 60 60 80 80 100 80 100 100 120M40× 103. 1.1 721 65
2.0 10 9 7 4 0 1 M50× 94.4 1.3 661 83
2.0 6 0 2 4 0 6 M50× 148. 1.1 103 73
2.0 46 9 92 9 4 8 6 M70× 126. 1.4 885 73
2.0 48 0 3 9 7 8 0 M70× 204. 1.2 142 62
2.0 23 5 96 3 2 6 8 M90× 175. 1.4 123 62
2.0 97 5 18 3 6 6 4 M70× 263. 1.1 184 98
2.0 92 9 74 1 8 2 3 M90× 235. 1.3 164 98
2.0 66 3 96 1 2 2 8 M90× 412. 1.1 288 72
2.0 37 9 66 0 2 3 8 M110 377. 1.3 264 72
×3.0 83 0 48 0 6 3 4150176. 72180254. 47200314. 16250490. 87根据用途壳据资料选取: P=10MPa D=80mm， 则 d=0.35D=28mm 圆整为 30mm 壳体材料有球墨铸铁和铸造铝合金两种。球墨铸铁采用 QT500-05。 ，抗拉强度为 500MPa，屈服点为 350MPa。 活塞杆用 40 或 45 钢制造。为提高可靠性和寿命，要求其表面镀铬并磨光。 2、分配滑阀参数的选择 分配滑阀的主要参数有：滑阀直径 d，预开隙 e1 、密封长度 e2 和滑阀总移动量 e 等， 见图 2.6。上述参数影响分配阀的泄漏量、液流速度和转向灵敏度。设计时可根据下列 关系式来确定上述参数。第 25 页共 36 页图 2.6 (1)分配阀的泄漏量△Q 按下式计算 ?Q = ?r 3 ?pπd 12?e2预开隙 e1要求△Q 不大于溢流阀限制下最大排量的 5％～10％。△Q式中，△Q 为分配阀泄漏量( cm 3 / s )；△r 为滑阀和阀体在半径方向的间隙(cm)， 一般△r 在 O.0005～O.00125cm，计算时取最大间隙：△p 为滑阀进、出口油压差，又称 局部压力降(MPa)；d 为滑阀外径(cm)； e2 为密封长度(cm)， e2 =e- e1 ；P 为液体动力粘 度(Pa·s)。 (2)局部压力降△p 汽车直线行驶时，液流流经分配阀后流回油箱。液流流经分配 阀时，产生的局部压力降△p 用下式计算 ?p = 1.38 × 10 ?3 v 2 式中，△p 为局部压力降(MPa)；秒为中立位置的液流流速(m／s)，用下式计算v= Q 37.6de1式中，Q 为溢流阀限制下的最大排量(L／min)，一般约等于发动机怠速时油泵排量 的 1.5 倍；d 为滑阀直径(cm)； e1 为预开隙(cm)。 △p 的允许值为 3 × 10 ?2 ~ 4 × 10 ?2 MPa。 分析式(7-20)、式(7-21)可知：若滑阀直径 d 和预开隙 e1 取得过小，将使中立位置 的液流流速增大，并导致△p 超过允许值。 3、分配阀的回位弹簧第 26 页 共 36 页为了防止因外界干涉破坏分配阀的正常工作和保证转向后转向盘的自动回正作用， 回位弹簧的力在保证转向轻便的条件下，应尽可能取大些。为克服回位弹簧上的压力， 反映在转向盘上的作用力，轿车应比货车的小些。 回位弹簧预压缩力的最小值，应大于转向器逆传动时的摩擦力，否则转向后转向轮 不可能有自动回正作用。转向器的摩擦力可由试验确定。 4、动力转向器的评价指标 (1)动力转向器的作用效能 用效能指标 s = Fh Fh' 来评价动力转向器的作用效能。式中， Fh 和 Fh' 为没有动力转向器和有动力转向器时，转动转向轮所必须作用在转向盘 上的力。现有动力转向器的效能指标 s=l～15。 (2)路感 驾驶员转动转向盘，除要克服转向器的摩擦力和回位弹簧阻力外，还要 克服反映路感的液压阻力。液压阻力等于反作用阀面积与工作液压压强的乘积。在最大 工作压力时，轿车：换算到转向盘上的力增加约 30～50N，货车：增加 80～100N。 (3)转向灵敏度i= Dsw ? 2δ转向灵敏度可以用转向盘行程与滑阀行程的比值 i 来评价式中， Dsw 为转向盘直径； ? 为转向盘转角；δ为滑阀行程。 由式(7-22)可见，当 Dsw 和δ的数值不变时，转向盘转角 ? 仅仅取决于比值 i，所 以这完全可以表达转向灵敏度。比值主越小，则动力转向作用的灵敏度越高。高级轿车 的 i 值在 6.7 以下。 转向灵敏度也可以用接通动力转向时，作用到转向盘的手力和转角来评价，要求此 力在 20～50N，转角在 10?～15?范围。 (4)动力转向器的静特性 动力转向器的静特性是指输入转矩与输出转矩之间的变 化关系曲线，是用来评价动力转向器的主要特性指标。因输出转矩等于油压压力乘以动 力缸工作面积和作用力臂， 对于已确定的结构， 后两项是常量， 所以可以用输入转矩 M ? 与输出油压 p 之间的变化关系曲线来表示动力转向的静特性，如图 7-29 所示。常将静 特性曲线划分为四个区段。在输入转矩不大的时候，相当于图中段，是直线行驶位置附 近小角度转向区，曲线呈低平形状，油压变化不大；汽车原地转向或调头时，输入转矩 进入最大区段(图中 C 段)，要求助力转向效果应当最大，故油压曲线呈陡而直状上升； B 区段属常用快速转向行驶区段，要求助力作用要明显，油压曲线的斜率变化应较大， 曲线由较为平缓变陡。除此之外，上述三个区段之间的油压曲线过渡要求平滑，D 区段 曲线就表明是一个较宽的平滑过渡区间。第 27 页共 36 页图 2.7静特性曲线分段示意图要求动力转向器向右转和向左转的静特性曲线应对称。对称性可以评价滑阀的加工和装 配质量。要求对称性大于 O.85。第 28 页共 36 页3 转向转动机构 3.1 组成 3.1.1 转向摇臂 转向摇臂参见图 19-5 所示。它一般用中碳钢锻制而成。大端其有锥形的三角 形细花键孔，与转向摇臂轴连接，并用螺母固定。其小端用锥形孔与球头销柄部连 接，也用螺母固定，球头再与纵拉杆作绞链连接。转向摇臂安装后从中间位置到两 边的摆角范围应大致相同，故在向转向摇臂轴上安装时，二者的安装记号应对正。 为此，常在转向摇臂及轴上有安装记号，或者在二者的花键上铣有安装位置键槽， 用以保证在安装时不致错位。图 19-5 3.1.2 转向主拉杆转向摇臂(1)组成： 19-6 所示为常见汽车的转向主拉杆。 图 主拉杆体 9 由两端扩大的钢 管制成，在扩大的端部里，装有球头销 2、球头座 5、弹簧座 7、弹簧 6 和螺塞 4 等 组成球绞接。 (2)球头销：球头销的锥形部与转向节臂连接，并用螺母固定。球头销的头部 通过钢管 5 开有的圆孔伸入钢管内前后两个球头座之间。在螺塞和弹簧的作用下， 通过球头座将球头夹持住。旋转螺塞可调整弹簧的预紧力，调妥后用开口销锁住。 主拉杆另一端以同样的铰链与转向摇臂连接， 只是弹簧的安装位置在靠螺栓的方向。 (3)弹簧作用：在工作中，弹簧缓冲了转向车轮传来的冲击和振动，同时也保 证了当球头和球头座磨损后自动消除间隙。第 29 页共 36 页(4)弹簧座安装：弹簧座的小端与球头座背部具有一定的缝隙，以防止弹簧过 载，并用以防止弹簧损坏时，球头部从钢管孔中脱出。 (5)润滑：为了润滑球头和球头座，钢管上还装有加注润滑脂的油嘴 8。在球 头销伸出端上套有橡胶防尘垫 3，并用铁皮包扎在钢管上，以防止润滑脂流出和尘 土、水、泥侵入。图 19-6常见汽车的转向主拉杆1-螺母；2-转向节臂球头销；3-橡胶防尘垫；4-端部螺塞；5-球头座；6-压缩 弹簧 7-弹簧座；8-油嘴；9-主拉杆体；10-转向摇臂球头销 (6)为了使主拉杆在受到向前或向后的冲击力时，都有一个弹簧起缓冲作用， 两端的弹簧应装在球头销的同一侧。 3.1.3 转向横拉杆 (1)组成：如图 19-7 所示，转向横拉杆由横拉杆体 2 与旋装在两端的接头 1 组成。 (2)调整前束值：横拉杆体用钢管或钢钎制成，它的两端切制有正、反螺纹， 与横拉杆接头连接。由于横拉杆体两端是正反螺纹，当旋松夹紧螺栓 3 时，旋转横 拉杆体即可改变转向横拉杆的有效长度，以调整前轮的前束值。调妥后应将夹紧螺 栓拧紧。 (3)球头销连接：在横拉杆接头上装有球头销等零件组成球形绞接，分别与两 侧的转向梯形臂相连接。球头销的球头部分夹紧在球头销座 9 内。上、下球头销座 常用尼龙或聚甲醛制成，有较好的耐磨性。弹簧 12 将球头座压在球头上，这样在球 头和球头座磨损时能自动消除间隙。这样既可减小转向盘自由行程，也可防止左、 右两球头中心距发生改变。球头节上部设有防尘套 8，以防尘土侵入。第 30 页 共 36 页图 19-7汽车转向横拉杆a) 转向横拉杆；b) 接头；c) 球头座 1-横拉杆接头；2-横拉杆体；3-夹紧螺栓；4-开口销；5-槽形螺母；6-防尘垫座； 7-防尘垫； 8-防尘套；9-球头座；10-限位销；11-螺塞；12-弹簧；13-弹簧座；14-球头销 (4)后置式横拉杆：有些越野汽车转向传动机构的横拉杆，由于转向驱动桥主 减速器尺寸的限制，后置式横拉杆的中部必须弯曲，因而就不能通过本身的转动来 调整前轮前束，通常在横拉杆的一端附加一个可调的短接杆或将横拉杆两端用螺纹 连接的接头制成叉形， 用直销和梯形臂连接(见图 19-8)。 若需改变横拉杆的长度时， 需将直销拔下，转动叉形接头来进行调整。因每次转动接头只能是旋转 180°或 360°才能将直销装复，所以两端接头的螺纹有粗细牙之分，用来互相补偿，以保证 所需长度值的获得。第 31 页共 36 页图 19-8越野汽车的转向横杆 拉杆1-叉形接头；2-球头销；3-油嘴；4-螺柱；5-转向节外壳；6-油封；7-衬套；8-横 3.1转向传动机构设计 3.1转向传动机构设计 转向传动机构是由转向摇臂至左、 右转向车轮之间用来传递力及运动的转向杆、 臂系统， 其任务是将转向器输出端的转向摇臂的摆动转变为左、 右转向车轮绕其转 向主销的偏转， 使它们偏转到绕同一瞬时转向中心的不同轨迹圆上， 并 实现车轮无 滑动地滚动转向。 为了使左、 右转向车轮偏转角之间的关系能满足这一汽车转向运 动学的要求， 则要由转向传动机构中的 转向梯形机构的精确设计来保证。 采用最优 化设计方法优选转向梯形结构参数则可得到最佳 设计效果。 在非独立悬架汽车的转向系中，转向传动机构由转向摇臂、转向直拉杆、转向 节臂、两 个相同的转向梯形臂和转向横拉杆组成。后者与左、右转向梯形臂又组成 转向梯形机构。 向器在汽车上应这样安置： 转 首先应使转向摇臂下端与纵拉杆铰接 的球头中心在转向过程中是 在平行于汽车纵向平面的平面内移动； 其次， 为了使转 向纵拉杆与纵置钢板弹簧协调运动以 避免转向车轮的摆振， 转向摇臂下端的球头中 心 B 应尽量与转向节臂与纵拉杆铰接球头中心 A2 ：的摆动中心 O2 重合。 当采用独立悬架时，转向横拉杆要做成分段式的，由中段的横拉杆和两侧的边 杆用球铰 接组合而成。 当汽车直行时摆杆 7 与转向摇臂 1 应对称地位于中段横拉 杆的左右两侧并与之 垂直地铰接， 且在悬架导向机构横臂的纵向摆轴线卜， 以避免 汽车垂向振动引起转向车轮的 摆振并使汽车具有良好的直线行驶性能。 根据转向器 以及分段式转向杆系相对于车轮轴线的 布置位置不同，又可有不同的布置方案。 转向摇臂、转向节臂和梯形臂由中碳钢或中碳合金钢如 35Cr，40，40Cr 和 40CrNi 用模 锻加工制成。多采用沿其长度变化尺寸的椭圆形截面以合理地利用材 料和提高其强度与刚 度。 转向摇臂与转向摇臂轴用三角花键联接， 且花键轴与花键 孔具有一定的锥度以得到无隙 配合， 装配时花键轴与孔应按标记对中以保证转向摇 臂的正确安装位置。转向摇臂的长度与 转向传动机构的布置及传动比等因素有关， 一般在初选时对小型汽车可取 100～150mm； 型汽车可取 150～200mm； 中 大型汽车 可取 300～400mm。 转向传动机构的杆件应选用刚性好、质量小的 20、30 或 35 号钢的无缝钢管 制造，其沿 长度方向的外形可根据总布置的需要确定。 转向传动机构的各元件间采用球形铰接。球形铰接的主要特点是能够消除由于 铰接处的 表面磨损而产生的间隙， 也能满足两铰接件间复杂的相对运动。 在现代球 形铰接的结构中均 是用弹簧将球头与衬垫压紧。 整体式转向横拉杆两端和分段式横 拉杆左右边杆外端的球形铰 接应作为单独组件， 组装好后以其壳体上的螺纹旋到杆 的端部，以使杆长可调以便用于调节 前束。其他杆端的球形铰接，其外壳应与杆件 制成一整体。 球头与衬垫需润滑， 并应采用有 效结构措施保持住润滑材料及防止灰 尘污物进入。第 32 页 共 36 页球销与衬垫均采用低碳合金钢如 12CrNi3A，18MnTi 或 20CrNi 制造，工作表 面经渗碳 淬火处理，渗碳层深 1.5—3.0mm，表面硬度 HRC56—630 允许采用中碳 钢 40 或 45 制造并 经高频淬火处理， 球销的过渡圆角处则用滚压工艺增强。 球形 铰接的壳体则用钢 35 或 40 制造。 为了提高球头和衬垫工作表面的耐磨性，可采用等离子或气体等离子金属喷镀 工艺； 于轿车亦可采用耐磨性好的工程塑料制造衬垫。 对 后者在制造过程中可渗入 专门的成分(例如 尼龙－二硫化钼)，对这类衬垫则可免去润滑。 为了计算转向传动机构零件的强度，首先应确定其计算载荷。如果转向系无动力装 置， 则转向传动机构的计算载荷可由式(5—13)所求得的最大转向阻力矩 Tr ， 所确 定； 当装用整 体式动力转向器时， 则加在转向摇臂上的载荷由最大液压下的动力转 向作用力和作用在转向 盘轮缘上的极限切向力 Fh max 所共同确定；当动力缸置于转向传动机构中， 则对于位于转向 器和动力缸之间的转向传动机构零件，其计算载荷可根据作用在转向摇臂轴上 的力矩 T 来 确定， T 可根据式(5—19)为而对于位于动力缸之后的转向传动机构零件，则同时承受着由上式确定的力矩 T 和在最大 液压下的动力转向作用力所确定的载荷。 转向摇臂、转向节臂与梯形臂均承受弯矩及扭矩的联合作用，其危险截面在臂 的根基处。 下面以转向摇臂的强度计算为例。 3.2转向摇臂的强度计算 转向摇臂的强度计算 如图 5－13 所示，其危险截面在 A—A 处。根据第三强度理论，在危险截面的 最大应力 点 a 处，弯扭联合作用的等效应力为式中 F ——作用在转向摇臂球形铰接处的力； Wb ， Wt ——危险截面的弯曲截面系数和扭转截面系数； l ， e ——见图 5－13； ?? ——材料的屈服极限； ns ——相对于 ??s 的强度储备系数， ns ＝1.7～2.4。第 33 页共 36 页图 5－13 转向摇臂与球铰及危险截面处的应力图 对于矩形截面的臂（杆或 梁） 在其截面的直角顶点处扭转切向应力值为零， ， 最大切向应力发生于侧边中间的 k 点为??k ， a 点处的应力为??a ，则有式中 h ， b ——矩形截面的长边与短边长度； ??，??——与 h / b 有关的系数，查有关手册选取，当 h / b ＝2 时， ??＝0.246，??＝0.795。 但弯、扭联合作用的等效应力如式（5－55）所示， 其最大应力位于 a 点。 2.转向纵拉杆与横拉杆的计算 拉杆需计算其受压时的纵向弯曲稳定性。为了防止 拉杆受压时产生纵向弯曲， 拉杆截面对中性轴的惯性矩 J 可由下式求得式中 n ——杆的刚度储备系数，一般取 n =1.5～2.5； F ——杆承受的轴向力；第 34 页 共 36 页E ——拉伸时杆材料的弹性模量， E ＝5*10 Mpa； l ——杆长，按杆两端球铰中心间的距离计。 3.球铰的强度与耐磨性校核 球铰的损坏形式主要有球销的断裂与球头的磨损， 因此所选定的球铰应满足以下条件： FC / Wb ≤300Mpa F / A ≤25～30Ma 式中 F ——作用于球头上的力； C ——球头悬臂部分的尺寸（参见图 5—13） ； Wb ——球销计算截面的弯曲截面系数； A ——球头承载表面在通过球心并与力 F 相垂直的平面上的投影面积。第 35 页共 36 页陕西理工学院毕业设计第 36 页共 36 页
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