转向系统概述

转向系统概述

1．转向系统概述

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。

(1)转向系统的基本组成

1)转向操纵机构主要由转向盘、转向轴、转向管柱等组成。

2)转向器是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。

3)转向传动机构是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。

(2)转向系统的类型及工作原理

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。

1)机械转向系统以驾驶员的体力(手力)作为转向能源的转向系统，其中所有传力件都是机械的。

1—转向盘　2—安全转向轴　3—转向节　4—转向轮　5—转向节臂　6—转向横拉杆　7—转向减振器　8—机械转向器

图4－1　机械式转向系统示意图

如图4－1所示是一种机械式转向系统。需要转向时，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输入转向器8。从转向盘到转向传动轴这一系列部件和零件即属于转向操纵机构。作为减速传动装置的转向器中有1、2级减速传动副(右图所示转向系统中的转向器为单级减速传动副)。经转向器放大后的力和减速后的运动传到转向横拉杆6，再传给固定于转向节3上的转向节臂5，使转向节和它所支承的转向轮偏转，从而改变了汽车的行驶方向。这里，转向横拉杆和转向节臂属于转向传动机构。

2)动力转向系统兼用驾驶员体力和发动机(或电机)的动力为转向能源的转向系统，它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。

1—方向盘　2—转向轴　3—转向中间轴　4—转向油管　5—转向油泵　6—转向油罐　7—转向节臂　8—转向横拉杆　9—转向摇臂　10—整体式转向器　11—转向直拉杆　12—转向减振器

图4－2　液压式动力转向系统示意图

图4－2为一种液压式动力转向系统示意图。其中属于转向加力装置的部件是:转向油泵5、转向油管4、转向油罐6以及位于整体式转向器10内部的转向控制阀及转向动力缸等。当驾驶员转动转向盘1时，转向摇臂9摆动，通过转向直拉杆11、横拉杆8、转向节臂7，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，帮助驾驶员转向操纵。这样，为了克服地面作用于转向轮上的转向阻力矩，驾驶员需要加于转向盘上的转向力矩，比用机械转向系统时所需的转向力矩小得多。

(3)对转向系统的要求

1)要求工作可靠，操纵轻便。

2)转向机构还应能减少地面传到转向盘上的冲击，并保持适当的“路感”。

3)当汽车发生碰撞时，转向装置应能减轻或避免对驾驶员的伤害。

2．转向操纵机构

转向操纵机构由转向盘、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。

(1)方向盘(舵轮)

为了司机有很好的视野，方向盘上部的空间一般较大。如图4－3所示为汽车转向盘结构。

1—轮圈　2—轮辐　3—轮毂

图4－3　汽车转向盘结构

(2)转向轴

转向轴是将驾驶员作用于转向盘的转向操纵力矩传给转向器的传力轴，它的上部与转向盘固定连接，下部装有转向器(见图4－4)。

图4－4　转向轴

现代汽车的转向轴除装有柔性万向节外，有的还装有能改变转向盘的工作角度(转向轴的传动方向)和转向盘的高度(转向轴轴向长度)的机构，以方便不同体型驾驶员的操纵。

(3)可分离式安全转向操纵机构

此类转向操纵机构的转向管柱分为上下两段，当发生撞车时，上下两段相互分离或相互滑动，从而有效地防止转向盘对驾驶员的伤害，但转向操纵机构本身不包含有吸能装置。

3．机械式转向器

转向器的功能是将转向盘的转动变为齿条轴的直线运动或转向摇臂的摆动，降低运动速度，增大转向力矩并改变转向力矩的传动方向。转向器输出端的运动形式有两种，一种是线位移(如齿轮齿条式转向器)，另一种是角位移(如循环球式、曲柄指销式转向器)。

转向器是转向系统中的减速传动装置，其结构形式很多，但目前已臻成熟并被广泛采用的有齿轮齿条式、循环球式和蜗杆曲柄指销式等几种。

(1)齿轮齿条式转向器

两端输出的齿轮齿条式转向器如图4－5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。

由于这种形式转向器反冲较大，因此，一般在齿轮与转向轴间加装软性万向节或在前桥中设置横向减振器，从而达到吸收冲击能量的作用，减轻对驾驶员的伤害。

1—万向节叉　2—转向齿轮轴　3—调整螺母　4—向心球轴承　5—滚针轴承　6—固定螺栓　7—转向横拉杆　8—转向器壳体　9—防尘套　10—转向齿条　11—调整螺塞　12—锁紧螺母　13—压紧弹簧　14—压块

图4－5　齿轮齿条式转向器

(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形式之一。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(见图4－6)。

图4－6　循环球式转向器

当转动转向盘时，转向螺杆也随之转动，通过钢球将作用力传给螺母，螺母即产生轴向移动。同时，由于摩擦力的作用，所有钢球在螺杆与螺母之间滚动，形成“球流”。钢球在螺母内绕行两周后，流出螺母进入导管，再由导管流回螺母。随着螺母沿螺杆做轴向移动，其条齿带动齿扇运动，齿扇带动垂臂轴移动，从而使转向垂臂产生摆动。通过转向传动机构使转向轮偏转，完成汽车转向。

(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(见图4－7)。

图4－7　蜗杆曲柄指销式转向器

(4)转向器的传动比及传动效率

线位移输出的转向器的传动比，用转向盘每转一圈时转向器输出轴的线位移的大小来表示;角位移输出的转向器的传动比，用转向盘转角增量与转向摇臂轴转角增量之比来表示。

转向器的传动比越大，转动转向盘所需要的操纵力就越小，但转向操纵的灵敏度就会下降。有的汽车转向器在转向过程的不同阶段，其传动比的大小是不相等的(可变传动比转向器)。

转向器除要保证汽车转向轻便灵活外，还应能防止由于路面反力对转向盘产生过大的冲击(即所谓的“回弹打手”现象)，造成操纵困难和驾驶员工作疲劳。

为了实现这一目的，转向器应具有较高的正传动效率和适当的逆传动效率。所有的转向器都要求正传动效率要高，这样转向力通过转向器时损失少，转向操纵便灵活。好的转向器应有适当的逆传动效率，使驾驶员通过操纵转向盘既能对道路情况有明显的“路感”，但又不能使路面不平对转向盘产生过大的冲击。

4．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，且使两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)汽车转向时内外轮转角关系

汽车转向时，要使各车轮都只滚动不滑动，各车轮必须围绕一个中心点O转动，如图4－8所示。显然这个中心要落在后轴中心线的延长线上，并且左、右前轮也必须以这个中心点O为圆心而转动。

为了满足上述要求，左、右前轮的偏转角应满足如下关系: ctanα=ctanβ+B/L

图4－8　转向时内外轮转角关系

(2)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4－9(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)内的交角大于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，此时上述交角小于90，如图4－9(b)所示。若转向摇臂不是在汽车纵向平面内前后摆动，而是在汽车的横向左右摆动，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，如图4－9(c)所示。下面对转向传动机构的主要组成零件的结构作简要介绍。

1—转向器　2—转向摇臂　3—转向直拉杆　4—转向节臂　5—梯形臂　6—转向横拉杆

图4－9　与非独立悬架配用的转向传动机构示意图

1)转向摇臂

转向摇臂的作用是把转向器输出的力和运动传给直拉杆或横拉杆，进而推动转向轮偏转。转向摇臂的典型结构如图4－10所示。

1—带锥度的三角形齿形花键　2—转向摇臂　3—球头销　4—摇臂轴

图4－10　转向摇臂

2)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4－11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。

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

图4－11　转向直拉杆

3)转向横拉杆

转向横拉杆是联系左、右梯形臂并使其协调工作的连接杆，它在汽车行驶过程中反复承受拉力和压力，因此多用高强度冷拉钢管制造。

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。图4－12为AUDI转向减振器结构图。

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4－12　转向减振器结构

(3)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。图4－13为几种与独立悬架配用的转向传动机构示意图。

(4)动力转向器

采用动力转向系统的汽车转向所需的能量，在正常情况下，只有小部分是驾驶员提供的体能，而大部分是发动机(或电机)驱动的油泵(或空气压缩机)所提供的液压能(或气压能)。

1—转向摇臂　2—转向直拉杆　3—左转向横拉杆　4—右转向横拉杆　5—左梯形臂　6—右梯形臂　7—摇杆　8—悬架左摆臂　9—悬架右摆臂　10—齿轮齿条式转向器

图4－13　与独立悬架配用的转向传动机构示意图

用以将发动机(或电机)输出的部分机械能转化为压力能，并在驾驶员控制下，对转向传动装置或转向器中某一传动件施加不同方向的液压或气压作用力，以助驾驶员施力不足的一系列零部件，总称为动力转向器。