【文章內(nèi)容簡介】 獲得實際應(yīng)用， 1988 年日本鈴木公司首次開發(fā)出一種全新的電子 控制式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并裝在其生產(chǎn)的 Cervo（牡鹿）車上，隨后又液壓助力轉(zhuǎn)向?qū)嶒炁_的 設(shè)計 3 配備在 Alto（奧拓）上。此后，電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)得到迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍已經(jīng)從微型轎車向大型轎車和客車方向發(fā)展。日本的大發(fā)汽車公司、三菱汽車公司、本田汽車公司，美國的 Delphi 公司，英國的 Lucas 公司，德國的 ZF 公司，都研制出了各自的 EPS。 EPS 的助力形式也從低速范圍助力型向全速范圍助力型發(fā)展，并且其控制形式與功能也進(jìn)一步加強。 日本早期開發(fā)的 EPS 僅低速和停車時提供助力，高速時 EPS 將停止工作。 新一代的 EPS 則不僅在低速和停車時提供助 力，而且還能在高速時提高汽車的操縱穩(wěn)定性。隨著電子技術(shù)的發(fā)展， EPS技術(shù)日趨完善，并且其成本大幅度降低，因此其應(yīng)用范圍將越來越大 [7]。 （ SBW） 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng) (Steering by WireSBW)是更新一代的汽車電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng) ， 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與上述各類轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的根本區(qū)別就是取消了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機械連接。該系統(tǒng)具有 2 個電機 ： 路感電機和驅(qū)動電機。路感電機安裝在轉(zhuǎn)向柱上，控制器根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向工況控制路感電機產(chǎn)生合適的轉(zhuǎn)矩 ， 向駕駛員提供模擬路面信息。驅(qū)動電機安裝在齒條上，汽車的轉(zhuǎn)向阻力完全 由驅(qū)動電機來克服，轉(zhuǎn)向盤只是作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一個轉(zhuǎn)角信號輸入裝置。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠提高汽車被動安全性，有利于汽車設(shè)計制造，并能大大提高汽車的乘坐舒適性。但是由于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向柱之間無機械連接，駕駛員感知汽車實際行駛狀態(tài)和路面狀況的 “路感 ”比較困難；且電子器件的可靠性難以保證。所以線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)目前處于研究階段，只配備在一些概念汽車上。相信在未來的科技發(fā)展下它將取代電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，標(biāo)配在所有汽車上 [7]。 液壓助力轉(zhuǎn)向?qū)嶒炁_的 設(shè)計 4 液壓助力轉(zhuǎn)向系 統(tǒng) 的結(jié)構(gòu) 其實 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 是在機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加設(shè)一套轉(zhuǎn)向加力 裝置而形成的。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 11 所示： 圖 11 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 示 意圖 1方向盤 ； 2轉(zhuǎn)向軸 ； 3轉(zhuǎn)向中間軸 ； 4轉(zhuǎn)向油管； 5轉(zhuǎn)向油泵； 6轉(zhuǎn)向油罐； 7轉(zhuǎn)向節(jié)臂； 8轉(zhuǎn)向橫拉桿； 9轉(zhuǎn)向搖臂； 10轉(zhuǎn)向器； 11轉(zhuǎn)向直拉桿； 12轉(zhuǎn)向減振器 轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu) 汽車轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)主要由從方向盤到轉(zhuǎn)向傳動軸這一系列零部件組成。如圖12 所示。它包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向軸、上萬向節(jié)、下萬向節(jié)、和轉(zhuǎn)向傳動軸等。 液壓助力轉(zhuǎn)向?qū)嶒炁_的 設(shè)計 5 圖 12 轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)示意圖 轉(zhuǎn)向盤由輪 緣 輪輻 2 和輪轂 3 組成 ， 如圖 13 所示。輪輻一般為三根輻條或四根輻條，也有用兩根輻條的轉(zhuǎn)向盤輪轂孔具有細(xì)牙內(nèi)花鍵，借此與轉(zhuǎn)向軸連接。轉(zhuǎn)向盤內(nèi)部是由成形的金屬骨架構(gòu)成，骨架外面一般包有柔軟的合成橡膠或樹脂，也有包皮革的（如圖 13c） 。 圖 13 轉(zhuǎn)向盤的構(gòu)造 a三根輻條； b四根輻條； c轉(zhuǎn)向盤外觀 1輪緣； 2輪輻； 3輪轂 液壓助力轉(zhuǎn)向?qū)嶒炁_的 設(shè)計 6 轉(zhuǎn)向軸是連接轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器的傳動件，用以傳遞它們之間的轉(zhuǎn)矩，如圖11 中 2 所示 。 轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系中的減速傳動裝置。其功用是將駕駛員加在方向盤上的 力 矩放大，并減低轉(zhuǎn)速，傳給轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)。常見的轉(zhuǎn)向器有齒輪齒條式和循環(huán)球式 ，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖 14 和 15 所示。 圖 14 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器 1齒條； 2齒輪； 3補償彈簧； 4調(diào)整螺釘； 5螺母； 6壓板； 7防塵罩； 8油封； 9軸承 液壓助力轉(zhuǎn)向?qū)嶒炁_的 設(shè)計 7 圖 15 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器 1上蓋鎖緊圈； 2上蓋； 9推力球軸承； 5油封； 5螺桿軸； 6O型圈； 7加油螺塞； 8殼體； 10放油螺塞； 11搖臂軸； 12垂臂； 13垂臂鎖緊螺母； 1 24襯套； 17螺母； 18導(dǎo)管； 19螺釘； 20導(dǎo)管夾； 21鋼球； 22側(cè)蓋襯墊； 23螺栓及墊圈； 25側(cè)蓋； 26密封螺母； 27調(diào)整螺釘； 28卡簧； 29墊圈； 30平墊片 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu) 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的功用是將轉(zhuǎn)向器輸出的力和運動傳動到轉(zhuǎn)向橋兩側(cè)的轉(zhuǎn)向節(jié)，使兩側(cè)的轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，且使二轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角按一定關(guān)系變化，以保證汽車轉(zhuǎn)向時車輪與地面的相對滑動盡可能的小。轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的組成和結(jié)構(gòu)因轉(zhuǎn)向器位置和轉(zhuǎn)向輪懸架類型而異。 傳動 機構(gòu)的組成與結(jié)構(gòu)形式 當(dāng)采用獨立懸架時，每個轉(zhuǎn)向輪都需要相對于車架做獨 立運動，因而轉(zhuǎn)向橋必須是斷開式的。與此相應(yīng)，轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)中的轉(zhuǎn)向梯形臂也必須分成兩段或三段，并且由在平行于路面的平面中擺動的轉(zhuǎn)向搖臂直接帶動或通過轉(zhuǎn)向橫拉桿帶動，如圖 16 所示。 液壓助力轉(zhuǎn)向?qū)嶒炁_的 設(shè)計 8 圖 16 與獨立懸架配用的轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu) 轉(zhuǎn)向減震器的作用是當(dāng)車輪撞到不平路面時，吸收一部分能量并阻止沖擊傳到轉(zhuǎn)向盤，如圖 16 中所示。 的結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)向控制閥是在駕駛員的操縱下控制轉(zhuǎn)向動力缸輸出動力的大小、方向和增力快慢的控制閥。按閥體的運動方向，轉(zhuǎn)向控制閥分為滑閥式和轉(zhuǎn)閥式兩種。 轉(zhuǎn)向控制閥 閥體沿軸向移動來控制油液流量的轉(zhuǎn)向控制閥，稱為 滑閥式轉(zhuǎn)向控制閥，簡稱滑閥式，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖 17 所示。 液壓助力轉(zhuǎn)向?qū)嶒炁_的 設(shè)計 9 圖 17 滑閥式轉(zhuǎn)向閥的結(jié)構(gòu)（ a 為常流式， b 為常壓式） 1閥體； 2閥套； 3殼體； 6動力缸左右通道； 5通油泵輸出管路通道 閥體繞其軸線轉(zhuǎn)動來控制油液流量的轉(zhuǎn)向控制閥，稱為轉(zhuǎn)閥式轉(zhuǎn)向控制閥，簡稱轉(zhuǎn)閥，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖 18 所示。 圖 18 轉(zhuǎn)閥式轉(zhuǎn)向閥的結(jié)構(gòu) 1閥體； 2扭桿； 3 殼體； A通油泵輸出管路的通道； B、 C動力缸左右側(cè)的通道； D儲油罐的回油 通道 液壓助力轉(zhuǎn)向?qū)嶒炁_的 設(shè)計 10 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理 汽車直線行駛時 圖 19 直行時 轉(zhuǎn)向閥 工作 示意圖 汽車直線行駛時， 轉(zhuǎn)向器中閥芯與閥套的位置關(guān)系如圖 19 所示。 方向盤居中，低壓液壓油通過油泵成為高壓液壓油，經(jīng)閥芯的凸臺與閥套的凹槽之間的 間隙，流向動力缸兩端。由于方向盤居中，閥芯凸臺兩側(cè)的間隙 與閥套凹槽兩端的間隙是相等的。即動力缸兩端油壓相等。動力缸中的活塞不移動，所以沒有助力作用。液壓油經(jīng)閥芯與閥套之間間隙流回儲油罐。 液壓助力轉(zhuǎn)向?qū)嶒炁_的 設(shè)計 11 圖 110 右轉(zhuǎn)時 轉(zhuǎn)向閥工作示意圖 汽車右轉(zhuǎn)彎時， 如 圖 110 所示。 方向盤順時針 轉(zhuǎn)動，閥芯通過轉(zhuǎn)向輸入軸也隨之順時針轉(zhuǎn)動。由于扭桿分別與閥芯和小齒輪相連，所以小齒輪也應(yīng)隨著閥芯同向轉(zhuǎn)動，但是由于車輪受到地面的 轉(zhuǎn)向 阻力 的作用小齒輪暫時沒有轉(zhuǎn)動， 閥套通過軸銷與小齒輪相連，故閥套也沒移動。此時扭桿在 方向盤的轉(zhuǎn)向力矩和轉(zhuǎn)向阻力力矩的作用下就會產(chǎn)生一個扭轉(zhuǎn)角，即閥芯與閥套之間也有一個夾角。此時，轉(zhuǎn)向閥的進(jìn)油口與動力缸左側(cè)的節(jié)流面積比右側(cè)大，動力缸的左側(cè)油壓比右側(cè)大， 產(chǎn)生壓力差， 形成助力 推動活塞向右移動 ，而活塞與齒條做成一體。齒條同時承受小齒輪的推力和活塞的推力，當(dāng)二者 的合力大于道路阻力時，就推著齒條向右移動。進(jìn)而通過轉(zhuǎn)向傳動組件使輪胎右轉(zhuǎn)。 當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)過某一角度保持不變時，齒條 的位置也保持不變。扭桿由于方向盤的轉(zhuǎn)向力矩的作用仍然有扭角，故 轉(zhuǎn)向器依然有助力作用。只是動力缸的活塞保持一定的位置不移動，液壓油通過閥芯和閥套的間隙流回儲油罐。 液壓助力轉(zhuǎn)向?qū)嶒炁_的 設(shè)計 12 汽車左轉(zhuǎn)彎時 如圖 111 左轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)向閥工作示意圖 汽車左轉(zhuǎn)時，如圖 111 所示。方向盤逆時針轉(zhuǎn)動，其工作原理與右轉(zhuǎn)時基本相同，只是扭桿產(chǎn)生一個相反的扭角，閥芯與閥套的轉(zhuǎn)動方向相反，壓力缸內(nèi)產(chǎn)生一個相反的壓力差，形成一個方向 的助力推動齒條向左移動，進(jìn)而使輪胎左轉(zhuǎn)。 本章小結(jié) 本章首先 對 汽車轉(zhuǎn)向系 進(jìn)行 概述 并介紹轉(zhuǎn)向系的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀。 其次介紹了液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。再次 對各種工況下 液壓助力轉(zhuǎn)向器工作原理 進(jìn)行分析。 液壓助力轉(zhuǎn)向?qū)嶒炁_的 設(shè)計 13 2 試驗臺的機械系統(tǒng) 和液壓系統(tǒng) 設(shè)計 實驗臺概述 液壓助力轉(zhuǎn)向?qū)嶒炁_主要有機械系統(tǒng)、液壓助力系統(tǒng)、泵站系統(tǒng)、電動系統(tǒng)四部分構(gòu)成。 機械系統(tǒng)由方向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向萬向節(jié)、轉(zhuǎn)向輸入軸、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向直拉桿、轉(zhuǎn)向減震器、等組成。液壓助力系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向閥 、液壓油、扭桿、齒輪齒條機構(gòu)等組成。泵站系統(tǒng)主要是由油泵、儲油罐、油管等組成。它主要是將低壓油轉(zhuǎn)換為高壓油，為液壓助力系統(tǒng)提供液壓油。油泵通常采用可靠性較高的齒輪泵。電動系統(tǒng)主要由電動機、 220v 電源組成。通常汽車上都有兩個電源：蓄電池和發(fā)電機，汽車各大系統(tǒng)的動力均來源于發(fā)動機。而本實驗臺主要針對汽車的液壓助力轉(zhuǎn)向系，所以本實驗臺只需用電動機來為液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供動力即可。 本實驗臺制作主要包括 ： 機械系統(tǒng)的設(shè)計 、 液壓系統(tǒng)設(shè)計 、 確定所需組件的規(guī)格和型號 以及 實驗臺的總體布置總體方案設(shè)計 ， 在制作本實驗臺時，以結(jié) 構(gòu)簡單，功能完整，制作成本低為原則。實驗臺的制作要有利于本專業(yè)的建設(shè)和發(fā)展 ，同時有利于對相關(guān)理論知識的鞏固和完善， 提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。 液壓助力轉(zhuǎn)向?qū)嶒炁_設(shè)計目標(biāo) 實驗臺模擬實際工作條件 ， 所以試驗臺必須盡可能接近真實的情況。其具體設(shè)計目標(biāo)如下 ： ； 、轉(zhuǎn)閥式轉(zhuǎn)向閥； ； ； 。 液壓助力轉(zhuǎn)向?qū)嶒炁_的 設(shè)計 14 機械系統(tǒng)設(shè)計 轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)設(shè)計 從安全角度考慮，不僅要求轉(zhuǎn)向盤應(yīng)具有柔軟 的 外表皮 ，可起緩沖作用， 而且 還要求轉(zhuǎn)向盤在撞車時，其骨架能產(chǎn)生變形，以吸收沖擊能量，減輕駕駛員的受傷程度。因此 ， 本實驗臺方向盤采用四根輻條式的結(jié)構(gòu)，其外表材料采用合成橡膠或樹脂， 這樣有良好的手感，而且還可以防止手心出汗時打滑。 近年來，由于公路的改善和汽車車速的提高，許多國家都制定了嚴(yán)格的安全法規(guī)。對于汽車除要求裝有吸能式轉(zhuǎn)向盤外，還要求轉(zhuǎn)向柱管必須裝備能夠緩和沖擊的吸能裝置。 因此 ， 本實驗臺采用轉(zhuǎn)向軸分為上下兩段，中間用柔性聯(lián)軸節(jié)連接的轉(zhuǎn)向軸 。聯(lián)軸節(jié)的上下凸緣盤靠兩個銷子與銷孔扣合在一起，銷子通過襯套與銷孔配合。當(dāng)發(fā)生撞擊時，由于車身變形，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向軸方向盤等部件后移。與此同時，在慣性作用下駕駛員向前沖，致使轉(zhuǎn)向軸的上下凸緣盤的銷子與銷孔脫開，從而緩和了 沖擊，吸收了沖擊能量，有效地減輕了駕駛員的受傷程度。 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的正效率很高，可達(dá) 90%~95%，故操縱輕便，使用壽命長，工作平穩(wěn)、可靠。但其逆效率也很高，容易將路面沖擊力傳到轉(zhuǎn)向盤。而 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，質(zhì)量輕，制造方便，操縱靈敏度高，可靠性高，但傳動比較小且可逆式 轉(zhuǎn)向器。因此 ， 本實驗臺選用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。 綜上所述，本實驗臺 轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)如表 1 所示： 液壓助力轉(zhuǎn)向?qū)嶒炁_的 設(shè)計 15 表 1 轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)主要技術(shù)參數(shù) 項目 技術(shù)參數(shù) 方向盤直徑 400mm 轉(zhuǎn)向柱與方向盤連接三角花鍵 齒數(shù) 40 個 模 數(shù) 螺母直徑 M16 擰緊力矩 45Nm 動力轉(zhuǎn)向器 齒條工作行程 168mm 齒條可移動總行程 195mm 方向盤轉(zhuǎn)動總周數(shù) 周 最小轉(zhuǎn)彎半徑 空載時內(nèi)輪最大轉(zhuǎn)角 40176。18′ 空載時外輪最大轉(zhuǎn)角 35176。36′ 轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu) 設(shè)計 轉(zhuǎn)向搖臂是轉(zhuǎn)向器傳動副與轉(zhuǎn)向直拉桿之間的傳動件。轉(zhuǎn)向搖臂的大端用錐形三角細(xì)花鍵與轉(zhuǎn)向器中的搖臂的外端連接，其小端帶有球頭銷，以便與轉(zhuǎn)向直拉桿作空間鉸鏈連接。 轉(zhuǎn)向直拉桿是轉(zhuǎn)向搖臂與轉(zhuǎn)向節(jié)臂之間的傳動桿件 。在轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)而且因懸架彈性變形而相對車架跳動時，轉(zhuǎn)向直拉桿與轉(zhuǎn)向搖臂及轉(zhuǎn)向節(jié)臂的相對運動都是空間運動。因此為了不發(fā)生運動干涉，三者之間的連接件都是球形鉸鏈。 轉(zhuǎn)向橫拉桿是轉(zhuǎn)向梯形機 構(gòu)的底邊。 它由橫拉桿體和旋裝在兩端的橫拉桿接頭組成。其中球頭銷的尾部與梯形臂相連。上下球頭座 用聚甲醛制成，有很好的耐磨性。 實驗臺的液壓系統(tǒng)設(shè)計 液壓助力系統(tǒng)設(shè)計 助力 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是將發(fā)動機輸出的部分機械能 轉(zhuǎn)化為壓力能，并在駕駛員控制液壓助力轉(zhuǎn)向?qū)嶒炁_的 設(shè)計 16 下，對轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)或轉(zhuǎn)向器中某一傳動件施加不同方向的輔助作用力，使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)以實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的一系列裝置。 常壓式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)中有儲能器積蓄液壓能，可以使用流量較