毕业设计——汽车转向系综述.doc
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1、毕 业 论 文大学论文题目 汽车转向系综述 系 别 汽 车 工 程 专 业 汽车检测与维修 班级学号 学生姓名 指导教师 2011年 3月 7日摘 要汽车的转向系统的性能是汽车的主要性能之一，转向系统的性能直接影响到汽车的操纵稳定性，它对于确保车辆的安全行驶、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的作用。总数了国内外转向系统的研究发展，介绍了各转向系统的结构原理及其关键技术并提出汽车转向系的发展趋势。如何合理地设计转向系统，使汽车具有良好的操纵性能，始终是设计人员的重要研究课题。在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同水平的驾驶人群，汽车的易操
2、纵性设计显得尤为重要。汽车发展了一百多年，其转向系统也从最初的纯机械系统发展到现在的助力转向及其电子转向。通过大量的数据及实践我们找到了各种转向系统的优劣，但汽车转向系统每一次的变革都使整车的操控性、安全性上升了一个高度。关键词：转向系统液压助力转向 转向车轮 电子转向 目 录摘 要(1)1 绪 论转向系统概述(1)转向系统的发展概况(1)2 汽车转向系统的类型、组成及工作原理 传统转向系统：机械转向系统(2)机械转向系统的组成. (2)2. 1. 2 转向操纵机构 (2)2.1.3机械转向系统的工作原理(3) 机械转向系统的优缺点. (4)2.2 液压动力转向系统. (2) 液压动力转向系统
3、的组成及结构原理.(4).1 整体式液压助力转向器的结构的组成及工作原理. (6) 液压动力转向系统的缺点 (7).(7)电子控制动力转向系统的组成与分类.(7)电子控制系统的结构特点. (8)电子控制结构的主要优点. (8)2.4 四轮转向系统.(9) 机械四轮转向系统.(9) 动式四轮转向系统(9)3 电子控制动力转向系统在尼桑车系上的应用电控式动力转向系故障的检测(10)4 结论与展望4.1 本文总结和将来展望(11)致 谢(12)参考文献(13)1 绪 论1.1 汽车转向系统1.1.1 汽车转向系统的概述汽车行驶中，驾驶员通过操纵转向盘，经过一套传动机构，使转向轮在路面上偏转一定的角度
4、来改变其行驶方向，确保汽车稳定安全的正常行驶。能使转向轮偏转以实现汽车转向的一整套机构称为汽车转向系。在现代汽车上，转向系统是必不可少的最基本的系统之一，它也是决定汽车主动安全性的关键总成，如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车厂家和科研机构的重要课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同的驾驶人群，汽车的操纵性设计显得尤为重要。 转向系统的发展概况发展综述转向系统是整车系统中必不可少的最基本的组成系统，驾驶者通过方向盘来操纵和控制汽车的行进 方向，从而实现自己的驾驶意图。 一百多年来，汽车工业随着机械和电子技术的发展而不断前进。到今天，
5、汽车已经不是单纯机械意义上的汽车了，它是机械、电子、材料等学科的综合产物。汽车转向系统也随着汽车工业的发展历经了长时间的演变。 各时期汽车转向系发展情况传统的汽车转向系统是机械式的转向系统，汽车的转向由驾驶员控制方向盘，通过转向器等一系列机械转向部件实现车轮的偏转，从而实现转向。随着上世纪五十年代起，液压动力转向系统在汽车上的应用，标志着转向系统革命的开始。汽车转向动力的来源由以前的人力转变为人力加液压助力。 液压助力系统：是在机械式转向系统的基础上增加了一个液压系统而成。该液压系统一般与发动机相连，当发动机启动的时候，一部分发动机能量提供汽车前进的动能，另外一部分则为液压系统提供动力。由于其
6、工作可靠、技术成熟至今仍被广泛应用。这种助力转向系统主要的特点是液压力支持转向运动，减小驾驶者作用在方向盘上的力，改善了汽车转向的轻便性和汽车运行的稳定性。2汽车转向系统的类型、组成及工作原理传统转向系统：机械转向系统机械转向系统的组成：用司机体力为转向能源，所有传力件都是机械的。转向操纵机构：转向盘、转向轴、万向节（上、下）、转向传动轴。 （采用万向传动装置有助于转向盘和转向器等部件和组件的通用化和系列化） 转向器：内设减速传动付，作用减速增扭。转向传动机构：转向摇臂、转向主拉杆、转向节臂、 转向节、转向梯形。 图2-1 机械转向系统的组成和布置示意图转向操纵机构1. 转向操纵机构的功用与组
7、成转向操纵机构的功用是将驾驶员转动转向盘的操纵力矩传给转向器。它主要由转向盘1、转向轴及转向柱管2和万向传动装置3等组成(见图2-1)。转向轴上部与转向盘固定连接，下部装有转向器。转向轴与转向器的连接方式，一种是与转向器的输入轴直接连接，另一种是通过万向传动装置间接与转向器的输入轴相接连。2. 转向盘转向盘主要由轮圈1、轮辐2 和轮毂3 组成，其结构如图2-2 所示。轮辐的形式有两根辐条式、三根辐条式和四根辐条式。轮辐和轮圈的心部有钢或铝合金等金属制骨架，外层以合成树脂或合成橡胶包覆，下侧形成波浪状以利于驾驶员把持。转向盘与转向轴通常通过带锥度的细花键连接，端部通过螺母轴向压紧固定。有的汽车喇
8、叭开关按钮装在转向盘上，方便驾驶员操作。 图2-2 转向操纵机构示意图因为在整个转向系统中，各传动件之间存在着装配间隙，这些间隙反映到转向盘上来就变成转动转向盘的空转角度。转向盘自由行程对于缓和路面冲击及避免驾驶员过度紧张是有利的。转向盘自由行程应控制在转向轮处于直线行驶位置时转向盘向左或向右的自由行程不超过1015。3. 转向轴和转向管柱转向轴用来连接转向盘和转向器，并将转向盘的转向转矩传给转向器。转向轴分为普通式和能量吸收式。现代汽车更多地采用能量吸收式转向轴结构。转向管柱安装在车身上，支承转向轴及转向盘。转向轴从转向管柱内穿过，靠转向管柱内的轴承和衬套支承。为方便不同体型驾驶员操纵转向盘
9、，转向管柱上装有能改变转向盘位置的装置。转向盘的安装角度和高度可以在一定范围内调整，以适应驾驶员的体形和驾驶习惯。2.1.3机械转向系统的工作原理：汽车转向时，驾驶员作用于转向盘上的力，经过转向轴(转向柱)传到转向器，转向器将转向力放大后，又通过转向传动机构的传递，推动转向轮偏转，致使汽车行驶方向改变。转向操纵机构是驾驶员操纵转向器工作的机构，包括从转向盘到转向器输入端的零部件。转向器就是把转向盘传来的转矩按一定传动比放大并输出的增力装置。转向传动机构是把转向器的运动传给转向车轮的机构，包括从摇臂到转向车轮的零部件。当转向盘直径一定时，驾驶员操纵转向盘手力的大小取决于转向系统角传动比的大小。转
10、向系统角传动比i是用转向盘转角增量与同侧转向节相应转角增量之比来表示。其数值是转向器角传动比i1和转向传动机构角传动比i2的乘积。转向器角传动比是转向盘转角增量与同侧摇臂轴转角相应增量之比。转向传动机构角传动比是摇臂轴转角增量与同侧转向节转角相应增量之比。对于一般汽车而言，i2大约为1。由此可见，转向系统角传动比主要取决于转向器角传动比。转向系统角传动比越大，转向时加在转向盘上的力矩就越小，转向轻便。但转向系统角传动比大会导致转向操纵不灵敏。所以，转向系统角传动比的大小要协调好“转向轻便”与“转向灵敏”之间的矛盾。汽车的转向，完全由驾驶员所付的操纵力来实现的，操纵较费力，劳动强度较大，但其具有
11、结构简单、工作可靠、路感性好、维护方便等优点，多应用于中小型货车或轿车上。 机械转向系统的优缺点：虽然传统转向系统工作最可靠，但是也存在很多固有的缺点，传统转向系统由于方向盘和转向车轮之间的机械连接而产生一些自身无法避免的缺陷：汽车的转向特性受驾驶员驾驶技术的影响严重；转向传动比固定，使汽车转向响应特性随车速、侧向加速度等变化而变化，驾驶员必须提前针对汽车转向特性幅值和相位的变化进行一定的操作补偿，从而控制汽车按其意愿行驶。这就变相地增加了驾驶员的操纵负担，使汽车转向行驶存在很大的不安全隐患；液压助力转向系统经济性差，一般轿车每行驶一百公里要多消耗0.30.4升的燃料；另外，存在液压油泄漏问题
12、，对环境造成污染，在环保性能被日益强调的今天，无疑是一个明显的劣势。压助力转向系统：液压动力转向系统的组成及工作原理： 图2-3 液压式动力转向系统示意图液压动力转向系统是在机械式转向系统的基础上加装一套转向加力装置而成的。以齿轮齿条式转向器为基础的液压动力转向系统为例，来说明其工作原理。如图2-3 所示，该系统由转向盘1、转向轴2、齿轮齿条式整体动力转向器3又由转向控制阀4、齿轮齿条式转向器5、转向动力缸6。转向油罐7 储存液压油，有进、出油管接头，通过油管分别与转向液压泵8 和转向控制阀 图2-4 液压动力转向系统示意图4 连接。转向液压泵8 安装在发动机上，由曲轴通过皮带驱动，将油从转向
13、油罐处吸入并向转向控制阀4 供给液压油。转向控制阀4 通过改变液压油路来改变动力传递路线。转向动力缸6内由活塞分隔成左右两个工作腔，工作腔通过油道分别与转向控制阀4连接。图20.6 所示为一种液压式动力转向系统的组成和液压转向加力装置的管路布置示意图。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。
14、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。.1整体式液压动力转向器的结构的组成及工作原理：如图2-5所示为整体式液压动力转向器的结构。转向控制阀1、齿轮齿条式 图 2-5 整体式液压动力转向器转向器2和3、转向动力缸设计成一体，组成整体式动力转向器。该转向器的控制阀为转阀式结构。扭杆的一端通过花键与转向齿轮连接，扭杆的另一端与转阀的阀心用销子连接，阀心又与转向轴的末端固定在一起。转向轴的转动可以通过扭杆带动转向齿轮转动。转阀的阀心外圈与阀体相配合，阀心和阀体构成控制阀，置于转向器壳体内。转向器壳体上有油孔分别通向转向液压泵、转向油罐以及转向动力
15、缸的左右两个工作腔。转向齿条与转向动力缸内的活塞制成一体，活塞将转向动力缸分隔为左右两个工作腔。转向动力缸上有油管通向转向器壳体内的控制阀。转向控制阀转向控制阀组件如图2-6 所示，主要由阀体11、阀芯7及扭杆9组成。控制阀体11呈圆筒形，其表面上制有三道较宽且深的油环槽和四道较窄浅的密封环槽。各油环槽的底部开有与内壁相通的油孔，中间油环槽的油 图2-6 转向控制阀孔是进油通道，与转向液压泵相通；两侧油环槽的油孔，分别与转向动力缸的左腔、右腔相通。密封环槽用于安装密封圈组件。在阀体的内表面，与左腔、右腔相通的油孔处制有六条不贯通的纵槽，形成六道槽肩。阀芯7 也制成圆筒形，其外圆表面与阀体11
16、滑动配合，二者可以相对转动。阀芯与阀体配合间隙很小，配合精度很高，二者组成偶件，不可更换。阀芯表面上也制有六条不贯通的纵槽，形成六道槽肩，分别与阀体的槽肩和纵槽配合形成液体流动间隙，在阀芯7 的不同纵槽上开有三个等间隔的径向通孔，用以流通液压油，此油道通向转向油罐。液压动力转向系统的缺点在车辆设计制造完成后，车辆转向的助力特性不能改变。直接后果是，当助力特性偏向于低速助力时，汽车在低速段可以得到很好的助力，但是在高速段需要有较好路感的时候，由于助力特性不能调节，使得驾驶者没有较好的路感；当助力特性偏向于高速助力时，在低速段得不到很好的助力效果；即使车辆不转向，液压系统也必须在发动机的带动下工作
17、。其结果是，消耗发动机能量，增加油耗 ；存在液压油泄漏问题，不仅对环境造成污染，而且容易使其他部件损坏；在低温下，液压系统的工作性能比较差。电子控制动力转向系统传统的动力转向系统所具有的固定放大倍率不能随汽车不同工况予以调整，其助力作用不协调。电子控制的动力转向系统在低速行驶时可使转向轻便、灵活；在中高速区域转向时，能保证提供最优的动力放大倍率和稳定的转向手感，提高了高速行驶的操纵稳定性。电子控制动力转向系统的组成与分类电子控制动力转向系统，根据动力源不同可分为液压式电子控制动力转向系统(称为EHPS)和电动式电子控制动力转向系统，亦称ECPS)。EHPS 是在传统的液压动力转向系统的基础上增
18、设控制液体流量的电磁阀、车速传感器和电子控制单元等。电子控制单元根据检测到的车速信号，控制电磁阀，使转向动力放大倍率实现连续可调，从而满足高、低车速时的转向助力要求。根据控制方式不同，将EHPS分为三类：流量控制式、反力控制式和阀灵敏度控制式。EPS 是在传统的机械式转向系统的基础上，利用直流电动机作为动力源，电子控制单元根据转向参数和车速等信号，控制电动机转矩的方向和大小。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，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。.2电子控制系统的结构特点电子转向系统取消了方向盘与转向轮之间的机械连接，改而由方向盘模块、转向执行模块和主控制器
19、ECU三个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助模块组成。电子控制结构的主要优点1 取消了方向盘和转向车轮之间的机械连接，通过软件协调它们之间的运动关系，因而取消了它们之间的机械约束和干涉，使之可以相对独立运动，因而可以实现传动比的任意设置，可以根据车速和驾驶员喜好由程序根据汽车的行驶工况实时设置传动比。同时还可以从信号中提出最能够反映汽车行驶状态的信息，作为方向盘回正力矩的控制变量，使方向盘仅仅提供驾驶员有用信息，以减轻驾驶员的体力脑力负荷，提高“人-车闭环系统”对道路的跟踪特性。同时由于减少了机构部件数量，而减少了从执行机构到转向车轮之间的传递过程，使系统惯性、系统摩擦和传动部件之间的总间
20、隙都得以降低，从而使系统的响应速度和响应的准确性得以提高。2 电子转向系统采用了软件控制，因而可以把转向系统与其它主动安全设备如ABS、汽车动力学控制、防碰撞、轨道跟踪、自动导航以及自动驾驶等功能相结合，实现对汽车的整体控制，提高汽车整体稳定性，且实现了ITS中的汽车辅助转向功能。3 电子转向系统在实现上述操作性能上的突破的同时也带来了可观的经济性和环境效益。4 电子转向系统是通过一个通用的执行器来调整转向的。要对汽车转向的动力性进行调整，必须使用一个转角传感器，这并不影响方向盘对车轮的快速调整。另一方面，一个力矩传感器也是必须的，它将对汽车转向的调整和自动驾驶起重要作用。因此，驾驶员通过提供
21、到方向盘的力矩知道正确的方向，并通过进一步的引导控制系统来进行评估。5 与“电子驾驶”和“电子停车”一起，它提供了把它们实际化的条件，并且把动力性和汽车控制统一到一个系统中。机械式四轮转向系统图2-7所示为本田先驱汽车采用的机械式四轮转向系统。前后轮都设置有转向器，两转向器之间用机械装置连接，前轮转向角决定后轮转向角。 图2-7 4ws前后轮转向控制和机械式四轮转向系统1. 系统组成本田先驱汽车机械式四轮转向系统在二轮转向装置(2WS)的基础上，增设前轮转向器、后轮转向器和中央轴。2. 系统工作原理与工作特性当转动转向盘时，前轮转向器中的小齿轮由齿轮齿条式转向器的齿条带动，将齿条的左右运动再变
22、换为小齿轮的转动，经中央轴使后轮转向器的转向齿轮产生动作。当转向盘转动量小时，后轮与前轮同向偏转；当转向盘转动量大时，后轮与前轮反向偏转。这样可以提高汽车高速时的操纵稳定性，并可以减小汽车的转弯半径。2.4.2动式四轮转向系统电动四轮转向系统前后轮转向器均为电动助力，两转向器之间无任何机械连接装置及液压管道等部件，直接对前后轮的转向进行控制，具有前后轮转向角关系控制精确、控制自由度高、机构简单等优点。电动四轮转向系统由微机控制单元、前后轮转向执行器、主副前轮转向传感器，主、副后轮转向传感器、后轮转速传感器、车速传感器等组成。后轮转向执行器包括一个通过循环球螺杆机械驱动转向齿条的电动机。执行器内
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