大卡車液壓助力轉向系統(tǒng)設計
大卡車液壓助力轉向系統(tǒng)設計,大卡車液壓助力轉向系統(tǒng)設計,卡車,液壓,助力,轉向,系統(tǒng),設計
畢 業(yè) 論 文（設 計）
題目： 大卡車液壓助力轉向系統(tǒng)設計
大卡車液壓助力轉向系統(tǒng)設計
1 緒論
1.1問題的提出
隨著國民經濟連續(xù)多年的高速發(fā)展，尤其是國家對基礎設施建設投入的逐年加大，使得大型汽車的生產在近年來呈現了爆發(fā)式發(fā)展。而大型載貨汽車由于具有運輸效率高、運輸成本低的特點，逐漸成為公路運輸的首選。2007年大型卡車市場為2.85萬輛，中型卡車市場為17.5萬輛，大型卡車占整體市場的比例為60%，大型載貨汽車的生產與開發(fā)成為國內載貨汽車生產廠家競爭的焦點。汽車技術的進步和人民生活水平的進一步提高，使載貨汽車用戶對車輛的性能水平要求越來越高，而越來越大的競爭壓力使整車廠家的產品開發(fā)周期不斷縮短。如何使車輛開發(fā)各個環(huán)節(jié)的設計方案都得到充分的分析與篩選，使其性能得到有效控制，以保障在限定的周期內開發(fā)出性能優(yōu)越的汽車產品，已成為大型載貨汽車產品研發(fā)部門所關注的重要課題。
由于汽車保有量的增加和社會生活汽車化而造成交通錯綜復雜，使轉向盤的操作頻率增大，這就要求減輕駕駛疲勞。在汽車向輕便靈活、容易駕駛的方向發(fā)展的同時，對動力轉向系統(tǒng)的需求也提到日程上來。要求其成本低，性能方面能適應車速變化，實現變特性的動力轉向器，并且可以與不同類型的大型汽車相適應、相匹配。
大型載貨汽車和其它車輛相比具有一些顯著的特點，為保障大型載貨汽車良好的轉向性能，必須對這些特點及由此引發(fā)的問題進行專門的研究。按照GB1589一2004“道路車輛外廓尺寸、軸荷及質量限值”的要求，每側單輪胎的車軸軸荷限值為7噸，6x4載貨車的設計軸荷之和可達30噸，車長可達12m，鉸接式列車的車長可至16.sm。同時，GB7258一2004“機動車運行安全技術條件”要求車輛必須能夠通過外徑25m內徑10.6m的通道。另外，載貨汽車公路運輸的高速化發(fā)展趨勢也已是不爭的事實，尤其國家于2004年5月開始的治理公路運輸車輛超限超載專項工作的開展，使以提高行駛速度來帶動運輸效率的提高成為載貨汽車設計的重要目標。高的運輸速度對車輛的操縱性與穩(wěn)定性提出了更高的要求。
為在法規(guī)允許的情況下盡可能提高車輛的運輸能力，大型車的設計軸荷及外廓尺寸基本接近法規(guī)的限值。對于轉向軸，7噸的軸荷使動力轉向器成為必選的配置，如何合理匹配動力轉向器，提高車輛的轉向能力并保持操縱路感值得進行進一步的研究。國家標準對車輛轉彎能力的要求，給轉向系統(tǒng)的設計提出了新的課題。對于長軸距的汽車，必須通過增加轉向輪轉角才能提高其轉彎能力。對于載貨車慣常采用的轉向系統(tǒng)結構，大的轉角設計很容易造成轉向輪與周邊部件干涉及轉向機構卡死、左右轉向不對稱等后果。因此，必須建立轉向系統(tǒng)設計計算的輔助分析方法，提高轉向系統(tǒng)設計的能力和水平。
轉向系統(tǒng)性能和整車及其它總成、系統(tǒng)的性能息息相關，在系統(tǒng)設計的每一個環(huán)節(jié)都需要考慮整車及其它總成的性能。首先，轉向系統(tǒng)必須能夠實現整車所要求的車輪轉角，這為轉向機構的設計及動力轉向器匹配提出了基本要求。其次，轉向機構和懸架系統(tǒng)必須有協(xié)調的運動學關系，這就對轉向機構設計提出了附加的要求。這兩項要求基本可以在系統(tǒng)設計層面進行分析解決，而和轉向系統(tǒng)相關的行駛穩(wěn)定性及行駛路感則必須在整車層面進行計算分析。
綜上所述，隨著我國大型載貨汽車的發(fā)展，新的問題及要求不斷涌現，在車輛設計與開發(fā)領域尚存在很多的問題需要研究和解決，如何使基礎研究與產品設計實踐緊密結合，將研究成果最大限度地應用于產品開發(fā)過程，不斷提高大型載貨汽車的性能水平是擺在汽車產品研究與開發(fā)人員面前的重要課題。
1.2汽車轉向系的類型和組成
汽車在行駛過程中，需按駕駛員的意志經常改變其行駛方向，即所謂汽車轉向。就輪式汽車而言，實現汽車轉向的方法是，駕駛員通過一套專設的機構，使汽車轉向橋(一般是前橋)上的車輪(轉向輪)相對于汽車縱軸線偏轉一定角度。在汽車直線行駛時，往往轉向輪也會受到路面例向干擾力的作用，自動偏轉而改變行駛方向。此時，駕駛員也可以利用這套機構使轉向輪向相反的方向偏轉，從而使汽車恢復原來的行駛方向。這一套用來改變或恢復汽車行駛方向的專設機構，即稱為汽車轉向系。因此，汽車轉向系的功用是，保證汽車能按駕駛員的意志而進行轉向行駛。
汽車轉向系可按轉向能源的不同分為機械轉向系和動力轉向系兩大類。機械式轉向器由轉向器、轉向操縱機構和轉向傳動機構三大部分組成。按照轉向器的不同形式可分為循環(huán)球式、齒輪齒條式、蝸桿曲柄指銷式等轉向器。不同的轉向器有著不同的特點應用于不同的汽車上。其中小轎車上常用的是齒輪齒條式的轉向器。在本文的后面分析中，就是以這種轉向器來做分析的。動力式按照加力裝置的不同可以分為液壓助力式、氣壓助力式和電動助力式三種。氣壓助力式主要應用于一部分其前軸最大軸載質量為3一7t并采用氣壓制動系的貨車和客車上。由于氣壓系統(tǒng)的工作壓力較低(一般不高于0.7MPa)，使得其部件的尺寸比較龐大；同時壓縮空氣工作時的噪聲和滯后性使得這種助力方式的轉向器只配置在極少一部分車輛上。相比之下，液壓助力式的轉向器成了當今汽車助力轉向器的主流。
1.2.1機械轉向系
機械轉向系以駕駛員的體力作為轉向能源，其中所有傳力件都是機械的。機械轉向系由轉向操縱機構、轉向器和轉向傳動機構三大部分組成。
1一轉向盤；2一轉向軸；3一轉向萬向節(jié)；4一轉向傳動軸；5一轉向器；
6-轉向搖臂；7一轉向直拉桿；8一轉向節(jié)臂；9一左轉向節(jié)；
10、12一梯形臂；11一轉向橫拉桿；13一右轉向節(jié)
圖1-1機械轉向系示意圖
圖1-1所示為機械轉向系的組成和布置示意圖。當汽車轉向時，駕駛員對轉向盤1施加一個轉向力矩。該力矩通過轉向軸2、轉向萬向節(jié)3和轉向傳動軸4輸入轉向器5。經轉向器放大后的力矩和減速后的運動傳到轉向搖臂6，再經過轉向直拉桿7傳給固定于左轉向節(jié)9上的轉向節(jié)臂8，使左轉向節(jié)和它所支承的左轉向輪偏轉。為使右轉向節(jié)13及其支承的右轉向輪隨之偏轉相應角度，還設置7轉向梯形。轉向梯形由固定在左、右轉向節(jié)上的梯形臂10、12和兩端與梯形臂作球鉸鏈連接的轉向橫拉桿n組成。
從轉向盤到轉向傳動軸這一系列部件和零件，均屬于轉向操縱機構。由轉向搖臂至轉向梯形這一系列部件和零件(不含轉向節(jié))，均屬于轉向傳動機構。
目前，許多國內外生產的新車型在轉向操縱機構中采用了萬向傳動裝置(轉向萬向節(jié)和轉向傳動軸)。這有助于轉向盤和轉向器等部件和組件的通用化和系列化。只要適當改變轉向萬向傳動裝置的幾何參數，便可滿足各種變型車的總布置要求。即使在轉向盤與轉向器同軸線的情況下，其間也可采用萬向傳動裝置，以補償由于部件在車上的安裝誤差和安裝基體(駕駛室、車架)的變形所造成的二者軸線實際上的不重合。
轉向盤在駕駛室安放的位置與各國交通法規(guī)規(guī)定車輛靠道路左側還是右側通行有關。包括我國在內的大多數國家規(guī)定車輛右側通行，相應地應將轉向盤安置在駕駛室左側。這樣，駕駛員的左方視野較廣闊，有利于兩車安全交會。相反，在一些規(guī)定車輛靠左側通行的國家和地區(qū)使用的汽車上，轉向盤則應安置在駕駛室右側。
1.2.2動力轉向系
動力轉向系是兼用駕駛員體力和發(fā)動機動力為轉向能源的轉向系。在正常情況下，汽車轉向所需的能量，只有一小部分由駕駛員提供，而大部分是由發(fā)動機通過動力轉向裝置提供的。但在動力轉向裝置失效時，一般還應當能由駕駛員獨立承擔汽車轉向任務。因此，動力轉向系是在機械轉向系的基礎上加設一套動力轉向裝置而形成的。
對最大總質量在12t以上的大型汽車而言，一旦動力轉向裝置失效，駕駛員通過機械傳動系加于轉向節(jié)的力遠不足以使轉向輪偏轉而實現轉向。故這種汽車的動力轉向裝置應當特別可靠。
圖1-2動力轉向系示意圖
圖1-2為一種液壓動力轉向系的組成和液壓動力轉向裝置的管路布置示意圖。其中屬于動力轉向裝置的部件是：轉向油罐、轉向油泵、轉向控制閥和轉向動力缸。當駕駛員逆時針轉動轉向盤(左轉向)時，轉向搖臂帶動轉向直拉桿前移。直拉桿的拉力作用于轉向節(jié)臂，并依次傳到梯形臂和轉向橫拉桿，使之右移。與此同時，轉向直拉桿還帶動轉向控制閥中的滑閥，使轉向動力缸的右腔接通液面壓力為零的轉向油罐。轉向油泵的高壓油進入轉向動力缸的左腔，于是轉向動力缸的活塞上受到向右的液壓作用力便經推桿施加在轉向橫拉桿上，也使之右移。這樣，駕駛員施于轉向盤上很小的轉向力矩，便可克服地面作用于轉向輪上的轉向阻力矩。
1.3動力轉向技術的發(fā)展
汽車轉向一直存在著“輕”與“靈”的矛盾。盡管，人們采用了變速比轉向器等手段，但始終不能從根本上解決這一矛盾。在20世紀50年代初出現了液壓動力轉向技術，比較好地緩解了“輕”與“靈”的矛盾，符合人們對轉向輕便性更高的要求，在保證其他性能的條件下，能大大降低轉向盤上的手力，特別是原地轉向時轉向盤上的手力。
1.3.1液壓動力轉向
液壓動力轉向首先是在大型車輛上得到發(fā)展的，隨著當時汽車裝載質量和整備質量的增加，在轉向過程中所需克服的前輪轉向阻力矩也隨之增加，從而要求加大作用在轉向盤上的轉向力，使駕駛員感到“轉向沉重”。當前軸負荷增加到某一數值后，靠人力轉動轉向輪就很吃力。為使駕駛員操縱輕便和提高車輛的機動性，最有效的方法就是在汽車轉向系中加裝轉向助力裝置，借助于汽車發(fā)動機的動力驅動油泵、空氣壓縮機和發(fā)電機等，以液力、氣力或電力增大駕駛員操縱前輪轉向的力矩。使駕駛員可以輕便靈活地操縱汽車轉向，減輕了勞動強度，提高了行駛安全性。液壓動力轉向系統(tǒng)除了傳統(tǒng)的機械轉向器以外，尚需增加控制閥、動力缸、油泵、油罐和管路等。轎車對動力轉向的要求與重型車輛不完全相同。比如大型車輛對動力轉向系統(tǒng)噪聲的要求較低，轎車則對噪聲要求很高，轎車還要求裝用的轉向器系統(tǒng)結構要更簡單、尺寸更小、成本更低等。但是重型車輛動力轉向技術的發(fā)展無疑為轎車動力轉向技術奠定了基礎。
開始階段液壓動力轉向的控制閥采用滑閥式，即控制閥中的閥以軸向移動來控制油路。滑閥式控制閥結構簡單，生產工藝性好，操縱方便，宜于布置，使用性能較好。但是滑閥靈敏度不夠高，后來逐漸被轉閥代替。
20世紀50年代末沙基諾發(fā)明了轉閥式液壓動力轉向，即控制閥中的閥芯以旋轉運動來控制油路。與滑閥相比，轉閥的靈敏度高、密封件少、結構比較先進。雖然由于轉閥利用扭桿彈簧來使閥回位，結構較復雜，特別是對扭桿的材質和熱處理工藝要求較高。但是其性能相對于滑閥有很大改進，達到令人滿意的程度，并且在齒輪齒條式轉向器中布置轉閥比較容易，目前在轎車及大部分重型汽車上的液壓動力轉向采用的均是轉閥式控制閥。
在大型汽車上裝備液壓動力轉向系統(tǒng)有如下優(yōu)點：
(1)減小駕駛員的疲勞強度。動力轉向可以減小作用在轉向盤上的力，提高轉向輕便性。
(2)提高轉向靈敏度?？梢员容^自由地根據操縱穩(wěn)定性要求選擇轉向器傳動比，不會受到轉向力的制約。允許轉向車輪承受更大的負荷，不會引起轉向沉重問題。
(3)衰減道路沖擊，提高行駛安全性。液壓系統(tǒng)的阻尼作用可以衰減道路不平度對轉向盤的沖擊；另一方面，當汽車高速行駛時，如果發(fā)生爆胎，將導致汽車轉向盤難以把握，應用動力轉向可以使駕駛員較容易把握轉向盤。
同時液壓動力轉向系統(tǒng)也有不足：
(1)選定參數完成設計之后，助力特性就確定了，不能再進行調節(jié)與控制。因此協(xié)調輕便性與路感的關系困難。低速轉向力小時，高速行駛時轉向力往往過輕、“路感”差，甚至感覺汽車發(fā)“飄”，從而影響操縱穩(wěn)定性；而按高速性能要求設計轉向系統(tǒng)時，低速時轉向力往往過大。
(2)即使在不轉向時，油泵也一直運轉，增加了能量消耗。
(3)存在滲油與維護問題，提高了保修成本，泄漏的液壓油會對環(huán)境造成污染。
(4)低溫工作性能較差。
隨著人們對汽車經濟性、環(huán)保、安全性的日益重視以及大型汽車技術的發(fā)展，人們開始對液壓動力轉向存在的不足進行改進，開發(fā)出一些新型液壓動力轉向技術。這種技術上的改進主要圍繞第(1)、(2)點不足。對第(1)點不足的主要改進措施是將車速引入動力轉向系統(tǒng)，得到車速感應型助力特性，發(fā)展了兩種車速感應型液壓動力轉向系統(tǒng)。一種是機械式，通過與調速器及變速器相連的泵來控制油壓閥，現在已經很少采用；另一種是電子控制式，通過傳感器由EUC控制閥操作，現在用得比較多。對第(2)點不足，主要通過開發(fā)節(jié)能泵、提高系統(tǒng)的效率以及電控液壓動力轉向系統(tǒng)來加以改進。
1.3.2電動動力轉向
電動助力轉向系統(tǒng)是汽車轉向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動助力機直接提供轉向助力，省去了液壓動力轉向系統(tǒng)所必需的動力轉向油泵、軟管、液壓油、傳送帶和裝于發(fā)動機上的皮帶輪，既節(jié)省能量，又保護了環(huán)境。另外，還具有調整簡單、裝配靈活以及在多種狀況下都能提供轉向助力的特點。正是有了這些優(yōu)點，電動助力轉向系統(tǒng)作為一種新的轉向技術，將挑戰(zhàn)大家都非常熟知的、已具有50多年歷史的液壓轉向系統(tǒng)。駕駛員在操縱方向盤進行轉向時，轉矩傳感器檢測到轉向盤的轉向以及轉矩的大小，將電壓信號輸送到電子控制單元，電子控制單元根據轉矩傳感器檢測到的轉距電壓信號、轉動方向和車速信號等，向電動機控制器發(fā)出指令，使電動機輸出相應大小和方向的轉向助力轉矩，從而產生輔助動力。汽車不轉向時，電子控制單元不向電動機控制器發(fā)出指令，電動機不工作。
與乘用車相比，輕中型商用車由于其獨特的機械式循環(huán)軸轉向器及拉桿式轉向系統(tǒng)，使得其EPS系統(tǒng)不同于目前轎車上應用的幾種EPS傳動耦合方式。對輕中型載重汽車而言，所需電機助力遠超過乘用車，因此需要設計全新的適用于商用汽車重載工況的電機助力傳動耦合機構，使得電機助力經過傳動耦合機構，可以和原來的機械式轉向器合成為整體式助力轉向系統(tǒng)。目前電動助力轉向系統(tǒng)主要應用于齒輪齒條式轉向器，而輕中型商用汽車采用循環(huán)球式轉向器，乘用車所用的通用助力方式不適用于輕中型商用汽車。因此，電動助力轉向機構在乘用車上得到應用，而在商用車上很少采用。
2液壓助力布置方案的擬定
2.1轉向系的功用與要求
轉向系是用來改變汽車的行駛方向和保持汽車的直線行駛的。它是由轉向器和轉向傳動裝置兩大部分所組成。在采用動力轉向的汽車上還有動力系統(tǒng)。
根據轉向系的工作特點，對其提出如下要求：
1.工作可靠。轉向系對汽車的行駛安全性影響很大，因此其零件應有足夠的強度、剛度和壽命。
2.操縱輕便。這是減輕駕駛員的勞動強度和保證汽車安全行駛的重要因素之一。操縱輕便性應包含三方面內容：
(l)汽車轉向時必須作用在轉向盤上的手力要小，一般最大極限值是：
小客車
中型載重車
重型載重車
采用轉向加力器、增大轉向傳動裝置的力傳動比、提高轉向器的效率(用滾動摩擦代替滑動摩擦)等都是減小轉向盤手力的有效方法。
(2)汽車轉向時，轉向盤的回轉圈數要少。當汽車朝一個方向極限轉彎時，轉向盤的轉動圈數不能超過2～2.5圈。因此轉向系的角傳動比不宜太大。
(3)汽車直線行駛時，轉向盤應穩(wěn)定，無抖動和擺動現象。這就要求轉向系在整車布置上與行走系統(tǒng)運動協(xié)調；汽車在轉向后，轉向盤能自動回正，要求轉向器有一定的可逆性，同時要正確地選擇前輪定位角。
3.汽車轉向時要有正確的運動規(guī)律。要求合理地設計梯形機構，保證汽車在轉向時車輪是純滾動而沒有滑動。
4.既要盡量減少汽車轉向輪受到的沖擊傳到方向盤上，又要保證駕駛員有正確的道路感覺。從而要求適當地控制轉向器的可逆程度。
5.轉向系的調整應盡量少而簡單。
2.2轉向器方案分析
根據轉向器所用傳動副的不同，轉向器有多種。常見的有循環(huán)球式球面蝸桿蝸輪式、蝸桿曲柄銷式和齒輪齒條式等。轉向器的結構形式，決定了其效率特性以及對角傳動比變化特性的要求。選用那種效率特性的轉向器應有汽車用途來決定，并和轉向系方案有關。經常行駛在好路面上的轎車和市內用客車，可以采用正效率較高的、可逆程度大的轉向器。
齒輪齒條式轉向器的結構簡單，因此制造容易，成本低，正、逆效率都高。為了防止和緩和反向沖擊傳給方向盤，必須選擇較大的傳動比，或裝有吸振裝置的減振器。蝸桿曲柄銷式轉向器角傳動比的變化特性和嚙合間隙特性變化受限制，不能完全滿足設計者的意圖。
循環(huán)球式轉向器中一般有兩級傳動副。第一級是螺桿螺母傳動副，第二級是齒條齒扇傳動副。轉向螺桿的軸頸支撐在兩個圓錐滾子軸承上。軸承緊度可用調整墊片調整。轉向螺母的下平面上加工成齒條，與齒扇軸內的齒扇部分相嚙合。通過轉向盤轉動轉向螺桿時，轉向螺母不轉動，只能軸向移動，并驅使齒扇軸轉動。為了減小轉向螺桿和轉向螺母之間的摩擦，其間裝有小鋼球以實現滾動摩擦。二者的螺旋槽能配合形成近似圓形斷面輪廓的螺旋管狀通道。轉向螺母外有兩根導管，兩端分別插入螺母的一對通孔。導管內裝滿了鋼球。兩根導管和螺母內的螺旋管狀通道組合成兩條各自獨立的封閉的鋼球流道。轉向器工作是兩列鋼球只是在各自封閉的流道內循環(huán)，而不脫出。
轉向螺母上的齒條式傾斜的，因此與之嚙合的齒應當是分度圓上的齒厚沿齒扇軸線按線性關系變化的變厚齒扇。因為循環(huán)球轉向器的正傳動效率很高，操作輕便，使用壽命長。經常用于各種汽車。
綜上最后本次設計選定循環(huán)球式轉向器。
2.3液壓助力轉向機構布置方案分析
液壓式動力轉向由于油壓工作壓力高，動力缸尺寸小、質量輕，結構緊湊，油液具有不可壓縮性，靈敏度高以及油液的阻尼作用可以吸收里面的沖擊等優(yōu)點而得到廣泛應用。
2.3.1動力轉向機構布置方案
液壓式動力轉向機構是由分配閥、轉向器、動力缸、液壓泵、儲油罐和油管等組成。根據分配閥、轉向器和動力缸三者相互位置的不同，液壓式動力機構可分為整體式、半整體式、轉向加力器。機械轉向器和轉向動力缸設計成一體，并與轉向控制閥組裝在一起，這種三合一的部件稱為整體式動力轉向器（如圖2-1）。另一種方案是只將轉向控制閥同機械轉向器組合成一個部件，該部件稱為半整體式動力轉向器（如圖2-2），轉向動力缸則做成獨立部件。第三種方案是將機械轉向器作為獨立部件，而將轉向控制閥和轉向動力缸組合成一個部件，稱為轉向加力器（如圖2-3）。
圖2-1 整體式動力轉向器
圖2-2 半整體式動力轉向器
圖2-3 轉向加力器
在分析比較上述幾種不同動力轉向機構布置方案時，常從結構上是否緊湊、轉向器主要零件是否承受有動力缸建立起來的載荷、拆裝轉向器是否容易、管路特別是軟管的管路、轉向輪在側向力作用下是否容易引起轉向輪擺振、能不能采用典型轉向器等方面來做比較。例如，整體式動力轉向器，由于其分配閥、轉向器、動力缸三者裝在一起，因而結構緊湊，管路也短。其缺點是轉向搖臂軸、搖臂等轉向器的主要零件，都要承受有動力缸所建立起來的載荷，因此必須加大它們的尺寸和質量，給布置帶來不利的影響；同時還不能采用典型的轉向器，拆裝轉向器時要比分置式的困難。除此之外，由于對轉向器的密封性要求比較高，這些給轉向器的設計帶來不少的困難。
分置式動力轉向器由于分開布置，故其機械轉向器可以采用任何一種典型的結構；轉向器零件也不受動力缸助力載荷的影響；當汽車的轉向橋負荷過大時，可加大缸徑或增加動力缸的缸數而不影響轉向器的基本尺寸。但分置式的零件數較多，管路布置也比較復雜。在分置式的結構中，半分置式和聯閥式的應用最多，連桿式的應用最少。
綜上最后本次設計的布置形式選定為半分置式。
2.3.2動力轉向器結構形式的選擇
動力轉向器的結構形式有常壓式和常流式之分。當轉向分配閥在中間位置時常閉，使工作油液一直處于高壓狀態(tài)的動力轉向器，稱為常壓式動力轉向器；當轉向分配閥在中間位置時常開，使工作油液一直處于常流狀態(tài)的動力轉向器，稱為常流式動力轉向器。
上述的兩種液壓轉向加力裝置相比較，常壓式的優(yōu)點在于有蓄能器積蓄液壓能，可以使用流量較小的轉向液壓泵，而且能還可以在液壓泵不運轉的情況下保持一定得轉向能力，使汽車有可能續(xù)駛一定的距離。這一點對大型汽車而言尤為重要。故本設計采用常壓式的。
2.3.3分配閥的結構方案
圖2-4 滑閥的結構和工作原理
分配閥有兩種結構方案：分配閥中的閥與閥體以軸向移動方式來控制油路的稱為滑閥式（如圖2-4），以旋轉運動來控制油路的稱為轉閥式。
滑閥式分配閥結構簡單，生產工藝性好，易于布置，使用性能好，曾得到廣泛的運用。
轉閥式與滑閥式比較，靈敏度高、密封件少而且結構較為先進。由于轉閥式是利用扭桿彈簧使轉閥回位，所以結構復雜。
綜上最后本次設計的控制閥選用滑閥。
2.4液壓系統(tǒng)方案分析
2.4.1常用轉向液壓系統(tǒng)工作原理
汽車直線行駛時，方向盤保持不動，轉向器分配閥5處于中位常開，液壓泵2卸載，液壓油直接回油箱8。轉向時，駕駛員旋轉方向盤，螺桿作微前移或后移，轉向器內滑閥偏離中間位置，壓力油自液壓泵出來，經液壓控制集成元件4穩(wěn)流穩(wěn)壓后，經轉向器分配閥5，進入轉向缸6，由液壓缸推動轉向輪轉動，實現轉向(如圖2-5所示)。
1、3 過濾器 2 液壓泵 4 液壓控制集成元件
5 轉向器分配閥 6 液壓缸 7 單向閥 8 油箱
圖2-5 常用轉向液壓系統(tǒng)工作原理
2.4.2系統(tǒng)設計工作原理
該系統(tǒng)在原通用轉向液壓系統(tǒng)上合理加設液控背壓閥、帶單向閥的節(jié)流閥、開式減壓閥、中位為“H”型的液控三位四通換向閥。液控背壓閥為當轉向器分配閥工作(不在中位)時，控制支路系統(tǒng)產生背壓，操作液控換向閥，使液壓缸工作。帶單向閥的節(jié)流閥為控制液控背壓閥進出控制口的流量，即控制液控背壓閥閥芯滑動速度。開式減壓閥為系統(tǒng)壓力隨轉向橋負荷上升，當高于低壓轉向器額定工作壓力時，使支路(流入轉向器)壓力保持恒定，保證轉向器壓力不超過工作壓力。三位四通換向閥起轉向器分配閥作用，控制方向與轉向器分配閥一致。
(1)汽車直線行駛如圖2-6所示：轉向器分配閥在中位時，汽車處于直線行駛狀態(tài)，轉向液壓系統(tǒng)無負載。根據液體工作特性，液體經過開式減壓閥5直接進入轉向分配閥8后全部回油箱1，其原因有兩種：一是轉向器分配閥8的中位油路接通結構為“H”型，“A1”“B1”“O1”“P1”口相互接通，系統(tǒng)無法建壓；二是開式減壓閥在系統(tǒng)無壓力狀態(tài)下無減壓作用，整個支路無節(jié)流。液控背壓閥7、液控換向閥8及液壓缸10處于非工作狀態(tài)。
(2)汽車左轉向：如圖2-6所示，方向盤向左轉動，轉向器分配閥8工作位置移到“平行”位置，壓力油接通到液控換向閥9“平行”位置的方向控制口，支路成封閉回路，迅速建壓到液控換向閥9的閥芯開啟壓力，推動閥芯，使液控換向閥9的工作位置移到“平行”位置。支路繼續(xù)升壓至液控背壓閥7開啟壓力，壓力油推開液控背壓閥7、經過液控換向閥9進入液壓缸10(執(zhí)行元件)。同時，壓力油經過單向節(jié)流閥6進入液控背壓閥7的有桿腔，在保證液控換向閥9的閥芯徹底移動到換向位置的前提下，緩慢推動錐閥芯(相對液控閥的閥芯移動速度)至到最大開度，消除壓力油經過液控背壓閥7時產生的壓力損失，并防止系統(tǒng)在高壓狀態(tài)下發(fā)熱升溫。執(zhí)行系統(tǒng)壓力隨轉向橋的負載升壓，當壓力升過減壓閥的設定出口壓力時，減壓閥開始減壓工作，始終保證轉向器分配閥壓力恒定，不超載，大大提高了轉向器可靠性。
1 油箱 2 液壓泵 3 單向閥 4蓄能器 5液控減壓閥
6 單向節(jié)流閥 7液控背壓閥 8 轉向分配閥 9液控換向閥 10液壓缸
圖2-6 系統(tǒng)設計工作原理
(3)汽車右轉向：方向盤向右轉動，轉向器分配閥8工作位置移到“交叉”位置，壓力油進入液控換向閥9“交叉”位置的方向控制口，支路成封閉回路，迅速建壓到液控換向閥9的閥芯開啟壓力，推動閥芯，使液控換向閥9的工作位置移到“交叉”位置。其他元件液體工作特性與左轉向完全相同。左右轉向轉換工作過程關鍵特性：汽車在左右轉向轉換過程中轉向器分配閥9閥芯回到中位位置(執(zhí)行系統(tǒng)處于無壓狀態(tài))后，又移到任一左右轉向位置的瞬時，液控單向閥3閥芯在回位彈簧和單向節(jié)流閥6的作用下，迅速釋放油液并關閉，使支路建壓，迅速控制液控換向閥工作。
2.5小結
本章節(jié)主要對本課題的液壓助力轉向系統(tǒng)方案進行了的擬定，采用常壓式的半分置式布置形式，控制閥則采用滑閥，系統(tǒng)原理圖如圖2-6。
15
黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計
附錄A
How Car Steering Works
by Karim Nice
You know that when you turn the steering wheel in your car, the wheels turn. Cause and effect, right? But a lot of interesting stuff goes on between the steering wheel and the tires to make this happen.
Up Next
· Car Suspension Quiz
· How Car Suspensions Work
· Discovery.com: Rocket Shock Absorbers
In this article, we'll see how the two most common types of c ar steering systems work: rack-and-pinion and recirculating-ball steering. Then we'll examine power steering and find out about some interesting future developments in steering systems, driven mostly by the need to increase the fuel efficiency of cars. But first, let's see what you have to do turn a car. It's not quite as simple as you might think!
When it comes to crucial automotive systems, steering is right up there with the engine and the brakes. The inner workings of this important component are pretty cool.
Turning the Car
You might be surprised to learn that when you turn your car, your front wheels are not pointing in the same direction.
For a car to turn smoothly, each wheel must follow a different circle. Since the inside wheel is following a circle with a smaller radius, it is actually making a tighter turn than the outside wheel. If you draw a line perpendicular to each wheel, the lines will intersect at the center point of the turn. The geometry of the steering linkage makes the inside wheel turn more than the outside wheel.
There are a couple different types of steering gears. The most common are rack-and-pinion and recirculating ball.
Rack-and-pinion Steering
Rack-and-pinion steering is quickly becoming the most common type of steering on cars, small trucks and SUVs. It is actually a pretty simple mechanism. A rack-and-pinion gearset is enclosed in a metal tube, with each end of the rack protruding from the tube. A rod, called a tie rod, connects to each end of the rack.
The pinion gear is attached to the steering shaft. When you turn the steering wheel, the gear spins, moving the rack. The tie rod at each end of the rack connects to the steering arm on the spindle (see diagram above).
The rack-and-pinion gearset does two things:
· It converts the rotational motion of the steering wheel into the linear motion needed to turn the wheels.
· It provides a gear reduction, making it easier to turn the wheels.
On most cars, it takes three to four complete revolutions of the steering wheel to make the wheels turn from lock to lock (from far left to far right).
The steering ratio is the ratio of how far you turn the steering wheel to how far the wheels turn. For instance, if one complete revolution (360 degrees) of the steering wheel results in the wheels of the car turning 20 degrees, then the steering ratio is 360 divided by 20, or 18:1. A higher ratio means that you have to turn the steering wheel more to get the wheels to turn a given distance. However, less effort is required because of the higher gear ratio.
Generally, lighter, sportier cars have lower steering ratios than larger cars and trucks. The lower ratio gives the steering a quicker response -- you don't have to turn the steering wheel as much to get the wheels to turn a given distance -- which is a desirable trait in sports cars. These smaller cars are light enough that even with the lower ratio, the effort required to turn the steering wheel is not excessive.
Some cars have variable-ratio steering, which uses a rack-and-pinion gearset that has a different tooth pitch (number of teeth per inch) in the center than it has on the outside. This makes the car respond quickly when starting a turn (the rack is near the center), and also reduces effort near the wheel's turning limits.
Power Rack-and-pinion
When the rack-and-pinion is in a power-steering system, the rack has a slightly different design.
Part of the rack contains a cylinder with a piston in the middle. The piston is connected to the rack. There are two fluid ports, one on either side of the piston. Supplying higher-pressure fluid to one side of the piston forces the piston to move, which in turn moves the rack, providing the power assist.
We'll check out the components that provide the high-pressure fluid, as well as decide which side of the rack to supply it to, later in the article. First, let's take a look at another type of steering.
Recirculating-ball Steering
Recirculating-ball steering is used on many trucks and SUVs today. The linkage that turns the wheels is slightly different than on a rack-and-pinion system.
The recirculating-ball steering gear contains a worm gear. You can image the gear in two parts. The first part is a block of metal with a threaded hole in it. This block has gear teeth cut into the outside of it, which engage a gear that moves the pitman arm (see diagram above). The steering wheel connects to a threaded rod, similar to a bolt, that sticks into the hole in the block. When the steering wheel turns, it turns the bolt. Instead of twisting further into the block the way a regular bolt would, this bolt is held fixed so that when it spins, it moves the block, which moves the gear that turns the wheels.
Instead of the bolt directly engaging the threads in the block, all of the threads are filled with ball bearings that recirculate through the gear as it turns. The balls actually serve two purposes: First, they reduce friction and wear in the gear; second, they reduce slop in the gear. Slop would be felt when you change the direction of the steering wheel -- without the balls in the steering gear, the teeth would come out of contact with each other for a moment, making the steering wheel feel loose.
Power steering in a recirculating-ball system works similarly to a rack-and-pinion system. Assist is provided by supplying higher-pressure fluid to one side of the block.
Now let's take a look at the other components that make up a power-steering system.
Power Steering
There are a couple of key components in power steering in addition to the rack-and-pinion or recirculating-ball mechanism.
Pump
The hydraulic power for the steering is provided by a rotary-vane pump (see diagram below). This pump is driven by the car's engine via a belt and pulley. It contains a set of retractable vanes that spin inside an oval chamber.
As the vanes spin, they pull hydraulic fluid from the return line at low pressure and force it into the outlet at high pressure. The amount of flow provided by the pump depends on the car's engine speed. The pump must be designed to provide adequate flow when the engine is idling. As a result, the pump moves much more fluid than necessary when the engine is running at faster speeds.
The pump contains a pressure-relief valve to make sure that the pressure does not get too high, especially at high engine speeds when so much fluid is being pumped.
附錄B
汽車轉向系統(tǒng)工作原路介紹
Karim Nice 著
顯而易見，當你坐在車里轉動方向盤時。車輪會跟著運動。像一對因果關系，是吧？但是其中是有很多令人感興趣的部件在方向盤和輪胎之間運動才構成了我們以上看的原因和結果。
在這篇文章中，我們將看到兩種最常見的轉向系統(tǒng)是如何工作的：齒輪齒條式轉向器和循環(huán)球式轉向器。然后我們會研究一下動力轉向并發(fā)現些令人欣喜的轉向系統(tǒng)未來發(fā)展動向，其中大部分是由提高汽車燃油效率驅使產生的。但是首先，讓我們看看你想讓一輛汽車轉向都需要做些什么。其中的過程可能并不像你想象的那么簡單。
當說到汽車行駛的關鍵系統(tǒng)時，轉向系統(tǒng)當然地成為和發(fā)動機系統(tǒng)，制動系統(tǒng)處于同樣重要的地位。這個至關重要的部分內部的工作過程也是相當激動人心的。
汽車的轉向
當你控制汽車轉彎的時候你車的前輪并沒有只指向同一個方向，在了解到這些的時候你可能會很奇怪。
要想讓汽車轉向平順，每個車輪就必須沿著不同的軌跡運動。因為內側輪胎是沿著較小半徑的圓周軌跡運動的。如果沿著每個車輪做一條垂直線，這些線會相交于轉向軌跡的中心點。轉向系統(tǒng)聯動裝置的幾何學特性使得內側車輪轉向角度比外側車輪大些。
通常是有好幾種不同類型的轉向齒輪。最常見的就是齒輪齒條式和循環(huán)球式。
齒輪齒條式轉向器
齒輪齒條式轉向器迅速成為轎車，小型卡車以及多功能越野車轉向器中最普遍的型式。
它確實是一種比較簡單的機構。一套出輪齒條嚙合裝置被封裝在一根金屬管子里，齒條分別從管子末端深處。有根干，叫做轉向拉桿，分別連在管架的末端。
齒輪齒條轉向器的齒輪是連在轉向軸上的。當轉動方向盤時，齒輪轉動推動齒條移動。齒條末端的橫拉桿連接于轉向節(jié)上的轉向臂上。
齒輪齒條轉系機構做完成兩件事：
它將方向盤的轉動轉化成轉動車輪所需要的直線運動。
在大多數汽車上，一般需要轉動三到四圈方向盤才能使車輪從左止點到右止點。
轉向系傳動比是指轉動方向盤角度和車輪轉動角度的比率。具體說就是，如果轉動方向盤一周車輪隨之轉動二十度，實際上轉向傳動比是360除以20，也就是18：1。跟高的轉向傳動比意味著你需要更大的方向盤轉角才能達到同樣的車輪轉角。當然，高傳動比也意味著更小的力量。
大體說來，質量小，更為運動型的汽車相比大型轎車和卡車擁有更小的轉向比。小傳動比意味著更快的轉向反應--你無需再費力的轉動方向盤才能達到指定的車輪轉角—這就是跑車所要求的理想特性。這些小型汽車可以用更小的轉向比，因為在質量上足夠輕，轉動車輪所需的轉向力并沒超過要求。
一部分汽車使用可變轉向比，它使用一種在中間和兩邊具有不同的齒間距的齒輪齒條嚙合裝置。這使得汽車在剛開始轉彎后能迅速做出反應（齒條在中間位置附近），同時也降低了轉向力限制位置時的轉向力。
動力齒輪齒條轉向系統(tǒng)
當齒輪齒條在動力轉向系統(tǒng)中時，齒條的設計略有不同。
齒條中間位置包含有一個氣缸與活塞?；钊B接到齒條上。在活塞兩端各有一個液壓缸。在活塞的一端提供高壓油液以推動活塞移動，繼而推動齒條移動，提供轉向助力。?在接下來的段落里，我們將詳細了解一下提供高壓油液的組件，然后決定向齒條的哪一方提供高壓油液。首先，讓我們來看看另一種類型的轉向器。
循環(huán)球轉向
現在循許多卡車和SUV使用的是循環(huán)球轉向器。它使車輪轉動的聯動裝置與齒輪齒條轉向系統(tǒng)略有不同。
循環(huán)球轉向機構內包含有一個蝸輪。您可以把這個齒輪想象成兩部分。第一部分是一塊帶有內螺紋孔的金屬塊。這個金屬塊外側有切好的齒形，齒形是專門用來嚙合一個使轉向拉桿移動的齒輪。方向盤連接到螺紋桿上，類似于一個連接到金屬塊上的螺桿。當方向盤轉動時它推動螺桿運動。與一般的螺桿隨著旋入螺母的加深不同，這種螺桿在旋轉時是固定不動的，并推動螺母移動，螺母使嚙合的齒輪轉動最終轉動車輪。
與螺桿直接嚙合轉向螺母不同，所有嚙合螺紋都充滿了滾珠球軸承環(huán)繞著，齒輪嚙合副轉動時能繞著螺紋圓周轉動的鋼球。鋼球實際上兩個功能：首先，它們減少齒輪嚙合副的摩擦和磨損；第二，它們減小齒間間隙。當改變向方向盤轉動方向的時候你就會感覺間隙，轉向時好像感覺不到鋼球，齒型將脫離彼此接觸了一會兒，使方向盤感覺松曠。?
動力轉向的循環(huán)球轉向系統(tǒng)的運動方式類似于齒輪齒條系統(tǒng)。所提供的助力是高壓力液體推動轉向螺母的一側產生的。?
現在讓我們來看看動力轉向系統(tǒng)中的其他組成部分。
動力轉向
無論循環(huán)球轉向器還是齒輪齒條轉向器的動力轉向系統(tǒng)中都有幾個重要組成部分。
泵
液壓動力轉向是由旋轉葉片泵提供的（如下圖） 。這種泵的動力是汽車的發(fā)動機通過皮帶和帶輪驅動的。它包含了一套可移動的葉片，附帶一個橢圓形的內腔。
隨著葉片旋轉，葉片從回油道中吸進低壓油并將其變成高壓油擠壓出去，并迫使它變成出口高壓。泵所提供的油液總量取決于轎車的引擎轉速。該泵的設計必須使發(fā)動機空轉時也能提供充足的液體。因此，在發(fā)動機以更高的轉速運行時該泵產生的高壓油液超過正常需要。
泵包含一個壓力安全閥，以確保壓力不會太高，尤其是在發(fā)動機轉速高時，產生大量的高壓油液。
16
收藏