大卡車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)）
題目： 大卡車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)
大卡車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1 緒論
1.1問題的提出
隨著國民經(jīng)濟(jì)連續(xù)多年的高速發(fā)展，尤其是國家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的逐年加大，使得大型汽車的生產(chǎn)在近年來呈現(xiàn)了爆發(fā)式發(fā)展。而大型載貨汽車由于具有運(yùn)輸效率高、運(yùn)輸成本低的特點(diǎn)，逐漸成為公路運(yùn)輸?shù)氖走x。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(chǎn)與開發(fā)成為國內(nèi)載貨汽車生產(chǎn)廠家競爭的焦點(diǎn)。汽車技術(shù)的進(jìn)步和人民生活水平的進(jìn)一步提高，使載貨汽車用戶對(duì)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(chǎn)品開發(fā)周期不斷縮短。如何使車輛開發(fā)各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)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(nèi)開發(fā)出性能優(yōu)越的汽車產(chǎn)品，已成為大型載貨汽車產(chǎn)品研發(fā)部門所關(guān)注的重要課題。
由于汽車保有量的增加和社會(huì)生活汽車化而造成交通錯(cuò)綜復(fù)雜，使轉(zhuǎn)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(shí)，對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)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(yīng)車速變化，實(shí)現(xiàn)變特性的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，并且可以與不同類型的大型汽車相適應(yīng)、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(diǎn)，為保障大型載貨汽車良好的轉(zhuǎn)向性能，必須對(duì)這些特點(diǎn)及由此引發(fā)的問題進(jìn)行專門的研究。按照GB1589一2004“道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值”的要求，每側(cè)單輪胎的車軸軸荷限值為7噸，6x4載貨車的設(shè)計(jì)軸荷之和可達(dá)30噸，車長可達(dá)12m，鉸接式列車的車長可至16.sm。同時(shí)，GB7258一2004“機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件”要求車輛必須能夠通過外徑25m內(nèi)徑10.6m的通道。另外，載貨汽車公路運(yùn)輸?shù)母咚倩l(fā)展趨勢也已是不爭的事實(shí)，尤其國家于2004年5月開始的治理公路運(yùn)輸車輛超限超載專項(xiàng)工作的開展，使以提高行駛速度來帶動(dòng)運(yùn)輸效率的提高成為載貨汽車設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。高的運(yùn)輸速度對(duì)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(yùn)輸能力，大型車的設(shè)計(jì)軸荷及外廓尺寸基本接近法規(guī)的限值。對(duì)于轉(zhuǎn)向軸，7噸的軸荷使動(dòng)力轉(zhuǎn)向器成為必選的配置，如何合理匹配動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，提高車輛的轉(zhuǎn)向能力并保持操縱路感值得進(jìn)行進(jìn)一步的研究。國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車輛轉(zhuǎn)彎能力的要求，給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了新的課題。對(duì)于長軸距的汽車，必須通過增加轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角才能提高其轉(zhuǎn)彎能力。對(duì)于載貨車慣常采用的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，大的轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)很容易造成轉(zhuǎn)向輪與周邊部件干涉及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)卡死、左右轉(zhuǎn)向不對(duì)稱等后果。因此，必須建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的輔助分析方法，提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力和水平。
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能和整車及其它總成、系統(tǒng)的性能息息相關(guān)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要考慮整車及其它總成的性能。首先，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)整車所要求的車輪轉(zhuǎn)角，這為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及動(dòng)力轉(zhuǎn)向器匹配提出了基本要求。其次，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和懸架系統(tǒng)必須有協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，這就對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了附加的要求。這兩項(xiàng)要求基本可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面進(jìn)行分析解決，而和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)的行駛穩(wěn)定性及行駛路感則必須在整車層面進(jìn)行計(jì)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(xiàn)，在車輛設(shè)計(jì)與開發(fā)領(lǐng)域尚存在很多的問題需要研究和解決，如何使基礎(chǔ)研究與產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐緊密結(jié)合，將研究成果最大限度地應(yīng)用于產(chǎn)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(chǎn)品研究與開發(fā)人員面前的重要課題。
1.2汽車轉(zhuǎn)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(jīng)常改變其行駛方向，即所謂汽車轉(zhuǎn)向。就輪式汽車而言，實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的方法是，駕駛員通過一套專設(shè)的機(jī)構(gòu)，使汽車轉(zhuǎn)向橋(一般是前橋)上的車輪(轉(zhuǎn)向輪)相對(duì)于汽車縱軸線偏轉(zhuǎn)一定角度。在汽車直線行駛時(shí)，往往轉(zhuǎn)向輪也會(huì)受到路面例向干擾力的作用，自動(dòng)偏轉(zhuǎn)而改變行駛方向。此時(shí)，駕駛員也可以利用這套機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪向相反的方向偏轉(zhuǎn)，從而使汽車恢復(fù)原來的行駛方向。這一套用來改變或恢復(fù)汽車行駛方向的專設(shè)機(jī)構(gòu)，即稱為汽車轉(zhuǎn)向系。因此，汽車轉(zhuǎn)向系的功用是，保證汽車能按駕駛員的意志而進(jìn)行轉(zhuǎn)向行駛。
汽車轉(zhuǎn)向系可按轉(zhuǎn)向能源的不同分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系兩大類。機(jī)械式轉(zhuǎn)向器由轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。按照轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器。不同的轉(zhuǎn)向器有著不同的特點(diǎn)應(yīng)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(zhuǎn)向器。在本文的后面分析中，就是以這種轉(zhuǎn)向器來做分析的。動(dòng)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(dòng)助力式三種。氣壓助力式主要應(yīng)用于一部分其前軸最大軸載質(zhì)量為3一7t并采用氣壓制動(dòng)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(shí)壓縮空氣工作時(shí)的噪聲和滯后性使得這種助力方式的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器成了當(dāng)今汽車助力轉(zhuǎn)向器的主流。
1.2.1機(jī)械轉(zhuǎn)向系
機(jī)械轉(zhuǎn)向系以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源，其中所有傳力件都是機(jī)械的。機(jī)械轉(zhuǎn)向系由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。
1一轉(zhuǎn)向盤；2一轉(zhuǎn)向軸；3一轉(zhuǎn)向萬向節(jié)；4一轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸；5一轉(zhuǎn)向器；
6-轉(zhuǎn)向搖臂；7一轉(zhuǎn)向直拉桿；8一轉(zhuǎn)向節(jié)臂；9一左轉(zhuǎn)向節(jié)；
10、12一梯形臂；11一轉(zhuǎn)向橫拉桿；13一右轉(zhuǎn)向節(jié)
圖1-1機(jī)械轉(zhuǎn)向系示意圖
圖1-1所示為機(jī)械轉(zhuǎn)向系的組成和布置示意圖。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤1施加一個(gè)轉(zhuǎn)向力矩。該力矩通過轉(zhuǎn)向軸2、轉(zhuǎn)向萬向節(jié)3和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸4輸入轉(zhuǎn)向器5。經(jīng)轉(zhuǎn)向器放大后的力矩和減速后的運(yùn)動(dòng)傳到轉(zhuǎn)向搖臂6，再經(jīng)過轉(zhuǎn)向直拉桿7傳給固定于左轉(zhuǎn)向節(jié)9上的轉(zhuǎn)向節(jié)臂8，使左轉(zhuǎn)向節(jié)和它所支承的左轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。為使右轉(zhuǎn)向節(jié)13及其支承的右轉(zhuǎn)向輪隨之偏轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，還設(shè)置7轉(zhuǎn)向梯形。轉(zhuǎn)向梯形由固定在左、右轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向橫拉桿n組成。
從轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸這一系列部件和零件，均屬于轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)。由轉(zhuǎn)向搖臂至轉(zhuǎn)向梯形這一系列部件和零件(不含轉(zhuǎn)向節(jié))，均屬于轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
目前，許多國內(nèi)外生產(chǎn)的新車型在轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)中采用了萬向傳動(dòng)裝置(轉(zhuǎn)向萬向節(jié)和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸)。這有助于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器等部件和組件的通用化和系列化。只要適當(dāng)改變轉(zhuǎn)向萬向傳動(dòng)裝置的幾何參數(shù)，便可滿足各種變型車的總布置要求。即使在轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向器同軸線的情況下，其間也可采用萬向傳動(dòng)裝置，以補(bǔ)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(shí)際上的不重合。
轉(zhuǎn)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(cè)還是右側(cè)通行有關(guān)。包括我國在內(nèi)的大多數(shù)國家規(guī)定車輛右側(cè)通行，相應(yīng)地應(yīng)將轉(zhuǎn)向盤安置在駕駛室左側(cè)。這樣，駕駛員的左方視野較廣闊，有利于兩車安全交會(huì)。相反，在一些規(guī)定車輛靠左側(cè)通行的國家和地區(qū)使用的汽車上，轉(zhuǎn)向盤則應(yīng)安置在駕駛室右側(cè)。
1.2.2動(dòng)力轉(zhuǎn)向系
動(dòng)力轉(zhuǎn)向系是兼用駕駛員體力和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力為轉(zhuǎn)向能源的轉(zhuǎn)向系。在正常情況下，汽車轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)通過動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置提供的。但在動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置失效時(shí)，一般還應(yīng)當(dāng)能由駕駛員獨(dú)立承擔(dān)汽車轉(zhuǎn)向任務(wù)。因此，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系的基礎(chǔ)上加設(shè)一套動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置而形成的。
對(duì)最大總質(zhì)量在12t以上的大型汽車而言，一旦動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置失效，駕駛員通過機(jī)械傳動(dòng)系加于轉(zhuǎn)向節(jié)的力遠(yuǎn)不足以使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。故這種汽車的動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置應(yīng)當(dāng)特別可靠。
圖1-2動(dòng)力轉(zhuǎn)向系示意圖
圖1-2為一種液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系的組成和液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置的管路布置示意圖。其中屬于動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置的部件是：轉(zhuǎn)向油罐、轉(zhuǎn)向油泵、轉(zhuǎn)向控制閥和轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸。當(dāng)駕駛員逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(左轉(zhuǎn)向)時(shí)，轉(zhuǎn)向搖臂帶動(dòng)轉(zhuǎn)向直拉桿前移。直拉桿的拉力作用于轉(zhuǎn)向節(jié)臂，并依次傳到梯形臂和轉(zhuǎn)向橫拉桿，使之右移。與此同時(shí)，轉(zhuǎn)向直拉桿還帶動(dòng)轉(zhuǎn)向控制閥中的滑閥，使轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的右腔接通液面壓力為零的轉(zhuǎn)向油罐。轉(zhuǎn)向油泵的高壓油進(jìn)入轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的左腔，于是轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的活塞上受到向右的液壓作用力便經(jīng)推桿施加在轉(zhuǎn)向橫拉桿上，也使之右移。這樣，駕駛員施于轉(zhuǎn)向盤上很小的轉(zhuǎn)向力矩，便可克服地面作用于轉(zhuǎn)向輪上的轉(zhuǎn)向阻力矩。
1.3動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展
汽車轉(zhuǎn)向一直存在著“輕”與“靈”的矛盾。盡管，人們采用了變速比轉(zhuǎn)向器等手段，但始終不能從根本上解決這一矛盾。在20世紀(jì)50年代初出現(xiàn)了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)，比較好地緩解了“輕”與“靈”的矛盾，符合人們對(duì)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向盤上的手力，特別是原地轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向盤上的手力。
1.3.1液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向
液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向首先是在大型車輛上得到發(fā)展的，隨著當(dāng)時(shí)汽車裝載質(zhì)量和整備質(zhì)量的增加，在轉(zhuǎn)向過程中所需克服的前輪轉(zhuǎn)向阻力矩也隨之增加，從而要求加大作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向力，使駕駛員感到“轉(zhuǎn)向沉重”。當(dāng)前軸負(fù)荷增加到某一數(shù)值后，靠人力轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪就很吃力。為使駕駛員操縱輕便和提高車輛的機(jī)動(dòng)性，最有效的方法就是在汽車轉(zhuǎn)向系中加裝轉(zhuǎn)向助力裝置，借助于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)油泵、空氣壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)等，以液力、氣力或電力增大駕駛員操縱前輪轉(zhuǎn)向的力矩。使駕駛員可以輕便靈活地操縱汽車轉(zhuǎn)向，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了行駛安全性。液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)除了傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向器以外，尚需增加控制閥、動(dòng)力缸、油泵、油罐和管路等。轎車對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向的要求與重型車輛不完全相同。比如大型車輛對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲的要求較低，轎車則對(duì)噪聲要求很高，轎車還要求裝用的轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要更簡單、尺寸更小、成本更低等。但是重型車輛動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展無疑為轎車動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
開始階段液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向的控制閥采用滑閥式，即控制閥中的閥以軸向移動(dòng)來控制油路?；y式控制閥結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)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(zhuǎn)閥代替。
20世紀(jì)50年代末沙基諾發(fā)明了轉(zhuǎn)閥式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向，即控制閥中的閥芯以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來控制油路。與滑閥相比，轉(zhuǎn)閥的靈敏度高、密封件少、結(jié)構(gòu)比較先進(jìn)。雖然由于轉(zhuǎn)閥利用扭桿彈簧來使閥回位，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，特別是對(duì)扭桿的材質(zhì)和熱處理工藝要求較高。但是其性能相對(duì)于滑閥有很大改進(jìn)，達(dá)到令人滿意的程度，并且在齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器中布置轉(zhuǎn)閥比較容易，目前在轎車及大部分重型汽車上的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向采用的均是轉(zhuǎn)閥式控制閥。
在大型汽車上裝備液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)減小駕駛員的疲勞強(qiáng)度。動(dòng)力轉(zhuǎn)向可以減小作用在轉(zhuǎn)向盤上的力，提高轉(zhuǎn)向輕便性。
(2)提高轉(zhuǎn)向靈敏度?？梢员容^自由地根據(jù)操縱穩(wěn)定性要求選擇轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比，不會(huì)受到轉(zhuǎn)向力的制約。允許轉(zhuǎn)向車輪承受更大的負(fù)荷，不會(huì)引起轉(zhuǎn)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(duì)轉(zhuǎn)向盤的沖擊；另一方面，當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，如果發(fā)生爆胎，將導(dǎo)致汽車轉(zhuǎn)向盤難以把握，應(yīng)用動(dòng)力轉(zhuǎn)向可以使駕駛員較容易把握轉(zhuǎn)向盤。
同時(shí)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也有不足：
(1)選定參數(shù)完成設(shè)計(jì)之后，助力特性就確定了，不能再進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。因此協(xié)調(diào)輕便性與路感的關(guān)系困難。低速轉(zhuǎn)向力小時(shí)，高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)，低速時(shí)轉(zhuǎn)向力往往過大。
(2)即使在不轉(zhuǎn)向時(shí)，油泵也一直運(yùn)轉(zhuǎn)，增加了能量消耗。
(3)存在滲油與維護(hù)問題，提高了保修成本，泄漏的液壓油會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。
(4)低溫工作性能較差。
隨著人們對(duì)汽車經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保、安全性的日益重視以及大型汽車技術(shù)的發(fā)展，人們開始對(duì)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向存在的不足進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)出一些新型液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)。這種技術(shù)上的改進(jìn)主要圍繞第(1)、(2)點(diǎn)不足。對(duì)第(1)點(diǎn)不足的主要改進(jìn)措施是將車速引入動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，得到車速感應(yīng)型助力特性，發(fā)展了兩種車速感應(yīng)型液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。一種是機(jī)械式，通過與調(diào)速器及變速器相連的泵來控制油壓閥，現(xiàn)在已經(jīng)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(xiàn)在用得比較多。對(duì)第(2)點(diǎn)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(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來加以改進(jìn)。
1.3.2電動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向
電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向。該系統(tǒng)由電動(dòng)助力機(jī)直接提供轉(zhuǎn)向助力，省去了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所必需的動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵、軟管、液壓油、傳送帶和裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上的皮帶輪，既節(jié)省能量，又保護(hù)了環(huán)境。另外，還具有調(diào)整簡單、裝配靈活以及在多種狀況下都能提供轉(zhuǎn)向助力的特點(diǎn)。正是有了這些優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為一種新的轉(zhuǎn)向技術(shù)，將挑戰(zhàn)大家都非常熟知的、已具有50多年歷史的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。駕駛員在操縱方向盤進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)矩的大小，將電壓信號(hào)輸送到電子控制單元，電子控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器檢測到的轉(zhuǎn)距電壓信號(hào)、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和車速信號(hào)等，向電動(dòng)機(jī)控制器發(fā)出指令，使電動(dòng)機(jī)輸出相應(yīng)大小和方向的轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)矩，從而產(chǎn)生輔助動(dòng)力。汽車不轉(zhuǎn)向時(shí)，電子控制單元不向電動(dòng)機(jī)控制器發(fā)出指令，電動(dòng)機(jī)不工作。
與乘用車相比，輕中型商用車由于其獨(dú)特的機(jī)械式循環(huán)軸轉(zhuǎn)向器及拉桿式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使得其EPS系統(tǒng)不同于目前轎車上應(yīng)用的幾種EPS傳動(dòng)耦合方式。對(duì)輕中型載重汽車而言，所需電機(jī)助力遠(yuǎn)超過乘用車，因此需要設(shè)計(jì)全新的適用于商用汽車重載工況的電機(jī)助力傳動(dòng)耦合機(jī)構(gòu)，使得電機(jī)助力經(jīng)過傳動(dòng)耦合機(jī)構(gòu)，可以和原來的機(jī)械式轉(zhuǎn)向器合成為整體式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。目前電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要應(yīng)用于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，而輕中型商用汽車采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在乘用車上得到應(yīng)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(zhuǎn)向系的功用與要求
轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置兩大部分所組成。在采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向的汽車上還有動(dòng)力系統(tǒng)。
根據(jù)轉(zhuǎn)向系的工作特點(diǎn)，對(duì)其提出如下要求：
1.工作可靠。轉(zhuǎn)向系對(duì)汽車的行駛安全性影響很大，因此其零件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度、剛度和壽命。
2.操縱輕便。這是減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度和保證汽車安全行駛的重要因素之一。操縱輕便性應(yīng)包含三方面內(nèi)容：
(l)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)必須作用在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向加力器、增大轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置的力傳動(dòng)比、提高轉(zhuǎn)向器的效率(用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦)等都是減小轉(zhuǎn)向盤手力的有效方法。
(2)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向盤的回轉(zhuǎn)圈數(shù)要少。當(dāng)汽車朝一個(gè)方向極限轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)不能超過2～2.5圈。因此轉(zhuǎn)向系的角傳動(dòng)比不宜太大。
(3)汽車直線行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向盤應(yīng)穩(wěn)定，無抖動(dòng)和擺動(dòng)現(xiàn)象。這就要求轉(zhuǎn)向系在整車布置上與行走系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)；汽車在轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向盤能自動(dòng)回正，要求轉(zhuǎn)向器有一定的可逆性，同時(shí)要正確地選擇前輪定位角。
3.汽車轉(zhuǎn)向時(shí)要有正確的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。要求合理地設(shè)計(jì)梯形機(jī)構(gòu)，保證汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)車輪是純滾動(dòng)而沒有滑動(dòng)。
4.既要盡量減少汽車轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)乜刂妻D(zhuǎn)向器的可逆程度。
5.轉(zhuǎn)向系的調(diào)整應(yīng)盡量少而簡單。
2.2轉(zhuǎn)向器方案分析
根據(jù)轉(zhuǎn)向器所用傳動(dòng)副的不同，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)形式，決定了其效率特性以及對(duì)角傳動(dòng)比變化特性的要求。選用那種效率特性的轉(zhuǎn)向器應(yīng)有汽車用途來決定，并和轉(zhuǎn)向系方案有關(guān)。經(jīng)常行駛在好路面上的轎車和市內(nèi)用客車，可以采用正效率較高的、可逆程度大的轉(zhuǎn)向器。
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)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(dòng)比，或裝有吸振裝置的減振器。蝸桿曲柄銷式轉(zhuǎn)向器角傳動(dòng)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(shè)計(jì)者的意圖。
循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器中一般有兩級(jí)傳動(dòng)副。第一級(jí)是螺桿螺母傳動(dòng)副，第二級(jí)是齒條齒扇傳動(dòng)副。轉(zhuǎn)向螺桿的軸頸支撐在兩個(gè)圓錐滾子軸承上。軸承緊度可用調(diào)整墊片調(diào)整。轉(zhuǎn)向螺母的下平面上加工成齒條，與齒扇軸內(nèi)的齒扇部分相嚙合。通過轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向螺桿時(shí)，轉(zhuǎn)向螺母不轉(zhuǎn)動(dòng)，只能軸向移動(dòng)，并驅(qū)使齒扇軸轉(zhuǎn)動(dòng)。為了減小轉(zhuǎn)向螺桿和轉(zhuǎn)向螺母之間的摩擦，其間裝有小鋼球以實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)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(zhuǎn)向螺母外有兩根導(dǎo)管，兩端分別插入螺母的一對(duì)通孔。導(dǎo)管內(nèi)裝滿了鋼球。兩根導(dǎo)管和螺母內(nèi)的螺旋管狀通道組合成兩條各自獨(dú)立的封閉的鋼球流道。轉(zhuǎn)向器工作是兩列鋼球只是在各自封閉的流道內(nèi)循環(huán)，而不脫出。
轉(zhuǎn)向螺母上的齒條式傾斜的，因此與之嚙合的齒應(yīng)當(dāng)是分度圓上的齒厚沿齒扇軸線按線性關(guān)系變化的變厚齒扇。因?yàn)檠h(huán)球轉(zhuǎn)向器的正傳動(dòng)效率很高，操作輕便，使用壽命長。經(jīng)常用于各種汽車。
綜上最后本次設(shè)計(jì)選定循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。
2.3液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置方案分析
液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向由于油壓工作壓力高，動(dòng)力缸尺寸小、質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)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(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。
2.3.1動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置方案
液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是由分配閥、轉(zhuǎn)向器、動(dòng)力缸、液壓泵、儲(chǔ)油罐和油管等組成。根據(jù)分配閥、轉(zhuǎn)向器和動(dòng)力缸三者相互位置的不同，液壓式動(dòng)力機(jī)構(gòu)可分為整體式、半整體式、轉(zhuǎn)向加力器。機(jī)械轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸設(shè)計(jì)成一體，并與轉(zhuǎn)向控制閥組裝在一起，這種三合一的部件稱為整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器（如圖2-1）。另一種方案是只將轉(zhuǎn)向控制閥同機(jī)械轉(zhuǎn)向器組合成一個(gè)部件，該部件稱為半整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器（如圖2-2），轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸則做成獨(dú)立部件。第三種方案是將機(jī)械轉(zhuǎn)向器作為獨(dú)立部件，而將轉(zhuǎn)向控制閥和轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸組合成一個(gè)部件，稱為轉(zhuǎn)向加力器（如圖2-3）。
圖2-1 整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器
圖2-2 半整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器
圖2-3 轉(zhuǎn)向加力器
在分析比較上述幾種不同動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置方案時(shí)，常從結(jié)構(gòu)上是否緊湊、轉(zhuǎn)向器主要零件是否承受有動(dòng)力缸建立起來的載荷、拆裝轉(zhuǎn)向器是否容易、管路特別是軟管的管路、轉(zhuǎn)向輪在側(cè)向力作用下是否容易引起轉(zhuǎn)向輪擺振、能不能采用典型轉(zhuǎn)向器等方面來做比較。例如，整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，由于其分配閥、轉(zhuǎn)向器、動(dòng)力缸三者裝在一起，因而結(jié)構(gòu)緊湊，管路也短。其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)向搖臂軸、搖臂等轉(zhuǎn)向器的主要零件，都要承受有動(dòng)力缸所建立起來的載荷，因此必須加大它們的尺寸和質(zhì)量，給布置帶來不利的影響；同時(shí)還不能采用典型的轉(zhuǎn)向器，拆裝轉(zhuǎn)向器時(shí)要比分置式的困難。除此之外，由于對(duì)轉(zhuǎn)向器的密封性要求比較高，這些給轉(zhuǎn)向器的設(shè)計(jì)帶來不少的困難。
分置式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器由于分開布置，故其機(jī)械轉(zhuǎn)向器可以采用任何一種典型的結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)向器零件也不受動(dòng)力缸助力載荷的影響；當(dāng)汽車的轉(zhuǎn)向橋負(fù)荷過大時(shí)，可加大缸徑或增加動(dòng)力缸的缸數(shù)而不影響轉(zhuǎn)向器的基本尺寸。但分置式的零件數(shù)較多，管路布置也比較復(fù)雜。在分置式的結(jié)構(gòu)中，半分置式和聯(lián)閥式的應(yīng)用最多，連桿式的應(yīng)用最少。
綜上最后本次設(shè)計(jì)的布置形式選定為半分置式。
2.3.2動(dòng)力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)形式的選擇
動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)形式有常壓式和常流式之分。當(dāng)轉(zhuǎn)向分配閥在中間位置時(shí)常閉，使工作油液一直處于高壓狀態(tài)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，稱為常壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器；當(dāng)轉(zhuǎn)向分配閥在中間位置時(shí)常開，使工作油液一直處于常流狀態(tài)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，稱為常流式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。
上述的兩種液壓轉(zhuǎn)向加力裝置相比較，常壓式的優(yōu)點(diǎn)在于有蓄能器積蓄液壓能，可以使用流量較小的轉(zhuǎn)向液壓泵，而且能還可以在液壓泵不運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下保持一定得轉(zhuǎn)向能力，使汽車有可能續(xù)駛一定的距離。這一點(diǎn)對(duì)大型汽車而言尤為重要。故本設(shè)計(jì)采用常壓式的。
2.3.3分配閥的結(jié)構(gòu)方案
圖2-4 滑閥的結(jié)構(gòu)和工作原理
分配閥有兩種結(jié)構(gòu)方案：分配閥中的閥與閥體以軸向移動(dòng)方式來控制油路的稱為滑閥式（如圖2-4），以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來控制油路的稱為轉(zhuǎn)閥式。
滑閥式分配閥結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)工藝性好，易于布置，使用性能好，曾得到廣泛的運(yùn)用。
轉(zhuǎn)閥式與滑閥式比較，靈敏度高、密封件少而且結(jié)構(gòu)較為先進(jìn)。由于轉(zhuǎn)閥式是利用扭桿彈簧使轉(zhuǎn)閥回位，所以結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
綜上最后本次設(shè)計(jì)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(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)工作原理
汽車直線行駛時(shí)，方向盤保持不動(dòng)，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員旋轉(zhuǎn)方向盤，螺桿作微前移或后移，轉(zhuǎn)向器內(nèi)滑閥偏離中間位置，壓力油自液壓泵出來，經(jīng)液壓控制集成元件4穩(wěn)流穩(wěn)壓后，經(jīng)轉(zhuǎn)向器分配閥5，進(jìn)入轉(zhuǎn)向缸6，由液壓缸推動(dòng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器分配閥 6 液壓缸 7 單向閥 8 油箱
圖2-5 常用轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)工作原理
2.4.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作原理
該系統(tǒng)在原通用轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)上合理加設(shè)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(dāng)轉(zhuǎn)向器分配閥工作(不在中位)時(shí)，控制支路系統(tǒng)產(chǎn)生背壓，操作液控?fù)Q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(jìn)出控制口的流量，即控制液控背壓閥閥芯滑動(dòng)速度。開式減壓閥為系統(tǒng)壓力隨轉(zhuǎn)向橋負(fù)荷上升，當(dāng)高于低壓轉(zhuǎn)向器額定工作壓力時(shí)，使支路(流入轉(zhuǎn)向器)壓力保持恒定，保證轉(zhuǎn)向器壓力不超過工作壓力。三位四通換向閥起轉(zhuǎn)向器分配閥作用，控制方向與轉(zhuǎn)向器分配閥一致。
(1)汽車直線行駛?cè)鐖D2-6所示：轉(zhuǎn)向器分配閥在中位時(shí)，汽車處于直線行駛狀態(tài)，轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)無負(fù)載。根據(jù)液體工作特性，液體經(jīng)過開式減壓閥5直接進(jìn)入轉(zhuǎn)向分配閥8后全部回油箱1，其原因有兩種：一是轉(zhuǎn)向器分配閥8的中位油路接通結(jié)構(gòu)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(gè)支路無節(jié)流。液控背壓閥7、液控?fù)Q向閥8及液壓缸10處于非工作狀態(tài)。
(2)汽車左轉(zhuǎn)向：如圖2-6所示，方向盤向左轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向器分配閥8工作位置移到“平行”位置，壓力油接通到液控?fù)Q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?fù)Q向閥9的閥芯開啟壓力，推動(dòng)閥芯，使液控?fù)Q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(jīng)過液控?fù)Q向閥9進(jìn)入液壓缸10(執(zhí)行元件)。同時(shí)，壓力油經(jīng)過單向節(jié)流閥6進(jìn)入液控背壓閥7的有桿腔，在保證液控?fù)Q向閥9的閥芯徹底移動(dòng)到換向位置的前提下，緩慢推動(dòng)錐閥芯(相對(duì)液控閥的閥芯移動(dòng)速度)至到最大開度，消除壓力油經(jīng)過液控背壓閥7時(shí)產(chǎn)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(zhuǎn)向橋的負(fù)載升壓，當(dāng)壓力升過減壓閥的設(shè)定出口壓力時(shí)，減壓閥開始減壓工作，始終保證轉(zhuǎn)向器分配閥壓力恒定，不超載，大大提高了轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向分配閥 9液控?fù)Q向閥 10液壓缸
圖2-6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作原理
(3)汽車右轉(zhuǎn)向：方向盤向右轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向器分配閥8工作位置移到“交叉”位置，壓力油進(jìn)入液控?fù)Q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?fù)Q向閥9的閥芯開啟壓力，推動(dòng)閥芯，使液控?fù)Q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(zhuǎn)向完全相同。左右轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)換工作過程關(guān)鍵特性：汽車在左右轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)換過程中轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向位置的瞬時(shí)，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(guān)閉，使支路建壓，迅速控制液控?fù)Q向閥工作。
2.5小結(jié)
本章節(jié)主要對(duì)本課題的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案進(jìn)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。
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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
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.
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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(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原路介紹
Karim Nice 著
顯而易見，當(dāng)你坐在車?yán)镛D(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)。車輪會(huì)跟著運(yùn)動(dòng)。像一對(duì)因果關(guān)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(yùn)動(dòng)才構(gòu)成了我們以上看的原因和結(jié)果。
在這篇文章中，我們將看到兩種最常見的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是如何工作的：齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。然后我們會(huì)研究一下動(dòng)力轉(zhuǎn)向并發(fā)現(xiàn)些令人欣喜的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)未來發(fā)展動(dòng)向，其中大部分是由提高汽車燃油效率驅(qū)使產(chǎn)生的。但是首先，讓我們看看你想讓一輛汽車轉(zhuǎn)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(dāng)說到汽車行駛的關(guān)鍵系統(tǒng)時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)當(dāng)然地成為和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，制動(dòng)系統(tǒng)處于同樣重要的地位。這個(gè)至關(guān)重要的部分內(nèi)部的工作過程也是相當(dāng)激動(dòng)人心的。
汽車的轉(zhuǎn)向
當(dāng)你控制汽車轉(zhuǎn)彎的時(shí)候你車的前輪并沒有只指向同一個(gè)方向，在了解到這些的時(shí)候你可能會(huì)很奇怪。
要想讓汽車轉(zhuǎn)向平順，每個(gè)車輪就必須沿著不同的軌跡運(yùn)動(dòng)。因?yàn)閮?nèi)側(cè)輪胎是沿著較小半徑的圓周軌跡運(yùn)動(dòng)的。如果沿著每個(gè)車輪做一條垂直線，這些線會(huì)相交于轉(zhuǎn)向軌跡的中心點(diǎn)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)裝置的幾何學(xué)特性使得內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)向角度比外側(cè)車輪大些。
通常是有好幾種不同類型的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器
齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器迅速成為轎車，小型卡車以及多功能越野車轉(zhuǎn)向器中最普遍的型式。
它確實(shí)是一種比較簡單的機(jī)構(gòu)。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(zhuǎn)向拉桿，分別連在管架的末端。
齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的齒輪是連在轉(zhuǎn)向軸上的。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)齒條移動(dòng)。齒條末端的橫拉桿連接于轉(zhuǎn)向節(jié)上的轉(zhuǎn)向臂上。
齒輪齒條轉(zhuǎn)系機(jī)構(gòu)做完成兩件事：
它將方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)動(dòng)車輪所需要的直線運(yùn)動(dòng)。
在大多數(shù)汽車上，一般需要轉(zhuǎn)動(dòng)三到四圈方向盤才能使車輪從左止點(diǎn)到右止點(diǎn)。
轉(zhuǎn)向系傳動(dòng)比是指轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤角度和車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度的比率。具體說就是，如果轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤一周車輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)二十度，實(shí)際上轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比是360除以20，也就是18：1。跟高的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比意味著你需要更大的方向盤轉(zhuǎn)角才能達(dá)到同樣的車輪轉(zhuǎn)角。當(dāng)然，高傳動(dòng)比也意味著更小的力量。
大體說來，質(zhì)量小，更為運(yùn)動(dòng)型的汽車相比大型轎車和卡車擁有更小的轉(zhuǎn)向比。小傳動(dòng)比意味著更快的轉(zhuǎn)向反應(yīng)--你無需再費(fèi)力的轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤才能達(dá)到指定的車輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向比，因?yàn)樵谫|(zhì)量上足夠輕，轉(zhuǎn)動(dòng)車輪所需的轉(zhuǎn)向力并沒超過要求。
一部分汽車使用可變轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎后能迅速做出反應(yīng)（齒條在中間位置附近），同時(shí)也降低了轉(zhuǎn)向力限制位置時(shí)的轉(zhuǎn)向力。
動(dòng)力齒輪齒條轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
當(dāng)齒輪齒條在動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中時(shí)，齒條的設(shè)計(jì)略有不同。
齒條中間位置包含有一個(gè)氣缸與活塞。活塞連接到齒條上。在活塞兩端各有一個(gè)液壓缸。在活塞的一端提供高壓油液以推動(dòng)活塞移動(dòng)，繼而推動(dòng)齒條移動(dòng)，提供轉(zhuǎn)向助力。?在接下來的段落里，我們將詳細(xì)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(zhuǎn)向器。
循環(huán)球轉(zhuǎn)向
現(xiàn)在循許多卡車和SUV使用的是循環(huán)球轉(zhuǎn)向器。它使車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)裝置與齒輪齒條轉(zhuǎn)向系統(tǒng)略有不同。
循環(huán)球轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)內(nèi)包含有一個(gè)蝸輪。您可以把這個(gè)齒輪想象成兩部分。第一部分是一塊帶有內(nèi)螺紋孔的金屬塊。這個(gè)金屬塊外側(cè)有切好的齒形，齒形是專門用來嚙合一個(gè)使轉(zhuǎn)向拉桿移動(dòng)的齒輪。方向盤連接到螺紋桿上，類似于一個(gè)連接到金屬塊上的螺桿。當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)它推動(dòng)螺桿運(yùn)動(dòng)。與一般的螺桿隨著旋入螺母的加深不同，這種螺桿在旋轉(zhuǎn)時(shí)是固定不動(dòng)的，并推動(dòng)螺母移動(dòng)，螺母使嚙合的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)最終轉(zhuǎn)動(dòng)車輪。
與螺桿直接嚙合轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能繞著螺紋圓周轉(zhuǎn)動(dòng)的鋼球。鋼球?qū)嶋H上兩個(gè)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(dāng)改變向方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向的時(shí)候你就會(huì)感覺間隙，轉(zhuǎn)向時(shí)好像感覺不到鋼球，齒型將脫離彼此接觸了一會(huì)兒，使方向盤感覺松曠。?
動(dòng)力轉(zhuǎn)向的循環(huán)球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)向螺母的一側(cè)產(chǎn)生的。?
現(xiàn)在讓我們來看看動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的其他組成部分。
動(dòng)力轉(zhuǎn)向
無論循環(huán)球轉(zhuǎn)向器還是齒輪齒條轉(zhuǎn)向器的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中都有幾個(gè)重要組成部分。
泵
液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向是由旋轉(zhuǎn)葉片泵提供的（如下圖） 。這種泵的動(dòng)力是汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶和帶輪驅(qū)動(dòng)的。它包含了一套可移動(dòng)的葉片，附帶一個(gè)橢圓形的內(nèi)腔。
隨著葉片旋轉(zhuǎn)，葉片從回油道中吸進(jìn)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(zhuǎn)速。該泵的設(shè)計(jì)必須使發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)也能提供充足的液體。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)以更高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)該泵產(chǎn)生的高壓油液超過正常需要。
泵包含一個(gè)壓力安全閥，以確保壓力不會(huì)太高，尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高時(shí)，產(chǎn)生大量的高壓油液。
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