转向系统开发手册

转向系统设计与开发

序言

转向系统在底盘系统中占据着非常重要的地位，涉及了操纵稳定性，NVH性能，造型和人机工程学等多个领域。国内外涉及转向系统零部件开发和系统集成的书籍不多，而且讲解不够全面。为了提升转向系统的设计开发能力，积累案例和经验。因此，科室基于在吉利汽车各项目中转向系统设计和开发过程中，对设计，试验，调试和开发流程进行总结；并借鉴了国内外零部件和OEM的设计和开发经验，组织科室工程师编著此书。

转向系统主要分为HPS（液压助力转向系统）和EPS（电动助力转向系统）两种形式，本书分别对这两种转向系统进行了详细的研究。首先阐述了转向系统的结构、工作原理及设计准则，然后将系统目标分解到零部件级别。研究内容包括：1.概述；2.结构工作原理；3.设计准则；4.技术标准；5.试验标准及设备。从理论计算分析到实际开发的具体指标要求，涵盖了大量的公式、图表和数据，最终通过设计出合格的零部件来达到转向系统的要求。

本书在选择典型实例时，基本采用吉利产品研发中的实例，同时对标行业优秀产品，具有代表性和实际价值。

由于电子技术在汽车上应用的快速发展，本手册在转向系统的发展趋势和新技术方面也做了相应的介绍，包括可变传动比、线控转向、车道保持辅助、自动泊车、主动转向等一系列新技术。除新技术外，本手册还从开发流程和性能开发两个方面分别对转向系统的开发体系进行了详细阐述。

手册的附录包含：设计问题汇总，国内外零部件和OEM的设计资料清单有利于工程师在产品开发时有依可循，对曾经出现过的问题进行规避。

本书名词术语和计量单位符合行业通用标准，并且做到了文字准确、简练、流程，图表正确，文图配合恰当，内容阐述条理清晰，循序渐进，理论与实践兼备，适合转向系统工程师学习。

承蒙吉利研究院底盘开发部各科室的大力支持和帮助，并提供了有关图纸和资料，谨此致谢。

编者

2014年1月

第一章液压助力转向系统

1.1 基本理论

1.1.1概述

转向系统通过转向盘及相关的转向传动、执行机构来控制转向轮绕主销转动，从而实现汽车的转向，这就是汽车最基本的转向功能。其次是凭借转向盘的力的反馈，将整车及轮胎的运动、受力状况反馈给驾驶员，这就是我们通常所说的路感。这种反馈也是驾驶员感觉、检测车辆运动状态的重要途径之一，是评价车辆操控性能的评价指标之一。这里所说的方向盘反馈给驾驶员的力与驾驶员施加给方向盘的力是一对作用力与反作用力，它们大小相等，方向相反。过于追求转向力的轻便必定会以牺牲部分路感为代价的。

1.1.2结构及工作原理

1) 结构

液压助力转向系统结构见图1.1，包括动力转向器带横拉杆总成，动力转向油泵，动力转向油壶，动力转向高低压油管，转向管柱及中间轴总成等。

图1.1 转向系统结构简图

2) 工作原理

发动机带动动力转向油泵运转，油泵从油壶中吸取转向液并在运转的过程中排入动力转向高压油管，从而进入转向器阀体。当方向盘不转动，油液将直接流出转向器阀体，流入动力转向低压油管，最后进入动力转向油壶，从而形成循环。当方向盘向右转动时，转阀打开，油液从转向器的左侧油管进入油缸推动活塞向右侧运动，右侧油缸的油液右侧油缸流出从右侧油管流入转阀，经由动力转向低压油管进入转向油壶。

1.1.3 设计准则

1、转向梯形断开点定义

在汽车转向杆系与悬架的匹配设计中主要考虑：①使内外轮有足够大的转角来达到整车最小转弯半径的要求；②当车轮上、下跳动（悬架压缩，伸张）时由转向杆系与悬架的运动干涉所引起的车轮前束角变化尽可能小；③汽车转向行驶、车身发生侧倾时，由上述两种机构运动干涉所引起的侧倾转向角（车轮前束角变化）尽

可能小或有利于不足转向；④由悬架中橡胶元件的受力变形所引起的车轮前后移动要尽可能不引起前束角的变化。

所以，整车转向器横拉杆断开点的设计，需要考虑的几个主要因素：①悬架垂直载荷与车轮跳动之间的关系；②轮跳动与弹簧的压缩比之间的关系；③轮跳动与减震器的行程比（实际行程与总行程的比例）之间的关系；④车轮跳动与前束角的变化之间的关系；⑤车轮跳动与前轮距的变化之间的关系；⑥车轮跳动与外倾角的变化之间的关系；⑦车轮跳动与整车翻滚中心高度之间的关系；⑧横向载荷与外倾角变化之间的关系；⑨横向载荷与轮距（接地点）变化之间的关系；⑩驱动力与前束角变化之间的关系；○11驱动力与轮距（车轮中心）变化之间的关系；○12制动力与前束角变化之间的关系，见表1.1。

表1.1 转向器横拉杆断开点的关键参数

1) 平面画图法

在汽车采用麦弗逊独立悬架情况下，前轮上下轮跳时，E和G点之间的距离要发生变化。因此，要采用不同的方法确定转向连杆断开点的位置。

在转向节臂铰点U点在主销轴线外侧、并且略高于悬架下摆臂与转向节的铰点G。在这个系统中确定断开点T的步骤如下，见图1.2。

(1) 确定转向节的运动瞬时中心P1。转向节在E点的绝对速度就是沿着减振器轴线的相对速度，因为在这一点的牵连速度（由减振器轴线绕E点转动引起）为零，所以转向节在E点的瞬时运动中心位于过E点所做的

与减振器轴线相垂直的直线EP1上。悬架控制臂轴线GD的延长线与EP1相交于P1点，其就是转向节的瞬时运动中心。

(2) 确定P2点。过G点做直线EP1的平行线GP2，与其与E，D连线的延长线交于P2点。

(3) 去定角alpha。U点式转向节臂与转向横拉杆的铰点。转向横拉杆应该位于U，P1点的连线上。直线EP1与直线UP1之间的夹角为alpha。

(4) 确定P3点。过P1做一条直线P1P3，使其余直线P1P2的夹角为alpha；P1P3与U、G连线的延长线交于P3。

(5) 确定断开点T，P3、D点连线的延长线与直线P1U交于T，它就是转向拉杆的断开点。

图1.2 转向拉杆内断开点确定方式

如果转向节铰点U在主销轴线内侧，并且比较高。而U点位置越高并且其越靠近内侧，则将获得越长的转向连杆UT，这将导致采用中央输出式齿轮齿条转向器。

图1.3 前束角随前轮上下跳动的变化特性

图1.3中给出三辆前轮驱动汽车的左前轮的前束角随车轮上下跳动的变化曲线（测量结果）。其中具有特性曲线1、2的汽车采用的基本上是按照前束方法确定的转向连杆断开点，其特点是在设计位置附近前束角随车轮上下跳动而变化的斜率基本上是零，而且在整个车轮跳动范围内前束角的变化比较小（最大变化量一般不超过1°）。特性曲线3不同，在其设计位置的前束角变化斜率为一个负值，即随着车轮上跳前束角减小。而在汽车向右转向行驶时，左前轮为外侧车轮，由于车身侧倾，其相对于车身向上跳动，前束角减小有利于不足转向。如图1.4，需要把断开点T2布置在理想断开点T以上就可以获得曲线3那样的前束变化特性，及当车轮上跳时，U点就会被推向外侧，引起车轮的前束角变化。当然，如果定量评价侧倾不足转向。