第十章 转向系

第10章转向系
本章教学目标：
了解和掌握汽车转向系的结构类型及转向工作过程；三种机械转向器的结构特点；转向操纵机构的组成及工作过程；转向传动机构的组成及工作过程；动力转向系的组成及类型；液压动力转向系的组成及工作原理；动力转向器的构造及其工作过程；转向油罐和转向泵的结构及工作原理；电控转向结构原理。

本章主要内容：
1. 转向系的结构类型及转向工作过程
2. 三种机械转向器的结构特点
3. 转向操纵机构的组成及工作过程
4. 转向传动机构的组成及工作过程
5. 动力转向系的组成及类型
6. 液压动力转向系的组成及工作原理
教学重点：齿轮齿条式转向器的结构特点；循环球式转向器的结构特点；液压动力转向系的组成及工作原理。

教学难点：循环球式转向器的结构特点；动力转向系的组成及类型。

教学方法及手段：多媒体
教学学时：
思考题：
1．何谓汽车转向系？机械转向系由哪几部分组成，画简图说明。

2．什么是转向盘的自由行程？它的大小对汽车转向操纵有什么影响？
3．叙述三种机械转向器的结构及其特点。

4．目前生产的一些新车型的转向操纵机构中，为什么采用了万向传动装置?
5．转向传动机构的功用是什么?
6．简述动力转向系的组成及类型。

7．简述液压动力转向系的组成及工作原理。

8．简述整体式动力转向器的结构组成。

9．简述液压动力转向器的结构类型及其各自特点。

10.1转向系的组成及分类
一、转向系概述
汽车通过传动系和行驶系，将发动机的动力转变为汽车行驶的驱动力，使汽车产生运动。

汽车在行驶中，经常需要改变行驶方向。

汽车上用来改变汽车行驶方向的机构称为汽车转向系。

1、转向系的功用及组成
汽车行驶方向的改变是由驾驶员通过操纵转向系来改变转向轮（一般是前轮）的偏转角度实现的。

转向系不仅可以改变汽车的行驶方向，使其按驾驶员规定的方向行驶，而且还可以克服由于路面侧向干扰力使车轮自行产生的转向，恢复汽车原来的行驶方向。

汽车转向系一般由转向操纵机构、转向器、转向传动机构三部分组成，但随着转向系的类型不同，其结构组成又有所差异。

2、转向系的类型
汽车转向系根据其转向能源的不同，可以分为机械转向系和动力转向系两大类型
（1）机械转向系
以驾驶员的体力作为转向能源，又称为人力转向系。

机械转向系一般由三部分组成，即转向操纵机构、转向器和转向传动机构
机械转向系结构分析：
1）转向操纵机构：驾驶员操纵转向器工作的机构，包括转向盘、转向轴等机件。

2）转向器：转向轴下端的蜗杆与扇形齿轮构成转向器。

转向器是一个减速增矩机构，经转向器放大的力矩传给转向传动机构。

3）转向传动机构：转向直拉杆、转向节臂、向横拉杆、左右梯形臂等机件构成。

前轴的两端和转向节由主销铰接在一起，转向节上连有左右梯形臂，两臂铰接在转向横拉杆上。

其中梯形臂及横向拉杆作用是：与前轴构成转向梯形，保证左、右转向轮按一定规律偏转。

转向原理及工作特点：
1）当—个转向节转动时，另一个转向节也随着变位，使汽车实现转向。

2）两个车轮转动的角度不同，因为前轴、转向横拉杆、左右梯形臂及所形成的四边形不是矩形而是梯形。

3）机械转向系是以人的体力作为转向动力，其中所有传力件都是机械的。

4）我国规定汽车转向盘必须在左侧。

（2）动力转向系
1）结构组成
动力转向系兼用驾驶员的体力和发动机动力作为转向能源，并且以发动机动力作为主要能源。

·动力转向系是在机械转向系基础上加设一套转向加力装置而成的。

转向加力装置包括转向油罐、转向油泵、转向控制阀和转向动力缸等。

转向油泵由发动机驱动，以产生高压油液。

2）转向工作过程
当驾驶员逆时针方向转动转向盘时，转向摇臂将拉动转向直拉杆向前运动。

转向直拉杆的拉力作用在转向节臂上，使左侧转向节及左侧转向轮绕主销向左偏转一个角度，同时通过梯形臂和转向横拉杆使另一侧转向节与转向轮绕该侧转向主销偏转一定的角度，这时汽车将向左转向。

与此同时，转向直拉杆还带动了转向控制阀中的滑阀移动，使转向动力缸的右腔接通转向油泵的出油口，右腔通过转向控制阀与转向油罐接通，转向动力缸的活塞所受的向右的液压作用力便经其推杆也作用在转向横拉杆上。

由于液压作用力较大，便在很大程度上减轻了驾驶员的操纵力。

10.2 转向器
1、转向器的传动效率和转向盘自由行程
（1）传动效率：转向器的输出功率与输入功率之比，称为转向器传动效率。

当作用力从转向盘传到转向摇臂时称为正向传动；反之，转动摇臂受到的道路冲击力传到转向盘，称为逆向传动。

作用力在转向盘和转向摇臂之间传递都很容易的转向器叫可逆式转向器，有利于转向后的车轮自动回正，也容易出现“打手‘现象。

当作用力由转向盘很容易传到转向摇臂，而转向摇臂受到的冲击只有在很大时才能传到转向盘上，这种转向器称为极限可逆式转向器，这种转向器，驾驶员有一定路感，可实现自动回正。

·在良好路面行驶的车辆采用可逆式转向器，中型以上的越野车、工矿自卸车多采用极限可逆式转向器。

（2）转向盘自由行程
在整个转向系中，各传动件之间都必然存在着装配间隙，而且这些间隙将随着零件的磨损而增大．这一阶段是转向盘空转阶段。

转向盘在空转阶段中的角行程，称为转向盘自由行程。

转向盘存在自由行程—有利于缓和路面冲击及避免驾驶员紧张。

一般自由行程不大于100---150，自由行程可通过机件的啮合的间隙实现。

2、循环球式转向器
1）结构组成
具有两个传动副，一套是螺杆螺母传动副，另一套是
齿条齿扇传动副或滑块曲柄销传动副。

转向螺母松套在螺杆上，两者配合构成圆形截面的螺
旋形通道。

螺母侧面有两对通孔，与螺母外的钢球导管构成两条
管状的封闭循环通道，实现螺杆和螺母间的滚动摩擦。

2）工作过程
转动转向螺杆时，通过钢球见力传给螺母，螺母沿轴线移动。

在摩擦力作用下，所有钢球在螺母与螺杆之间形成“球流”。

钢球在螺母内绕行两周后，流出螺母进入导管，再由导管流回螺母通道，两列钢球在
各自的封闭通道内循环
螺母外表面有等齿厚齿条，与其啮合的是变齿厚的齿扇。

转动螺杆、螺母随之轴向移动，通过齿条、齿扇使转向摇臂转动。

3）啮合间隙调整装置
利用调整螺钉实现，螺钉旋入，则啮合齿间隙减小，反之增大。

4）传动副的传动特点
正传动效率高，操纵轻便，使用寿命长。

逆效率也高，有“打手”现象。

3、齿轮齿条式转向器
1）结构
传动副为齿轮、齿条。

转向齿轮连接转向轴的安全联轴节。

齿条水平布置。

齿条被弹簧和压块压在齿轮上，保证无间隙啮合，弹簧
弹力可调。

转向减振器用来减小转向轮的摆
动。

安全联轴节功用是受较大冲击力时
联轴节脱开，防止驾驶员被挤伤。

2）工作过程
转向时，驾驶员转动转向盘，通过转向轴、安全联轴节带动转向齿轮转动，齿轮使得齿条轴向移动，带动拉杆移动，使车轮偏转，实现转向。

3）特点
结构简单，间隙自调整能力，转向传动机构简化，在独立悬架的轻型及微型轿车上广泛采用
4、蜗杆曲柄指销式转向器
1）结构
蜗杆曲柄指销式转向器的传动副以转向
蜗杆为主动件，装在摇臂轴嘟的指销为从动
件。

2）工作过程
转向蜗杆转动时，与之啮合的指销即绕
转向播臂轴轴线沿圆弧运动，并带动转向摇
臂轴转动。

3）工作特点
采用双指销不但可使播臂轴转角范围加大，而且由于直线行驶及修正行驶方向时两指
销均与转向蜗杆啮合，因而使指销受力小、寿命长。

指销装在滚动轴承上可以大大提高转向器的传动效率。

10.3 转向操纵机构
1、转向操纵机构的组成和布置
汽车转向操纵机构主要由转向盘、转向轴以及转向管柱等机件组成。

有些转向系考虑车架变形的影响，在转向操纵机构中增加了一个挠性万向节。

还有一些转向系，由于总布置的要求，转向盘与转向器的轴线相交成一定的角度，在结构中采用了万向节和传动轴。

由于在发生车祸时，对驾驶员造成主要威胁的是转向盘及转向柱管等，所以人们在设计转向操纵机构时，增加了安全措施。

如采用安全转向柱、安全联轴节及能量吸收装置等。

2、转向盘
转向盘由轮缘，轮辐和轮毂组成。

轮辐一般为三根辐条或四根辐条，也有用两根辐条的。

转向盘轮毂孔具有细牙内花键，借此与转向轴连接。

转向盘内部是由成形的金属骨架构成。

骨架外面一般包有柔软的合成橡胶或树脂，电有包皮革的，这样可有良好的手感，而且还可防止手心出汗时握转向盘打滑。

当汽车发生碰撞时，从安全性考虑，不仅要求转向盘应具有柔软的外表皮，可起缓冲作用，而且还要求转向盘在撞车时，其骨架能产生变形，以吸收冲击能量，减轻驾驶员受伤的程度。

转向盘上都装有喇叭按钮，有些轿车的转向盘上还装有车速控制开关和撞车时保护驾驶员的气囊装置。

3、转向轴和转向柱管的吸能装置
（1）转向轴和转向柱管
转向轴是连接转向盘和转向器的传动件，并传递它们之间的转矩。

转向柱管安装在车身上，支承着转向盘。

转向轴从转向柱管中穿过，支承在柱管内的轴承和衬套上。

转向轴多用无缝钢管制成，它的上部用轴承或衬套支承在转向管柱内，下部支承在下固定支架内的轴承中，轴承下端装有弹簧，可自动消除转向管柱与转向轴之间的轴向间隙。

下端与转向万向节相连。

转向管柱的下端压装在下固定支架的孔内。

下固定支架用两个螺栓固定在驾驶室底板上。

转向管柱上端通过上支架固定在驾驶室前围仪表板上。

（2）安全装置
转向轴和转向柱管的吸能装置有多种形式。

其基本结构原理是，当转向轴受到巨大冲击时，转向轴便产生轴向位移，使支架或某些支承件产生塑性变形，从而吸收冲击能量。

1）结构
转向轴分为上、下两段，中间用柔性联轴器连接。

联轴器的上、下凸缘盘靠两个销子
与销孔扣合在一起。

销子通过衬套与销孔配合。

2）工作原理
当发生猛烈撞车时，将引起车身、车架产生严重变形，导致转向轴、转向盘等部件后移。

与此同时，在惯性作用下驾驶员人体向前冲，致使转向轴上的上、下凸缘盘的销子与销孔脱开，从而缓和了冲击，吸收了冲击能量，有效地减轻了驾驶员受伤的程度。

10.4 转向传动机构
1、功用
1）将转向器输出的力传给转向轮，且使二转向轮偏转角按一定的关系变化，以实现汽车顺利转向
2）转向传动机构除传力外，还要承受冲击和振动。

设有减振缓冲装置，并能自动消除磨损后的间隙。

为避免发生运动干涉，采用球铰链连接
2、转向传动机构的一般组成
主要由转向直拉杆、转向节臂、向横拉杆、左右梯形臂等机件构成。

前轴的两端和转向节由主销铰接在一起，转向节上连有左右梯形臂，两臂铰接在转向横拉杆上。

当—个转向节转动时，另一个转向节也随着变位，使汽车实现转向。

但两个车轮转动的角度不同，因为前轴、转向横拉杆、左右梯形臂及所形成的四边形不是矩形而是梯形
3、转向传动机构的组成与布置
·转向传动机构的组成与布置形式取决于转向器的位置和转向轮悬架的类型
（1）与非独立悬架配用的转向传动机构
1）结构组成
与非独立悬架配用的转向传动机构包括由转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂和由转向横拉杆与两个梯形臂组成的转向梯形机构。

①转向摇臂
它是转向器传动副与直拉杆间的传动件。

东风EQl090E型汽车的转向摇臂的大端用锥形三角细花键与转向器中摇臂轴的外端连接；其小端带有球头销，以便与转向直拉杆作空间铰链连接。

②转向直拉杆
转向直拉杆是转向摇臂与转向节臂之间的传动杆件。

为了不发生运动干涉，三者间的连接件都是球形铰链。

③转向横拉杆
它是转向梯形机构的底边。

转向横拉杆由横拉杆体和装在两端的横拉杆接头组成，两端的接头结构相同，其中，球头销的尾部与梯形臂相连。

弹簧保证两球头座与球头紧密接触，并起缓冲作用，其预紧力由螺塞调整。

两接头借螺纹与横拉杆体联接。

接头螺纹部分有切口，故具有弹性。

接头装到横拉杆
体上后，用夹紧螺栓夹紧。

横拉杆体两端的螺纹，一为右旋，一为左旋。

因此，在旋松夹紧螺栓以后，转动横拉杆体，即可改变转向横拉杆的总长度，从而可调整转向轮前束。

（2）布置形式
1）后置式
前桥仅为转向桥，将转向梯形布置在前桥之后，如：CAl091。

2）前置式
在发动机位置较低或转向桥兼为驱动桥的情况下，为避免运动干涉，通常将转向梯形机构布置在前桥之前。

3）转向直拉杆横置
借助球头销直接带动转向横拉杆，从而推使两侧梯形臂转动。

如：北京BJ2020N型越野汽车
（2）与独立悬架配用的转向传动机构
采用独立式悬架的转向轮可以相对于车架单独运动，因而其转向桥必须是断开式的转向传动机构中的转向梯形也必须分成两段或三段。

转向摇臂干行于路面的平面上摆动，直接带动或通过转向直拉杆带动转向梯形运动。

10.5 动力转向系统
一、动力转向系概述
1、动力转向系的功用及应用
1）应用
在转向阻力很大的汽车上，采用动力转向装
置。

2）转向能源
动力转向的能量只有一小部分是驾驶员提供
的，大部分是发动机驱动转向油泵旋转，将发动机
输出的部分机械能转化为压力能。

3）功用
压力能在驾驶员控制下，对传动装置施加随动渐进压力，实现转向。

2、动力转向的分类
（1)按动力能源分
1）液压式以液压为动力源，目前广泛应用。

液压动力转向系的工作压力可高达10MPa以上，故其部件尺寸很小。

液压系统工作时无噪声，工作滞后时间短，而且能吸收来自不平路面的冲击。

2）气压式以压缩空气为动力源，仅限于重型且采用气压制动的汽车
主要应用于一部分其前轴最大轴载质量为3～7t并采用气压制动系统的货车和客车。

装载质量特大的货车也不宜采用气压转向加力装置，因为气压系统的工作压力较低(一般不高于0．7MPa)，用于这种重型汽车上时，其部件尺寸将过于庞大。

（2)按动力缸、控制阀及转向器的相对位置分
1）整体式其机械转向器和动力缸设计成一体，并与转向控制阀组装在一起。

2）半整体式其转向控制阀同机械转向器组合成一体，而转向动力缸则作为一个独立的部件。

3）转向加力器其机械转向器独立，而将转向控制阀和转向动力缸组合成一体。

3、动力转向系的基本结构组成和工作原理
1）结构组成
在机械转向系统的基础上加设一套转向加力装置而形成。

转向加力装置是由机械转向器、转向动力缸和转向控制阀三大部分组成。

2）液压动力转向系的工作过程
当驾驶员逆时针方向转向时，转向摇臂将拉动转向直拉杆向前运动。

转向直拉杆的拉力作用下实现机械转向，这时汽车将向左转向．
与此同时，转向直拉杆还带动了转向控制阀中的滑阀移动，使转向动力缸的右腔接通转向油泵的出油口，右腔通过转向控制阀与转向油罐接通，转向动力缸的活塞所受的向右的液压作用力便经其推杆也作用在转向横拉杆上。

由于液压作用力较大，便在很大程度上减轻了驾驶员的操纵力
二、液压动力转向系组成和工作原理
液压动力转向系分常压式和常流式两种。

1、常压式液压动力转向系
1）结构
由转向油缸、转向油泵、储能器、转向动力缸、转向控制阀和机械转向器组成。

2）工作过程
转向油泵在发动机带动下运转，输出的压力油充入储能器。

当储能器压力达到规定值时，油泵自动卸荷空转。

转向控制阀常处于关闭状态，当驾驶员转动转向盘时，机械转向器通过转向摇臂等杆件推动转向控制阀进入开启位置，储能器中的压力油流入转向动力缸，通过动力缸推杆输出的液压作用力作用在转向传动机构上。

转向盘一停止转动，转向控制阀随即回到关闭位置。

综上所述，无论转向盘处于什么位置，无论运动还是静止，液压系统工作管路中总是保持高压。

2、常流式液压动力转向系
（1）结构
主要由转向油罐、转向油泵、安全阀、流量控制阀、单向阀、转向控制阀、机械转向
器和转向压力缸组成。

1）转向控制阀：有滑阀式和转阀式两种
滑阀式：阀体沿轴向移动来控制油液流量的转向控制阀
转阀式：阀体绕其圆心转动来控制油液流量转向控制阀
2）安全阀限制油泵输出的最大压力。

3）流量控制阀：用以限定转向油泵的最大流量，流量控制阀和安全阀一般制作在油泵内。

4）单向阀：在加力装置正常的情况下关闭。

在加力装置失效时开启，使油罐中的油液流入动力腔的吸油侧，也叫短路阀。

（2）工作过程
转向控制阀经常处于开启位置。

转向动力缸的活塞两端工作腔均与低压回油管路相通而不起作用，转向油泵输出的油液流入转向控制阀后又流回转向油罐，回流阻力很小，所以油泵输出压力很低，处于空转状态。

当驾驶员转动转向盘时，机械转向器使转向控制阀处于工作位置，转向动力缸的相应工作腔与回油路隔绝，转而与油泵输出管路相通，动力腔另一侧仍然与回油管路相通。

转向阻力大于油管压力，油泵输出的油压迅速升高，直到推动转向动力缸活塞为止。

转向盘停止转动，转向控制阀随即回到中立位置。

3、两种转向加力装置比较
1）常压式优点
储能器积蓄压力能，可以用小流量的油泵，而且可以在油泵不运转的情况下保持一定的转向加力能力，这一点对重型汽车很重要。

2）常流式优点
结构比较简单、油泵寿命长，泄漏少，消耗功率也较小。

目前常压式应用很少，常流式广泛应用于各型汽车。

4、常流式转向加力装置的结构布置方案
按机械转向器、转向控制阀和转向动力缸三者的组合及相对位置，可有如下三种布置方案。

（1）整体式
机械转向器和转向动力缸设计成一体，并与转向控制阀组装在一起。

（2）半整体式
将转向控制阀同机械转向器组合成一个部件，而动力缸则作为独立件。

（3）转向加力器
机械转向器作为独立件，而控制阀和动力缸组合成一个部件。

三、动力转向器
1、类型：
按机械转向器、转向控制阀和转向动力缸三者的组合及相对位置，可有如下三种动力转向器
（1）整体式
机械转向器和转向动力缸设计成一体，并与转向控制阀组装在一起。

动力缸、控制阀、转向器合为一体时称为整体式动力转向器。

（2）半整体式
将转向控制阀同机械转向器组合成一个部件，该部件称为半整体式动力转向器。

而动力缸则作为独立件。

（3）转向加力器
机械转向器作为独立件。

控制阀和动力缸组合成一个部件，称为转向加力器。

2、动力转向器的结构及其工作原理（以整体式动力转向器为例）
1）动力转向器的组成结构
目前，国产轿车上几乎毫无例外地采用了转阀式的整体动力转向器。

如：汽生产的红旗CA7220型、一汽大众生产的奥迪、捷达以及神龙汽车有限公司牛产的富康等轿车，皆为这种结构形式。

采用的带整体式动力转向器，机械转向器、转向动力缸和控制阀设计成一体，组成整体式动力转向器。

其控制阀为滑阀或转阀。

转向动力缸活塞与机械转向器制成一体。

活塞将转向动力缸分左右两腔。

转向控制阀组装在机械转向器的下端，转向轴转动控制转向控制阀的工作状态。

2）工作原理（以奥迪轿车为例）
叶轮泵由发动机驱动，转向控制阀装在转向柱下端，齿条右端装有动力缸，缸分成两个工作压力室。

储油罐通过吸管连接叶轮泵，通过回油管连接控制阀。

压力管从控制阀通往叶轮泵。

不转向时，控制阀保持开启状态，动力缸活塞两边的工作腔与低压回油管相通而不起作用。

叶轮泵输出的油液经控制阀流回储油罐。

因转向压力和流量限制阀的节流阻力很小，故叶轮泵输出油的压力也很低，叶轮泵实际上处于空转状态。

转向时，驾驶员转动转向盘，带动转向轴和齿轮，使分配阀处于与某一转弯方向相应的工作位置时，转向动力缸中相应的工作腔与回油管路断开，与叶轮泵输出管路相通，另一腔仍通回油管路。

地面转向阻力经横拉杆传到制有齿条的活塞杆上，形成比转向控制阀节流阻力高得多的管路阻力。

于是叶轮泵输出压力急剧升高。

高压液体通过控制阀进入动力缸活塞的一边，推动活塞，进而推动齿条起加力作用。

转向角度愈大，转向力愈大，活塞移动行程就愈长，产生的压力也就愈高，由此产生的转向加力也愈大。

转向盘停止转动时，控制阀随即回复到中间位置，使动力缸停止工作。

奥迪轿车装用的整体式动力转向器，结构简单；由于只在转向时工作管路中高压，所以叶轮泵的寿命较长，漏油较少；消耗发动机功率也较小。

4、转阀的结构及工作原理
1）结构
阀体绕其圆心转动来控制油液流量的转向控制阀，称为转阀式转向控制阀。

转阀具有四个互相连通的进油道，出油通道分别与动力缸的左、右腔连通。

当阀体顺时针转过一个很小的角度时，从液压泵来的压力油经通道流入四个通道，继而进入动力缸的一个腔内．另外四个通道的进油被隔断，压力油不能进入，因而动力缸另一腔的低压油，在活塞推动下经回油遭流回储油罐。

2）工作原理
汽车直线行驶时，阀芯与阀套的位置关系如图中所示。

自油泵来的液压油经阀芯与阀套间的间隙，流向动力缸两端，动力缸两端油压相等。

驾驶员转动方向盘时，阀芯与阀套相对位置发生改变，使得大部分或全部来自泵的液压油流入动力缸某一端，而另一端与回油管路接通，动力缸促进汽车左传或右转。

四、转向油罐与转向油泵
1、转向油罐
1）作用
贮存、滤清并冷却液压转向加力装置的工作油液。

转向油罐一般单独安装，但也有直接装在转向油泵上。

2）构造
中心油管接头座专门用以装接转向控制阀的回油管路。

另外两个油管接头座则分别装接转向油泵的进油管和半整体动力转向器的漏泄回油管路。

滤芯套装在中心螺柱上。

3）转向油罐的工作过程
由转向控制阀和转向动力缸流回来的油液通过中心油管接头座的径向油孔流入滤芯内部空腔，经滤清后进入贮液腔，准备供入转向油泵。

滤芯弹簧的预紧力不大，故当滤芯堵塞而回油压力略有增高时，滤芯便在液压作用下升起，让油液不经过滤清便进入贮液腔，以免油泵进油不足。

滤网片用以防止油液乳化。

2、转向油泵
（1）功用
转向油泵是液压转向的能源，作用是将输入的机械能转换为液压能输出。

（2）油泵的驱动
在转向油泵只受发动机驱动的情况下，一旦发动机停止运转，油泵即无压力油输出。

对重型汽车而言，是极为不利的。