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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(wèn)題的提出
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)連續(xù)多年的高速發(fā)展，尤其是國(guó)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(lái)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(chǎng)為2.85萬(wàn)輛，中型卡車市場(chǎng)為17.5萬(wàn)輛，大型卡車占整體市場(chǎng)的比例為60%，大型載貨汽車的生產(chǎn)與開(kāi)發(fā)成為國(guó)內(nèi)載貨汽車生產(chǎn)廠家競(jìng)爭(zhēng)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(lái)越高，而越來(lái)越大的競(jìng)爭(zhēng)壓力使整車廠家的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期不斷縮短。如何使車輛開(kāi)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(kāi)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(lái)。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(wèn)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(zhǎng)可達(dá)12m，鉸接式列車的車長(zhǎng)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(guò)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(shì)也已是不爭(zhēng)的事實(shí)，尤其國(guó)家于2004年5月開(kāi)始的治理公路運(yùn)輸車輛超限超載專項(xiàng)工作的開(kāi)展，使以提高行駛速度來(lái)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(guó)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(zhǎng)軸距的汽車，必須通過(guò)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(guó)大型載貨汽車的發(fā)展，新的問(wèn)題及要求不斷涌現(xiàn)，在車輛設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)領(lǐng)域尚存在很多的問(wèn)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(kāi)發(fā)過(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(lái)的行駛方向。這一套用來(lái)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(lái)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(wàn)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(guò)轉(zhuǎn)向軸2、轉(zhuǎn)向萬(wàn)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(guò)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(guó)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(wàn)向傳動(dòng)裝置(轉(zhuǎn)向萬(wàn)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(wàn)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(wàn)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(guó)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(guó)在內(nèi)的大多數(shù)國(guó)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(guó)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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(wú)疑為轎車動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
開(kāi)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(lái)控制油路?；y式控制閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(lái)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(lái)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(lái)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(wèn)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(guò)輕、“路感”差，甚至感覺(jué)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(guò)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(wèn)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(kāi)始對(duì)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向存在的不足進(jìn)行改進(jìn)，開(kāi)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(guò)與調(diào)速器及變速器相連的泵來(lái)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(guò)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(guò)開(kāi)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(lái)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(jiǎn)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(cè)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(cè)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(guò)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(guò)傳動(dòng)耦合機(jī)構(gòu)，可以和原來(lái)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(lái)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(guò)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(wú)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(méi)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(jué)。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(jiǎn)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(jiàn)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(lái)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(jiǎn)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?jìng)鲃?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(guò)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(zhǎng)。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(lái)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(lái)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(lái)的載荷，因此必須加大它們的尺寸和質(zhì)量，給布置帶來(lái)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(lái)不少的困難。
分置式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器由于分開(kāi)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(guò)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(kāi)，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(lái)控制油路的稱為滑閥式（如圖2-4），以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)控制油路的稱為轉(zhuǎn)閥式。
滑閥式分配閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(kāi)，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(lái)，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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(wú)負(fù)載。根據(jù)液體工作特性，液體經(jīng)過(guò)開(kāi)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(wú)法建壓；二是開(kāi)式減壓閥在系統(tǒng)無(wú)壓力狀態(tài)下無(wú)減壓作用，整個(gè)支路無(wú)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(kāi)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(kāi)啟壓力，壓力油推開(kāi)液控背壓閥7、經(jīng)過(guò)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(guò)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(kāi)度，消除壓力油經(jīng)過(guò)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(guò)減壓閥的設(shè)定出口壓力時(shí)，減壓閥開(kāi)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(kāi)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(guò)程關(guān)鍵特性：汽車在左右轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)換過(guò)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(wú)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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