汽车转向器

汽车基础知识－－－汽车转向器   汽车转向器 轿车转向器机构涉及整车的操纵性、稳定性和安全性，它的质量也反映了车辆的质量，是直接关系到车辆性能的关键部件。 早期的汽车转向是用舵柄或横杆(即一种两端带有手柄的水平杆)进行操纵，转向比是1：1，因而汽车转向时的操作是很吃力的。后来，带有齿轮减速比的转向机构很快被推广使用，但是，这种机构的方向盘不象舵柄或横杆要置放在汽车中线的位置，而是要置放在汽车的左边或右边，这样触发了方向盘位置的争论。这场争论旷日持久，导致了今天的汽车分成了两大类方向盘装置法： 一类以美国，中国，俄罗斯等世界上大多数国家和地区采用的左置方向盘，实行右上左下的汽车行驶规则；另一类以英国及英联邦，日本等少数国家和地区采用的右置方向盘，实行右下左上的汽车行驶规则。 几十年来，各种汽车都使用蜗杆扇形齿轮转向器，现在的循环球式转向器也是这种转向器的一种变型，轿车也经常使用。在这种转向器中，蜗杆与扇形齿轮之间嵌入了钢珠，大大降低了摩擦力，使汽车的转向操纵变得比较轻松。 从70年代起轿车兴起了齿轮齿条转向机构，它由方向盘、方向轴、方向节、转动轴、转向器、转向传动杆和转向轮(前轮)等组成。方向盘操纵转向器内的齿轮转动，齿轮与齿条紧密啮合，推动齿条左移动或右移动，带动转向轮摆动，从而改变轿车行驶的方向。 这种转向机构与蜗杆扇形齿轮等其它类型的转向机构比较，省略了转向摇臂和转向主拉杆，具有构件简单，传动效率高的优点。而且它的逆传动效率也高，在车辆行驶时可以保证偏转车轮的自动回正，驾驶者的路感性强。 　 其实，齿轮齿条转向机构早在一世纪前的汽车萌芽发展阶段已经有了，只是那时还不完善，机件加工粗糙。1905年通用汽车卡迪拉克部的工程师将齿轮齿条转向器的设计理论化，并加工成精度很高，操纵灵活的齿轮齿条转向器，正式应用在轿车上。后来，汽车转向器的型式被蜗杆一扇形齿轮型式所垄断，但许多人仍然继续完善齿轮一齿条转向机构。由于近代材料科学的发展，大大提高了齿轮一齿条转向机构的安全可靠系数，人们再次重视这种转向机构的简单实用性，由于它具有构件少质量轻，成本低的优点，受到汽车制造商的青睐，现在大多数的轿车转向器都采用齿轮一齿条型。 现代轿车马力大、速度快，为了操纵的轻便和灵敏，中高档次的轿车转向器都加装了转向动力装置，又称为液压动力转向器。它具有工作无噪声，灵触度高体积小，能够吸收来自不平路面的冲击力，在现代轿车上得到十分广泛的应用。 液压动力转向器的主要部件包括油泵、液压分配阀和助力器。液压分配阀与油泵组合一体，助力器与转向器装在一起，中间用油路连接。发动机通过皮带带动油泵，把油压输出到助力器。助力器壳体内是一个活塞，活塞连接着转向器的齿轮，活塞两端是腔室。当轿车直线行驶时，活塞两端压力相等，静止不动，油泵空转；当轿车转弯时，液压分配阀将油液通过变化了的通道进入了助力器的一侧，使活塞两端产生压力差，迫使活塞移动到另一侧，带动齿轮转动，“助一臂之力”。这样转动方向盘的操纵力不是直接迫使车轮转向的唯一作用力了，可由助力器辅动车轮转向，减轻了驾驶者的劳动强度，减少了方向盘的转数，特别是减少了停车转向时的操纵力。 现在已经出现了电子控制速度传感型的轿车动力转向器，它除了满足减少操纵力，提高灵触度外，还可以根据车速与行驶条件的不同而产生与之相适应的转向力。在停车时能提供足够的助力，随着车速的逐渐增加助力又可以逐渐减少，当高速行驶时则无助力但保持良好的路感。这种电子式的动力转向机构附有微处理机和电子转速，电子转速表发出脉冲讯号，微处理机发出相应的指令控制动力转向机构。 轿车动力转向装置是50年代在美国大型轿车上出现的事物，现在已经普及开来了。它的好处正如德国奔驰汽车制造公司所描述的那样：“发动机发动后，您就得到动力转向辅助，尤其在泊车及左右移动车辆时，动力转向装置会令您能非常轻松地控制方向盘。 按照转向动力源来分，目前汽车转向系统可分为纯人力转向和动力辅助转向两种。其中，后者又大致经历了机械机构助力转向、液压助力转向和电动助力转向EPS（Electric Power Steering）这三个阶段。       EPS系统一般由机械转向系统加上转矩传感器、车速传感器、电子控制单元、减速器、电动机等组成，它在传统机械转向系统的基础上，根据方向盘上的转矩信号和汽车的行驶车速信号，利用电子控制装置使电动机产生相应大小和方向的辅助动力，协助驾驶员进行转向操作。       EPS以蓄电池为能源，以电机为动力元件，可独立于发动机工作，且只在转向时电动机才提供助力，因此几乎不直接消耗发动机燃油。同时，EPS也不存在液压动力转向系统的燃油泄漏问题，对环境几乎没有污染，可以满足人们节能环保的要求。       1988年2月，日本铃木公司首次在其Cervo轿车上安装了EPS系统。此后，EPS在日本得到迅速发展。欧、美等国的汽车公司对EPS的开发比日本晚10年，但开发的力度较大。截止到2006年，欧洲50％新出产的汽车中都用电动助力转向代替了原来的液压助力转向。http://www.freescale.com/files/shared/doc/selector_guide/SG2015.pdf       下面简单介绍三家国外公司的EPS。      Freescale的EPS方案     主要特性：       采用56F8300系列数字信号控制器，在汽车环境温度下性能可达60MIPS，控制处理过程并为EPS系统提供智能外围支持。       采用8位、16位的微控制器（MCU）族，如HC08、56F8000族等，使系统更加安全、可靠。     采用系统基本芯片（SBC），如MC33742族等，以提供受保护的电压调节器，调节器集成1Mbps的CAN通信接口和看门狗。SBC可通过一个串行外围接口SPI编程。       采用MC33927场效应晶体管预驱动器，用于控制三相电机。预驱动器的工作电压为8-40V，采用SMARTMOS™技术，有0.5A的门驱动能力。MC33927通过SPI端口编程，由6个直接输入控制信号、异步和使能、中断信号与MCU连接。       英飞凌的EPS方案     主要特性：     采用16位处理器C164，其程序存储器为65KB，RAM为4KB。外围接口包括10位ADC、RSART、SPI和定时器，与TLE 6280 GP连接的FullCAN和电源MOSFET。       采用的TLE 6280 GP是三相桥式驱动器，简化了动力转向电机的控制。微控制器的定时器结构降低了开发成本并使得电路板设计更简洁。     日本捷太格特和丰田汽车IFS方案     日本捷太格特（JTEKT，由光洋精工和丰田工机06年1月合资组建）与丰田汽车联合开发出了面向雷克萨斯“LS460”的齿条式电动助力方向盘IFS（intelligent front steering，智能前转向）系统。     主要特性：       IFS系统将E-VGR（electronically controlled variable gear ratio）和RD-EPS（rack direct-drive type electric power system）设计成一体，省去了螺旋电缆，与齿条变速器同轴配置减速器。其中，RD-EPS采用内置型高效无刷直流电机及多分割齿，提高了线圈的效率。E-VGR根据车速改变转向齿轮比。在低速行驶及泊车时，只需少许转动方向盘，便可获轮胎较大主销倾角。而在高速行驶时则会抑制方向盘转动操作的轮胎主销倾角，从而提高稳定性。     国内技术情况简述     我国汽车电子行业的总体发展相对滞后，但是，随着汽车对环保、节能和安全性要求的进一步提高，代表着现代汽车转向系统的发展方向的EPS电动助力转向系统已被我国列为高新科技产业项目之一，国内各大院校、科研机构和企业已经纷纷开始对EPS这一领域进行了研究，使得EPS得到了迅速的发展。       1998年吉林大学在国内率先开展轿车EPS的研究，目前已做出样机并在捷达轿车、北斗星轿车和夏利2000纯电动轿车上进行了装车试验。此外，天津大学、北京科技大学、华中科技大学、江苏大学、合肥工业大学、武汉理工大学等院校也在开展EPS的研究。国内专业生产EPS的厂商不多。       南京南汽转向器公司生产的汽车电动助力转向系列产品的技术特点：系统传动效率高，能量消耗少；可以获得最优化的转向助力特性；助力特性可以通过软件进行修正；布置方便，节省空间；装配与维修方便。技术参数：工作环境温度：－30℃～65℃；存储环境温度：－40℃～85℃；工作电压范围：DC9～16V。       株洲易力达机电有限公司的EPS适用排量在1.8L以下的汽车和前轴重900kg以下的电动车、混合动力车等。技术参数如下：涡轮涡杆减速比：1:16.5；电机额定输出功率：170W；额定转速：1050r/min；额定力矩：1.6Nm/30A；工作温度：-40 ℃～+85℃；最大允许电流：35A，小于10msec。       另外，今年6月4日，日本捷太格特投资中国，捷太格特转向系统（厦门）有限公司成立，首条生产线正式投产，主要向天津一汽丰田汽车有限公司、广州丰田汽车有限公司、东风日产乘用车公司提供汽车电动助力转向系统。预计至2008年，公司年生产量可达55万台，产值将达10亿人民币。    1．机械转向系     机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的。机械转向系由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。（如图1）   l.转向盘 2.安全转向轴 3.转向节 4.转向轮 5.转向节臂 6.转向横拉杆 7.转向减振器 8.机械转向器 1）转向操纵机构     转向操纵机构由方向盘、转向轴、转向管柱等组成，它的作用是将驾驶员转动转向盘的操纵力传给转向器。                              1.轮圈 2.轮辐 3.轮毂                                  图2 方向盘   （1）齿轮齿条式转向器     齿轮齿条式转向器分两端输出式和中间（或单端）输出式两种。   1.转向横拉杆 2.防尘套 3.球头座 4.转向齿条 5.转向器壳体 6.调整螺塞 7.压紧弹簧 8.锁紧螺母 9.压块 10.万向节 11.转向齿轮轴 12.向心球轴承 13.滚针轴承 1.万向节叉 2.转向齿轮轴 3.调整螺母 4.向心球轴承 5.滚针轴承 6.固定螺栓 7.转向横拉杆 8.转向器壳体 9.防尘套 10.转向齿条 11.调整螺塞 12.锁紧螺母 13.压紧弹簧 14.压块 转向减振器 有些汽车在转向传动机构中装有转向减振器，用来衰减转向轮的摆振和缓和来自路面的 冲击载荷。 转向减振器是内部充满液体的筒式减振器，并利用液体分子的内摩擦产生的粘性阻尼来 衰减振动。因转向减振器是呈水平状态布置在汽车上，故对其密封要求严格，并备有隔离工 作液体和空气的补偿室。减振器工作时，补偿室的容积要发生变化，因此补偿室常由具有弹 性的皮囊制成，如图7—36所示。在压缩行程，液体挤开活塞上的流通阀之后流过流通孔， 与此同时活塞排挤液体压开压缩阀座上的压缩阀后进入补偿室，使皮囊膨胀。在拉伸行程， 液体挤开活塞上的复原阀通过复原孔，同时皮囊靠本身弹性复位，使补偿室内的液体挤开阀 座上的补偿阀后进入工作腔，以补偿活塞杆所空出的容积。液体如此往复地通过这些孔道时， 其分子间的内摩擦阻力就逐步衰减了活塞往复拉伸和压缩所形成的振动。 因为转向减振器要衰减车轮的左右摆动，所以它的减振特性是对称的，即拉伸和压缩行 程S有对称的阻尼力F。其示功图如图7—37所示。         悬架系统中由于弹性元件受冲击产生振动，为改善汽车行驶平顺性，悬架中与弹性元件并联安装减振器，为衰减振动，汽车悬架系统中采用减振器多是液力减振器，其工作原理是当车架（或车身）和车桥间受振动出现相对运动时，减振器内的活塞上下移动，减振器腔内的油液便反复地从一个腔经过不同的孔隙流入另一个腔内。此时孔壁与油液间的摩擦和油液分子间的内摩擦对振动形成阻尼力，使汽车振动能量转化为油液热能，再由减振器吸收散发到大气中。在油液通道截面和等因素不变时，阻尼力随车架与车桥（或车轮）之间的相对运动速度增减，并与油液粘度有关。   减振器与弹性元件承担着缓冲击和减振的任务，阻尼力过大，将使悬架弹性变坏，甚至使减振器连接件损坏。因面要调节弹性元件和减振器这一矛盾。   (1) 在压缩行程（车桥和车架相互靠近），减振器阻尼力较小，以便充分发挥弹性元件的弹性作用，缓和冲击。这时，弹性元件起主要作用。   (2) 在悬架伸张行程中（车桥和车架相互远离），减振器阻尼力应大，迅速减振。   (3) 当车桥（或车轮）与车桥间的相对速度过大时，要求减振器能自动加大液流量，使阻尼力始终保持在一定限度之内，以避免承受过大的冲击载荷。   在汽车悬架系统中广泛采用的是筒式减振器，且在压缩和伸张行程中均能起减振作用叫双向作用式减振器，还有采用新式减振器，它包括充气式减振器和阻力可调式减振器。 1. 活塞杆；2. 工作缸筒；3. 活塞；4. 伸张阀； 5. 储油缸筒； 6. 压缩阀；7. 补偿阀；8. 流通阀；9. 导向座；10. 防尘罩；11. 油封