汽车构造第2版：转向操纵机构与转向器简介

图13-3　转向机构组成

1—转向节臂;2—横拉杆;3—转向拉杆;4—前轴;5—纵拉杆;6—转向摇臂;7—转向器;8—方向盘

从转向盘到转向传动轴这一系列零部件都属于转向操纵机构。如图13-4所示,它包括转向盘、转向柱管、传动轴等。其主要作用是增大转向盘传到转向垂臂的力,并改变力的传递方向。转向轴上部与转向盘固定连接,下部装有转向器。转向轴与转向器的连接方式,一种是与转向器的输入轴直接连接,另一种是通过万向传动装置间接与转向器的输入轴相连接。

图13-4　东风EQ1090E型汽车转向操纵机构和转向器

1—转向盘;2—转向柱管;3—橡胶垫;4—转向柱管支架;5—转向柱管支座;6—转向操纵机构支架;7—转向轴限位弹簧;8—上万向节;9—转向传动轴;10—花键防护套;11—下万向节;12—转向器;13—转向摇臂;14—转向直拉杆

(一)转向盘

转向盘又称方向盘,安装在驾驶室内的左侧。转向盘由轮缘1、轮辐2和轮毂3(图13-5)组成。轮辐一般为三根辐条[图13-5(a)]或四根辐条[图13-5(b)],也有用两根辐条的。转向盘与转向轴通常通过带锥度的细花键连接,端部通过螺母轴向压紧固定。转向盘内部是由钢或铝合金等金属制成的骨架。骨架外面一般包有柔软的合成橡胶或树脂,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。

图13-5　转向盘轮幅的形式

(a)三根辐条;(b)四根辐条
1—轮缘;2—轮辐;3—轮毂

图13-6　吸能式转向盘骨架变形示意图

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,其骨架也能产生变形(图13-6),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。

转向盘自由行程是指用以消除转向系统中各传动件运动副间的间隙所对应的转向盘的角行程。它对于缓和路面冲击以及避免驾驶员过度紧张是有利的,但不宜过大,以免过分影响转向灵敏性。通常转向盘从相应于汽车直线行驶中间位置向任一方的自由行程不超过10°～15°,当零件严重磨损到转向盘自由行程超过25°～30°时,应进行调整。

(二)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,并将驾驶员作用在转向盘上的力传给转向器。转向轴上、下端分别由套管内衬套和滚动轴承支承,下端与转向万向节花键连接,并用螺栓夹紧。套管上端固定于仪表板上,下端固定于驾驶室底板上。伸缩万向节一端与转向螺杆花键连接,并用螺栓固定,另一端以花键套与转向传动轴的花键啮合,如图13-4所示。

近年来,为有效地缓和汽车高速撞车时转向盘对驾驶员的冲击,并减轻驾驶员受伤害的程度,现代汽车除要求装有吸能式转向盘外,还要求转向柱管也必须备有缓和冲击的吸能装置。

图13-7所示为红旗CA7220型轿车转向轴的吸能装置示意图。转向轴分为上、下两段,上段下部弯曲并在端面上焊有半月形凸缘盘,盘上装有两个驱动销,与下段转向柱上端的孔配合,孔中压装有尼龙衬套和橡胶圈,形成吸收冲击的吸能装置。一旦发生撞车事故,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。

当发生猛烈撞车时,人体冲撞到转向盘上的力超过允许值时,若汽车上采用的是图13-8所示的吸能装置,则转向柱管的支架将产生弯曲变形,从而吸收冲击能量;如果汽车上装的是图13-9所示的吸能装置,则网格状转向柱管的网格部分将被压缩而产生塑性变形。吸收冲击能量,以减轻对人体的伤害。

(三)转向器

图13-7　红旗CA7220型轿车转向轴的吸能装置示意图

1—上转向轴;2—上凸缘盘;3—销子;4—下转向轴;5—聚四氟乙烯衬套;6—橡胶衬套;7—下凸缘盘;8—销孔

转向器的功用是将方向盘的转动通过传动副变为转向摇臂的摆动,改变力的传递方向并增力,再通过转向传动机构拉动转向轮偏转。转向器实质上是一个减速器,用来放大作用在方向盘上的操纵力矩。

转向器传动效率是指转向器的输出功率与输入功率之比。由转向操纵机构(方向盘及转向轴)输入,转向摇臂输出的情况下求得的传动效率为正效率,而传动方向相反时求得的效率则称为逆效率。对转向器要求有一定的可逆性,即从操纵省力、转向轮自动回正和传递适当路感这三个因素综合考虑。转向器应有合适的传动比和较高的传动效率,以便操纵省力,转向盘的转动量合适;它还应具有合适的传动可逆性,这样,当导向轮受到地面冲击作用时,能将地面的作用力部分地反传至转向盘,使驾驶员具有路面感觉,并使导向轮有自动回正的可能性。

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图13-8　转向柱管支架产生变形的吸能装置示意图

(a)碰撞前;(b)碰撞后
1—转向轴;2—可弯曲支架;3—可断裂支架

图13-9　网络状转向柱管吸能装置示意图

转向器类型很多,目前在汽车、拖拉机上常用的有球面蜗杆滚轮式转向器、循环球式转向器、齿轮齿条式转向器和曲柄指销式转向器等。

1.球面蜗杆滚轮式转向器

球面蜗杆滚轮式转向器如图13-10所示,其传动副由一个球面蜗杆和带有几个齿的滚轮构成。转动转向盘,使蜗杆转动,滚轮便沿蜗杆螺旋槽滚动,从而带动摇臂轴转动,使摇臂摆动。

这种转向器有较高的传动效率,操纵轻便,传动可逆性合适,磨损较小,磨损后间隙可调整;虽球面蜗杆加工复杂,仍应用较广。

2.循环球式转向器

循环球式转向器一般有两级传动副,第一级是螺杆螺母传动副,另一级是齿条齿扇传动副。如图13-11所示。

图13-10　环面蜗杆滚轮式转向器

1—下盖;2—壳体;3—球面蜗杆;4—锥轴承;5—转向轴;6—滚轮轴;7—滚针;8—三齿滚轮;9—调整垫片;10—U形垫圈;11—螺母;12—铜套;13—摇臂;14—摇臂轴

当驾驶员转动转向盘,带万向传动装置的转向柱使转向螺杆转动,通过钢球将力传给转向螺母,螺母即沿轴向移动。其下面的齿条便带动齿扇绕垂臂轴转动,并带动转向垂臂摆动,再通过转向传动机构使车轮偏转,从而实现汽车转向。与此同时,所有钢球在摩擦力的作用下,通过螺杆与螺母之间的通道进行循环流动,形成“球流”。

这种转向器使用可靠、调整方便、工作平稳。但其逆效率也很高,容易将路面冲击力传到转向盘。汽车和农用运输车上大多采用这种转向器。

图13-11　螺杆螺母循环球式转向器

1—螺母;2—弹簧垫圈;3—转向螺母;4—壳体垫片;5—壳体底盖;6—壳体;7—导管卡子;8—加油螺塞;9—钢球导管;10—轴承;11、12—油封;13、15—滚针轴承;14—摇臂轴;16—锁紧螺母;17—调整螺钉;18、21—调整垫片;19—侧盖;20—螺栓;22—钢环;23—转向螺杆

3.蜗杆曲柄指销式转向器

蜗杆曲柄指销式转向器的传动副如图13-12所示。转向蜗杆5为主动件,装在摇臂轴2上曲柄4端部的指销3为从动件。转向时蜗杆转动,使曲柄销绕摇臂轴作圆弧运动,同时带动摇臂轴转动。

图13-12　曲柄指销式转向器

1—垂臂;2—摇臂轴;3—锥形销;4—曲柄;5—蜗杆

这种转向器的性能与球面蜗杆滚轮式、螺杆螺母循环球式转向器相似,但加工却容易得多。

4.齿轮齿条式转向器

齿轮齿条式转向器由转向齿条、转向齿轮和齿条压紧装置等组成,如图13-13所示。转向齿轮1为主动件,通过无内圈的球轴承支承在转向器壳中。与转向齿轮啮合的转向齿条水平布置,齿条一端与左、右横拉杆相连。

图13-14为轿车转向器的布置方式。当转动方向盘时,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、右移动,通过传动杆带动转向轮摆动,从而改变轿车行驶的方向。

由于齿轮齿条式转向器具有结构简单、紧凑、质量轻、刚性大、转向灵敏、制造容易、成本低等优点,目前在轿车和微型、轻型货车上得到了广泛的应用。