汽车转向助力装置：需求、能源和调整

当汽车前轴负荷增加到一定程度时,完全靠驾驶员受力操纵的机械转向系统已经不能满足转向要求,必须借助动力来操纵转向系统。采用动力转向的车辆转向所需的能量,在正常情况下,只有小部分是驾驶员提供的体能,而大部分是发动机所提供的其他动力,动力转向装置按动力能源可分为液压式和电控式两类。

1.液压助力转向

液压动力转向系统是在机械式转向系统的基础上加一套动力转向装置而成的,一般组成如图13-19所示。它主要由转向油泵、转向动力缸、转向控制阀和机械转向器组成。

当汽车直线行驶时的工况如图13-19(a)所示。滑阀依靠装在控制阀体中的回位弹簧保持在中间位置。由油泵输出的工作油,一部分从滑阀和阀体环槽边缘的环行缝隙进入动力缸的左、右腔室,另一部分通过回油管回到油箱。

向右转动方向盘时,由于前轮上的转向阻力很大,开始时转向螺母12不动,当转向盘施加的力使转向螺杆所受轴向力大于回位弹簧的预紧力和反作用柱塞上的油压作用力时,转向螺杆连同滑阀产生轴向移动。这时,油泵来油经C环槽进入油缸L腔,推动活塞右移,R腔内的油经B环槽排回油箱。如图13-19(b)所示。活塞杆推动转向摇臂摆动,使前轮向右偏转,同时使螺杆左移,滑阀回到中立位置,这时活塞就停止在此位置不再右移,即方向盘对车轮实现伺服控制。若需连续向右转向,就应继续向右转动方向盘。

汽车向左转向时的工作情况与上述过程类似,如图13-19(c)所示。此时滑阀左移,动力缸加力方向相反。

图13-19　具有路感反馈功能的转向助力器

(a)直行;(b)右转弯;(c)左转弯
1—液压油箱;2—溢流阀;3—齿轮泵;4—量孔;5—单向阀;6—安全阀;7—滑阀;8—反作用柱塞;9—阀体;10—回位弹簧;11—转向螺杆;12—转向螺母;13—纵拉杆;14—转向摇臂;15—油缸

单向阀5布置在进油道与回油道之间。正常转向时,进油道为高压,回油道为低压,单向阀被油压和弹簧力所关闭。若油泵失效,人力转向时,进油道变为低压,回油道则由于活塞的泵油作用而具有一定的油压,在此压力差的作用下,使单向阀5打开,进、回油道相通,油自油缸的一腔流向另一腔,可减小人力转向时的操纵力。

目前在轿车上采用的动力转向装置广泛采用旋转式控制阀。图13-20是旋转式控制阀全液压动力转向液压系统原理图。由油泵总成1、转阀式全液压转阀总成3和转向油缸7等组成。

图示位置为控制阀处于中立位置,车辆以直线或以某一定偏转角行驶,这时油缸两腔和计量泵11各齿腔均被封闭,油泵来油经单向阀2、阀体、阀套和控制阀上的油孔通道、滤清器8流回油箱9。

左转弯时,控制阀5在方向盘带动下逆时针转到“左”油路位置,而阀套6在计量泵的控制下暂不转动,油泵来油经单向阀2、阀体、阀套和控制阀上相应油孔通道进入计量泵,使计量泵转动,迫使一部分油液经控制阀进入转向油缸的下腔,推动活塞上移,实现向左转向。转向油缸上腔的油液经控制阀上的油道排回油箱。计量泵转动工作时,通过连接轴带动阀套逆时针转动,消除阀套与控制阀之间的转角,使控制阀又处于中立位置。

图13-20　全液压动力转向系统(www.xing528.com)

1—油泵总成;2—单向阀;3—转阀总成;4—方向盘;5—控制阀;6—阀套;7—转向油缸;8—滤清器;9—油缸;10—止回阀;11—计量泵

右转弯时,控制阀处于“右”油路位置,工作过程与上述左转弯相反。在前、后车体铰链处的两侧各有一个转向油缸,通过方向盘操纵全液压转向器时,一侧的油缸进油,另一侧的油缸排油,使前、后车架发生相对转动并实现车辆转向。

旋转式控制阀具有结构紧凑、操作可靠、工作灵敏等特点,国产轿车桑塔纳2000、红旗CA7220E、上海奇瑞等轿车的动力转向均采用旋转式控制阀。

2.电动助力转向

动力转向系统由于使转向操纵灵活、轻便,在设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性大,能吸收路面对前轮产生的冲击等优点,因此动力转向系统在中型载货汽车,尤其是重型载货汽车上得到广泛使用。但传统的动力转向系统所具有的固定放大倍率不能随汽车不同工况予以调整,其助力作用不协调。

电动助力转向近年在轻型车上发展较快,它是一种直接依靠电机提供辅助扭矩的电动助力式转向系统。该系统仅需要控制电机电流的方向和幅值,不需要复杂的控制机构。它能在低速时使转向轻便、灵活;在中、高速时能提供最优的动力放大倍率和稳定的转向手感,提高了高速行驶的操纵稳定性。电动式助力转向系统主要特点如下:

(1)电动机、减速机、转向柱和转向齿轮箱可以制成一个整体,管道、油泵等不需单独占据空间,易于装车。

(2)基本上只增加电动机和减速机,没有了液压管道等部件,使整个系统趋于小型轻量化。

(3)油泵仅在必要时使电动机运转,故可以节能。

(4)因为零件数目少,不需要加油和抽空气,所以在生产线上的装配性好。

如图13-21所示为一种电子控制电动助力转向系统的示意图。转矩传感器1通过扭杆连接在转向轴2中间。当转向轴转动时,转矩传感器开始工作,把两段转向轴在扭杆作用下产生的相对转角转变成电信号传给ECU7,ECU根据车速传感器和转矩传感器的信号决定电动机6的旋转方向和助力电流的大小,并将指令传递给电动机,通过离合器5和减速机构3将辅助动力施加到转向系统中,从而完成实时控制的助力转向。它可以方便地实现在不同车速下提供不同的助力效果,保证汽车在低速转向行驶时轻便灵活,高速转向行驶时稳定可靠。

图13-21　电动助力转向系统示意图

1—转矩传感器;2—转向轴;3—减速机构;4—齿轮齿条式转向器;5—离合器;6—电动机;7—电子控制单元(ECU)