汽车底盘结构与维修－任务

【任务引入】

案例：某轿车在行驶中发现转向盘逐步沉重，操纵十分吃力。维修人员首先检查转向系机械部件各连接杆件以及球销、转向器、转向管柱有无变形、过紧等情况，然后检查转向助力系统的液压泵传动带张紧情况，均正常。维修人员又启动发动机怠速运转，来回转动转向盘，使油液温度升至80℃，检查储液罐油液，稍有缺失，且有气泡和混浊现象，说明转向助力系统内混有空气。细查通往储液罐的回油管接头后，发现有油液漏渗，空气从此处窜入转向助力系统中。维修人员紧固了回油管接头，并进行了补液和排气的操作，故障排除。

该案例车型装备的是传统的机械液压式助力转向系统，靠发动机驱动助力泵提供转向动力，并由液压系统执行转向动作。液压系统出现漏液或混入空气，将严重影响汽车的正常转向。

本任务对助力转向系统进行介绍，要求重点掌握机械液压助力转向系统的组成、工作原理、拆装与检修以及常见的故障诊断与排除，了解电动助力转向系统的工作原理和组成结构。

【任务相关知识】

助力转向系统是在转向过程中，借助于外部动力，将转向意图传递给转向传动机构，以实现汽车转向的装置。外部动力主要包括发动机输出动力和电机输出动力两种，据此可将助力转向系统分为机械液压助力转向系统和电动助力转向系统。

4.3.1　机械液压助力转向系统

机械液压助力转向系统是将发动机输出的部分机械能转化为压力能（主要是液压能），对转向传动机构或转向器中某一传动件施加辅助作用力的转向系统。

（1）组成结构

以大众某车型的机械液压助力转向系统为例，其结构组成主要包括：转向助力泵（附流量控制阀，图中未标出）、助力油罐、转向器阀体总成（未标出动力缸）、液力转向冷却器、管道和软管等，如图4.40所示。

图4.40　液压助力转向系统的组成结构

1）转向助力泵

转向助力泵是转向助力的动力来源，通常是由发动机曲轴带动的皮带驱动，给转向器的动力缸提供液压力，泵出的油液与发动机的速度成正比例关系，传递给转向器动力缸的油液通过流量控制阀来调节其流量。

转向助力泵有叶片泵、滑动叶片泵、齿轮泵及滚子泵等多种类型，其中，叶片泵有广泛的应用。

如图4.41所示，叶片式转向助力泵有6～10片旋转的叶片，油液被强制通过旋转的叶片产生油压。叶片泵有一个外径带槽的转子，叶片装配到转子槽里。固定的内表面为椭圆形的泵环，叶片的外侧边与环的内表面接触。转子转动时，叶片在各自槽中来回滑动，并与泵环内表面保持接触，转子、泵环和任何两个相邻叶片形成泵腔。

图4.41　叶片式转向助力泵工作原理示意图

叶片式转向助力泵的工作原理如下：当转子旋转时，由于泵环是椭圆形，因此每一泵腔容积不断地变化；叶片运动通过环的“长轴”部分时，容积增大，通过进油口吸入来自储油罐的低压油液。当叶片运动通过环的“短轴”部分时，容积减少，减小后的容积使压力增加，迫使油液排出高压油液，流向转向器动力缸，为助力转向提供所需的液压力。为了避免液压泵运转不平衡（产生噪声和振动），通常采用平衡式设计，即泵转子每旋转一周，泵腔吸入和排放油液两次，因此作用在转子上的液压作用力是大小相等、方向相反的，使液压泵平稳地运转。

转向助力油泵由发动机驱动，其输出流量随发动机转速而变化，会导致泵油量的不稳定。在助力泵中设置流量控制阀，可以控制从油泵流向转向器动力缸的油量，并使其保持恒定。流量控制阀的结构及工作原理如图4.42所示，泵压力出口和泵吸入口分别与图中油泵的出油通道和进油通道相通，输出端与油泵出油通道相通。

图4.42　流量控制阀和卸压阀的工作原理示意图

在发动机低转速时，转向系统能够容易地控制液压泵提供的液压液体容积，在高转速时，由于液压泵吸入和排放更大容积的液体，流量急剧增加，软管和转向器阀总成中的流动阻力也随之增加，导致整个系统产生高背压。当压力达到较高的一定值后，油压克服流量控制阀阀芯后部弹簧力而使阀芯后移，直到泵吸入口打开，此时部分油液通过此口流回油泵。

当车轮转到极限位置时，转向器动力缸内油液基本不流动，将导致转向油泵排放一侧压力迅速而持续上升，可能会导致液压系统零部件的损坏，为此设置了卸压阀。卸压阀由卸压弹簧和钢球组成，当油泵压力持续增大，最终顶开卸压阀内的钢球，阀后的高压油液迅速流过钢球，经由流量控制阀体的侧面小孔，流入泵吸入口并流回油泵，从而限制了系统过高的油压。

2）储油罐

储油罐位于转向助力泵附近，用于储存液力转向油。它可以直接安装到泵体上，也可以分开安装。储油罐盖上有液位指示，用于检查液位。如果储油罐中的油液低于标准液位，泵就会吸入空气，导致操作失灵。机油罐内装有精细滤清器，它可以有效地滤掉液压系统内的污物和磨屑，因此可大大减轻部件的磨损，尤其是泵、转向阀和活塞油封的磨损。

3）转向器阀体总成

转向器阀体总成主要用来控制液体进入相应的转向器动力缸腔室，图4.43所示即为齿轮齿条式转向器阀体总成。动力缸为常见的双向作用式动力缸，通过活塞分隔成高压和低压两个腔室。齿轮齿条式转向器与传统的机械式齿轮齿条式转向器结构与工作原理相同。转动滑阀是单独一个元件，通过螺栓安装在转向机壳体上。

图4.43　齿轮齿条式转向器阀体总成结构

图4.44　转动滑阀结构示意图

如图4.44所示，转动滑阀内的扭杆通过一个万向节直接与转向柱轴直接相连，扭杆的上端通过销子与转动滑阀刚性相连，扭杆的下端用销子连在齿条小齿轮和导向衬套上。驾驶人做出的转向动作会在扭杆上产生作用力，于是扭杆发生扭转，转动滑阀与扭杆一同相对于导向衬套转动，这使得转动滑阀和导向衬套上的槽和过渡孔的相对位置发生变化。因此，某些转向助力油道就打开，某些转向助力油道就关闭，这取决于转动滑阀和导向衬套之间的转角变化。

4）转向冷却器

有些系统中使用金属的管道或者一种小型的辐射散热类型的冷却器。被液力转向油泵压缩的油液在转向器动力缸中吸收热量后，流过冷却器，在冷却器中释放热量。当冷却器用于液力转向系统时，安装在回油侧，转向器动力缸与储油罐之间的冷却器如图4.45所示。

（2）工作原理

1）中间位置

如果转向盘上没有转向作用力，即车辆直线行驶时，转阀将油泵泵出的油与转向油罐相连，油路系统处于低压状态，动力缸R腔和L腔的液压力处于平衡状态，如图4.46所示。

图4.45　转向冷却器示意图

图4.46　转向盘位于中间位置时的液压助力转向系统

2）车轮左转弯

如果驾驶人向左转动转向盘，那么扭杆和转阀就会跟着扭转。发生扭转的原因是轮胎和路面会对车轮转动形成阻力。由于这个扭转，从压力管到右工作缸的一个转向助力油道就打开了，左工作缸与通往转向助力油罐的回油管相连，如图4.47所示。在压力差作用下，动力缸活塞被推向左侧，而转阀的扭转运动也一直进行，直至活塞受力和驾驶人的转向力之和增大到足以转动车轮为止。

图4.47　转向盘左转时液压助力系统工作原理图

车轮右转向时的助力作用与此同理。

（3）液压助力转向系统的拆装

下面以比亚迪F3的液压助力转向系统为例，介绍转向管路系统、转向油泵及动力转向器的拆装与检修过程。

1）转向管路系统的拆装

比亚迪F3的液压助力转向系统的管路组成如图4.48所示。如转向出现故障，应检查油管各个部分是否漏油，若漏油必须更换；检查所有管夹是否老化或变形，如有必要，更换新管夹。

管路的拆卸过程如下：

图4.48　液压助力转向系统管路系统组成

①放转向液。用举升机将汽车举起，将回油管软管环箍松开，下面用一个容器接住转向液，注意避免油液溅到身上，然后左右打转向盘到极限，来回多次，将转向液从液压系统中完全排出。

②高压油管的拆卸。降下举升机，拆下高压油管与转向泵连接的空心螺栓；将车举起，拆下管路在油缸上的固定支架，然后拆下高压油管与转向器连接螺转，取下高压油管。

③回油管的拆卸。拆下回油管与副车架的连接螺栓，用扳手拆下回油管与转向器的连接螺栓，拆下回油管，然后降车，取下回油管与转向油罐的连接环箍。

④转向泵进油软管的拆卸。若进油软管两端用的是蜗杆环箍则用十字起松开环箍。

更换安装过程如下：

①将车举起，将回油管和高压油管准确地摆放到安装位置，拧紧相应的螺栓，各个接口紧固件的力矩要求如图4.48所示。

②注意油管的走向，确保油管与周围件没有干涉。

③给动力转向油罐加注转向液，直至规定油面，最后检查是否有泄漏。

2）转向油泵的拆装

油泵的连接结构如图4.49所示，其拆卸过程如下：

①排空转向油罐中的转向液，从泵皮带轮上拆下传动皮带。

②用几条维修用布将自动张紧装置、交流发电机和空气压缩机盖住，从油泵上断开转向泵进油软管和高压油管，然后塞住管口。注意不要让油液溅到车体或零件上。

图4.49　油泵的拆卸

③将14号短套筒装上大棘轮放进泵的一个皮带轮孔拆解油泵下安装点螺栓，使其螺纹完全旋出。保持棘轮放在皮带轮孔中旋转棘轮至上安装点。

④将上安装点螺栓螺纹部分全部旋出后，用手将螺栓向外抽出一部分，保证螺栓不会被支架挡住，然后连带套筒和棘轮一起将泵从支架处拆下。

转向油泵不能分解，只能由厂家更换或修理。转向油泵的安装过程与拆卸过程相反，注意事项：

第一，在安装上安装点螺栓时，先用手拧进一部分，然后旋入下安装点螺栓，再用140套筒和棘轮打紧后拧入。

第二，注意调整传动皮带至合适的松紧度，然后打紧螺栓和螺母到规定力矩。

3）动力转向器的拆装与检修

图4.50　转向横拉杆与转向节的分离

拆卸过程如下：

①放掉转向液。

②拆下与转向油泵连接的高压油管，拧下空心螺栓，拆下连接于发动机上的2个软管支架。(www.xing528.com)

③断开转向器与转向管柱下万向节的连接。

④拆除横向稳定杆与副车架的安装螺栓。

⑤拆除转向横拉杆与转向节的连接。如图4.50所示，拆掉转向横拉杆的开口销和开槽螺母后，用专用工具将转向横拉杆球头与转向节分离（如果没有专用工具的话，可以用锤子敲转向节位置，将球头拔出，注意不要碰到球头销处螺纹）。

⑥拆除转向器与副车架的安装螺栓。将稳定杆抬起，用棘轮和套筒从螺栓头处打下，该处螺母用开口扳手固定，防止跟转。

⑦如图4.51所示，将转向器在A方向上抬后从车身与副车架之间旋转一定角度后沿B方向抽出。

图4.51　将转向器从副车架上拆下

转向器除外拉杆及防尘罩外，本体部分不可进行分解和维修，需返厂维修或经厂家更换。

（4）液压助力转向系统的检修

1）转向器内、外横拉杆总成的检修

①快速摆动10次转向拉杆。

②将转向横拉杆一端头朝下，使用弹簧秤测量摆动阻力，并与标准值（0.5～4.0 mm）比较：测量值超过标准值时，更换转向横拉杆；测量值低于标准值时，检查球形接头是否松动以及是否有异响。如果摇动顺畅，则判断为可以继续使用。如果有松动或有异响，则应更换转向横拉杆。

2）转向横拉杆防尘罩的检查

①用手指用力压防尘罩，检查在防尘罩上是否有龟裂或者损伤，如有，则要更换转向外横拉杆接头总成。

②更换时注意查看转向器内部是否进入水或杂质，若有，需要更换转向器总成。若无，直接更换防尘罩即可。

3）转向器的检查

在下列情况下可判定动力转向器总成出现问题，需要更换转向器。

①将车辆升起后发现转向器总成有漏油现象。

②转向过程中转向器有异响发生。

③转向器自由间隙过大，严重磨损。

④转向器本体上有裂纹产生。

⑤转向器内部进入泥水及其他杂质。

安装过程与拆卸过程相反。但要注意使用沼剂和毛刷，清洗拆卸下来的阀体装置、管路和转向器端部的油污和灰尘，用压缩空气吹干之后再进行安装。

（5）有伺服功能的液压助力转向系统的工作原理

在狭窄的街道上行驶或者驻车时，要求施加很小的力度在转向盘上就可以带来较大的车辆转角；而车辆加速行驶时，转向助力逐步降低，以确保增加车辆稳定性和平顺性。

为实现上述车速感应式转向助力功能，在机械液压助力转向系统的基础上增加了控制液体流量的电磁阀、车速传感器以及转向控制单元，转向控制单元根据车速信号控制电磁阀，而电磁阀则可根据当前车况精确地控制由转向器液压机构施加的力度，从而实现了助力作用随车速变化而变化的功能。这就是有伺服功能的液压助力转向系统。

有伺服功能的液压助力转向系统的工作原理如下：

如图4.52所示，与转阀相连的反作用活塞通过滚珠支承在与导向衬套相连的定心件上，受到来自转阀的液压力的驱动。

在未操纵转向盘时（也就是扭杆没有发生扭转），滚珠都在一个截球形导轨内，这时转阀液压油会注入反作用活塞上部的腔内。该液压力越大，驾驶人操纵转向盘所需要的操纵扭矩就越大。

调节这个压力大小的执行元件就是伺服控制电磁阀，该电磁阀是由伺服控制单元来控制的，而伺服控制单元的输入信号来自EPS控制单元的车速信号。该电磁阀的开口横截面越大，阀上的压降就越小，那么反作用于活塞上部腔内的压力就越大。这样就可以根据车速来采用不同的特性曲线去控制转向盘上的操纵扭矩和转向系统内的液压力。

图4.52　有伺服功能的液压助力转向系统的工作原理

4.3.2　电动助力转向系统

电动助力转向系统（简称ESP）利用直流电动机提供转向动力，取代了液压能，减少了发动机动力消耗。它的显著特点是转向助力特性与转向速度和车速密切相关，即车速越低，转向速度越高，助力性能越强。根据助力机构的不同，电动助力转向系统可以分为电动液压助力式和电机直接助力式两种。

（1）电动液压助力转向系统

电动液压助力转向系统的结构如图4.53所示，其液压泵（齿轮泵）通过电动机驱动，与发动机在机械上毫无关系，助力效果只与转向盘角速度和行驶速度有关，是典型的可变助力转向系统。该系统除了能够读取速度传感器信息的电子控制单元来控制机械阀上的电磁阀机构外，液压泵要采用电动机驱动。通过电流控制电磁阀开度，可以改变助力油液的流量，使得油液推动助力活塞的力量被改变，从而实现助力力度的调节。控制单元根据车速传感器的信号对电磁阀开度进行控制，从而达到助力力度随速可变的目的。而这种系统的转向执行机构、液压泵等部件仍为常用部件，只是控制方式改变了而已。

图4.53　电动液压助力转向系统结构和原理示意图

其特点是由ECU提供供油特性，汽车低速行驶时助力作用大，驾驶员操纵轻便灵活；汽车高速行驶时转向系统的助力作用减弱，驾驶员的操纵力增大，具有明显的“路感”，既保证了转向操纵的舒适性和灵活性，又提高了高速行驶中转向的稳定性和安全感。

图4.54　电机助力转向系统的组成

（2）电机助力转向系统

1）组成和类别

电动助力转向系统（EPS）是一项采用现代控制方法的高新技术，目前在车辆上的应用已越来越广泛，其结构组成如图4.54所示。它采用直流电动机带动减速机构进行助力，引入了转矩传感器和车速传感器，控制ECU根据方向盘的转矩传感器信号进行助力控制，转矩越大，助力越强；同时根据车速信号进行控制，车速越高，助力越弱，增加路感。

根据电动机的助力位置不同，电动助力系统可分为转向轴助力式、齿轮助力式和齿条助力式三种，如图4.55所示。

图4.55　电机助力转向系统的类别

2）工作原理

当操纵转向盘时，装在转向盘轴上的转矩传感器（亦称转向传感器）不断测出转向轴上的转矩，并由此产生一个电压信号。该信号与车速信号同时输入电子控制器，控制器中的微处理器根据这些输入信号进行运算处理，确定助力转矩的大小和转向，即选定电动机的电流和转向，调整转向的辅助助力。电动机的转矩由电磁离合器通过减速机构减速增扭后，加在汽车的转向机构上，使之得到一个与工况相适应的转向作用力。

汽车处于启动或者低速行驶状态时，操纵转向盘转向，装在转向柱上的转矩传感器不断检测作用于转向柱扭杆上的扭矩，并将此信号与车速信号同时输入电子控制器，处理器对输入信号进行运算处理，确定助力扭矩的大小和方向，从而控制电动机的电流和转向，电动机经离合器及减速机构将转矩传递给牵引前轮转向的横拉杆，最终起到为驾驶人员提供辅助转向力的功效。当车速超过一定的临界值或者出现故障时，为保持汽车高速时的操控稳定性，电动助力转向系统退出助力工作模式，转向系统转入手动转向模式。不转向的情况下，电动机不工作。

3）电动助力转向系统的优点

与传统液压动力转向相比，它具有以下优点：

①电动机和减速机构安装在转向柱或在转向系内，所占空间小，零部件结构简单、安装方便，维护费用低。

②以电动机为动力，不需要转向油泵、油管及控制阀等液压元件，也不会耗用发动机的功率和发生液压油泄漏和损耗，电动机只在需要时才启动，耗用电能较少，提高了汽车经济性。

③低速停车入库时转向助力器对转向力的降低非常显著。

④更好地吸收道路上的任何颠簸并能灵敏反映路面信息，改善汽车的转向特性，灵敏度高。

4.3.3　动力转向系统常见故障的诊断和排除

动力转向系统的常见故障主要包括：转向沉重，转向噪声和两侧转向力不等，相应的故障现象、原因以及诊断与排除方法见表4.2。

表4.2　动力转向系统常见的故障现象、原因、诊断与排除方法

续表

【拓展阅读】

线控转向系统简介

（1）线控转向系统的发展概况

汽车转向系统从最初的机械式转向系统发展到液压助力转向系统、电动助力转向系统，新一代的转向系统将是线控转向系统（简称SBW）。早在20世纪60年代，线控转向系统的概念就被提出，但限于当时电子技术和计算机技术的落后，未能被深入研究。到了20世纪90年代，随着电子计算机技术的飞速发展，线控转向系统开始受到关注，越来越多的科研院所和高校开始进行了全面而深入的研究和开发。

线控转向系统是在电动助力转向系统的基础上发展而来的，二者都是用电机作为执行器，但线控转向系统取消了传统转向系统中转向盘与转向车轮之间的机械连接，可以自由设计转向系统的角传递特性和力传递特性，对提高“人-车-路”闭环系统的操纵稳定性、乘坐舒适性和主动安全性具有重要意义。

（2）线控转向系统的组成和工作原理

线控转向系统的主要组成部分包括转向传感器、电控单元、转矩反馈电机、激励器和车轮转角传感器等，如图4.56所示。

图4.56　线控转向系统工作原理示意图

不同类型的线控转向系统，工作原理是一致的：当驾驶员转动方向盘时，转向传感器测出施加在转向盘上的转角信号，并通过总线传递给中央控制单元，中央控制单元据此可辨识出驾驶员的转向意图，并发出控制信号给激励器，实现车轮的转向；与此同时，通过车轮转角传感器可实时测出转向车轮上受到的转向阻力矩，并通过电控单元反馈给转向盘下方的电机，使之产生一个合适的反力矩，使驾驶员获得满意的操纵力感。当系统出现故障时，电控单元中的故障容错模块将自动启动容错控制，保证汽车的基本转向功能，使汽车仍能沿着驾驶员的转向意图进行行驶。

（3）线控转向系统的优点和局限性

线控转向系统的优点主要集中在以下几点：

第一，线控转向系统没有转向柱，在设计车辆时不需在发动机舱中为之留出相应的安装空间，提高了发动机舱的空间利用率。

第二，当车辆发生碰撞时，可降低驾驶员受伤的危险性。

第三，从功能上来说，线控转向系统可以提高车辆的操纵性和舒适性。线控转向系统可以在必要时（如有侧风干扰、车辆出现侧滑等）迅速地修正转向车轮，保证车辆的稳定性，而且不干扰驾驶员的转向操纵。在线控转向系统中，路面信息经过处理后，有害的干扰被过滤掉，对驾驶员有用的信息被保留下来，传递到转向盘上，驾驶员可以获得更加良好的转向“手感”。

线控转向系统的局限性主要体现在可靠性问题上：由于线控转向系统中转向盘和转向车轮之间没有直接的机械连接，当电控系统出现故障时，车辆将无法保证转向功能，处于失控状态。但系统设计中“冗余设计”的理念，如传感器的冗余、电机的冗余等，使线控转向系统的可靠性得到显著提高。