汽车底盘结构与维护：机械转向系统的检修

【任务引入】

案例：某轿车在行驶过程中，前轮有自动向右偏转的趋势，要想保持汽车直线行驶，手必须用力握住方向盘才行。当方向盘向右打到底时，车轮不能自动回位，必须将方向盘用力向左打，才能使车轮回正。维修人员通过检查调整转向器，重新调整前束并将前桥解体分别检查，调整转向节、工字梁，使其符合技术要求，结果故障仍然无法排除。维修人员对转向传动机构进行了彻底检查，才发现转向直拉杆有弯曲变形的情况。更换新件后，故障排除。

转向直拉杆是转向传动机构中的零件，弯曲变短后，直拉杆、转向节臂和转向垂臂之间的几何位置和传动关系将发生变化，造成转向传动关系失调，传动机构对车轮的自动回位起到阻碍作用。

本任务对机械转向系统进行了全面介绍，要求熟悉转向操纵机构、转向器和转向传动机构的功能、组成、分类和工作原理，掌握各组成机构的拆装和检修方法以及常见故障诊断和排除方法。

【任务相关知识】

4.2.1　转向操纵机构

转向盘到转向器之间的所有零部件总称为转向操纵机构，其中，万向节和传动轴是万向传动装置，在此不再专门介绍。转向操纵机构的功用包括两个方面：第一，产生转动转向器所必需的操纵力，主要由转向盘产生；第二，具有一定的调节和安全性能，主要由转向柱完成。

（1）转向盘

1）转向盘的结构

转向盘由轮圈、轮辐和轮毂组成，如图4.5所示。轮辐和轮圈由钢、铝或镁合金制成骨架，外表面通过注塑方法包裹一定形状的塑料外层或合成橡胶，以改善操纵转向盘的手感并提高驾驶时的安全性。转向盘轮毂的细牙内花键与转向轴连接，端部通过螺母轴向压紧固定。

图4.5　转向盘结构图

转向盘上都装有喇叭按钮，很多轿车的转向盘上还装有车速控制开关和安全气囊。

随着汽车工业的不断发展，转向盘的功能设计也开始向智能化、人性化的方向转变。多功能方向盘应时而生，它是指在方向盘上设置一些功能键（如蓝牙、音响、车辆设置等），驾驶员可以直接在方向盘上操控车内很多的电子设备，不需要在中控台上去寻找各类按钮，大大提高行车的安全性。

2）转向盘的基本检查

①自由行程的检查

转向盘在空转阶段的位移行程称为转向盘自由行程，它对于缓和路面冲击及避免使驾驶人过度紧张是有利的，但此自由行程也不宜过大，以免过分影响转向灵敏性。汽车每行驶12 000 km左右，就应检查转向盘的自由行程，检查方法是：

首先，启动发动机（机械转向系无须启动发动机），转动转向盘使前轮处于直线行驶位置。轻轻移动转向盘，在转向轮就要开始转动时（或感觉到阻力时），使用直尺测量转向盘外缘的移动量，一般为0～30 mm，如图4.6所示。

如果不符合要求，应该检查转向器间隙，调整转向球头销以及转向器传动副配合间隙等。

②转向盘是否处于中间位置的检查

检查步骤如下：

a.确认转向机总成和转向盘的方向是否正确安装。

b.先对车轮定位，然后执行中间位置检查。

c.将汽车停好，车轮回位，确认转向盘处在中间位置。

d.松开外套筒锁紧螺母并左右转动纵拉杆进行微调，检查转向盘是否在中间位置。

③转向盘转向力大小的检查

检查步骤如下：

a.将车辆停放在水平干燥的地面上，将驻车制动手柄拉起，发动机点火。

b.将转向盘从中间位置转过360°，在此位置检查转向盘转向力的大小，如图4.7所示。转向盘转向力应小于36 N。

图4.6　转向盘自由行程检查

图4.7　转向盘转向力矩测试

c.如果转向盘转向力超出规定值，则参考转向机总成中的小齿轮旋转扭矩。

（2）转向管柱

转向管柱总成是由把转向盘旋转传送到转向器的转向主轴机构和把转向主轴固定到车身上的转向柱管组成，主要包括上管柱、中间轴、万向节和轴承等零部件，如图4.8所示。有些转向主轴直接与转向器输入轴连接，而有些则通过万向节和转向器相连。而采用万向传动装置，主要作用是补偿由于部件在车上的安装误差和安装基体（如驾驶室、车体）的变形所造成的二者轴线实际上的不重合。采用柔性万向节间接连接，还可以有效阻止路面对轮胎的冲击经过转向器传到转向盘，从而显著减轻转向盘受到的冲击和振动。

图4.8　转向管柱总成结构图

1）吸能式转向管柱

为防止车辆正面撞击后转向管柱对驾驶员造成损伤，各国都有相应的法规要求转向操纵机构具有安全保护装置，吸能式转向管柱因此得到广泛应用。在受到较大冲击时，吸能式转向管柱主要通过以下两种方式吸收冲击能量：

①转向轴错位

如图4.9所示，转向轴分为上、下转向轴，中间通过柱销、塑料衬套、减振橡胶套和凸缘盘柔性连接。当汽车发生猛烈撞击后，车身和车架的变形将导致转向轴和转向盘后移。同时，驾驶员在惯性作用下，身体向前冲，致使连接上、下转向轴的柱销脱开，即转向轴发生错位，缓和了冲击，有效减轻了驾驶员的受伤程度。

图4.9　转向轴错位式吸能装置

②转向柱管变形

如图4.10所示，如果采用了网格状或波纹管式转向柱管，则当发生猛烈撞车导致人体冲撞转向盘时，网格部分或波纹管部分将被压缩产生塑性变形，吸收冲击能量，以减轻对人体的伤害。

2）位置可调式转向柱

图4.10　转向柱管变形式吸能装置

转向柱调节的形式分为倾斜角度调节和轴向位置调节两种。如图4.11所示为转向轴倾斜角度调整机构。转向管柱的上段和下段分别通过倾斜调整支架和下托架与车身相连，而转向管柱由倾斜调整支架夹持并固定。倾斜调整用锁紧螺栓穿过调整支架上的长孔和转向管柱，螺栓的左端为左旋螺纹，调整手柄即拧在该螺纹上。当向下扳动手柄时，锁紧螺栓的螺纹放松，转向管柱即可以下托架上的枢轴为中心在装有螺栓的支架长孔范围内上下移动；确定了转向管柱的合适位置后，向上扳动调整手柄，从而将转向管柱定位。

图4.11　转向轴倾斜角度调节机构

如图4.12所示的是一种转向轴伸缩机构。转向轴分为上下两段，二者通过花键连接。上转向轴内调节螺栓通过楔状限位块夹紧定位。调节螺栓的一端拧有调节手柄。当需要调整转向轴的轴向位置时，先向下推调节手柄，使限位块松开，再轴向移动转向盘，调到合适的位置后，向上拉调节手柄，将上转向轴锁紧定位。

（3）转向盘与转向管柱的拆装

下面以比亚迪F3为例，介绍转向盘和转向管柱的拆装过程。

①将汽车停放，使车轮回正，脱开蓄电池的负极端子。

②拆下喇叭按钮总成和驾驶员安全气囊模块。

a.用套筒扳手或者螺丝刀松开两个螺钉，如图4.13所示，直至螺钉头周边卡在螺钉壳体内，拿开喇叭按钮罩壳，从转向盘中拉出喇叭按钮总成。放置喇叭按钮总成时，保证其上表面向上，不要分解喇叭按钮总成。

图4.12　转向轴伸缩机构

图4.13　松开螺钉

b.从转向盘中间拆卸驾驶员安全气囊模块，其注意事项包括：拆卸时，不要拉扯安全气囊模块线束；放置安全气囊模块总成时，保证其上表面向上；不要分解安全气囊模块总成。

c.脱开与时针弹簧连接的线束接头，拆下转向盘固定螺栓，如图4.14所示。

图4.14　方向盘相关线束接头及螺栓的拆卸

d.在转向盘总成和转向管柱及万向节总成上做好配合标记，如图4.15所示。使用专用转向盘拔具，拆下转向盘总成，如图4.16所示。

图4.15　方向盘与转向管柱之间的配合标记

图4.16　拆下转向盘总成

e.拆下转向管柱上盖和下盖。如图4.17所示，拆下3个螺钉以及转向管柱上盖、下盖。

f.脱开地板式换挡停车锁止拉线总成。将点火开关置于ACC位置，推动棘爪，拉出换挡锁止拉线，如图4.18所示。

图4.17　拆下转向管柱上盖和下盖

图4.18　脱开换挡停车锁止拉线总成

g.拆下组合开关。

•拆下组合开关连接件。组合开关靠一个金属卡与两个塑料卡与安装板连接，先用螺丝刀将金属卡从安装孔出提出，再拆下这两个塑料卡，如图4.19所示。

•如图4.20所示，先拆下左组合开关（前照灯变光开关总成），然后拆下右组合开关（刮水器开关总成）。

图4.19　拆下组合开关连接件

图4.20　拆下组合开关

h.拆下2号转向中间轴总成。

•脱开2号转向中间轴总成。在滑叉和中间轴上做配合标记，松开连接螺栓，然后脱开中间轴总成。

•拆下转向管柱总成。从转向管柱总成上脱开接头和线束卡子，拆下3个螺栓和转向管柱总成，如图4.21所示。

•拆下2号转向中间轴总成。在主轴和中间轴上做配合标记，如图4.22所示，然后拆下螺栓和中间轴。

图4.21　拆下转向管柱总成连接螺栓

图4.22　主轴和中间轴的配合标记

i.拆下转向管柱上开关支架。先使用中心冲子，在两个锥形螺栓上做中心标记，如图4.23所示，然后使用螺丝刀拆下两个螺栓和转向管栓上开关支架总成。

j.拆下点火开关锁芯总成。如图4.24所示，把点火开关旋转到ACC位置，用螺丝刀按下止动锁，拉出点火开关锁芯总成。

图4.23　在锥形螺栓上做中心标记

图4.24　拆下点火开关锁芯总成

k.拆下未锁警告开关总成，从点火开关总成上脱开并拆下未锁警告开关，然后拆下点火开关总成。

③安装过程。

按照与拆卸相反的步骤安装。有以下注意事项：

a.安装完点火开关总成和未锁警告开关总成之后，应检查转向锁的动作：拔出钥匙时，转向锁机构应锁止。当把钥匙插入并旋转到ACC位置时，转向锁机构锁止解除。

b.安装2号转向中间轴总成时，要注意对齐主轴和中间轴上的配合标记以及滑叉和中间轴上的配合标记。

c.安装喇叭按钮总成时，要注意：不要使用另一辆汽车上拆下的安全气囊零件，必须使用新零件进行更换；确保喇叭按钮总成是以规定力矩进行安装的；若喇叭按钮总成掉地，或者在壳体接头上有裂纹、凹坑或其他缺陷，更换新总成；当安装喇叭按钮总成时，电线不要和其他部件有干扰。

d.安装完成后，对转向盘自由行程、转向盘是否处于中间位置以及转向力的大小做基本检查，若不符合要求，进行调整；检查安全气囊警告灯是否亮起，如亮起，应再做进一步检修。

4.2.2　转向器(https://www.xing528.com)

（1）转向器的功能和传动效率

转向器是将转向盘的转动变为转向摇臂的摆动或齿条轴的直线往复运动，并对转向操纵力进行放大的机构。转向器一般固定在汽车车架或车身上，转向操纵力通过转向器后改变传动方向。

转向器除了要保证汽车转向轻便灵活外，还应能防止由于路面反力对转向盘产生过大的冲击，即所谓的“回弹打手”现象。为了实现这一目的，转向器应具有较高的正传动效率和适当的逆传动效率。

转向器传动效率是指转向器输出功率与输入功率之比，由转向盘输入、从转向摇臂输出的为正传动效率；反之，转向摇臂受到道路冲击而传到转向盘的则为逆传动效率。按传动效率的不同，转向器可以分为可逆式转向器和不可逆式转向器。

可逆式转向器是指正、逆传动效率都很高的转向器。这种转向器很容易将路面反力传递给转向盘，有利于转向后的转向轮自动回正。转向盘“路感”很强，但在路况较差时容易出现转向盘“打手”现象，所以主要应用于经常在良好路面上行驶的车辆。

不可逆式转向器是指逆传动效率很低的转向器，这种转向器使驾驶员难以得到路面不平度的反馈信息，转向盘的“路感”很差，而且转向轮也难以自动回正，所以很少采用。

（2）转向器的结构和工作原理

常用的转向器类型有：齿轮齿条式、蜗杆曲柄指销式和循环球式。

1）齿轮齿条式转向器

齿轮齿条式转向器主要由齿轮、齿条和转向轴组成，如图4.25所示。转向轴垂直安装在壳体中，上端通过万向传动装置与转向盘相连，下端是与轴制成一体的齿轮。

图4.25　齿轮齿条式转向器结构示意图

齿轮齿条式转向器把转向盘的旋转运动转变为横向运动。当转向盘转动时，主动齿轮的轮齿就啮合齿条的轮齿，引起齿条的运动。齿条的运动使转向横拉杆移动，带动了车轮的转动。如图4.26所示，齿轮齿条转向器右转时的工作过程为：右转转向盘时，与主动齿轮啮合的齿条向右移动，使转向横拉杆向右伸，带动车轮向右转动，实现车辆向右转向；左转向时，工作过程与此类似，只是转动方向相反。

由于具有结构简单紧凑、操控轻便灵敏、制造成本低、便于布置等优点，齿轮齿条式转向器广泛应用于轿车、微型货车和轻型货车。采用齿轮齿条式转向器可以使转向传动机构简化（不需要转向摇臂和转向直拉杆等），齿轮齿条无间隙啮合无须调整，而且逆传动效率很高。

图4.26　齿轮齿条式转向器右转时工作过程示意图

2）循环球式转向器

图4.27　循环球式转向器结构和原理示意图

循环球式转向器的主要结构包括循环球、转向螺母、转向螺杆和齿形扇，如图4.27所示。转向螺杆支承在两个推力球轴承上，轴承的预紧度可以调整。转向螺母松套在转向螺杆上，二者的螺纹并不直接接触，而是通过装在其内的循环钢球实现滚动摩擦。

循环球式转向器有两级传动副，第一级传动副是转向螺杆与转向螺母，转向螺母的下平面加工成齿条，与扇形齿相啮合，构成第二级传动副。它的工作过程如下：

当转动转向盘，通过转向轴带动转向螺杆时，通过钢球将操纵力传给转向螺母，螺母并不随螺杆转动，而是沿螺杆轴向移动。转向螺母在轴向移动中，其齿条带动扇齿绕着转向摇臂轴做圆弧运动，从而使转向摇臂轴转动，带动摇臂产生摆动，进而通过转向传动机构使转向轮发生偏转，实现汽车的转向。

3）蜗杆曲柄指销式转向器

蜗杆曲柄指销式转向器的主要结构组成包括转向蜗杆、指销、摇臂轴曲柄等，如图4.28所示。转向蜗杆通过两个推力角接触球轴承支承在转向器壳体上，其轴承预紧度可调整。指销为锥形结构，一端与蜗杆相啮合，另一端通过圆锥滚子轴承支承于摇臂轴曲柄内端。

图4.28　蜗杆曲柄指销式转向器结构和原理示意图

蜗杆曲柄指销式转向器的工作过程为：转向轴带动转向蜗杆（主动件）转动时，与之相啮合的指销（从动件）便绕摇臂轴轴线在蜗杆螺纹槽内做圆弧运动，同时带动摇臂摆动，以实现汽车转向。

（3）转向器的拆装与调整

下面以循环球式转向器为例来介绍转向器的拆装与调整过程。

1）循环球式转向器的拆卸过程

①在车上拆下循环球式转向器的转向垂臂、万向节叉的锁紧螺母；将转向器总成从车上拆下并卸下通气塞，放出转向器内的润滑油。

②将转向臂轴转到中间位置，再拧下侧盖的4个紧固螺栓，用软质锤轻轻敲打转向臂端头，取出侧盖和转向臂轴总成，如图4.29所示。松开转向摇臂轴紧固螺母后，在转向摇臂和摇臂轴间做好装配记号。

图4.29　拆下侧盖和转向臂轴总成

③拧下转向器底盖上的4个紧固螺栓，用橡胶锤轻轻敲击转向螺杆上端，拆下底盖和调整垫片，如图4.30所示。

图4.30　拆下转向器底盖

④从壳体中取出转向螺杆及转向螺母总成，如图4.31所示。

⑤螺杆及螺母总成如无异常情况，尽量不要解体。必须解体时，应按图4.32中所示，先拧下3个固定导管夹的螺钉，拆下导管；再握紧螺母，慢慢转动螺母，排出全部钢球。

2）循环球式转向器的装配与调整过程

①装复转向螺杆螺母组件。如图4.33所示，先平稳地往滚道中逐个装入钢球（所装钢球的直径和数量必须符合原厂规定，且在装钢球的过程中，转向螺杆和转向螺母不要相对运动，必要时只能稍许转动转向螺杆或用塑料棒将钢球轻冲进滚道内），然后给装满钢球的导管口涂压润滑脂以防止钢球脱出，最后用导管卡将导管固定在转向螺母上。装入钢球后，转动螺母的轴向窜动量不得大于0.1 mm。

图4.31　取出转向螺杆及转向螺母总成

图4.32　螺杆及螺母总成分解过程

图4.33　装复转向螺杆螺母组件

②将轴承内圈压在转向螺杆的轴颈上。

③组装摇臂轴。摇臂轴承预润滑之后，将摇臂装入壳体内，并按顺序装入推力垫片、调整螺钉、垫圈和弹性挡圈。

④安装转向器上盖、下盖：

a.把轴承装入下盖承孔中。

b.安装调整垫片和下盖，从壳体孔中放入转向螺杆组件，安装下盖。装下盖之前在结合平面上涂以密封胶。

c.把轴承外圈和转向螺杆油封压入上盖，并装入上盖调整垫片和上盖。

d.通过增减下盖调整垫片或用下盖上的调整螺塞调整转向螺杆的轴承预紧度。

⑤安装转向器侧盖：

a.给油封涂密封胶后，油封唇口向内，均匀地将油封压入壳体上承孔内。

b.将转向螺母移至中间位置（转向器总圈数的1/2），使扇形齿的中间齿与转向螺母的中间齿相啮合，装入摇臂轴组件。

c.侧盖密封垫涂以密封胶，再安装、紧固。

⑥调整转向器啮合间隙：

a.使转向器的传动副处于中间位置（车辆直线行驶位置）。

b.通过调整螺钉调整转向器传动副的啮合间隙，在直线位置上应呈无间隙啮合。

⑦安装摇臂时，应注意将摇臂与摇臂轴二者的装配记号对正，应特别注意摇臂固定螺母确实做到紧固、锁止可靠。

⑧按原厂规定加注润滑油。

4.2.3　转向传动机构

从转向器到转向轮之间的所有传动杆件总称为转向传动机构。转向传动机构的功用是将转向器输出的运动传到转向桥两侧的转向节，使转向轮偏转，并使两转向轮偏转角按一定关系变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。它允许有一些挠性运动，以适应车轮和悬架的运动。转向传动机构的组成和布置因转向器结构形式、安装位置及悬架类型而异。

转向轮采用独立悬架时，为了满足转向轮独立运动的需要，转向桥是断开式的，转向传动机构中的转向梯形也必须断开。与独立悬架配用的多数是齿轮齿条式转向器，其形式有两端输出式和中间输出式两种。

（1）两端输出式转向器

转向器齿条本身就是转向传动机构的一部分，转向横拉杆的内端通过球头销与齿条铰接，外端通过螺纹与连接转向节的球头销总成相连，如图4.34所示。

图4.34　两端输出式转向传动机构图

转向横拉杆由横拉杆体与装配在两端的横拉杆接头组成。横拉杆体用钢管或钢钎制成，它的两端切有正、反螺纹，一端为右旋，另一端为左旋，与横拉杆接头旋装连接。两端接头结构相同，如图4.35所示。由于横拉杆体不能绕自身轴线转动，为调整前束，在横拉杆体与球头销之间装有调节螺栓，螺栓两端的螺纹旋向相反，并各旋装一个锁紧螺母。当需要调前束时，先拧松两端的锁紧螺母，然后转动调节螺栓，达到合理的前束值时，再将锁紧螺母锁紧。

（2）中间输出式转向器

如图4.36所示，转向横拉杆的内端通过内、外托架和螺栓与转向器齿条的一端相连，外端通过球头销与转向节铰接。其前束调整的方法与两端输出式的相同。

图4.35　转向横拉杆总成结构图

图4.36　中间输出式转向传动机构图

4.2.4　机械转向系统常见故障的诊断和排除

机械转向系统常见故障主要包括转向沉重、转向不灵敏和转向轮抖动，相应的故障现象、原因以及诊断与排除方法见表4.1。

表4.1　机械转向系统常见的故障现象、原因、诊断与排除方法

续表

续表

【拓展阅读】

电动转向调整机构和转向锁定机构简介

（1）电动式转向柱调整机构

为满足驾驶员的舒适驾驶要求，转向操纵机构应可以调节。一些汽车装设了可调节式转向柱，可进行倾斜角度或轴向位置的调节，使驾驶员根据不同的驾驶姿势和身形进行转向盘的调节。电动式转向柱调整机构的工作原理：用电动方式进行转向柱的轴向调整和倾斜调整，其各机构都使用电机，机构运动由电机推动螺杆移动来完成，电机由安装在转向管柱盖板上的开关操纵。

转向柱的轴向调整：带有减速器的电机和螺杆与箱式摇臂是固定在一起的，带有转向柱管的导板盒与调整座是固定在一起的。螺杆拧在调整座的内螺纹内。螺杆的旋转运动转换成带有导板盒和转向柱管的轴向运动，如图4.37所示。电机内有一个霍尔传感器，该传感器会测定出电机转动的圈数，控制单元由此就可计算出转向柱当前的位置。

图4.37　电动式转向柱轴向调整机构

转向柱的倾斜调整：带有导板盒和转向柱管的箱式摇臂是支承在支架内且可转动的。带有柔性轴、螺杆和减速器的电机与箱式摇臂是固定在一起的。支架内装有一个螺纹套，螺杆就拧在该套内。螺杆的转动会使得螺纹套在垂直方向运动。带有导板盒和转向柱管的箱式摇臂就会绕共同的旋转中心转动。螺杆的另一端与一个圆柱齿轮固定在一起，这个转动通过一条齿形皮带传到转向柱另一面的一根螺杆上，在这面使用相同的部件来进行调整，如图4.38所示。

这种两面支承可以大大提高转向柱的连接刚度。电机内有一个霍尔传感器，该传感器会测定出电机转动的圈数，控制单元由此就可计算出转向柱当前的位置。

（2）转向锁定机构

转向锁定机构属于防盗系统的组成部分，当拔出点火钥匙后，会将转向主轴锁定到转向管柱上，禁止转向盘转动。

转向锁定机构的主要组成包括：带有圆锥形外花键的锁止轮通过一个滑动摩擦联轴节与转向柱管相连；带有圆锥形内花键的锁止滑块支承在导板盒内，可以纵向移动。电机通过蜗杆来驱动圆柱齿轮。换向杠杆支承在转向柱锁总成内，可纵向移动，并通过拉杆与锁止滑块相连，如图4.39所示。

转向锁定机构的工作原理：电机开始工作时就会带动圆柱齿轮转动，圆柱齿轮的侧面呈斜面状。换向杠杆就在这个斜面上运动，且可根据圆柱齿轮和斜面的位置纵向移动。换向杠杆的运动会直接传给锁止滑块。当锁止滑块和锁止轮啮合在一起时，转向柱就被机械锁定了。

图4.38　电动式转向柱倾斜调整机构

图4.39　电动转向柱锁工作原理图