汽车方向盘的工作原理

【专家解说】：当汽车转向时，两个前轮并不指向同一个方向，对此您可能会感到奇怪。 要让汽车顺利转向，每个车轮都必须按不同的圆圈运动。 由于内车轮所经过的圆圈半径较小，因此它的转向角度比外车轮要大。 如果对每个车轮都画一条垂直于它们的直线，那么线的交点便是转向的中心点。 转向拉杆具有独特的几何结构，可使内车轮的转向角度大于外车轮。 转向器分为几种类型。 最常见的是齿条齿轮式转向器和循环球式转向器。 齿条齿轮式转向系统已迅速成为汽车、小型货车及SUV上普遍使用的转向系统类型。 其工作机制非常简单。 齿条齿轮式齿轮组被包在一个金属管中，齿条的各个齿端都突出在金属管外， 并用横拉杆连在一起。 小齿轮连在转向轴上。 转动方向盘时，齿轮就会旋转，从而带动齿条运动。 齿条各齿端的横拉杆连接在转向轴的转向臂上（请参见上图）。 齿条齿轮式齿轮组有两个作用： 将方向盘的旋转运动转换成车轮转动所需的线性运动。 提供齿轮减速功能，从而使车轮转向更加方便。 在大多数汽车中，一般要将方向盘旋转三到四周，才能让车轮从一个锁止位转到另一个锁止位（从最左侧转到最右侧）。 转向传动比是指方向盘转向程度与车轮转向程度之比。 例如，如果将方向盘旋转一周（360度）会导致车轮转向20度，则转向传动比就等于360除以20，即18:1。比率越高，就意味着要使车轮转向达到指定距离，方向盘所需要的旋转幅度就越大。 但是，由于传动比较高，旋转方向盘所需要的力便会降低。 一般而言，轻便车和运动型汽车的转向传动比要小于大型车和货车。 比率越低，转向反应就越快，您只需小幅度旋转方向盘即可使车轮转向达到指定距离。这正是运动型汽车梦寐以求的特性。 由于这些小型汽车很轻，因此比率较低，转动方向盘也不会太费力。 有些汽车使用可变传动比转向系统，在此系统中，齿条齿轮式齿轮组的中心与外侧具有不同的齿距（每厘米的齿数）。 这不仅能提高汽车转向时的响应速度（齿条靠近中心位置），还能减少车轮在接近转向极限时的作用力。 动力齿条齿轮 当在动力转向系统中应用齿条齿轮时，齿条的设计会略有不同。 部分齿条包含一个中心有活塞的圆筒。 活塞连接在齿条上。 圆筒上有两个油孔，分别位于活塞的两侧。 当向活塞的一侧注入高压液体时，将迫使活塞向另一侧运动，进而带动齿条运动，这样便提供了辅助动力。 我们将在随后介绍提供高压液体的组件，它同时也能决定向齿条的哪一侧供应这些高压液体。 首先，让我们来了解另一种转向系统。 目前，众多货车和SUV上都在使用循环球式转向系统。 其转动车轮的拉杆与齿条齿轮式转向系统稍有不同。 循环球式转向器有一个埚杆。 您可以将此转向器想像为两部分。 第一部分是带有螺纹孔的金属块。 此金属块外围有切入的轮齿，这些轮齿与驱动转向摇臂的齿轮相结合（参见上图）。 方向盘连接在类似螺栓的螺杆上，螺杆则插在金属块的孔内。 转动方向盘时，它便会转动螺栓。 由于螺栓与金属块之间相对固定，因此旋转时，它不会像普通螺栓那样钻入金属块中，而是带动金属块旋转，进而驱动转动车轮的齿轮。 螺栓并不直接与金属块上的螺纹结合在一起，所有螺纹中都填满了滚珠轴承，当齿轮转动时，这些滚珠将循环转动。 滚珠轴承有两个作用： 第一，减少齿轮的摩擦和磨损；第二，减少齿轮的溢出。 如果齿轮溢出，则会在转动方向盘时感觉到。而如果转向器中没有滚珠，轮齿之间会暂时脱离，从而造成方向盘松动。 循环球式系统中的动力转向工作原理与齿条齿轮式系统类似。 其辅助动力也是通过向金属块一侧注入高压液体来提供的。 现在让我们看一下构成动力转向系统的其他组件。 在动力转向系统中，除齿条齿轮机制或循环球机制外，还有几个重要组件。 泵 用于转向的液压动力由回转式滑片泵提供（参见上图）。 此泵由汽车发动机通过传送带和皮带轮进行驱动。 它包含一组在椭圆形泵室内旋转的伸缩式叶片。 当叶片旋转时，这些叶片会从压力较低的回流管吸入液压油，并迫使其流向压力较高的出口。 泵所提供的流量取决于汽车发动机的速度。 泵的设计必须能在发动机怠速时提供足够的流量。 因此，当发动机加速运转时，该泵提供的液体会远远超过实际的需要。 泵中含有一个减压阀，用于确保压力不会升得太高。当发动机高速运转时，由于泵中吸入了太多液体，因而更需要减压阀来降低压力。 旋转阀 只有驾驶员对方向盘施加作用力（如开始转向）时，动力转向系统才会向其提供支持。 如果驾驶员没有施加作用力（如沿直线驾驶时），该系统则不会提供任何援助。 方向盘上用于检测到这种作用力的设备叫旋转阀。 旋转阀的关键部位是扭力杆。 扭力杆是一根细金属杆，在向其施加扭矩时，它会发生扭转。 扭力杆的顶端连接在方向盘上，底端则连接在小齿轮或埚杆（用于转动车轮）上，这样扭力杆中的扭矩便等于驾驶员用来转动车轮的扭矩。 驾驶员用来转动车轮的扭矩越大，扭力杆扭转的幅度就越大。 转向轴中的输入装置形成了滑阀总成的内部结构。 它也与扭力杆的顶端相连。 扭力杆的底端连接在滑阀的外侧。 扭力杆还会转动转向器的输出装置，以使其与小齿轮或蜗杆相连，具体取决于汽车的转向系统类型。 当扭力杆扭转时，它会使滑阀的内侧相对于外侧旋转。 由于滑阀的内侧也连接在转向轴上（从而与方向盘相连），因此滑阀内外侧之间的旋转程度取决于驾驶员在方向盘上所施加扭矩的大小。 首次转动方向盘时旋转阀内发生的情况 在未转动方向盘时，两个液压管会向转向器施加相同的力。 但是，只要转动滑阀，就会打开阀口并向相应管路注入高压液体。 事实证明，这种动力转向系统的效率相当低。 下面，让我们看看在未来几年中将会出现的一些有助于提高效率的改进。 由于汽车上动力转向泵的泵油活动一直在进行，因而会损耗马力。 这种行为会造成废油。 您有望看到多个提高燃料经济性的创新。 最酷的构想之一是“线控转向”或“线控驾驶”系统。 这些系统将完全取消方向盘和转向系统之间的机械连接，取而代之的是纯电子控制系统。 从本质上说，这种方向盘的工作原理与在家用计算机上打游戏的方向盘相同。 它包含若干个传感器，可使汽车感知驾驶员正如何操纵车轮。另外它还配有一些电动机，用于向驾驶员反馈汽车当前的行为。 这些传感器的感知结果将用来控制转向系统。 由于不再使用转向轴，因此为发动机室腾出了空间。 此外，此系统还会减少汽车内部的振动。 通用汽车公司 (General Motors) 推出的一款概念车Hy-wire就是以此类驾驶系统为特色。 在通用Hy-wire的线控驾驶系统中，最精彩的功能之一是，您可以在不改动任何汽车机械组件的情况下调整对车辆的操纵，它只需使用某种新的计算机软件即可完成转向调整。 在未来的线控驾驶汽车中，您将很可能只需按几个按钮，即可根据自己的喜好来配置控制装置，就像您调整汽车座位一样。 在这种系统中，也许还可以为家庭中的每个驾驶员存储不同的控制首选设置。 在过去的五十年中，汽车转向系统的发展极其有限。 但在未来十年内，我们将见证汽车转向系统的长足进步，这些进步将使汽车更省油、更舒适