汽车方向盘的工作原理

当汽车转弯时，两个前轮并不指向同一方向，你可能会感到惊讶。为了使汽车平稳转弯，每个车轮必须以不同的圆周运动。因为内轮经过的圆半径较小，所以它的转向角比外轮大。如果画一条垂直于每个车轮的直线，那么直线的交点就是转向的中心点。转向横拉杆具有独特的几何结构，可以使内轮转向角度大于外轮。有几种类型的转向器。最常见的是齿轮齿条式转向器和循环球式转向器。齿轮齿条式转向系统已迅速成为汽车、小型货车和SUV中广泛使用的转向系统类型。它的工作机制非常简单。齿条齿轮组包裹在金属管内，齿条的每个齿端伸出金属管外，并用拉杆连接在一起。小齿轮连接到转向轴上。当你转动方向盘时，齿轮会转动，从而带动齿条移动。齿条每个齿端的横拉杆连接到转向轴的转向臂上(见上图)。齿轮齿条式齿轮组有两个功能:将方向盘的旋转运动转化为车轮旋转所需的直线运动。提供齿轮减速功能，使车轮转向更加方便。在大多数汽车中，一般需要转动方向盘三四次才能将车轮从一个锁止位置转到另一个锁止位置(从最左边的位置转到最右边的位置)。

转向传动比是指方向盘的转向程度与车轮的转向程度之比。例如，如果转动方向盘一次(360度)将导致车轮转动20度，则转向传动比等于360除以20，即18:1。该比率越高，使车轮转向规定距离的方向盘旋转幅度越大。但是，由于高传输，旋转方向盘所需的力将会减少。一般来说，轻型车和跑车的转向传动比小于大型轿车和卡车。比率越低，转向响应越快。您只需轻轻转动方向盘，即可将车轮转向指定的距离。这正是跑车梦寐以求的。因为这些小型车比较轻，比例低，打方向盘不会太费力。一些汽车使用可变传动比转向系统，在该系统中，齿轮齿条式齿轮组的中心和外侧具有不同的齿距(每厘米齿数)。这样既能提高汽车转向时(齿条靠近中心)的响应速度，又能降低车轮接近转向极限时的受力。动力齿条和小齿轮

当齿条和小齿轮用于动力转向系统时，齿条的设计会略有不同。一些机架包含一个中心带有活塞的气缸。活塞连接到齿条上。气缸上有两个油孔，位于活塞的两侧。当高压液体注入活塞一侧时，会迫使活塞向另一侧运动，进而带动齿条运动，从而提供辅助动力。我们将在后面介绍提供高压液体的组件，它也可以确定机架的哪一侧供应这些高压液体。首先，让我们了解另一个转向系统。目前，许多卡车和SUV都在使用循环球转向系统。转动车轮的拉杆与齿轮齿条式转向系统略有不同。循环球转向器有一个坩埚杆。你可以把这个舵机想象成两个部分。第一部分是带有螺纹孔的金属块。这个金属块的外围有切入的齿轮齿，与驱动转向摇臂的齿轮相结合(见上图)。方向盘连接到一个螺栓状的螺钉上，螺钉插入金属块的孔中。当你转动方向盘时，它转动门闩。因为螺栓和金属块是相对固定的，所以旋转时，它不会像普通螺栓那样钻入金属块，而是带动金属块旋转，进而带动旋转轮的齿轮。螺栓并不直接与金属块上的螺纹结合，所有的螺纹都填充有滚珠轴承，当齿轮转动时，滚珠轴承会循环转动。球轴承有两个作用:一是减少齿轮的摩擦和磨损；第二，减少档位溢出。如果档位溢出，打方向盘的时候会有感觉。但如果转向器内没有滚珠，齿会暂时分离，导致方向盘松动。循环球系统动力转向的工作原理类似于齿轮齿条系统。它的辅助动力也是通过向金属块的一侧注入高压液体来提供的。现在让我们看看组成动力转向系统的其他部件。在动力转向系统中，除了齿轮齿条机构或循环球机构外，还有几个重要的部件。泵

转向液压动力由旋转叶片泵提供(见上图)。这个泵由汽车发动机通过传送带和皮带轮驱动。它包含一组在椭圆形泵室内旋转的伸缩叶片。当叶片旋转时，它们将从压力较低的回油管中吸入液压油，并迫使液压油流向压力较高的出口。泵提供的流量取决于汽车发动机的转速。泵必须设计成在发动机空转时提供足够的流量。所以当发动机加速时，泵提供的液体会远远超过实际需要。该泵包含一个减压阀，以确保压力不会升得太高。当发动机高速运转时，由于泵吸入的液体过多，更需要通过降低压力来降低压力。回转阀

只有当驾驶员向方向盘施力(比如开始转向)时，动力转向系统才会为其提供支撑。如果驾驶员不用力(如直线行驶)，系统不会提供任何辅助。用来检测方向盘上这个力的装置叫做转阀。旋转阀的关键部件是扭杆。扭杆是一根细金属杆，当扭矩施加在它上面时，它会扭曲。扭杆的顶端与方向盘相连，底端与小齿轮或坩埚(用于转动车轮)相连，这样扭杆中的扭矩就等于驾驶员转动车轮所用的扭矩。驾驶员转动车轮所用的扭矩越大，扭杆的扭力就越大。转向轴中的输入装置形成滑阀组件的内部结构。它也连接到扭力杆的顶部。扭杆的底端连接到滑阀的外侧。根据汽车转向系统的类型，扭杆还将转动转向器的输出装置，使其与小齿轮或蜗杆连接。扭杆扭转时，会使滑阀内侧相对外侧转动。因为滑阀的内部也连接到转向轴(从而连接到方向盘)，所以滑阀内部和外部之间的旋转程度取决于驾驶员施加在方向盘上的扭矩。

第一次转动方向盘时转阀里发生了什么在没有转动方向盘的情况下，两个液压管会对转向器施加相同的力。但只要旋转滑阀，阀口就会打开，高压液体就会注入相应的管路。事实证明，这种动力转向系统的效率是相当低的。接下来，我们来看看未来几年有助于提高效率的一些改进。因为车上助力转向泵的抽油活动一直在进行，会失去马力。这种行为会造成废油。你可以期待看到许多提高燃油经济性的创新。最酷的想法之一是“线控转向”或“线控驱动”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，代之以纯电子控制系统。本质上，这个方向盘的工作原理和在家用电脑上玩游戏的方向盘是一样的。它包含几个传感器，可以让汽车感觉到司机是如何操纵车轮的。此外，它还配备了一些电机，用于向驾驶员反馈汽车的当前行为。这些传感器的感应结果将用于控制转向系统。因为不再使用转向轴，所以为发动机室腾出了空间。此外，这套系统还会降低车内的震动。通用汽车推出的概念车Hy-wire的特点就是这种驱动系统。在通用Hy-wire的线控系统中，最奇妙的功能之一就是你可以在不改变任何汽车机械部件的情况下，调整车辆的转向。它只需要使用一些新的计算机软件来完成转向调整。在未来的线控汽车中，你很可能只需按几个按钮就可以根据自己的喜好配置控制装置，就像你调节汽车座椅一样。在该系统中，还可以为家庭中的每个驾驶员存储不同的控制偏好。在过去的五十年里，汽车转向系统的发展极其有限。但在未来十年，我们将见证汽车转向系统的巨大进步，它将使汽车更加省油和舒适。