汽車方向盤的工作原理

【專家解說】：當汽車轉(zhuǎn)向時，兩個前輪并不指向同一個方向，對此您可能會感到奇怪。 要讓汽車順利轉(zhuǎn)向，每個車輪都必須按不同的圓圈運動。 由于內(nèi)車輪所經(jīng)過的圓圈半徑較小，因此它的轉(zhuǎn)向角度比外車輪要大。 如果對每個車輪都畫一條垂直于它們的直線，那么線的交點便是轉(zhuǎn)向的中心點。 轉(zhuǎn)向拉桿具有獨特的幾何結(jié)構(gòu)，可使內(nèi)車輪的轉(zhuǎn)向角度大于外車輪。 轉(zhuǎn)向器分為幾種類型。 最常見的是齒條齒輪式轉(zhuǎn)向器和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。 齒條齒輪式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已迅速成為汽車、小型貨車及SUV上普遍使用的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型。 其工作機制非常簡單。 齒條齒輪式齒輪組被包在一個金屬管中，齒條的各個齒端都突出在金屬管外， 并用橫拉桿連在一起。 小齒輪連在轉(zhuǎn)向軸上。 轉(zhuǎn)動方向盤時，齒輪就會旋轉(zhuǎn)，從而帶動齒條運動。 齒條各齒端的橫拉桿連接在轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)向臂上（請參見上圖）。 齒條齒輪式齒輪組有兩個作用： 將方向盤的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成車輪轉(zhuǎn)動所需的線性運動。 提供齒輪減速功能，從而使車輪轉(zhuǎn)向更加方便。 在大多數(shù)汽車中，一般要將方向盤旋轉(zhuǎn)三到四周，才能讓車輪從一個鎖止位轉(zhuǎn)到另一個鎖止位（從最左側(cè)轉(zhuǎn)到最右側(cè)）。 轉(zhuǎn)向傳動比是指方向盤轉(zhuǎn)向程度與車輪轉(zhuǎn)向程度之比。 例如，如果將方向盤旋轉(zhuǎn)一周（360度）會導(dǎo)致車輪轉(zhuǎn)向20度，則轉(zhuǎn)向傳動比就等于360除以20，即18:1。比率越高，就意味著要使車輪轉(zhuǎn)向達到指定距離，方向盤所需要的旋轉(zhuǎn)幅度就越大。 但是，由于傳動比較高，旋轉(zhuǎn)方向盤所需要的力便會降低。 一般而言，輕便車和運動型汽車的轉(zhuǎn)向傳動比要小于大型車和貨車。 比率越低，轉(zhuǎn)向反應(yīng)就越快，您只需小幅度旋轉(zhuǎn)方向盤即可使車輪轉(zhuǎn)向達到指定距離。這正是運動型汽車夢寐以求的特性。 由于這些小型汽車很輕，因此比率較低，轉(zhuǎn)動方向盤也不會太費力。 有些汽車使用可變傳動比轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，齒條齒輪式齒輪組的中心與外側(cè)具有不同的齒距（每厘米的齒數(shù)）。 這不僅能提高汽車轉(zhuǎn)向時的響應(yīng)速度（齒條靠近中心位置），還能減少車輪在接近轉(zhuǎn)向極限時的作用力。 動力齒條齒輪 當在動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中應(yīng)用齒條齒輪時，齒條的設(shè)計會略有不同。 部分齒條包含一個中心有活塞的圓筒。 活塞連接在齒條上。 圓筒上有兩個油孔，分別位于活塞的兩側(cè)。 當向活塞的一側(cè)注入高壓液體時，將迫使活塞向另一側(cè)運動，進而帶動齒條運動，這樣便提供了輔助動力。 我們將在隨后介紹提供高壓液體的組件，它同時也能決定向齒條的哪一側(cè)供應(yīng)這些高壓液體。 首先，讓我們來了解另一種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 目前，眾多貨車和SUV上都在使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 其轉(zhuǎn)動車輪的拉桿與齒條齒輪式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)稍有不同。 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器有一個堝桿。 您可以將此轉(zhuǎn)向器想像為兩部分。 第一部分是帶有螺紋孔的金屬塊。 此金屬塊外圍有切入的輪齒，這些輪齒與驅(qū)動轉(zhuǎn)向搖臂的齒輪相結(jié)合（參見上圖）。 方向盤連接在類似螺栓的螺桿上，螺桿則插在金屬塊的孔內(nèi)。 轉(zhuǎn)動方向盤時，它便會轉(zhuǎn)動螺栓。 由于螺栓與金屬塊之間相對固定，因此旋轉(zhuǎn)時，它不會像普通螺栓那樣鉆入金屬塊中，而是帶動金屬塊旋轉(zhuǎn)，進而驅(qū)動轉(zhuǎn)動車輪的齒輪。 螺栓并不直接與金屬塊上的螺紋結(jié)合在一起，所有螺紋中都填滿了滾珠軸承，當齒輪轉(zhuǎn)動時，這些滾珠將循環(huán)轉(zhuǎn)動。 滾珠軸承有兩個作用： 第一，減少齒輪的摩擦和磨損；第二，減少齒輪的溢出。 如果齒輪溢出，則會在轉(zhuǎn)動方向盤時感覺到。而如果轉(zhuǎn)向器中沒有滾珠，輪齒之間會暫時脫離，從而造成方向盤松動。 循環(huán)球式系統(tǒng)中的動力轉(zhuǎn)向工作原理與齒條齒輪式系統(tǒng)類似。 其輔助動力也是通過向金屬塊一側(cè)注入高壓液體來提供的。 現(xiàn)在讓我們看一下構(gòu)成動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的其他組件。 在動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，除齒條齒輪機制或循環(huán)球機制外，還有幾個重要組件。 泵 用于轉(zhuǎn)向的液壓動力由回轉(zhuǎn)式滑片泵提供（參見上圖）。 此泵由汽車發(fā)動機通過傳送帶和皮帶輪進行驅(qū)動。 它包含一組在橢圓形泵室內(nèi)旋轉(zhuǎn)的伸縮式葉片。 當葉片旋轉(zhuǎn)時，這些葉片會從壓力較低的回流管吸入液壓油，并迫使其流向壓力較高的出口。 泵所提供的流量取決于汽車發(fā)動機的速度。 泵的設(shè)計必須能在發(fā)動機怠速時提供足夠的流量。 因此，當發(fā)動機加速運轉(zhuǎn)時，該泵提供的液體會遠遠超過實際的需要。 泵中含有一個減壓閥，用于確保壓力不會升得太高。當發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時，由于泵中吸入了太多液體，因而更需要減壓閥來降低壓力。 旋轉(zhuǎn)閥 只有駕駛員對方向盤施加作用力（如開始轉(zhuǎn)向）時，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)才會向其提供支持。 如果駕駛員沒有施加作用力（如沿直線駕駛時），該系統(tǒng)則不會提供任何援助。 方向盤上用于檢測到這種作用力的設(shè)備叫旋轉(zhuǎn)閥。 旋轉(zhuǎn)閥的關(guān)鍵部位是扭力桿。 扭力桿是一根細金屬桿，在向其施加扭矩時，它會發(fā)生扭轉(zhuǎn)。 扭力桿的頂端連接在方向盤上，底端則連接在小齒輪或堝桿（用于轉(zhuǎn)動車輪）上，這樣扭力桿中的扭矩便等于駕駛員用來轉(zhuǎn)動車輪的扭矩。 駕駛員用來轉(zhuǎn)動車輪的扭矩越大，扭力桿扭轉(zhuǎn)的幅度就越大。 轉(zhuǎn)向軸中的輸入裝置形成了滑閥總成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 它也與扭力桿的頂端相連。 扭力桿的底端連接在滑閥的外側(cè)。 扭力桿還會轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向器的輸出裝置，以使其與小齒輪或蝸桿相連，具體取決于汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)類型。 當扭力桿扭轉(zhuǎn)時，它會使滑閥的內(nèi)側(cè)相對于外側(cè)旋轉(zhuǎn)。 由于滑閥的內(nèi)側(cè)也連接在轉(zhuǎn)向軸上（從而與方向盤相連），因此滑閥內(nèi)外側(cè)之間的旋轉(zhuǎn)程度取決于駕駛員在方向盤上所施加扭矩的大小。 首次轉(zhuǎn)動方向盤時旋轉(zhuǎn)閥內(nèi)發(fā)生的情況 在未轉(zhuǎn)動方向盤時，兩個液壓管會向轉(zhuǎn)向器施加相同的力。 但是，只要轉(zhuǎn)動滑閥，就會打開閥口并向相應(yīng)管路注入高壓液體。 事實證明，這種動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的效率相當?shù)汀?下面，讓我們看看在未來幾年中將會出現(xiàn)的一些有助于提高效率的改進。 由于汽車上動力轉(zhuǎn)向泵的泵油活動一直在進行，因而會損耗馬力。 這種行為會造成廢油。 您有望看到多個提高燃料經(jīng)濟性的創(chuàng)新。 最酷的構(gòu)想之一是“線控轉(zhuǎn)向”或“線控駕駛”系統(tǒng)。 這些系統(tǒng)將完全取消方向盤和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)之間的機械連接，取而代之的是純電子控制系統(tǒng)。 從本質(zhì)上說，這種方向盤的工作原理與在家用計算機上打游戲的方向盤相同。 它包含若干個傳感器，可使汽車感知駕駛員正如何操縱車輪。另外它還配有一些電動機，用于向駕駛員反饋汽車當前的行為。 這些傳感器的感知結(jié)果將用來控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 由于不再使用轉(zhuǎn)向軸，因此為發(fā)動機室騰出了空間。 此外，此系統(tǒng)還會減少汽車內(nèi)部的振動。 通用汽車公司 (General Motors) 推出的一款概念車Hy-wire就是以此類駕駛系統(tǒng)為特色。 在通用Hy-wire的線控駕駛系統(tǒng)中，最精彩的功能之一是，您可以在不改動任何汽車機械組件的情況下調(diào)整對車輛的操縱，它只需使用某種新的計算機軟件即可完成轉(zhuǎn)向調(diào)整。 在未來的線控駕駛汽車中，您將很可能只需按幾個按鈕，即可根據(jù)自己的喜好來配置控制裝置，就像您調(diào)整汽車座位一樣。 在這種系統(tǒng)中，也許還可以為家庭中的每個駕駛員存儲不同的控制首選設(shè)置。 在過去的五十年中，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展極其有限。 但在未來十年內(nèi)，我們將見證汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的長足進步，這些進步將使汽車更省油、更舒適