淺談汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

鄭鴻旺　黎志勇　鄭健強(qiáng)

摘 要：汽車(chē)自誕生以來(lái)，就成為生活中不可缺少的一種基本工具，汽車(chē)的功能和質(zhì)量也對(duì)我們的生活便捷度和人身安全帶來(lái)了巨大的影響，因此加強(qiáng)對(duì)汽車(chē)的研究是非常重要的。本文對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行了探討。文章從闡述汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概況入手，進(jìn)一步分析了幾種系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)及工作原理。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)；工作原理；概況

中圖分類(lèi)號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

傳統(tǒng)的商品、物資、人員輸送過(guò)程中，大多是用人力、動(dòng)物完成，這些長(zhǎng)短途運(yùn)輸往往會(huì)造成勞民傷財(cái)?shù)膰?yán)重問(wèn)題，汽車(chē)的出現(xiàn)，顛覆了這一現(xiàn)象，并且在很大程度上起到了提高社會(huì)工作效率的作用。而汽車(chē)本身及其內(nèi)部系統(tǒng)也在長(zhǎng)期以來(lái)經(jīng)歷了各種變遷，就汽車(chē)內(nèi)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，就已經(jīng)出現(xiàn)了幾代不同的產(chǎn)品，本文對(duì)其進(jìn)行論述。

1 汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本職能就是根據(jù)駕駛員的指令對(duì)汽車(chē)的前進(jìn)方向加以控制，它已經(jīng)不只是汽車(chē)中一個(gè)基礎(chǔ)的組成結(jié)構(gòu)，更是保證汽車(chē)整體安全的重要裝置，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否科學(xué)、質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)，和汽車(chē)的操作便捷度和行車(chē)安全有著息息相關(guān)的聯(lián)系，從汽車(chē)被研發(fā)出來(lái)的時(shí)候至今，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)機(jī)械、液壓助力、電液助力到電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重大發(fā)展和轉(zhuǎn)變，在以后的時(shí)間里，還可能走向線控動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的趨勢(shì)。

2 傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)，重要的結(jié)構(gòu)包括了轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)是行車(chē)人員操縱轉(zhuǎn)向器的重要工具，轉(zhuǎn)向器則起著將方向盤(pán)傳到的轉(zhuǎn)矩以特定傳動(dòng)比放大并輸出的作用。最后，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)指的是將轉(zhuǎn)向器輸出的力矩傳達(dá)到轉(zhuǎn)向車(chē)輪的機(jī)構(gòu)中。在汽車(chē)行進(jìn)的過(guò)程中，為了改變其前進(jìn)的方位，行車(chē)人需要利用方向盤(pán)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，以此達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。

這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所依靠的是機(jī)械力量，因此必須利用直徑較大的方向盤(pán)才能使其達(dá)到一個(gè)比較大的轉(zhuǎn)向扭矩，需要占據(jù)一定的駕駛室空間，而且這種結(jié)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)操作比較遲緩、笨拙，給行車(chē)人帶來(lái)了比較大的工作負(fù)擔(dān)，尤其是重型汽車(chē)，因?yàn)槠滢D(zhuǎn)向阻力相對(duì)偏大，所以只是依靠駕駛員的轉(zhuǎn)向力是難以達(dá)到預(yù)設(shè)效果的，因此機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的利用范圍受到了一定的限制。只有在部分較小型的車(chē)輛中，因?yàn)闄C(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的構(gòu)成簡(jiǎn)易、安全可靠、經(jīng)濟(jì)成本低，所以會(huì)對(duì)其有所利用。

3 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在純機(jī)械式作用前提下增加一個(gè)液壓助力系統(tǒng)，液壓油是主要的動(dòng)力輸送工具，促進(jìn)機(jī)械轉(zhuǎn)向器正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。采用這種系統(tǒng)，可以節(jié)約一部分駕駛室空間，裝置更簡(jiǎn)單，也減少了轉(zhuǎn)向操縱的力度，增強(qiáng)轉(zhuǎn)向的靈活程度，在一些乘用車(chē)、商用車(chē)中運(yùn)用比較廣。但是這種系統(tǒng)還存在一些密封性、耗能、磨損與噪聲方面的缺陷。

4 電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

4.1 電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種建立在液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的系統(tǒng)，它新增了電磁閥、車(chē)速傳感器以及轉(zhuǎn)向控制單元等部件。在利用該系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，可以利用感應(yīng)器件把轉(zhuǎn)向的速度等傳達(dá)給控制單元，經(jīng)過(guò)其分解計(jì)算后，液體流量隨車(chē)速的不同而發(fā)生變動(dòng)，進(jìn)而讓駕駛員的轉(zhuǎn)向手力可以隨車(chē)速等情況做出一定的改變，比如在保持低速行進(jìn)或者需要轉(zhuǎn)彎降速時(shí)，可以用較小的轉(zhuǎn)向手力加以控制，反之則采取更重的轉(zhuǎn)向手力加以調(diào)節(jié)。

4.2 電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特征在于它可以由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且新增車(chē)速傳感器、轉(zhuǎn)向控制單元等電控設(shè)備。系統(tǒng)在工作時(shí)，控制單元會(huì)結(jié)合汽車(chē)當(dāng)前進(jìn)速度和方向盤(pán)轉(zhuǎn)向大小等信息，錄入資料并由系統(tǒng)自行計(jì)算出對(duì)應(yīng)的相對(duì)科學(xué)的輸出信號(hào)，從而確定出電動(dòng)機(jī)功率，使得液壓助力泵開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，并且將液壓油作為助力使轉(zhuǎn)向器發(fā)揮作用。在汽車(chē)保持較低的前進(jìn)速度的情況下，控制單元可以將電動(dòng)機(jī)輸出的功率調(diào)整到更大的值，讓司機(jī)能夠無(wú)壓力轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)；反之，則可以設(shè)定一個(gè)相對(duì)較小的輸出功率，使得方向盤(pán)的操作更加穩(wěn)定。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是可以隨時(shí)調(diào)整的，并且能隨時(shí)在打開(kāi)后進(jìn)行關(guān)閉，因此它起到了很明顯的節(jié)約發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量的作用，保證了汽車(chē)燃油的低成本。

5 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的出現(xiàn)，得力于機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的改進(jìn)，它的內(nèi)部構(gòu)造包括了傳感器、電子控制單元、電動(dòng)機(jī)、電磁離合器和減速機(jī)構(gòu)等等。因此，其控制單元的組成并不復(fù)雜，只需結(jié)合電動(dòng)機(jī)電流高低及方向就可以對(duì)轉(zhuǎn)向助力進(jìn)行有效的自動(dòng)控制。在汽車(chē)剛剛啟動(dòng)或速度尚且比較低的情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)，轉(zhuǎn)矩傳感器就能將車(chē)主轉(zhuǎn)動(dòng)的信息及當(dāng)前的車(chē)速信息傳導(dǎo)到電子控制單元內(nèi)，交給處理器做進(jìn)一步的分析，從而得出關(guān)于具體的大小和方向的結(jié)論，達(dá)到為駕駛員提供輔助轉(zhuǎn)向力的作用。而且，如果車(chē)速已經(jīng)高出了其安全范圍或是發(fā)生意外事故，為了確保汽車(chē)在高速前進(jìn)時(shí)依然能對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定操作，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)整到手動(dòng)轉(zhuǎn)向模式，不轉(zhuǎn)向則電動(dòng)機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)。

這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以讓汽車(chē)在處于低速狀態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)靈便地轉(zhuǎn)向，在高速行駛時(shí)保證轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定安全性，而且它只有在正式轉(zhuǎn)向時(shí)才會(huì)需要電動(dòng)機(jī)工作，所以避免了出現(xiàn)不必要的能耗問(wèn)題，加上這種系統(tǒng)淘汰了液壓設(shè)備，所以內(nèi)部結(jié)構(gòu)更緊密，質(zhì)量輕便，避免出現(xiàn)液壓油泄漏等現(xiàn)象，因此減少了維修工作帶來(lái)的麻煩和經(jīng)濟(jì)支出。當(dāng)然，因?yàn)檫@種系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)發(fā)電功率有限，不適用于車(chē)身太重的車(chē)輛類(lèi)型，因此更多的是運(yùn)用于小型汽車(chē)領(lǐng)域。

6 線控動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

線控動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)電線傳遞信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，助力矩由主控制器在完成相關(guān)參數(shù)的計(jì)算后向系統(tǒng)內(nèi)的電動(dòng)機(jī)下發(fā)指令，由轉(zhuǎn)向助力電動(dòng)機(jī)提供。在該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)作過(guò)程中，可以通過(guò)傳感器完成駕駛員轉(zhuǎn)向需求及相關(guān)數(shù)據(jù)的判斷及接收，并且借助數(shù)據(jù)總線把信號(hào)上傳到車(chē)上的ECU，并且在轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)中獲取相關(guān)的反饋指令。這種轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)在運(yùn)作過(guò)程中，可以從轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)中得到行車(chē)人發(fā)出的命令，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)獲取車(chē)輪的運(yùn)作狀況，最終對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作進(jìn)行操縱。

線控動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)已經(jīng)成為汽車(chē)在未來(lái)發(fā)展中可能會(huì)大力推廣的一種系統(tǒng)，它有助于提升汽車(chē)的安全程度，在行車(chē)途中，杜絕了在發(fā)生撞車(chē)事故時(shí)，行車(chē)人受到轉(zhuǎn)向柱的傷害，而ECU還可以結(jié)合車(chē)輛的運(yùn)作情況來(lái)評(píng)估行車(chē)人的駕駛行為是否科學(xué)，從而進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)和指正。此外，這種系統(tǒng)可以有效地優(yōu)化駕駛性能，比如在高速行進(jìn)的過(guò)程中，會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)向比率變大的原因，為行車(chē)人創(chuàng)造更佳的直線行駛條件。不僅如此，這種系統(tǒng)還能優(yōu)化行車(chē)人員的路感，因?yàn)榉较虮P(pán)和轉(zhuǎn)向車(chē)輪間并沒(méi)有用機(jī)械進(jìn)行銜接，行車(chē)人的“路感”可以經(jīng)過(guò)模擬的方式生成。因此能夠在信號(hào)中提取出能體現(xiàn)汽車(chē)現(xiàn)下行駛情況和路面的情況的內(nèi)容，使其成為方向盤(pán)回正力矩的控制變量，并且傳達(dá)給駕駛員，使其進(jìn)一步感受到更逼真的“路感”。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，加強(qiáng)對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理問(wèn)題的探討，意義重大。我們可以在明確汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概況的基礎(chǔ)上，回溯其發(fā)展歷程，從傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，到液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電液助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及線控動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理不斷發(fā)生變化，為人們的出行帶來(lái)了更良好的體驗(yàn)。

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