淺談不同類型汽車轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)及其特點

雷鴻謙，付豪

淺談不同類型汽車轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)及其特點

雷鴻謙，付豪

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430000）

在當(dāng)今的世界中，汽車已經(jīng)成為人們生活中代步出行不可或缺的工具，隨著工業(yè)發(fā)展越來越成熟，汽車內(nèi)部機械部件也出現(xiàn)越來越多的結(jié)構(gòu)形式，而汽車能夠達(dá)到按照駕駛?cè)艘庠傅能壽E運動的目標(biāo)，其根本在于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的存在，而對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其核心部件即為轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向器的效率與質(zhì)量直接與轉(zhuǎn)向效果相關(guān)，也間接與駕駛?cè)说牟僮鞲惺芟嚓P(guān)。因此，轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)與不同類型轉(zhuǎn)向器的應(yīng)用場景成為汽車領(lǐng)域中一個廣泛討論的話題。

汽車；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；轉(zhuǎn)向器；布置形式

工業(yè)化逐漸成熟的背景下，汽車作為一款誕生了一個世紀(jì)以上的工業(yè)成果，如今已融入到人們的生活中，成為不可或缺的存在，在汽車不斷發(fā)展的過程當(dāng)中，汽車內(nèi)部的機械部件也出現(xiàn)越來越多不一樣的結(jié)構(gòu)形式，例如汽車四缸式、六缸式發(fā)動機，獨立式、非獨立式懸架等同一功能不同結(jié)構(gòu)或布置形式的部件，而對于汽車而言，能夠接收駕駛?cè)酥噶?，并按照駕駛?cè)讼胍能壽E運動的核心系統(tǒng)即為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)同時也是汽車底盤四大系統(tǒng)之一，而轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的核心部件即為轉(zhuǎn)向器，它是使汽車實現(xiàn)轉(zhuǎn)向需求的直接部件，并間接與駕駛?cè)说牟倏v感受相關(guān)，轉(zhuǎn)向器的作用為，通過轉(zhuǎn)向盤傳遞轉(zhuǎn)向力矩，并將轉(zhuǎn)向角進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，達(dá)到減速增矩的作用，再將其輸出給轉(zhuǎn)向拉桿機構(gòu)，從而實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向，因此，研究各種轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)與優(yōu)缺點顯得十分重要。

1 機械式轉(zhuǎn)向器

機械式轉(zhuǎn)向器即純機械結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)向操縱過程中僅靠人力驅(qū)動，不借外力，目前汽車使用最為廣泛的為齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿曲柄指銷式三種。

1.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器

1.1.1 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)與工作原理

齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器是結(jié)構(gòu)最為簡單，生產(chǎn)最為簡便的一類轉(zhuǎn)向器，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器主要由齒輪、齒條、調(diào)整螺釘、轉(zhuǎn)向器外殼以及齒條導(dǎo)塊等組成，調(diào)整螺釘與齒條之間有一彈簧，通過旋轉(zhuǎn)螺釘作用于彈簧來給齒條一沿齒輪方向的力，從而使二者接合緊密，齒條導(dǎo)塊則與齒條移動相關(guān)，轉(zhuǎn)向器核心零件為轉(zhuǎn)向器外殼、齒輪、齒條，其中轉(zhuǎn)向軸與齒輪為一體，轉(zhuǎn)向橫拉桿與齒條為一體，轉(zhuǎn)向器外殼呈T字形，將嚙合的齒輪齒條包裹在內(nèi)，轉(zhuǎn)向器齒輪處于轉(zhuǎn)向軸的下端，與轉(zhuǎn)向器齒條嚙合在轉(zhuǎn)向器外殼中。當(dāng)駕駛?cè)瞬倏v方向盤時，齒輪被轉(zhuǎn)向軸連帶轉(zhuǎn)動，通過齒輪齒條的嚙合帶動轉(zhuǎn)向器中的齒條在水平方向上的移動，而轉(zhuǎn)向器齒條端部和轉(zhuǎn)向拉桿端部相連，從而將力傳遞到轉(zhuǎn)向節(jié)臂上，帶動車輪偏移，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

在齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒型選擇的問題上，如果齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器采用直齒圓柱齒輪以及直齒齒條，則在輪齒嚙入后，齒輪齒條會沿著漸開線純滾動進(jìn)行力的傳遞，接著輪齒嚙出并將力的傳遞工作交接于下一對輪齒，這會導(dǎo)致輪齒的突然嚙入與突然嚙出，機構(gòu)會產(chǎn)生瞬間沖擊，即瞬時傳動比發(fā)生變化，因此將導(dǎo)致其平穩(wěn)性降低、增大沖擊力，導(dǎo)致工作噪聲增大，而且齒輪軸線與齒條軸線之間的夾角只能是直角，因與總體布置不適應(yīng)而未被采用。而采用斜齒圓柱齒輪與斜齒齒條嚙合的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器由于斜齒輪的特性，相對直齒輪重合度增加，并且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，沖擊與噪聲大大減小，而且齒輪軸線與齒條軸線之間的夾角容易滿足總體設(shè)計的要求。因此，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器選擇采用斜齒輪和斜齒條。

1.1.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)缺點

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)小巧緊湊、簡單，制造成本低，其傳動效率可以達(dá)到90%，而且如果當(dāng)齒輪與齒條之間因磨損出現(xiàn)間隙，可利用裝在轉(zhuǎn)向器外殼，位于齒條背部的調(diào)整螺釘與彈簧施加壓緊力，可消除齒間間隙，并且由于沒有轉(zhuǎn)向搖臂和直拉桿，所以轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角可以增大。

缺點：逆效率過高，可達(dá)60%～70%，當(dāng)汽車行駛路面不平整時，轉(zhuǎn)向輪與路面之間產(chǎn)生的沖擊力大部分能再傳至轉(zhuǎn)向盤，這種現(xiàn)象叫做反沖，反沖現(xiàn)象會使駕駛?cè)穗y以準(zhǔn)確控制汽車行駛方向，并會由于“打手“現(xiàn)象而對駕駛員造成傷害。

綜上所述，大型車幾乎不會采用純機械式齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，多與轉(zhuǎn)向助力裝置相配合，小型車領(lǐng)域多采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，比如民用轎車、沙灘車等。

1.2 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器

1.2.1 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)與工作原理

循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器主要構(gòu)件由螺母、螺桿、轉(zhuǎn)向器外殼以及許多小鋼球組成，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器中的循環(huán)球指的就是這些小鋼球，小鋼球放置在螺母與螺桿之間的密閉管路內(nèi)，將方向盤轉(zhuǎn)向管柱與螺桿固定到一起，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動起來后，螺桿可以推動螺母進(jìn)行上下運動，螺母再通過推動齒輪來驅(qū)動轉(zhuǎn)向搖臂往復(fù)運動從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的目的。

其中，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器共有兩級傳動副，轉(zhuǎn)向螺桿和轉(zhuǎn)向螺母構(gòu)成一級傳動副，并且轉(zhuǎn)向螺桿與轉(zhuǎn)向軸連接；齒條和齒扇構(gòu)成另一級傳動副，在轉(zhuǎn)向螺母下平面上加工成齒條，齒扇與齒扇軸形成一體。因此，轉(zhuǎn)向螺母不僅是第一級傳動副的從動件，同時還作為第二級傳動副的主動件。由于轉(zhuǎn)向螺桿與轉(zhuǎn)向螺母相對滑動，為了減少其間的摩擦與磨損，二者的螺紋做成滾道，滾道中間裝有很多鋼球，從而將滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦。轉(zhuǎn)向螺母上共裝有兩個裝滿了鋼球的鋼球?qū)Ч?，鋼球?qū)Ч芘c滾道處于連通狀態(tài)，形成兩條獨立的供鋼球循環(huán)滾動的封閉通道。在此轉(zhuǎn)向過程當(dāng)中，小鋼球一直都在密閉的管路內(nèi)循環(huán)往復(fù)地滾動，因此，這種類型地轉(zhuǎn)向器被稱為循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器。

循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器還可以制成變傳動比式轉(zhuǎn)向器，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時，如果將齒條的齒頂面制成鼓形弧面，齒扇上的每一個齒的節(jié)圓半徑也會相應(yīng)變化，使得中間齒節(jié)圓的半徑變小，兩端齒節(jié)圓的半徑增大，由此便可得到變傳動比的轉(zhuǎn)向器，這樣操縱更加省力，使轉(zhuǎn)向輕便。

1.2.2 循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)缺點

優(yōu)點：相比于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器更多依靠的是滾動摩擦，所以傳動效率較高，自動回正作用較好，并且操縱起來輕便舒適，各機械部件的磨損均較小，所以使用壽命相對較長。

缺點：因為結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，不太便于安裝轉(zhuǎn)向助力裝置，而且由于擁有兩級傳動副，導(dǎo)致使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器時的操縱感不強。制造工藝相對復(fù)雜。逆?zhèn)鲃有瘦^高，路面沖擊力很容易反傳動至轉(zhuǎn)向盤上，出現(xiàn)“打手”的情況，并易發(fā)生轉(zhuǎn)向盤抖動和擺振現(xiàn)象。

綜上所述，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器多用于中大型商用汽車，隨著轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的逐步更新與完善，在小型車上的使用在逐步減少。

1.3 蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器

1.3.1 蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)與工作原理

蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器主要由轉(zhuǎn)向蝸桿、轉(zhuǎn)向搖臂曲柄、指銷、側(cè)蓋、轉(zhuǎn)向器殼體等組成，其中轉(zhuǎn)向器殼體固定在車架的轉(zhuǎn)向器支架上，傳動副裝在殼體內(nèi)，其中轉(zhuǎn)向蝸桿作為主動件，并且具有梯形截面螺紋，支承在轉(zhuǎn)向器殼體兩端的兩個滾珠軸承上，而裝在搖臂曲柄端部的指銷作為從動件。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時，駕駛員通過轉(zhuǎn)向盤帶動轉(zhuǎn)向蝸桿，讓與其相嚙合的指銷自轉(zhuǎn)，并以曲柄為半徑繞搖臂軸軸線在蝸桿的螺紋槽內(nèi)作圓弧運動，從而帶動曲柄，進(jìn)而帶動轉(zhuǎn)向搖臂擺動，實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的目的。

1.3.2 蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器的優(yōu)缺點

優(yōu)點：指銷轉(zhuǎn)向器是在完全滾動摩擦的情況下工作，因而傳動效率高，操縱輕便，由于采用分段式轉(zhuǎn)向軸，便于整車的布置和維修，并提高了行車的安全性。逆轉(zhuǎn)傳動效率較低，路面沖擊力傳到轉(zhuǎn)向盤上較小，穩(wěn)定性好，制造簡單，維修方便

缺點：體積占用較大，不方便布置。

綜上所述，蝸桿曲柄指銷式轉(zhuǎn)向器多用于需要較大轉(zhuǎn)向力的大型車輛。

2 動力式轉(zhuǎn)向器（助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）

動力式轉(zhuǎn)向器其實就是機械式轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向加力裝置組合到一起形成的。目前，使用最為廣泛的是液壓式助力系統(tǒng)（機械液壓助力式以及電控液壓助力式）以及電動助力系統(tǒng)。

2.1 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

2.1.1 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

機械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要組成部分為液壓泵、油管、V形傳動皮帶、壓力流體控制閥、儲油罐等。發(fā)動機是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力源，轉(zhuǎn)向油泵由發(fā)動機帶動工作，轉(zhuǎn)向控制閥通過控制油液流動的方向和油壓大小來提供轉(zhuǎn)向助力，從而減少駕駛員用在轉(zhuǎn)向盤上的力，達(dá)到助力效果。

在機械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，還有電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)上增加了液壓反應(yīng)裝置和液流分配閥，并且加設(shè)的電控系統(tǒng)，其中包括車速傳感器、動力轉(zhuǎn)向ECU、電磁閥等。電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)利用電控單元調(diào)節(jié)作用，并依據(jù)車速調(diào)整在轉(zhuǎn)向盤上的助力，而改變液壓助力系統(tǒng)輔助力的大小是通過控制轉(zhuǎn)向控制閥的開啟程度，從而實現(xiàn)不同車速調(diào)整不同輔助轉(zhuǎn)向力的助力特性。

2.1.2 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)缺點

對于機械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，雖然它在中低速時具有較好的助力性能和操縱穩(wěn)定性，但固定的助力效果會使方向盤過于敏感，在高速行駛時會使駕駛員的路感變差，并且由于在車輛行駛過程中發(fā)動機始終會帶動油泵旋轉(zhuǎn)，因此造成了發(fā)動機能量的浪費。對于電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，高低速行駛時助力大小會不一樣，在低速行駛時，系統(tǒng)助力作用大，駕駛?cè)瞬倏v會更加輕便靈活；在高速行駛時，助力作用減弱，從而使駕駛?cè)说牟倏v力增大，相比液壓助力系統(tǒng)會具有明顯的路感，不僅保證了轉(zhuǎn)向操縱的靈活性，而且提高了高速行駛中轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性和安全感。但是電控液壓系統(tǒng)機構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點如效率低、耗能大等問題也仍未克服。

2.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

2.2.1 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由電子控制單元（ECU）、扭矩傳感器、車速傳感器、電動機、減速機構(gòu)等組成，其中核心部件為電子控制單元，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理為，當(dāng)駕駛?cè)瞬倏v方向盤時，上下兩端轉(zhuǎn)向軸在轉(zhuǎn)向力矩作用下產(chǎn)生的相對轉(zhuǎn)角值被轉(zhuǎn)矩傳感器轉(zhuǎn)化為電信號，并傳遞給電控單元ECU，控制器根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器，車速傳感器等傳遞的信號控制電機的轉(zhuǎn)動方向及助力目標(biāo)電流的大小，控制指令被輸送給電機，再由電機的底層控制消除目標(biāo)電流及實際電流的偏差。

減速機構(gòu)將電機的輸出力矩作用在轉(zhuǎn)向柱上，減速機構(gòu)減速比與電機輸出力矩的乘積為電機的助力矩。駕駛?cè)宿D(zhuǎn)向力矩在電機助力矩的幫助下實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力。

2.2.2 電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)缺點

優(yōu)點：電機只在轉(zhuǎn)向時提供動力，可顯著降低油耗，可兼顧轉(zhuǎn)向輕便性和高速操縱穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，裝配線好，維修方便。

缺點：由于轉(zhuǎn)向機構(gòu)由電動機直接驅(qū)動，只能提供有限的助力大小，難以在大型車輛上使用；同時，由于電子元件多，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不如機械元件，特別是有些地方需要連續(xù)旋轉(zhuǎn)的方向時，可能會導(dǎo)致增壓電機過熱而停止工作；缺乏路感信息，實際駕駛樂趣大大降低；制造成本較高等。

［1］劉向麗.齒輪齒條轉(zhuǎn)向器CAD與CAE仿真分析［J］.智能城市，2019（17）：194-196.

［2］苗政，周偉東，邵宏亮.車輛機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的使用與維護(hù)［J］.農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2009（2）：143-144.

［3］吳繼詳.考慮轉(zhuǎn)向器運動副隨機間隙的汽車前輪擺振系統(tǒng)動力學(xué)分析［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)：2011.

U463.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.017

2095－6835（2020）09－0047－02

〔編輯：張思楠〕