雷鴻謙，付豪

淺談不同類型汽車(chē)轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

雷鴻謙，付豪

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

在當(dāng)今的世界中，汽車(chē)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(lái)越成熟，汽車(chē)內(nèi)部機(jī)械部件也出現(xiàn)越來(lái)越多的結(jié)構(gòu)形式，而汽車(chē)能夠達(dá)到按照駕駛?cè)艘庠傅能壽E運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，其根本在于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的存在，而對(duì)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(chǎng)景成為汽車(chē)領(lǐng)域中一個(gè)廣泛討論的話題。

汽車(chē)；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(chē)作為一款誕生了一個(gè)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(chē)不斷發(fā)展的過(guò)程當(dāng)中，汽車(chē)內(nèi)部的機(jī)械部件也出現(xiàn)越來(lái)越多不一樣的結(jié)構(gòu)形式，例如汽車(chē)四缸式、六缸式發(fā)動(dòng)機(jī)，獨(dú)立式、非獨(dú)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(duì)于汽車(chē)而言，能夠接收駕駛?cè)酥噶?，并按照駕駛?cè)讼胍能壽E運(yùn)動(dòng)的核心系統(tǒng)即為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)同時(shí)也是汽車(chē)底盤(pán)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(chē)實(shí)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(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)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(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)轉(zhuǎn)向，因此，研究各種轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)與優(yōu)缺點(diǎn)顯得十分重要。

1 機(jī)械式轉(zhuǎn)向器

機(jī)械式轉(zhuǎn)向器即純機(jī)械結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)向操縱過(guò)程中僅靠人力驅(qū)動(dòng)，不借外力，目前汽車(chē)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(jiǎn)單，生產(chǎn)最為簡(jiǎn)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(guò)旋轉(zhuǎn)螺釘作用于彈簧來(lái)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(dòng)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(pán)時(shí)，齒輪被轉(zhuǎn)向軸連帶轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪齒條的嚙合帶動(dòng)轉(zhuǎn)向器中的齒條在水平方向上的移動(dòng)，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(dòng)車(chē)輪偏移，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

在齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器的齒型選擇的問(wèn)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(huì)沿著漸開(kāi)線純滾動(dòng)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(duì)輪齒，這會(huì)導(dǎo)致輪齒的突然嚙入與突然嚙出，機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生瞬間沖擊，即瞬時(shí)傳動(dòng)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(duì)直齒輪重合度增加，并且運(yùn)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(jì)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(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)小巧緊湊、簡(jiǎn)單，制造成本低，其傳動(dòng)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(méi)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(diǎn)：逆效率過(guò)高，可達(dá)60%～70%，當(dāng)汽車(chē)行駛路面不平整時(shí)，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(pán)，這種現(xiàn)象叫做反沖，反沖現(xiàn)象會(huì)使駕駛?cè)穗y以準(zhǔn)確控制汽車(chē)行駛方向，并會(huì)由于“打手“現(xiàn)象而對(duì)駕駛員造成傷害。

綜上所述，大型車(chē)幾乎不會(huì)采用純機(jī)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(chē)領(lǐng)域多采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，比如民用轎車(chē)、沙灘車(chē)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(pán)轉(zhuǎn)向管柱與螺桿固定到一起，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)后，螺桿可以推動(dòng)螺母進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，螺母再通過(guò)推動(dòng)齒輪來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向搖臂往復(fù)運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的目的。

其中，循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器共有兩級(jí)傳動(dòng)副，轉(zhuǎn)向螺桿和轉(zhuǎn)向螺母構(gòu)成一級(jí)傳動(dòng)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(jí)傳動(dòng)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(jí)傳動(dòng)副的從動(dòng)件，同時(shí)還作為第二級(jí)傳動(dòng)副的主動(dòng)件。由于轉(zhuǎn)向螺桿與轉(zhuǎn)向螺母相對(duì)滑動(dòng)，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(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦。轉(zhuǎn)向螺母上共裝有兩個(gè)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(dú)立的供鋼球循環(huán)滾動(dòng)的封閉通道。在此轉(zhuǎn)向過(guò)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(dòng)，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(dòng)比式轉(zhuǎn)向器，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果將齒條的齒頂面制成鼓形弧面，齒扇上的每一個(gè)齒的節(jié)圓半徑也會(huì)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(dòng)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(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：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(dòng)摩擦，所以傳動(dòng)效率較高，自動(dòng)回正作用較好，并且操縱起來(lái)輕便舒適，各機(jī)械部件的磨損均較小，所以使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)。

缺點(diǎn)：因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，不太便于安裝轉(zhuǎn)向助力裝置，而且由于擁有兩級(jí)傳動(dòng)副，導(dǎo)致使用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器時(shí)的操縱感不強(qiáng)。制造工藝相對(duì)復(fù)雜。逆?zhèn)鲃?dòng)效率較高，路面沖擊力很容易反傳動(dòng)至轉(zhuǎn)向盤(pán)上，出現(xiàn)“打手”的情況，并易發(fā)生轉(zhuǎn)向盤(pán)抖動(dòng)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(chē)，隨著轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的逐步更新與完善，在小型車(chē)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(chē)架的轉(zhuǎn)向器支架上，傳動(dòng)副裝在殼體內(nèi)，其中轉(zhuǎn)向蝸桿作為主動(dòng)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(gè)滾珠軸承上，而裝在搖臂曲柄端部的指銷作為從動(dòng)件。當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員通過(guò)轉(zhuǎn)向盤(pán)帶動(dòng)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(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)曲柄，進(jìn)而帶動(dòng)轉(zhuǎn)向搖臂擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)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(diǎn)

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

缺點(diǎn)：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(chē)輛。

2 動(dòng)力式轉(zhuǎn)向器（助力式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）

動(dòng)力式轉(zhuǎn)向器其實(shí)就是機(jī)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(jī)械液壓助力式以及電控液壓助力式）以及電動(dòng)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(jī)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(dòng)皮帶、壓力流體控制閥、儲(chǔ)油罐等。發(fā)動(dòng)機(jī)是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力源，轉(zhuǎn)向油泵由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工作，轉(zhuǎn)向控制閥通過(guò)控制油液流動(dòng)的方向和油壓大小來(lái)提供轉(zhuǎn)向助力，從而減少駕駛員用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力，達(dá)到助力效果。

在機(jī)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(chē)速傳感器、動(dòng)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(chē)速調(diào)整在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的助力，而改變液壓助力系統(tǒng)輔助力的大小是通過(guò)控制轉(zhuǎn)向控制閥的開(kāi)啟程度，從而實(shí)現(xiàn)不同車(chē)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(diǎn)

對(duì)于機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，雖然它在中低速時(shí)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(huì)使方向盤(pán)過(guò)于敏感，在高速行駛時(shí)會(huì)使駕駛員的路感變差，并且由于在車(chē)輛行駛過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)始終會(huì)帶動(dòng)油泵旋轉(zhuǎn)，因此造成了發(fā)動(dòng)機(jī)能量的浪費(fèi)。對(duì)于電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，高低速行駛時(shí)助力大小會(huì)不一樣，在低速行駛時(shí)，系統(tǒng)助力作用大，駕駛?cè)瞬倏v會(huì)更加輕便靈活；在高速行駛時(shí)，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(huì)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(jī)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺點(diǎn)如效率低、耗能大等問(wèn)題也仍未克服。

2.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

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

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由電子控制單元（ECU）、扭矩傳感器、車(chē)速傳感器、電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)等組成，其中核心部件為電子控制單元，電動(dòng)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(pán)時(shí)，上下兩端轉(zhuǎn)向軸在轉(zhuǎn)向力矩作用下產(chǎn)生的相對(duì)轉(zhuǎn)角值被轉(zhuǎn)矩傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并傳遞給電控單元ECU，控制器根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器，車(chē)速傳感器等傳遞的信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向及助力目標(biāo)電流的大小，控制指令被輸送給電機(jī)，再由電機(jī)的底層控制消除目標(biāo)電流及實(shí)際電流的偏差。

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

2.2.2 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：電機(jī)只在轉(zhuǎn)向時(shí)提供動(dòng)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(diǎn)：由于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，只能提供有限的助力大小，難以在大型車(chē)輛上使用；同時(shí)，由于電子元件多，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性不如機(jī)械元件，特別是有些地方需要連續(xù)旋轉(zhuǎn)的方向時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致增壓電機(jī)過(guò)熱而停止工作；缺乏路感信息，實(shí)際駕駛樂(lè)趣大大降低；制造成本較高等。

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U463.4

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.017

2095－6835（2020）09－0047－02

〔編輯：張思楠〕