淺談不同類型汽車轉向器結構及其特點

雷鴻謙，付豪

淺談不同類型汽車轉向器結構及其特點

雷鴻謙，付豪

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430000）

在當今的世界中，汽車已經成為人們生活中代步出行不可或缺的工具，隨著工業發展越來越成熟，汽車內部機械部件也出現越來越多的結構形式，而汽車能夠達到按照駕駛人意愿的軌跡運動的目標，其根本在于轉向系統的存在，而對于轉向系統，其核心部件即為轉向器，轉向器的效率與質量直接與轉向效果相關，也間接與駕駛人的操作感受相關。因此，轉向器的結構與不同類型轉向器的應用場景成為汽車領域中一個廣泛討論的話題。

汽車；轉向系統；轉向器；布置形式

工業化逐漸成熟的背景下，汽車作為一款誕生了一個世紀以上的工業成果，如今已融入到人們的生活中，成為不可或缺的存在，在汽車不斷發展的過程當中，汽車內部的機械部件也出現越來越多不一樣的結構形式，例如汽車四缸式、六缸式發動機，獨立式、非獨立式懸架等同一功能不同結構或布置形式的部件，而對于汽車而言，能夠接收駕駛人指令，并按照駕駛人想要的軌跡運動的核心系統即為轉向系統，轉向系統同時也是汽車底盤四大系統之一，而轉向系統的核心部件即為轉向器，它是使汽車實現轉向需求的直接部件，并間接與駕駛人的操縱感受相關，轉向器的作用為，通過轉向盤傳遞轉向力矩，并將轉向角進行適當的變換，達到減速增矩的作用，再將其輸出給轉向拉桿機構，從而實現汽車轉向，因此，研究各種轉向器的結構與優缺點顯得十分重要。

1 機械式轉向器

機械式轉向器即純機械結構，在轉向操縱過程中僅靠人力驅動，不借外力，目前汽車使用最為廣泛的為齒輪齒條式、循環球式、蝸桿曲柄指銷式三種。

1.1 齒輪齒條式轉向器

1.1.1 齒輪齒條式轉向器結構與工作原理

齒輪齒條式轉向器是結構最為簡單，生產最為簡便的一類轉向器，齒輪齒條式轉向器主要由齒輪、齒條、調整螺釘、轉向器外殼以及齒條導塊等組成，調整螺釘與齒條之間有一彈簧，通過旋轉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，齒條導塊則與齒條移動相關，轉向器核心零件為轉向器外殼、齒輪、齒條，其中轉向軸與齒輪為一體，轉向橫拉桿與齒條為一體，轉向器外殼呈T字形，將嚙合的齒輪齒條包裹在內，轉向器齒輪處于轉向軸的下端，與轉向器齒條嚙合在轉向器外殼中。當駕駛人操縱方向盤時，齒輪被轉向軸連帶轉動，通過齒輪齒條的嚙合帶動轉向器中的齒條在水平方向上的移動，而轉向器齒條端部和轉向拉桿端部相連，從而將力傳遞到轉向節臂上，帶動車輪偏移，實現轉向。

在齒輪齒條式轉向器的齒型選擇的問題上，如果齒輪齒條式轉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，這會導致輪齒的突然嚙入與突然嚙出，機構會產生瞬間沖擊，即瞬時傳動比發生變化，因此將導致其平穩性降低、增大沖擊力，導致工作噪聲增大，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向器由于斜齒輪的特性，相對直齒輪重合度增加，并且運轉平穩，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計的要求。因此，齒輪齒條式轉向器選擇采用斜齒輪和斜齒條。

1.1.2 齒輪齒條式轉向器的優缺點

優點：結構小巧緊湊、簡單，制造成本低，其傳動效率可以達到90%，而且如果當齒輪與齒條之間因磨損出現間隙，可利用裝在轉向器外殼，位于齒條背部的調整螺釘與彈簧施加壓緊力，可消除齒間間隙，并且由于沒有轉向搖臂和直拉桿，所以轉向輪轉角可以增大。

缺點：逆效率過高，可達60%～70%，當汽車行駛路面不平整時，轉向輪與路面之間產生的沖擊力大部分能再傳至轉向盤，這種現象叫做反沖，反沖現象會使駕駛人難以準確控制汽車行駛方向，并會由于“打手“現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向器，多與轉向助力裝置相配合，小型車領域多采用齒輪齒條式轉向器，比如民用轎車、沙灘車等。

1.2 循環球式轉向器

1.2.1 循環球式轉向器結構與工作原理

循環球式轉向器主要構件由螺母、螺桿、轉向器外殼以及許多小鋼球組成，循環球式轉向器中的循環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，將方向盤轉向管柱與螺桿固定到一起，當螺桿轉動起來后，螺桿可以推動螺母進行上下運動，螺母再通過推動齒輪來驅動轉向搖臂往復運動從而實現轉向的目的。

其中，循環球式轉向器共有兩級傳動副，轉向螺桿和轉向螺母構成一級傳動副，并且轉向螺桿與轉向軸連接；齒條和齒扇構成另一級傳動副，在轉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。由于轉向螺桿與轉向螺母相對滑動，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，從而將滑動摩擦轉變為滾動摩擦。轉向螺母上共裝有兩個裝滿了鋼球的鋼球導管，鋼球導管與滾道處于連通狀態，形成兩條獨立的供鋼球循環滾動的封閉通道。在此轉向過程當中，小鋼球一直都在密閉的管路內循環往復地滾動，因此，這種類型地轉向器被稱為循環球式轉向器。

循環球式轉向器還可以制成變傳動比式轉向器，當轉向盤轉動時，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圓半徑也會相應變化，使得中間齒節圓的半徑變小，兩端齒節圓的半徑增大，由此便可得到變傳動比的轉向器，這樣操縱更加省力，使轉向輕便。

1.2.2 循環球式轉向器的優缺點

優點：相比于齒輪齒條式轉向器，循環球式轉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：因為結構相對復雜，不太便于安裝轉向助力裝置，而且由于擁有兩級傳動副，導致使用循環球式轉向器時的操縱感不強。制造工藝相對復雜。逆傳動效率較高，路面沖擊力很容易反傳動至轉向盤上，出現“打手”的情況，并易發生轉向盤抖動和擺振現象。

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

1.3 蝸桿曲柄指銷式轉向器

1.3.1 蝸桿曲柄指銷式轉向器結構與工作原理

蝸桿曲柄指銷式轉向器主要由轉向蝸桿、轉向搖臂曲柄、指銷、側蓋、轉向器殼體等組成，其中轉向器殼體固定在車架的轉向器支架上，傳動副裝在殼體內，其中轉向蝸桿作為主動件，并且具有梯形截面螺紋，支承在轉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。當汽車轉向時，駕駛員通過轉向盤帶動轉向蝸桿，讓與其相嚙合的指銷自轉，并以曲柄為半徑繞搖臂軸軸線在蝸桿的螺紋槽內作圓弧運動，從而帶動曲柄，進而帶動轉向搖臂擺動，實現汽車轉向的目的。

1.3.2 蝸桿曲柄指銷式轉向器的優缺點

優點：指銷轉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，由于采用分段式轉向軸，便于整車的布置和維修，并提高了行車的安全性。逆轉傳動效率較低，路面沖擊力傳到轉向盤上較小，穩定性好，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，蝸桿曲柄指銷式轉向器多用于需要較大轉向力的大型車輛。

2 動力式轉向器（助力式轉向系統）

動力式轉向器其實就是機械式轉向器與轉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（機械液壓助力式以及電控液壓助力式）以及電動助力系統。

2.1 液壓助力轉向系統

2.1.1 液壓助力轉向系統的結構與工作原理

機械液壓助力轉向系統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。發動機是液壓助力轉向系統的動力源，轉向油泵由發動機帶動工作，轉向控制閥通過控制油液流動的方向和油壓大小來提供轉向助力，從而減少駕駛員用在轉向盤上的力，達到助力效果。

在機械液壓助力轉向系統的基礎之上，還有電控液壓助力轉向系統，其結構上增加了液壓反應裝置和液流分配閥，并且加設的電控系統，其中包括車速傳感器、動力轉向ECU、電磁閥等。電控液壓助力轉向系統利用電控單元調節作用，并依據車速調整在轉向盤上的助力，而改變液壓助力系統輔助力的大小是通過控制轉向控制閥的開啟程度，從而實現不同車速調整不同輔助轉向力的助力特性。

2.1.2 液壓助力轉向系統的優缺點

對于機械液壓助力轉向系統，雖然它在中低速時具有較好的助力性能和操縱穩定性，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動機始終會帶動油泵旋轉，因此造成了發動機能量的浪費。對于電控液壓助力轉向系統，高低速行駛時助力大小會不一樣，在低速行駛時，系統助力作用大，駕駛人操縱會更加輕便靈活；在高速行駛時，助力作用減弱，從而使駕駛人的操縱力增大，相比液壓助力系統會具有明顯的路感，不僅保證了轉向操縱的靈活性，而且提高了高速行駛中轉向的穩定性和安全感。但是電控液壓系統機構復雜，價格昂貴，液壓助力轉向系統的缺點如效率低、耗能大等問題也仍未克服。

2.2 電動助力轉向系統

2.2.1 電動助力轉向系統結構與工作原理

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

減速機構將電機的輸出力矩作用在轉向柱上，減速機構減速比與電機輸出力矩的乘積為電機的助力矩。駕駛人轉向力矩在電機助力矩的幫助下實現轉向助力。

2.2.2 電動助力轉向系統的優缺點

優點：電機只在轉向時提供動力，可顯著降低油耗，可兼顧轉向輕便性和高速操縱穩定性，結構緊湊，重量輕，裝配線好，維修方便。

缺點：由于轉向機構由電動機直接驅動，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，系統的穩定性和可靠性不如機械元件，特別是有些地方需要連續旋轉的方向時，可能會導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。

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U463.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.017

2095－6835（2020）09－0047－02

〔編輯：張思楠〕