浅谈不同类型汽车转向器结构及其特点

雷鸿谦，付豪

浅谈不同类型汽车转向器结构及其特点

雷鸿谦，付豪

（武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430000）

在当今的世界中，汽车已经成为人们生活中代步出行不可或缺的工具，随着工业发展越来越成熟，汽车内部机械部件也出现越来越多的结构形式，而汽车能够达到按照驾驶人意愿的轨迹运动的目标，其根本在于转向系统的存在，而对于转向系统，其核心部件即为转向器，转向器的效率与质量直接与转向效果相关，也间接与驾驶人的操作感受相关。因此，转向器的结构与不同类型转向器的应用场景成为汽车领域中一个广泛讨论的话题。

汽车；转向系统；转向器；布置形式

工业化逐渐成熟的背景下，汽车作为一款诞生了一个世纪以上的工业成果，如今已融入到人们的生活中，成为不可或缺的存在，在汽车不断发展的过程当中，汽车内部的机械部件也出现越来越多不一样的结构形式，例如汽车四缸式、六缸式发动机，独立式、非独立式悬架等同一功能不同结构或布置形式的部件，而对于汽车而言，能够接收驾驶人指令，并按照驾驶人想要的轨迹运动的核心系统即为转向系统，转向系统同时也是汽车底盘四大系统之一，而转向系统的核心部件即为转向器，它是使汽车实现转向需求的直接部件，并间接与驾驶人的操纵感受相关，转向器的作用为，通过转向盘传递转向力矩，并将转向角进行适当的变换，达到减速增矩的作用，再将其输出给转向拉杆机构，从而实现汽车转向，因此，研究各种转向器的结构与优缺点显得十分重要。

1 机械式转向器

机械式转向器即纯机械结构，在转向操纵过程中仅靠人力驱动，不借外力，目前汽车使用最为广泛的为齿轮齿条式、循环球式、蜗杆曲柄指销式三种。

1.1 齿轮齿条式转向器

1.1.1 齿轮齿条式转向器结构与工作原理

齿轮齿条式转向器是结构最为简单，生产最为简便的一类转向器，齿轮齿条式转向器主要由齿轮、齿条、调整螺钉、转向器外壳以及齿条导块等组成，调整螺钉与齿条之间有一弹簧，通过旋转螺钉作用于弹簧来给齿条一沿齿轮方向的力，从而使二者接合紧密，齿条导块则与齿条移动相关，转向器核心零件为转向器外壳、齿轮、齿条，其中转向轴与齿轮为一体，转向横拉杆与齿条为一体，转向器外壳呈T字形，将啮合的齿轮齿条包裹在内，转向器齿轮处于转向轴的下端，与转向器齿条啮合在转向器外壳中。当驾驶人操纵方向盘时，齿轮被转向轴连带转动，通过齿轮齿条的啮合带动转向器中的齿条在水平方向上的移动，而转向器齿条端部和转向拉杆端部相连，从而将力传递到转向节臂上，带动车轮偏移，实现转向。

在齿轮齿条式转向器的齿型选择的问题上，如果齿轮齿条式转向器采用直齿圆柱齿轮以及直齿齿条，则在轮齿啮入后，齿轮齿条会沿着渐开线纯滚动进行力的传递，接着轮齿啮出并将力的传递工作交接于下一对轮齿，这会导致轮齿的突然啮入与突然啮出，机构会产生瞬间冲击，即瞬时传动比发生变化，因此将导致其平稳性降低、增大冲击力，导致工作噪声增大，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角只能是直角，因与总体布置不适应而未被采用。而采用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合的齿轮齿条式转向器由于斜齿轮的特性，相对直齿轮重合度增加，并且运转平稳，冲击与噪声大大减小，而且齿轮轴线与齿条轴线之间的夹角容易满足总体设计的要求。因此，齿轮齿条式转向器选择采用斜齿轮和斜齿条。

1.1.2 齿轮齿条式转向器的优缺点

优点：结构小巧紧凑、简单，制造成本低，其传动效率可以达到90%，而且如果当齿轮与齿条之间因磨损出现间隙，可利用装在转向器外壳，位于齿条背部的调整螺钉与弹簧施加压紧力，可消除齿间间隙，并且由于没有转向摇臂和直拉杆，所以转向轮转角可以增大。

缺点：逆效率过高，可达60%～70%，当汽车行驶路面不平整时，转向轮与路面之间产生的冲击力大部分能再传至转向盘，这种现象叫做反冲，反冲现象会使驾驶人难以准确控制汽车行驶方向，并会由于“打手“现象而对驾驶员造成伤害。

综上所述，大型车几乎不会采用纯机械式齿轮齿条式转向器，多与转向助力装置相配合，小型车领域多采用齿轮齿条式转向器，比如民用轿车、沙滩车等。

1.2 循环球式转向器

1.2.1 循环球式转向器结构与工作原理

循环球式转向器主要构件由螺母、螺杆、转向器外壳以及许多小钢球组成，循环球式转向器中的循环球指的就是这些小钢球，小钢球放置在螺母与螺杆之间的密闭管路内，将方向盘转向管柱与螺杆固定到一起，当螺杆转动起来后，螺杆可以推动螺母进行上下运动，螺母再通过推动齿轮来驱动转向摇臂往复运动从而实现转向的目的。

其中，循环球式转向器共有两级传动副，转向螺杆和转向螺母构成一级传动副，并且转向螺杆与转向轴连接；齿条和齿扇构成另一级传动副，在转向螺母下平面上加工成齿条，齿扇与齿扇轴形成一体。因此，转向螺母不仅是第一级传动副的从动件，同时还作为第二级传动副的主动件。由于转向螺杆与转向螺母相对滑动，为了减少其间的摩擦与磨损，二者的螺纹做成滚道，滚道中间装有很多钢球，从而将滑动摩擦转变为滚动摩擦。转向螺母上共装有两个装满了钢球的钢球导管，钢球导管与滚道处于连通状态，形成两条独立的供钢球循环滚动的封闭通道。在此转向过程当中，小钢球一直都在密闭的管路内循环往复地滚动，因此，这种类型地转向器被称为循环球式转向器。

循环球式转向器还可以制成变传动比式转向器，当转向盘转动时，如果将齿条的齿顶面制成鼓形弧面，齿扇上的每一个齿的节圆半径也会相应变化，使得中间齿节圆的半径变小，两端齿节圆的半径增大，由此便可得到变传动比的转向器，这样操纵更加省力，使转向轻便。

1.2.2 循环球式转向器的优缺点

优点：相比于齿轮齿条式转向器，循环球式转向器更多依靠的是滚动摩擦，所以传动效率较高，自动回正作用较好，并且操纵起来轻便舒适，各机械部件的磨损均较小，所以使用寿命相对较长。

缺点：因为结构相对复杂，不太便于安装转向助力装置，而且由于拥有两级传动副，导致使用循环球式转向器时的操纵感不强。制造工艺相对复杂。逆传动效率较高，路面冲击力很容易反传动至转向盘上，出现“打手”的情况，并易发生转向盘抖动和摆振现象。

综上所述，循环球式转向器多用于中大型商用汽车，随着转向助力系统的逐步更新与完善，在小型车上的使用在逐步减少。

1.3 蜗杆曲柄指销式转向器

1.3.1 蜗杆曲柄指销式转向器结构与工作原理

蜗杆曲柄指销式转向器主要由转向蜗杆、转向摇臂曲柄、指销、侧盖、转向器壳体等组成，其中转向器壳体固定在车架的转向器支架上，传动副装在壳体内，其中转向蜗杆作为主动件，并且具有梯形截面螺纹，支承在转向器壳体两端的两个滚珠轴承上，而装在摇臂曲柄端部的指销作为从动件。当汽车转向时，驾驶员通过转向盘带动转向蜗杆，让与其相啮合的指销自转，并以曲柄为半径绕摇臂轴轴线在蜗杆的螺纹槽内作圆弧运动，从而带动曲柄，进而带动转向摇臂摆动，实现汽车转向的目的。

1.3.2 蜗杆曲柄指销式转向器的优缺点

优点：指销转向器是在完全滚动摩擦的情况下工作，因而传动效率高，操纵轻便，由于采用分段式转向轴，便于整车的布置和维修，并提高了行车的安全性。逆转传动效率较低，路面冲击力传到转向盘上较小，稳定性好，制造简单，维修方便

缺点：体积占用较大，不方便布置。

综上所述，蜗杆曲柄指销式转向器多用于需要较大转向力的大型车辆。

2 动力式转向器（助力式转向系统）

动力式转向器其实就是机械式转向器与转向加力装置组合到一起形成的。目前，使用最为广泛的是液压式助力系统（机械液压助力式以及电控液压助力式）以及电动助力系统。

2.1 液压助力转向系统

2.1.1 液压助力转向系统的结构与工作原理

机械液压助力转向系统的主要组成部分为液压泵、油管、V形传动皮带、压力流体控制阀、储油罐等。发动机是液压助力转向系统的动力源，转向油泵由发动机带动工作，转向控制阀通过控制油液流动的方向和油压大小来提供转向助力，从而减少驾驶员用在转向盘上的力，达到助力效果。

在机械液压助力转向系统的基础之上，还有电控液压助力转向系统，其结构上增加了液压反应装置和液流分配阀，并且加设的电控系统，其中包括车速传感器、动力转向ECU、电磁阀等。电控液压助力转向系统利用电控单元调节作用，并依据车速调整在转向盘上的助力，而改变液压助力系统辅助力的大小是通过控制转向控制阀的开启程度，从而实现不同车速调整不同辅助转向力的助力特性。

2.1.2 液压助力转向系统的优缺点

对于机械液压助力转向系统，虽然它在中低速时具有较好的助力性能和操纵稳定性，但固定的助力效果会使方向盘过于敏感，在高速行驶时会使驾驶员的路感变差，并且由于在车辆行驶过程中发动机始终会带动油泵旋转，因此造成了发动机能量的浪费。对于电控液压助力转向系统，高低速行驶时助力大小会不一样，在低速行驶时，系统助力作用大，驾驶人操纵会更加轻便灵活；在高速行驶时，助力作用减弱，从而使驾驶人的操纵力增大，相比液压助力系统会具有明显的路感，不仅保证了转向操纵的灵活性，而且提高了高速行驶中转向的稳定性和安全感。但是电控液压系统机构复杂，价格昂贵，液压助力转向系统的缺点如效率低、耗能大等问题也仍未克服。

2.2 电动助力转向系统

2.2.1 电动助力转向系统结构与工作原理

电动助力转向系统主要由电子控制单元（ECU）、扭矩传感器、车速传感器、电动机、减速机构等组成，其中核心部件为电子控制单元，电动助力转向系统的工作原理为，当驾驶人操纵方向盘时，上下两端转向轴在转向力矩作用下产生的相对转角值被转矩传感器转化为电信号，并传递给电控单元ECU，控制器根据转矩传感器，车速传感器等传递的信号控制电机的转动方向及助力目标电流的大小，控制指令被输送给电机，再由电机的底层控制消除目标电流及实际电流的偏差。

减速机构将电机的输出力矩作用在转向柱上，减速机构减速比与电机输出力矩的乘积为电机的助力矩。驾驶人转向力矩在电机助力矩的帮助下实现转向助力。

2.2.2 电动助力转向系统的优缺点

优点：电机只在转向时提供动力，可显著降低油耗，可兼顾转向轻便性和高速操纵稳定性，结构紧凑，重量轻，装配线好，维修方便。

缺点：由于转向机构由电动机直接驱动，只能提供有限的助力大小，难以在大型车辆上使用；同时，由于电子元件多，系统的稳定性和可靠性不如机械元件，特别是有些地方需要连续旋转的方向时，可能会导致增压电机过热而停止工作；缺乏路感信息，实际驾驶乐趣大大降低；制造成本较高等。

［1］刘向丽.齿轮齿条转向器CAD与CAE仿真分析［J］.智能城市，2019（17）：194-196.

［2］苗政，周伟东，邵宏亮.车辆机械转向系统的使用与维护［J］.农业与技术，2009（2）：143-144.

［3］吴继详.考虑转向器运动副随机间隙的汽车前轮摆振系统动力学分析［D］.合肥：合肥工业大学：2011.

U463.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.017

2095－6835（2020）09－0047－02

〔编辑：张思楠〕