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前轴和转向机构
40.17 转向柱
因为在发生碰撞事故时驾驶员的胸膛有被穿透或严重伤害的风险，所以刚性转向柱被许多国家的法规所禁止。如图40.8所示，转向轴以一定的角度分为三个部分，并通过万向节连接，这样碰撞会使它们折叠，或在转向柱中插入一个滑动联轴器，或是一个由卷曲部分组成的，如果施加轴向载荷，该部分会收缩。
在车轮顶部的某个点，转向臂底部和短轴（通常位于转向柱底部）的连接处，结合了一个杠杆或者齿轮系统，以减少必须施加在车轮顶部的力来使车辆转向。因此，方向盘必须以比转向轴更大的角度转动。根据车辆的重量、轮胎的尺寸和类型以及其他因素，如女士们是否愿意开车以及最高车速，实际比率可能远远超过25:1。对于汽车来说，平均比率在15到22:1之间，转动范围在3到4.5圈之间。在提供动力辅助的情况下，比率较小。高比率的一个缺点是，驾驶员可能很难快速转向阻止打滑，或者在重型商用车上，甚至难以打急弯。
40.18 可逆和不可逆转向
在大多数转向器中，如果路面使车轮转动，它们可以在主销周围摆动，从而使车内的方向盘旋转。然而，如果转向器内的摩擦力足够大，足以防止这种情况发生，则认为转向器是不可逆的。一般来说，转向比越高，不可逆性的趋势就越大，因为高转向比有助于驾驶员在使用方向盘时克服摩擦阻力，但如果他直接在车轮上用力，摩擦阻力就会增加。
早期的转向器是螺杆螺母式的。接下来是蜗杆齿扇式，接着是带有固定螺柱或凸轮从动件的凸轮螺杆式，然后螺柱及其从动件安装在轴承上。更晚的是循环球式转向器，其中一串圆球装入螺杆和螺母的螺纹之间，并有一个回流通道循环。然而现在对汽车来说最流行的类型，是齿轮齿条式转向器。
这些转向器有许多类型。图40.37和40.38中示出了两种蜗杆曲柄销式的示例。第三种是罗斯双蜗杆曲柄销式，类似于图40.37中的类型，但杠杆是叉装了两个螺柱，一个位于曲柄或螺杆的两端。它的优点是在直行位置磨损减半，在车轮运动的极端情况下机械优势增强，因为相关的蜗杆随后最接近其上止点位置。蜗杆齿扇式只是蜗轮蜗杆式的一种变体，但蜗轮只被一个齿扇来代替。还有许多种其他形式的齿轮传动，包括直齿轮和斜齿轮副以及行星传动系。
40.19 齿轮齿条转向机构
齿轮齿条转向器特别适用于双横臂或麦弗逊式悬架的汽车。除了相对容易适应悬架的几何结构外，它的主要优点是高效率，简单，可以相对容易刚性地安装在车辆结构和系统精度。此外，通过增加齿的螺旋角，小齿轮可获得高的传动比，使小齿轮的齿具有足够的截面以承受载荷。
在图40.34中，齿条安装在管状外壳中，其端部有橡胶衬套，通过橡胶衬套将齿条固定在车辆上。这些衬套有助于吸收高频振动，并降低传回方向盘的冲击。
弹簧垫将齿条压入与小齿轮接触，小齿轮与通过花键连接到方向盘上的转向轴连接在一起。主轴由齿条管状壳体一端的铸造壳体中的滑动轴承承载。球形接头将齿条末端连接到横拉杆上。这些球头的中心与转向轴摆动的轴大致一致，因此悬架偏转不会产生任何显著的转向效果。
图40.34
40.20 螺杆螺母转向机构
如图40.35所示，螺杆B在铸铁外壳C的轴承中可以自由旋转。止推轴承DD阻止轴向运动，螺杆由轴A连接至方向盘。螺母H安装在螺杆上防止旋转。如果转动螺杆，螺母必须沿轴向上下移动螺杆。这种运动是通过主轴L使下臂旋转的，主轴L装在壳体中的滚珠轴承中，外端承载下臂。主轴L的两个臂KK跨在螺母上，它们通过铜垫MM连接到螺母上。这些垫圈可以在螺母周围的凹槽中旋转。而且它们配备有平行凹槽，以容纳主轴L的臂。垫圈是必要的，因为螺母沿直线移动，而主轴L的臂沿圆形路径移动。
在这种设计中通过主轴L的臂K防止螺母旋转。在某些设计中通过将螺母引导到壳体中的导轨中来实现。在一些设计中也使用短的连杆，而不是衬垫，将螺母与主轴L的臂连接起来。
上述机构中的间隙可能由螺杆的端隙、螺杆和螺母的螺纹磨损等引起。螺杆的端隙在装配时通过所选垫圈F消除。螺纹磨损通常无法通过更换来修复，但鉴于螺母和螺杆之间的接触面积很大，只要注意润滑磨损很小。
这种机构的优点是，随着转向接近完全锁定，提供的力增加。
图40.35
图40.36所示为螺杆螺母机构的不同形式。螺杆在轴A的端部，方向盘固定在轴A上。螺母由整体式轴BB构成，用花键固定在垂臂轴D上，枢轴插在叉杆CC臂端部的孔。轴A的上端由球窝接头E支撑在转向柱中，球窝接头E将轴固定在轴向运动上，但允许轴绕轴转动，也允许轴绕垂直于轴本身的轴轻微摆动。这需要最后一个自由度，因为随着螺母沿着螺杆来回移动，轴BB必须在圆弧XX内移动，因此轴A的下端会朝YY方向轻微移动。实际上，在E处使用的是自调式球轴承，而不是普通的球窝接头。或者可以使用由橡胶衬套支撑的普通轴颈轴承，橡胶衬套来适应轴A的摇摆。这种布置消除了图40.35的垫圈M，减少了所需的轴承数量，因此降低了结构成本。与图40.35中的臂KK相比，臂CC更容易固定螺母以防旋转。
图40.36
40.21 凸轮转向机构
许多凸轮转向机构已经发明，但很少有商业上成功的。许多制造商使用的示例如图40.37所示。这是Marles转向机构。所示滚珠轴承上的垂臂主轴A承载着一个V形滚柱B，该滚柱与在构件C上凹槽接合。后者通过键固定在方向盘轴上，但轴向固定。当转动方向盘时，杆件C中的螺旋槽限制滚柱B从所示位置向右或向左移动，从而转动垂臂。通过将壳体E进一步拧入转向箱，可以消除构件C的端隙，夹紧螺钉F可实现锁定。转动销D可使滚柱与构件C中的凹槽正确啮合。该销的中心部分承载支撑滚柱的座圈，偏心于端部，因此当转动销时，滚柱移动到与构件C更紧密的啮合中。
图40.37
40.22 蜗杆曲柄销式机构
该转向装置是凸轮机构的一种形式，示例如图40.38所示。在方向盘轴的底端形成螺旋槽A，与垂臂主轴杆的突出部分B接合。当转动方向盘轴时，垂臂来回摆动。在E处放入适当的垫圈，可消除方向盘轴的端隙。垂臂主轴杆由H处盖板上的轴承支撑，螺钉F防止其与槽A啮合过深。销B有时以滚柱的形式制成，在垂臂主轴杆的轴承中承载。最近的一项改进是为杆提供两个销，在齿轮的中心位置，在其末端与螺钉啮合。这使得在转向锁定时可以获得更大的杠杆力。
在Marles-Weller转向中，其总体布置与图40.38相似，销B由两个半球形凹槽构成，每侧一个，半个球安装在这些凹槽中。半球的近似平面与螺纹侧面啮合。
图40.38 蜗杆曲柄销式转向
40.23 转向连接
转向机构的垂臂或齿条连接到转向节轮轴的转向臂上，并且此连接必须允许在两个平面内进行角运动。现在总是使用球窝接头，曾经也使用过万向接头。球窝接头结构的一个例子如图40.39所示，这是一个汽车产品设计。衬套A在垂直直径上分开，使其接触中心平面上下的钢珠构件，该衬套承载所有实际转向负载，下部构件B由弹簧加载以消除齿隙和咔嗒声。衬套采用含有润滑剂的复合材料制成，接头在整个使用寿命内无需其他润滑。如D所示，将球窝和衬套总成固定在连杆C的孔中，通过孔的边沿向上滚动。橡胶圈E排除灰尘和水。球的表面镀金属以防腐蚀并提供精细的表面粗糙度。这种关节可以在所有方向上提供相当大的角自由度。
在图40.40的接头上部，承载表面在衬套A上，衬套A可在销C的锥形端自由旋转。这提供了一个球面，同时减少该球面和孔之间的相对运动。因为绕XX轴的运动发生在表面C处。弹簧B保持零件接触，并限制底部和盖D之间的间隙量。当XX的角运动不大时，构件A通常与销连为一体。
图40.39 图40.40
40.24 前轮定位
当车辆直线行驶时，其所有车轮应与运动方向平行。前轮要达到这种要求必须要进行适当的调整。为了在车辆移动时使前轮平行，通常必须在车辆静止时使其稍微偏离平行位置，在平面图中，前轮之间的距离，前部略小于在后部。当车辆沿道路行驶时，作用在车轮上的力将导致转向连接处发生改变，从而使车轮平行。车轮的这种设置被称为前束，前、后轮轮辋的“轮距”之间的差异因制造商不同而有所不同，从几乎为零到6毫米不等，通常限制在3毫米左右，以避免轮胎磨损增加。
40.25 前束对转向的影响
直行行驶的轮胎由于不能施加任何侧向力而处于不稳定状态。如果车轮受到旋转不平衡或撞击颠簸的干扰或在车轮、悬架或转向系统的轴承中有任何间隙或弹性都会引起摆动。因此，前束是通过确保有一个足够大的恒定侧向力来克服轮胎在旋转时不断受到的小干扰力，从而防止出现摆振。另外，当通过车轮和轮胎传递的制动或加速载荷被转向系统抵消时，转向系统不可避免地发生偏转，这一点决定了转向系统应该具有前束。其他则与悬架和转向机构之间的相互作用有关。
在第40.4节中，注意到O点在大多数情况下与P不一致。其位置受上述相互作用的制约，目前是在经验的基础上确定的，并通过道路试验得到改进。然而，最近计算机程序的进步，使其尽可能接近正确。
其目的是无论车辆是以恒定速度行驶，制动或加速，车辆两侧车轮下的路面相同，结冰或者其他情况都可以避免自转向效应。还需要将其作为避免转向特性随转速或转弯半径变化而变化的措施。后一种稳定模式对于防止驾驶员因对其施加的作用力改变而变化是必要的。局部因变量中最重要的是：前束，外倾角，磨胎半径和悬架衬套的挠度。轮胎和橡胶衬套的变形和其他特性可从这些组件的制造商那里获得。取决于悬架和转向几何形状的运动当然可以用图形表示。考虑到所有这些因素的设计就是一个很好的例子，通用汽车公司的ACT悬架在1987年8月/ 9月的《汽车工程师》中有描述。
40.26 助力转向基本原理
动力辅助要优于动力转向，有两个原因。首先，借助动力辅助，驾驶员可以保持一定的路感，这在冰雪路面的情况下尤其有用。其次，如果动力失效，驾驶员可以立即直接进行控制，尽管所需的力变得很大。
在重型商用车上最需要动力辅助，这有两个主要好处。一种是减少驾驶员的体力。第二，对车辆的控制更好，因为转向传动比可以使驾驶员不必将车轮绕过很多圈就可以转弯。
随着变速箱和主传动单元与曲轴同轴的横向安装发动机的问世，对汽车的动力辅助的需求不断增长。出于同样的原因，配备重型柴油动力装置的汽车也将从助力转向中受益。导致需要动力辅助的其他因素包括径向帘布层，宽轮辋车轮上的低轮廓轮胎所需的相对较高的转向扭矩。
最初，液压助力是惯例，尽管为配备有空气压缩机的商用车引入了一些气动系统，否则将需要液压系统。但是，最新的发展是引入了电动系统。
通常，液压系统包括用于液体储存器，发动机驱动泵，用于施加动力辅助的液压千斤顶，以及中心阀。当车辆沿直线行驶时，阀门打开，并且随着车轮转向的角度增加，该阀逐渐关闭以增加施加到动力千斤顶的流体的压力。这意味着，除非方向盘从其中心位置旋转，否则液压油会以接近零的压力通过阀连续返回至油箱，因此液压系统中唯一的能量损失是由于粘性摩擦和局部湍流。
通常，来自方向盘的输入从转向柱的下端传递到弹簧（线圈式或扭转式，图40.41，其功能是感知施加在方向盘上的扭矩）。弹簧与滑阀机械连接，随着弹簧的偏转，滑阀逐渐关闭以增加液压系统中的压力。增加的压力施加到提供动力辅助的活塞上。如果液压系统完全失效，则弹簧会偏转，直到机械装置碰到止动件，通过止动件，驾驶员的输入将直接施加到转向器上。
使用封闭中心阀，可能会一直消耗能量。但是，闭式中心阀可与电动液压泵一起使用。液压泵在液压蓄能器中建立压力，蓄能器存储提供动力辅助所需的能量。节能是通过电子控制实现的，当蓄能器充满时，电子控制将关闭驱动泵。因此，电动机仅在启动后立即运行，并且随后仅在施加动力辅助时才运行。
40.27 维克斯系统
由底特律的维克斯公司开发的系统的主要特征如图40.41和40.42所示。从动液压缸A（图40.43）代替了转向联动装置的拉杆，该拉杆通过球窝接头B连接到转向轴的转向臂，而活塞杆通过球窝接头C连接到车架。从图40.44可以看出，转向箱的下降杆D被布置去驱动系统的阀门。假设转动方向盘，使下降臂顺时针旋转，则阀E将向左移动，从而打开通向压力源的端口x和通向排气口的端口y。因此，从动缸的末端F中的压力将上升，而末端G中的压力将下降。因此，液压缸的缸体将向左移动，从而引起转向。气缸的运动使气门E返回到平衡位置，理想的转向运动将主要通过油压实现，而部分地通过下降臂在气门左侧弹簧上的直接压力来实现。无论哪种方式，阀门的运动都被限制在很小的量，如果油压不可用，那么一旦阀升到其止动位置，下降臂就可以直接驱动转向。因此，在手动操作转向时会产生一定程度的反冲，该反冲取决于气门允许的自由运动。为了使从动缸在手动操作时不会对系统产生任何阻力，装置还提供了一个阀，该阀可以在油压失效且控制阀的运动超出正常范围时在缸的两端之间打开直接通道。
图40.41 Burman SPRP-4齿条齿轮式动力转向器具有锥形齿轮，可通过轴向位移来调节其以补偿磨损。
图40.42
40.30 电动助力系统
对于电子控制来说，电动助力比液压助力容易的多。因此，在提供适用于不同条件的助力时，应该考虑更多的变量，例如车速、路况、方向盘转角变化以及制动或加速的加速度。
因此电子控制的优点如下：
1．提高了高速行驶时的安全性，因为在这些情况下，提供的动力与发动机转速无关，因此可以更灵敏地应用。
2. 由于电机的直接机械辅助作用和可能使用不可逆变速器，例如在越野驾驶时，方向盘上的回正感比液压动力辅助时的回正感要弱。
3. 降低能源消耗，从而减少排放，提高小型发动机汽车的加速性能。与发动机驱动的液压动力系统相比，油耗最多可降低5%，但似乎2-3%的总体数字更为现实。
4. 不使用液压系统可以使结构紧凑，使用更少的部件、减轻了重量和维护成本、无需加满液体、无
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