Jak działa układ kierowniczy samochodu

Możesz być zaskoczony, gdy dowiesz się, że kiedy skręcasz samochodem, twoje przednie koła nie są skierowane w tym samym kierunku.

Aby samochód obracał się płynnie, każde koło musi poruszać się po innym okręgu. Ponieważ koło wewnętrzne porusza się po okręgu o mniejszym promieniu, w rzeczywistości skręca węższy niż koło zewnętrzne. Jeśli narysujesz linię prostopadłą do każdego koła, linie te przecinają się w środku zakrętu. Geometria drążka kierowniczego sprawia, że ​​wewnętrzne koło obraca się bardziej niż zewnętrzne.

Ta treść nie jest kompatybilna na tym urządzeniu.

Istnieje kilka różnych typów przekładni kierowniczych. Najpopularniejsze są zębatka i piłka recyrkulacyjna.

Sterowanie zębatkowe szybko staje się najpopularniejszym typem układu kierowniczego w samochodach osobowych, małych ciężarówkach i SUV-ach. W rzeczywistości jest to dość prosty mechanizm. Przekładnia zębatkowa jest zamknięta w metalowej rurze, przy czym każdy koniec zębatki wystaje z rury. Wędka zwana a drążek kierowniczy, łączy się z każdym końcem stojaka.

Plik koło zębate jest dołączony do wał kierownicy. Kiedy kręcisz kierownicą, przekładnia obraca się, poruszając zębatką. Drążek kierowniczy na każdym końcu zębatki łączy się z ramię kierownicy na wrzeciono (patrz schemat powyżej).

Przekładnia zębatkowa spełnia dwie funkcje:

• Przekształca ruch obrotowy kierownicy w ruch liniowy potrzebny do skręcania kół.
• Zapewnia redukcję biegów, ułatwiając skręcanie kół.

W większości samochodów potrzeba od trzech do czterech pełnych obrotów kierownicy, aby koła obracały się od położenia skrajnego do pełnego (od skrajnego lewego do prawego).

Plik przełożenie kierownicy to stosunek tego, jak mocno skręcasz kierownicą do tego, jak bardzo obracają się koła. Na przykład, jeśli jeden pełny obrót (360 stopni) kierownicy powoduje obrót kół samochodu o 20 stopni, to współczynnik skrętu wynosi 360 podzielone przez 20, czyli 18: 1. Wyższe przełożenie oznacza, że ​​musisz bardziej skręcić kierownicą, aby koła skręciły na określoną odległość. Jednak ze względu na wyższe przełożenie wymagany jest mniejszy wysiłek.

Ogólnie rzecz biorąc, lżejsze, bardziej sportowe samochody mają niższe współczynniki skrętu niż większe samochody i ciężarówki. Niższe przełożenie zapewnia szybszą reakcję układu kierowniczego - nie trzeba tak mocno kręcić kierownicą, aby koła skręciły na określoną odległość - co jest cechą pożądaną w samochodach sportowych. Te mniejsze auta są na tyle lekkie, że nawet przy niższym przełożeniu wysiłek potrzebny do obrócenia kierownicy nie jest nadmierny.

Niektóre samochody mają układ kierowniczy o zmiennym przełożeniu, który wykorzystuje zębatkę, która ma inną podziałkę zębów (liczbę zębów na cal) w środku niż na zewnątrz. Dzięki temu samochód szybko reaguje na rozpoczęcie skrętu (zębatka znajduje się blisko środka), a także zmniejsza wysiłek w pobliżu granic skrętu koła.

Power Rack-and-pinion

Gdy zębatka jest w układzie wspomagania kierownicy, zębatka ma nieco inną konstrukcję.

Część zębatki zawiera cylinder z tłokiem pośrodku. Tłok jest połączony z zębatką. Istnieją dwa porty cieczy, po jednym po każdej stronie tłoka. Dostarczanie płynu o wyższym ciśnieniu na jedną stronę tłoka wymusza ruch tłoka, który z kolei porusza zębatkę, zapewniając wspomaganie.

W dalszej części artykułu sprawdzimy komponenty, które zapewniają płyn pod wysokim ciśnieniem, a także zdecydujemy, po której stronie regału go dostarczyć. Najpierw przyjrzyjmy się innemu typowi sterowania.

Sterowanie kulą recyrkulacyjną jest obecnie używany w wielu ciężarówkach i SUV-ach. Połączenie, które obraca koła, jest nieco inne niż w układzie zębatkowym.

Przekładnia kierownicza z kulą recyrkulacyjną zawiera przekładnię ślimakową. Możesz wyobrazić sobie bieg w dwóch częściach. Pierwsza część to metalowy blok z gwintowanym otworem. Ten blok ma zęby zębate wycięte na zewnątrz, które sprzęgają koło zębate, które porusza ramię pitmana (patrz schemat powyżej). Kierownica łączy się z prętem gwintowanym, podobnym do śruby, która wbija się w otwór w bloku. Kiedy kierownica się obraca, obraca śrubę. Zamiast wkręcać się głębiej w blok tak, jak zwykła śruba, ta śruba jest utrzymywana nieruchomo, tak że gdy się obraca, przesuwa blok, który przesuwa koło zębate, które obraca koła.

Zamiast śruby bezpośrednio sprzęgającej się z gwintami w bloku, wszystkie gwinty są wypełnione łożyskami kulkowymi, które krążą w przekładni, gdy się obraca. Kulki służą właściwie dwóm celom: po pierwsze zmniejszają tarcie i zużycie przekładni; po drugie, zmniejszają pomyje w biegu. Przy zmianie kierunku kierownicy odczuwalne byłoby niechlujstwo - bez kulek w przekładni kierowniczej zęby na chwilę nie stykałyby się ze sobą sprawiając, że kierownica czułaby się poluzowana.

Wspomaganie kierownicy w układzie z kulą recyrkulacyjną działa podobnie do układu zębatkowego. Wspomaganie jest zapewniane przez dostarczanie płynu pod wyższym ciśnieniem na jedną stronę bloku.

Przyjrzyjmy się teraz innym komponentom, które składają się na układ wspomagania kierownicy.

W programie jest kilka kluczowych komponentów wspomaganie kierownicy oprócz mechanizmu zębatkowego lub mechanizmu kulkowego.

Pompa

Siłę hydrauliczną układu kierowniczego zapewnia a pompa łopatkowa (patrz diagram poniżej). Pompa ta jest napędzana przez silnik samochodu za pośrednictwem paska i koła pasowego. Zawiera zestaw wysuwanych łopatek, które obracają się w owalnej komorze.

Gdy łopatki obracają się, pod niskim ciśnieniem pobierają płyn hydrauliczny z przewodu powrotnego i wtłaczają go do wylotu pod wysokim ciśnieniem. Wielkość przepływu zapewniana przez pompę zależy od prędkości obrotowej silnika samochodu. Pompa musi być zaprojektowana tak, aby zapewniała odpowiedni przepływ, gdy silnik pracuje na biegu jałowym. W rezultacie pompa tłoczy znacznie więcej płynu niż to konieczne, gdy silnik pracuje z większą prędkością.

Pompa zawiera zawór bezpieczeństwa, aby upewnić się, że ciśnienie nie wzrośnie zbytnio, szczególnie przy wysokich prędkościach obrotowych silnika, gdy pompowana jest tak duża ilość płynu.

Zawór obrotowy

Wspomaganie kierownicy powinno wspomagać kierowcę tylko wtedy, gdy wywiera on siłę na kierownicę (np. Podczas rozpoczynania skrętu). Gdy kierowca nie wywiera siły (np. Podczas jazdy po linii prostej), system nie powinien wspomagać. Urządzenie wyczuwające siłę nacisku na kierownicę nazywa się zawór obrotowy.

Kluczem do zaworu obrotowego jest a drążek skrętny. Drążek skrętny to cienki metalowy pręt, który skręca się pod wpływem momentu obrotowego. Górna część drążka jest połączona z kierownicą, a dolna jest połączona z zębnikiem lub przekładnią ślimakową (która obraca koła), tak więc wielkość momentu obrotowego w drążku skrętnym jest równa wartości momentu obrotowego kierowca używa do skręcania kół. Im większy moment obrotowy wykorzystuje kierowca do obracania kół, tym bardziej skręca się kierownica.

Wejście z wału kierownicy tworzy wewnętrzną część a zespół zaworu suwakowego. Łączy się również z górnym końcem drążek skrętny. Dno drążka skrętnego łączy się z zewnętrzną częścią zaworu suwakowego. Drążek skrętny obraca również wyjście przekładni kierowniczej, łącząc się z zębnikiem lub przekładnią ślimakową, w zależności od typu układu kierowniczego samochodu.

Ta treść nie jest kompatybilna na tym urządzeniu.

Animacja pokazująca, co dzieje się wewnątrz zaworu obrotowego, gdy pierwszy raz zaczniesz kręcić kierownicą

Gdy pręt się skręca, obraca wnętrze zaworu suwakowego względem zewnątrz. Ponieważ wewnętrzna część zaworu suwakowego jest również połączona z wałem kierownicy (a tym samym z kierownicą), wielkość obrotu między wewnętrzną a zewnętrzną częścią zaworu sterującego zależy od tego, jaki moment obrotowy kierowca przykłada do kierownicy.

Gdy kierownica nie jest obracana, oba przewody hydrauliczne zapewniają takie samo ciśnienie w przekładni kierowniczej. Ale jeśli zawór suwakowy zostanie obrócony w jedną lub drugą stronę, porty otwierają się, aby dostarczyć płyn pod wysokim ciśnieniem do odpowiedniego przewodu.

Okazuje się, że tego typu wspomaganie kierownicy jest dość nieefektywne. Przyjrzyjmy się niektórym postępom, które zobaczymy w nadchodzących latach i które pomogą poprawić wydajność.

Ponieważ pompa wspomagania układu kierowniczego w większości dzisiejszych samochodów pracuje stale, pompując płyn przez cały czas, marnuje ona moc. Ta zmarnowana moc przekłada się na marnowane paliwo.

Możesz spodziewać się kilku innowacji, które poprawią oszczędność paliwa. Jednym z najfajniejszych pomysłów na desce kreślarskiej jest system „steer-by-wire” lub „drive-by-wire”. Systemy te całkowicie wyeliminowałyby mechaniczne połączenie między kierownicą a kierownicą, zastępując je czysto elektronicznym układem sterowania. Zasadniczo kierownica działałaby tak, jak ta, którą można kupić do domowego komputera do grania w gry. Zawierałby czujniki, które informowałyby samochód, co kierowca robi z kołem, i kilka silników, które dostarczałyby kierowcy informacji zwrotnej na temat tego, co robi samochód. Sygnał wyjściowy tych czujników byłby używany do sterowania zmotoryzowanym układem kierowniczym. Pozwoliłoby to zwolnić miejsce w komorze silnika poprzez wyeliminowanie wału kierownicy. Zmniejszyłoby to również wibracje wewnątrz samochodu.

General Motors wprowadził samochód koncepcyjny Hy-wire, w którym zastosowano tego typu układ napędowy. Jedną z najbardziej ekscytujących rzeczy w systemie drive-by-wire w GM Hy-wire jest to, że możesz precyzyjnie dostroić prowadzenie pojazdu bez zmiany jakichkolwiek elementów mechanicznych samochodu - wszystko, czego potrzeba, aby wyregulować układ kierowniczy, to nowy komputer oprogramowanie. W przyszłych pojazdach typu „drive-by-wire” najprawdopodobniej będziesz w stanie skonfigurować elementy sterujące dokładnie według własnych upodobań, naciskając kilka przycisków, tak jak w przypadku dzisiejszej regulacji pozycji siedzenia w samochodzie. W tego rodzaju systemie byłoby również możliwe przechowywanie odrębnych preferencji dotyczących sterowania dla każdego kierowcy w rodzinie.

W ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat układy kierownicze samochodów niewiele się zmieniły. Ale w następnej dekadzie zobaczymy postęp w sterowaniu samochodami, który zaowocuje bardziej wydajnymi samochodami i wygodniejszą jazdą.

Aby uzyskać więcej informacji na temat systemów sterowania i powiązanych tematów, zapoznaj się z linkami na następnej stronie.

Quiz Corner

Czy wiesz, jakie układy kierownicze są używane w samochodach? Sprawdź swoją wiedzę w quizie na temat kierowania samochodem dostępnym na stronie Turbo.

Powiązane artykuły

• Quiz o zawieszeniu samochodu
• Jak działają kierunkowskazy
• Jak działa Gears
• Jak działają różnice
• Jak działają hamulce
• Jak działają tempomaty
• Wyjaśnienie kontroli trakcji

Więcej świetnych linków

• Encyklopedia Columbia: Układ kierowniczy
• Rozwiązywanie problemów z systemami sterowania
• Ciężarówki: Rozwiązywanie problemów z twardym układem kierowniczym, kopnięciem koła i innymi problemami ze wspomaganiem układu kierowniczego
• Fora Auto Channel
• Professional Mechanics Online: Sterowanie
• Motoryzacja 101: Działanie układów zawieszenia i układu kierowniczego
• QUADRASTEER firmy Delphi: pełnowymiarowe pojazdy manewrują jak samochody kompaktowe
• Jak zbudować trójkołowiec z napędem na tylne koła