汽車構造之轉向系--汽車知識從零學起(4)
汽車構造之轉向系--汽車知識從零學起(4)
第三章 轉向系
第一節 轉向系概述
汽車行駛時要經常改變行駛方向，這就需要有一套能夠按照司機意志使汽車轉向的機構，它將司機轉動方向盤的動作轉變為車輪(通常是前輪)的偏轉動作。
按轉向力能源的不同，可將轉向系分為機械轉向系和動力轉向系。
機械轉向系的能量來源是人力，所有傳力件都是機械的，由轉向操縱機構(方向盤)、轉向器、轉向傳動機構三大部分組成。其中轉向器是將操縱機構的旋轉運動轉變為傳動機構的直線運動(嚴格講是近似直線運動)的機構，是轉向系的核心部件。
動力轉向系除具有以上三大部件外，其最主要的動力來源是轉向助力裝置。 由於轉向助力裝置最常用的是一套液壓系統，因此也就離不開泵、油管、閥、活塞和儲油罐，它們分別相當於電路系統中的電池、導線、開關、電機和地線的作用。
第二節 轉向盤
轉向盤即通常所說的方向盤。轉向盤內部有金屬製成的骨架，是用鋼、鋁合金或鎂合金等材料製成。由圓環狀的盤圈、插入轉向軸的轉向盤轂，以及連接盤圈和盤轂的輻條構成。採用焊接或鑄造等工藝製造，轉向軸是由細齒花鍵和螺母連接的。骨架的外側一般包有柔軟的合成橡膠或樹脂，
也有採用皮革包裹以及硬木製作的轉向盤。轉向盤外皮要求有某種程度的柔軟度，手感良好，能防止手心出汗打滑的材質，還需要有耐熱、耐候性。
轉向盤的功能：轉向盤位於司機的正前方，是碰撞時最可能傷害到司機的部件，因此需要轉向盤具有很高的安全性，在司機撞在轉向盤上時，骨架能夠產生變形，吸收衝擊能，減輕對司機的傷害。轉向盤的慣性力矩也是很重要的，慣性力矩小，我們就會感到"輪輕"，操做感良好，但同
時也容易受到轉向盤的反彈(即"打手")的影響，為了設定適當的慣性力矩，就要調整骨架的材料或形狀等。
現在的轉向盤與以前的看似沒有太大變化，但實際上已經有了改進。由於轉向助力裝置的普及，轉向盤外徑變小了，而手握處卻變粗了，採用柔軟材料，使操作感得到了改善。
現在有越來越多的汽車在轉向盤裡安裝了安全氣囊，也使汽車的安全性大大提高了。轉向盤的集電環：轉向盤上有喇叭開關，必須時刻與車身電器線路相連，而旋轉的轉向盤與組合開關之間顯然不能用導線直接相連，因此就必須採用集電環裝置。集電環好比環形的地鐵軌道，喇叭開關
的觸點就像奔跑在軌道上的電車，時刻保持接通的狀態。由於是機械接觸，長時間使用觸點會因磨損影響導電性，導致緊急時刻喇叭不鳴甚至氣囊不工作。因此，最近裝備氣囊的汽車開始裝用電纜盤，代替集電環。
轉向盤的端子與組合開關的端子用電纜線連接，電纜盤將電線捲入盤內，類似於吸塵器的電線卷取機構，在轉向盤旋轉範圍內，電線靠捲筒自由伸縮。這種裝置大大提高了電器裝置的可靠性。
第三節 轉向柱
為牢固支承轉向盤而設有轉向柱。傳遞轉向盤操作的轉向軸從中穿過，由軸承和襯套支承。轉向柱本體安裝在車身上。轉向機構應備有吸收汽車碰撞時產生的衝擊能的裝置。許多國家都規定轎車義務安裝吸能式轉向柱。吸能裝置的方式很多，大都通過轉向柱的支架變形來達到緩衝吸能的作
用。
轉向軸與轉向器齒輪箱之間採用連軸節相連(即兩個萬向節)，之所以用連軸節，除了可以改變轉向軸的方向，還有就是使得轉向軸可以作縱向的伸縮運動，以配合轉向柱的緩衝運動。
可傾斜式轉向機構：正是由於有了連軸節，轉向軸可以有不同的傾斜角度，使轉向盤的位置可以上下傾斜，適應各種身高和體形的司機。通過操作位於轉向柱下側的手柄，使轉向柱處於放鬆狀態，將轉向盤調至自己喜好的位置，再反向轉動手柄，使轉向柱固定在新的位置上。
現在的一些高級轎車上已經採用電動式轉向盤傾斜調整機構。轉向軸內裝有專用電機，使轉向軸改變傾斜角度。最新型的調整機構是全自動式由計算機控制的。司機在下車前將點火鑰匙拔出，轉向盤便自動升起，以便司機順利下車。但計算機會記住原來的轉向盤位置，當點火鑰匙再次
插入時，轉向盤會自動恢復原位。
可伸縮式轉向機構：該機構可像望遠鏡那樣伸縮調整轉向盤的前後位置。轉向軸也像望遠鏡一樣有雙重結構，內筒與外筒用花鍵嚙合，使它們無法相對轉動，而只能沿鍵槽方向做伸縮運動。
與傾斜調整機構相同，可操作手柄解除或固定伸縮動作，一部分車也採用電動式計算機控制的全自動伸縮式轉向機構。
第四節 轉向器
轉向器(也常稱為轉向機)是完成由旋轉運動到直線運動(或近似直線運動)的一組齒輪機構，同時也是轉向系中的減速傳動裝置。歷史上曾出現過許多種形式的轉向器，目前較常用的有齒輪齒條式、蝸桿曲柄指銷式、循環球-齒條齒扇式、循環球曲柄指銷式、蝸桿滾輪式等。其中第二、第四
種分別是第一、第三種的變形形式，而蝸桿滾輪式則更少見。我們只介紹目前最常用，最有代表性的兩種形：齒輪齒條式和循環球式。
齒輪齒條式：齒輪齒條方式的最大特點是剛性大，結構緊湊重量輕，且成本低。由於這種方式容易由車輪將反作用力傳至轉向盤，所以具有對路面狀態反應靈敏的優點，但同時也容易產生打手和擺振等現象。齒輪與齒條直接嚙合，將齒輪的旋轉運動轉化為齒條的直線運動，使轉向拉桿
橫向拉動車輪產生偏轉。齒輪並非單純的平齒輪，而是特殊的螺旋形狀，這是為了盡量減小齒輪與齒條之間的嚙合間隙，使轉向盤的微小轉動能夠傳遞到車輪，提高操作的靈敏性，也就是我們通常所說的減小方向盤的曠量。不過齒輪嚙合過緊也並非好事，它使得轉動轉向盤時的操作力過大
，人會感到吃力。
循環球式：這種轉向裝置是由齒輪機構將來自轉向盤的旋轉力進行減速，使轉向盤的旋轉運動變為渦輪蝸桿的旋轉運動，滾珠螺桿和螺母夾著鋼球嚙合，因而滾珠螺桿的旋轉運動變為直線運動，螺母再與扇形齒輪嚙合，直線運動再次變為旋轉運動，使連桿臂搖動，連桿臂再使連動拉桿
和橫拉桿做直線運動，改變車輪的方向。
這是一種古典的機構，現代轎車已不再使用，但又被最新方式的助力轉向裝置所應用。它的原理相當於利用了螺母與螺栓在旋轉過程中產生的相對移動，而在螺紋與螺紋之間夾入了鋼球以減小阻力，所有鋼球在一個首尾相連的封閉的螺旋曲線內循環滾動，循環球式故而得名。
第五節 動力轉向機構
動力轉向機是利用外部動力協助司機輕便操作轉向盤的裝置。隨著最近汽車發動機馬力的增大和扁平輪胎的普遍使用，使車重和轉向阻力都加大了，因此動力轉向機構越來越普及。值得注意的是，轉向助力不應是不變的，因為在高速行駛時，輪胎的橫向阻力小，轉向盤變得輕飄，很難
捕捉路面的感覺，也容易造成轉向過於靈敏而使汽車不易控制。所以在高速時要適當減低動力，但這種變化必須平順過度。
（一）液壓式動力轉向裝置
液壓式動力轉向裝置重量輕，結構緊湊，利於改善轉向操作感覺，但液體流 量的增加會加重泵的負荷，需要保持怠速旋轉的機構。
（二）電動式動力轉向裝置
電動式動力轉向裝置是最新形式的轉向裝置，由於它節能，故受到人們的重視。它是利用蓄電池轉動電機產生推力。由於不直接使用發動機的動力，所以大大降低了發動機的功率損失(液壓式最大損失5-10馬力)，且不需要液壓管路，便於安裝。尤其有利於中置發動機後輪驅動的汽車。
但目前電動式動力轉向裝置所得動力還比不上液壓式，所以只限用於前輪軸輕的中置發動機後驅動的汽車上。
（三）電動液壓式動力轉向裝置
即由電機驅動轉向助力泵並由計算機控制的方式，它集液壓式和電動式的優點於一體。因為是計算機控制，所以轉向助力泵不必經常工作，節省了發動機的功率。這種方式結構緊湊，便於安裝佈置，但液壓產生的動力不能太大，所以適用排量小的汽車。
發動機的分類
發動機按照它不同的特點有很多種分類方法。
1． 按燃料分
可分為柴油機、汽油機和天然氣機等
2． 按實現循環的行程數分
a) 四沖程發動機：活塞移動四個行程或曲軸轉兩圈氣缸內完成一個工作循環
b) 二沖程發動機：活塞移動兩個行程或曲軸轉一圈氣缸內完成一個工作循環
3． 按冷卻方式分
a) 水冷式發動機：以水為冷卻介質
b) 風冷式發動機：以空氣作為冷卻介質（適合缺水地區使用，如沙漠國家）
4． 按點火方式分
a) 壓燃式發動機：利用氣缸內空氣被壓縮後產生的高溫，使燃油自燃。如柴油機。
b) 點燃式發動機：利用火花塞發出的電火花強制點燃燃料，使燃料強行著火燃燒。如汽油機、煤氣機。
5． 按可燃混合氣形成的方法分
a) 外部形成混合氣的發動機：燃料和空氣在外先混合然後進入氣缸。如使用化油器的汽油機。
b) 內部形成混合氣的內燃機：燃料在臨近壓縮終了時才噴入氣缸，在氣缸內與空氣混合。如柴油機。
6． 按進氣方式分
a) 自然吸氣式發動機：空氣靠活塞的抽吸作用進入氣缸內。
b) 增壓式發動機：為增大功率，在發動機上裝有增壓器，使進入氣缸的氣體預先經過壓氣機壓縮後再進入氣缸。
7． 按氣缸數目分
a) 單缸發動機
b) 多缸發動機：按氣缸的排列型式又可分為
i. 直列立式發動機：所有氣缸中心線在同一垂直平面內。
ii. 直列臥式發動機：所有氣缸中心線在同一水平平面內。
iii. V型發動機：氣缸中心線分別在兩個平面內，且兩平面相交呈V型。
iv. 對置式發動機：V型夾角為180°時又稱為對置式。
v. 其它：還有H型，X型、星型等，但在車輛上應用很少.
比較汽油機與柴油機
發動機按所使用的燃料進行分類，可以分為汽油機和柴油機。
汽油與柴油相比較，汽油的沸點低、容易氣化，而柴油的自燃溫度低。
柴油機採用壓縮空氣的辦法提高空氣溫度，使空氣溫度超過柴油的自燃測試，這時再噴入柴油、柴油噴霧和空氣混合的同時自己點火燃燒。德國人狄塞爾想出了這個辦法並取得了專利權，所以柴油機又叫狄塞爾發動機。
與汽油機相比，柴油機的優點是柴油價格便宜，經濟性好，並且它沒有點火系統，所以故障較少。
但柴油機由於工作壓力大，要求各有關零件具有較高的結構強度和剛度，所以柴油機比較笨重，體積較大；柴油機的噴油泵與噴嘴製造精度要求高，所以成本較高；另外，柴油機工作粗暴，振動噪聲大；柴油不易蒸發，冬季冷車時起動困難。
所以，現在的轎車中主要裝備汽油機。
發動機的基本名詞術語
1． 活塞止點與行程：
a) 活塞在氣缸內作往復運動的兩個極端位置稱為止點。活塞離曲軸放置中心最遠位置稱為上止點，離曲軸放置中心的位置稱為下止點。
b) 上下止點之間的距離稱為活塞的行程。曲軸轉動半圈，相當於活塞移動一個行程。
2． 排量
a) 活塞在氣缸內作往復運動，氣缸內的容積不斷變化。當活塞位於上止點位置時，活塞頂部與氣缸蓋內表面所形成的空間稱為燃燒室。這個空間容積稱為燃燒室容積。
b) 活塞從上止點移動到下止點所通過的空間容積稱為氣缸排量，如果發動機有若干個氣缸，所有氣缸工作容積之和稱為發動機排量。
c) 當活塞在下止點位置時，活塞頂上部的全部氣缸容積稱為氣缸總容積。
3． 壓縮比
a) 氣缸總容積與燃燒室容積的比值稱為壓縮比。壓縮比表示了活塞從下止點移動到上止點時，氣體在氣缸內被壓縮的程度。
b) 壓縮比越大，氣體在氣缸內受壓縮的程度越大，壓縮終點氣體的壓力和溫度越高，功率越大，但壓縮比太高容易出現爆震。
c) 壓縮比是發動機的一個重要結構參數。由於燃料性質不同，不同類型的發動機對壓縮比有不同的要求。柴油機要求較大的壓縮比，一般在12-29之間，而汽油機的壓縮比較小，在6-11之間。選用高標號的汽油可以部分地提高壓縮比。
四沖程汽油機的工作原理
四沖程汽油機的工作過程是一個複雜的過程，它由進氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣四個行程組成。
一． 進氣行程
此時，活塞被曲軸帶動由上止點向下上止點移動，同時，進氣門開啟，排氣門關閉。當活塞由上止點向下止點移動時，活塞上方的容積增大，氣缸內的氣體壓力下降，形成一定的真空度。由於進氣門開啟，氣缸與進氣管相通，混合氣被吸入氣缸。當活塞移動到下止點時，氣缸內充滿了新鮮
混合氣以及上一個工作循環未排出的廢氣。
二． 壓縮行程
活塞由下止點移動到上止點，進排氣門關閉。曲軸在飛輪等慣性力的作用下帶動旋轉，通過連桿推動活塞向上移動，氣缸內氣體容積逐漸減小，氣體被壓縮，氣缸內的混合氣壓力與溫度隨著升高。
三． 燃燒膨脹行程
此時，進排氣門同時關閉，火花塞點火，混合氣劇烈燃燒，氣缸內的溫度、壓力急劇上升，高溫、高壓氣體推動活塞向下移動，通過連桿帶動曲軸旋轉。在發動機工作的四個行程中，只有這個在行程才實現熱能轉化為機械能，所以，這個行程又稱為作功行程。
四． 排氣行程
此時，排氣門打開，活塞從下止點移動到上止點，廢氣隨著活塞的上行，被排出氣缸。由於排氣系統有阻力，且燃燒室也佔有一定的容積，所以在排氣終了地，不可能將廢氣排淨，這部分留下來的廢氣稱為殘餘廢氣。殘餘廢氣不僅影響充氣，對燃燒也有不良影響。
排氣行程結束時，活塞又回到了上止點。也就完成了一個工作循環。隨後，曲軸依靠飛輪轉動的慣性作用仍繼續旋轉，開始下一個循環。如此週而復始，發動機就不斷地運轉起來。
空燃比
空燃比A/F（A：air-空氣，F：fuel-燃料）表示空氣和燃料的混合比。空燃比是發動機運轉時的一個重要參數，它對尾氣排放、發動機的動力性和經濟性都有很大的影響。
理論空燃比：即將燃料完全燃燒所需要的最少空氣量和燃料量之比。燃料的組成成分對理論空燃比的影響不大，汽油的理論空燃比大體約為14.8，也就是說，燃燒1g汽油需要14.8g的空氣。
一般常說的汽油機混合氣過濃過稀，其標準就是理論空燃比。空燃比小於理論空燃比時，混合氣中的汽油含量高，稱作過濃；空燃比大於理論空燃比時，混合氣中的空氣含量高，稱為過稀。
混合氣略微過濃時，即空燃比為13.5-14時汽油的燃燒最好，火焰溫度也最高。因為燃料多一些可使空氣中的氧氣全部燃燒。
而從經濟性的角度來講，混合氣稀一些時，即空燃比為16時油耗最小。因為這時空氣較多，燃料可以充分燃燒。
從發動機功率上講，混合氣較濃時，火焰溫度高，燃燒速度快，當空燃比界於12-13之間時，發動機功率最大。
多氣門發動機
1886年1月29日，德國人卡爾·本茨將自己研製的四沖單缸燃油發動機裝上了一輛三輪的車子並獲得專利權，世界從這一天開始才真正有了汽車。可以說，是發動機創造了汽車。發動機的基本構造（如圖）是由氣缸1、活塞2、連桿3、曲軸4等主要機件組成，每一個氣缸至少有兩個氣門
，一個進氣門（藍色）和一個排氣門（橙色）。
氣門裝置是發動機配氣機構的一個組成部分，在發動機工作起非常重要的作用。燃油發動機的工作運轉由進氣，壓縮，作功和排氣四個工作過程組成。要使發動機連續運轉就必須使這四個工作過程週而復始，順序定時地循環工作。
其中的兩個工作過程，進氣和排氣過程，需要依靠發動機的配氣機構準確地按照各氣缸的工作順序輸送可燃混合氣(汽油發動機)或新鮮空氣(柴油發動機)，以及排出燃燒後的廢氣。另外的兩個工作過程，壓縮和作功過程，則必須隔絕氣缸燃燒室與外界進排氣通道，不讓氣體外洩以保證
發動機正常地工作。負責上述工作的機件就是配氣機構中的氣門。它好比人的呼吸器官，吸進呼出，缺它不可。
隨著技術的發展，汽車發動機的轉速已經越來越高，現代轎車發動機的轉速一般可達每分鐘5500轉以上，完成四個工作過程只需0.005秒時間，傳統的兩氣門已經不能勝任在這麼短促的時間內完成換氣工作，限制了發動機性能的提高。解決這個問題的方法只能是擴大氣體出入的空間。
換句話就是用空間換取時間。多氣門技術是解決問題的最好方法，直至80年代推廣多氣門技術才使發動機的整體質量有了一次質的飛躍。
多氣門發動機是指每一個氣缸的氣門數目超過兩個，即兩個進氣門和一個排氣門的三氣門式；兩個進氣門和兩個排氣門的四氣門式；三個進氣門和兩個排氣門的五氣門式。
目前轎車上的多氣門發動機多是四氣門式的。四缸發動機有16個氣門，6氣缸發動機有24個氣門，8氣缸發動機就有32個氣門。例如日本凌志LS400型轎車的發動機
就是8缸32個氣門。增加了氣門數目就要增加相應的配氣機構裝置，構造比較複雜，一般由兩支頂置式凸輪軸來控制排列在氣缸燃燒室中心線兩側的氣門。氣門佈置在氣缸燃燒室中心兩側傾斜的位置上，是為了盡量擴大氣門頭的直徑，加大氣流通過面積，改善換氣性能，形成一個火花塞位
於中央的緊湊型燃燒室，有利於混合氣的迅速燃燒。
有人提出疑問，既然氣門多好，為什麼見不到一缸6氣門以上的發動機？熱力學有一個叫"簾區"的概念，指氣門的園周乘以氣門的升程，即氣門開啟的空間。"簾區"越大說明氣門開啟的空間越大，進氣量也就越大。以奧迪100型轎車的發動機為例，它的四氣門"簾區"值比兩氣門的"簾區"
值，在進氣狀態時要大一半，在排氣狀態時要大百分之七十。當然，每一個事物都有它的一定適用範圍，並不是說氣門越多"簾區"值就越大，據專家計算當每個氣缸的氣門增加到六個時，"簾區"值反而會下降了，而且氣門越多機構越複雜，成本就越大。因此，目前轎車的多氣門燃油發動機
的每個氣缸的氣門數目都是三至五個，其中又以四個氣門最為普遍。
以汽油發動機為例，多氣門發動機與傳統的兩氣門發動機比較，前者能吸進更多的空氣來混合燃油燃燒作功，節省燃油，更快地排出廢氣，排放污染少，能提高發動機的功率和降低噪音的優點，符合優化環境和節省能源的發展方向，所以多氣門技術能迅速推廣開來。
當年多氣門燃油發動機開始興起的時候，有些人認為它有一個技術上的缺陷低速運轉不暢順，德國著名的波爾捨汽車公司就持有這樣的看法。隨著技術上的不斷改進，多氣門燃氣發動機的這種技術缺陷也逐步克服了。近幾年波爾捨汽車公司的944S2型轎車裝用了四缸四氣門發動機，現
在，全世界幾乎所有的中高級轎車都裝備多氣門燃油發動機。
渦輪增壓器
參加競賽的跑車或方程式賽車一般在發動機上裝有渦輪增壓器，以使汽車迸發出更大的功率。發動機是靠燃料在氣缸內燃燒作功來產生功率的，輸入的燃料量受到吸入氣缸內空氣量的限制，所產生的功率也會受到限制，如果發動機的運行性能已處於最佳狀態，再增加輸出功率只能通過
壓縮更多的空氣進入氣缸來增加燃料量，提高燃燒作功能力。在目前的技術條件下，渦輪增壓器是唯一能使發動機在工作效率不變的情況下增加輸出功率的機械裝置。
構造
渦輪增壓器是由渦輪室和增壓器組成的機器，渦輪室進氣口與排氣歧管相連，排氣口接在排氣管上；增壓器進氣口與空氣濾清器管道相連，排氣口接在進氣歧管上。渦輪和葉輪分別裝在渦輪室和增壓器內，二者同軸剛性聯接。
原理
渦輪增壓器實際上是一種空氣壓縮機，通過壓縮空氣來增加進氣量。它是利用發動機排出的廢氣慣性衝力來推動渦輪室內的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入氣缸。當發動機轉速增快，廢氣排出速度與渦輪轉速也同步增快，葉輪就壓
縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應增加燃料量和調整一下發動機的轉速，就可以增加發動機的輸出功率了。
技術
渦輪增壓器安裝在發動機的進排氣歧管上，處在高溫，高壓和高速運轉的工作狀況下，其工作環境非常惡劣，工作要求又比較苛刻，因此對製造的材料和加工技術都要求很高。其中製造難度最高的是支承渦輪軸運轉的"浮式軸承"，它工作轉速可達10萬轉/分以上，加上環境溫度可達六
、七百度以上，決非一般軸承所能承受，由於軸承與機體內壁間有油液做冷卻，又稱"全浮式軸承"。
缺點
另外渦輪增壓器雖然有協助發動機增力的作用，但也有它的缺點，其中最明顯的是，"滯後響應"，即由於葉輪的慣性作用對油門驟時變化反應遲緩，即使經過改良後的反應時間也要1.7秒，使發動機延遲增加或減少輸出功率。這對於要突然加速或超車的汽車而言，瞬間會有點提不上勁
的感覺。
改進
但是渦輪增壓器畢竟是無本生利的事情，它是利用發動機的廢氣工作的，這些廢氣的能量如果不加以利用也會白白地浪費掉。因此，自從渦輪增壓器面世以來，人們就經常對它進行技術改造，例如提高加工精度，盡量減少渦輪與渦輪室內壁的間隙，以便提高廢氣能量利用率；採用新型
材料陶瓷，利用陶瓷的耐熱高，剛度強，重量輕的優點，可以將渦輪增壓器做得更加緊湊，體積更少，而且能減少渦輪的"滯後響應"時間。
在最近30年時間裡，渦輪增壓器已經普及到許多類型的汽車上，它彌補了一些自然吸氣式發動機的先天不足，會發動機在不改變氣缸工作容積的情況下可以提高輸出功率10%以上，因此許多汽車製造公司都採用這種增壓技術來改進發動機的輸出功率，藉以實現轎車的高性能化。
