【任务引入】
转向系统的性能直接影响汽车的操纵稳定性，转向系统是汽车底盘的重要组成部分。
本任务是对汽车转向系统的总体介绍，要求能对转向系统的功能要求、组成结构以及工作原理有一个总体的认识，要理解车轮的偏转规律和转向系的几个基本参数，为后续内容的学习打好基础。
【任务相关知识】
4.1.1 转向系统的功用
汽车行驶时，要经常改变行驶方向，需要有一套能实现转向和回位的机构，即能够遵从驾驶员意志，将转动方向盘的动作转变为转向轮的偏转动作，并保证转向轮之间有协调的转角关系，当新的行驶方向达到要求后，使转向轮恢复直线行驶状态。汽车的转向系统就是这样的机构，其具有改变汽车行驶方向以及使汽车保持稳定直线行驶的功能，对汽车的行驶安全性以及操纵稳定性有重要的影响。
4.1.2 转向系统的分类、组成和工作原理
按转向动力来源的不同，汽车转向系统分为机械转向系统和助力转向系统。机械转向系统的动力来源是驾驶员操纵转向盘的手力，而助力转向系统的助力来源则是驾驶员手力和外部动力（主要分为发动机动力、液压力、气动压力和电机动力几种）相结合。
汽车转向系统的结构形式多样，但都由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。由于助力转向系统是在机械转向系统的基础上增加了助力装置，两者的转向传动机构的组成和结构是不同的，但转向操纵机构和转向器区别不大。
转向操纵机构是驾驶员转动转向盘的操纵力传递到转向器上的机构，包括转向盘、转向轴、万向节以及转向传动轴，如图4.1所示。转向器是操纵装置和转向传动装置的中间机构，通过操纵机构接收转向盘的转动，将其变为摆动或直线往复运动，并放大转向操纵力。
图4.1 机械转向系组成图
转向传动机构将转向器输出的运动传给转向节，并使车轮按一定规律发生偏转的机构。机械转向系的转向传动机构包括转向摇臂、转向直拉杆、转向节臂、梯形臂和转向横拉杆，如图4.1所示；助力转向力的转向传动机构则是由转向油罐、油泵和油管等液压助力元件与转向直拉杆、转向横拉杆、转向减振器和转向节臂共同组成，如图4.2所示。
图4.2 助力转向系组成图
汽车转向系统的工作原理以机械转向系为例进行说明。如图4.1所示，驾驶员转动转向盘，产生的转向力矩经过转向轴和转向传动轴被输入转向器，再通过转向器减速增矩的作用传到转向摇臂，并依次传给转向直拉杆、转向节臂和左转向节，拉动左转向轮绕主销轴线偏转。同时，由安装在转向节上的左梯形臂、右梯形臂以及与梯形臂作球铰链连接的转向横拉杆组成的转向梯形，在左转向节偏转时带动右转向节以及右转向轮绕主销轴线同向偏转相同的角度。
4.1.3 转向车轮的偏转规律
为实现汽车的正常转向行驶，转向系必须使汽车车轮转向轨迹符合一定的规律，即所有车轮都围绕一个转向中心进行转动，以保证所有车轮相对于地面作纯滚动，如图4.3所示，其中点O就是这个转向中心。
图4.3 转向偏转规律示意图
图4.3中，α为外侧转向轮转角，β为内侧转向轮偏转角，K为左右车轮主销中心距离（轮距），L为汽车轴距。对具体车型来说，K和L是定值，但转向中心O是瞬时转向中心，随驾驶员操纵的转向轮偏转角α和β的变化而改变。在车轮未变形的条件下，β始终大于α，两者之间的函数关系可表示为
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从转向中心O到外侧转向车轮中心的距离R称为转弯半径，而转向盘转至极限位置时即外侧转向轮转角α达到最大时的转弯半径称为最小转弯半径，其表达式为
最小转弯半径是评价汽车转向能力和转向安全性能的重要指标，它越小，表明汽车调头行驶以及通过弯道半径较小路段的能力越强，即汽车的机动性能越好。外侧转向轮转角和轴距是影响最小转弯半径的主要因素。
4.1.4 转向系的参数
（1）转向系角传动比
转向盘转角的增量与转向摇臂轴转角的相应增量之比，称为转向器角传动比；转向摇臂轴转角的增量与同侧转向节转向角的相应增量之比，称为转向传动机构角传动比。转向系角传动比是转向盘转角的增量与同侧转向节转向角的相应增量之比，是转向器角传动比和转向传动机构角传动比的乘积。转向系角传动比较大时，转向操纵较轻便，会导致操纵灵敏性下降；而转向系角传动比较小时，会导致转向沉重。因此，转向系角传动比的选取需要兼顾转向的轻便性和灵敏性两个方面。
（2）转向盘的自由行程
不使转向轮偏转而转向盘所能转过的最大角度即是转向盘的自由行程，是由转向系各传动件之间的装配间隙造成的，车轮在消除这些间隙并克服传动元件的弹性变形后才发生相应转动，即在车轮转动前，转向盘有一个空转阶段。转向盘的自由行程对于缓和路面冲击和避免驾驶员因紧张造成的误操作是有利的，但过大的自由行程又会导致转向迟钝。一般汽车转向盘自由行程在10°～15°，超过则需调整。
（3）转向盘的总转动圈数
转向盘从一个极端位置转动另一个极端位置时所转过的转动圈数称为转向盘的总转动圈数。它与转向轮的最大转角及转向系的角传动比有关，并影响转向的操纵轻便性和灵敏性，乘用车一般不超过4圈，货车则不超过6圈。
【拓展阅读】
四轮转向系统概述
（1）四轮转向系统的发展背景
四轮转向（简称4WS）是指汽车在转向时，4个车轮都可相对车身主动偏转，起到转向作用，且转向机动性能得以改善。传统的两轮转向汽车在高速转向时，车身离心力会使车辆后部侧向移动，产生侧滑。如果侧滑严重，会使汽车产生横向旋转，加剧了车辆失控的危险。而在此种情况下，如果后轮与前轮同向转动，则侧滑程度将会大大削弱，从而改善了操纵稳定性。四轮转向系统的推出，正是基于增强汽车高速行驶时的操纵稳定性和改善低速行驶时的操纵轻便性的目的，目前主要应用于部分中高档汽车。
（2）四轮转向系统的车轮偏转规律
前后轮逆向转向：如图4.4（a）所示，在低速行驶或者方向盘转角较大时，前后轮实现逆向转向，即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相反，且偏转角度随方向盘转角增大而在一定范围内增大。这种转向方式可改善汽车低速时的操纵轻便性，减小汽车的转弯半径，提高汽车的机动灵活性，且便于汽车掉头转弯、避障行驶、进出车库和停车场。
图4.4 四轮转向系统的车轮偏转
前后轮同相位转向：如图4.4（b）所示，在中、高速行驶或方向盘转角较小时，前、后轮实现同向转向，即后轮的偏转方向与前轮的偏转方向相同，使汽车车身的横摆角速度大大减小，可减小汽车车身发生动态侧偏的倾向，保证汽车在高速超车、进出高速公路、高架引桥及立交桥时处于不足转向状态。现在，有许多四轮转向的汽车注重提高汽车高速行驶的操纵稳定性，而不过分要求汽车在低速行驶的转向机动灵活性。其工作特点是低速时汽车只采用前轮转向，只在汽车行驶速度达到一定数值后（如50 km/h），后轮才参与转向，进行同向四轮转向。
（3）四轮转向系统的优缺点
四轮转向系统的优点主要包括：转向操作的响应加快，准确性提高；转向操作的机动灵活性和行驶稳定性提高；抗侧向干扰的稳定性效果好；超车时，变换车道更容易，减小了汽车产生摆尾和侧滑的可能性。
四轮转向系统的不足主要体现在：低速转向时，汽车尾部容易碰到障碍物；实现理想控制的技术难度大；转向系统结构复杂、成本高。
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