Hur bilstyrning fungerar

Du kanske blir förvånad över att veta att när du vrider din bil pekar inte dina framhjul i samma riktning.

För att en bil ska svänga smidigt måste varje hjul följa en annan cirkel. Eftersom det inre hjulet följer en cirkel med en mindre radie gör det faktiskt en hårdare svängning än ytterhjulet. Om du ritar en linje vinkelrätt mot varje hjul kommer linjerna att korsas vid varvets mittpunkt. Styrledets geometri gör att insidan av hjulet vrids mer än ytterhjulet.

Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.

Det finns ett par olika typer av styrväxlar. De vanligaste är kuggstångsväxel och återcirkulerande boll.

Rack-and-pinion styrning blir snabbt den vanligaste typen av styrning på bilar, små lastbilar och SUV: er. Det är faktiskt en ganska enkel mekanism. En kugghjulssats är innesluten i ett metallrör, där varje ände av stativet sticker ut från röret. En stång, kallad a dragstång, ansluts till varje ände av racket.

De kugghjul är kopplad till styraxel. När du vrider på ratten snurrar växeln och flyttar racket. Dragstången i varje ände av stativet ansluts till styrarm på slända (se diagram ovan).

Rack-och-kugghjulsetet gör två saker:

• Den omvandlar rattens rotationsrörelse till den linjära rörelse som behövs för att vrida hjulen.
• Det ger en växelleduktion, vilket gör det lättare att vrida på hjulen.

På de flesta bilar tar det tre till fyra kompletta varv av ratten för att få hjulen att vrida sig från lås till lås (från längst till vänster till längst till höger).

De styrningsförhållande är förhållandet mellan hur långt du vrider ratten och hur långt hjulen svänger. Om till exempel en fullständig varv (360 grader) av ratten resulterar i att hjulen på bilen vrider 20 grader, är styrningsförhållandet 360 dividerat med 20 eller 18: 1. Ett högre förhållande innebär att du måste vrida ratten mer för att få hjulen att vrida ett visst avstånd. Men mindre ansträngning krävs på grund av det högre växelläget.

I allmänhet har lättare, sportigare bilar lägre styrningsförhållanden än större bilar och lastbilar. Det lägre förhållandet ger styrningen ett snabbare svar - du behöver inte vrida ratten lika mycket för att få hjulen att vrida ett visst avstånd - vilket är en önskvärd egenskap hos sportbilar. Dessa mindre bilar är tillräckligt lätta för att även med det lägre förhållandet är den ansträngning som krävs för att vrida ratten inte för stor.

Vissa bilar har styrning med variabelt förhållande, som använder en kugghjulssats som har en annan tandhöjd (antal tänder per tum) i mitten än på utsidan. Detta får bilen att svara snabbt när man startar en sväng (racket är i närheten av mitten), och minskar också ansträngningen nära hjulets svänggränser.

Power Rack-and-pinion

När stativet är i ett servostyrningssystem har racket en något annorlunda design.

En del av stativet innehåller en cylinder med en kolv i mitten. Kolven är ansluten till stativet. Det finns två vätskeöppningar, en på vardera sidan av kolven. Tillförsel av högtrycksvätska till en sida av kolven tvingar kolven att röra sig, vilket i sin tur förflyttar stativet, vilket ger kraftstödet.

Vi ska kolla in komponenterna som tillhandahåller högtrycksvätskan, såväl som vi bestämmer vilken sida av stativet som ska levereras till det senare i artikeln. Låt oss först titta på en annan typ av styrning.

Återcirkulationsbollstyrning används på många lastbilar och SUVs idag. Länken som vrider hjulen är något annorlunda än på ett rack-och-pinion-system.

Den återcirkulerande kulan styrväxeln innehåller en maskväxel. Du kan avbilda växeln i två delar. Den första delen är ett metallblock med ett gängat hål i det. Detta block har kugghjulständer skurna i utsidan av det, som ingriper med ett växel som rör sig pitmanarm (se diagram ovan). Rattet ansluts till en gängad stång, liknande en bult, som fastnar i hålet i blocket. När ratten svänger, vrider den bulten. I stället för att vrida sig längre in i blocket på samma sätt som en vanlig bult skulle, hålls denna bult fast så att när den snurrar rör sig den blocket, som rör sig växeln som vrider hjulen.

Istället för att bulten direkt griper in i gängorna i blocket, är alla trådarna fyllda med kullager som återcirkulerar genom växeln när den svänger. Bollarna tjänar faktiskt två syften: För det första minskar de friktion och slitage i växeln; för det andra minskar de slop i växeln. Det kan kännas lutande när du ändrar rattens riktning - utan bollarna i ratten skulle tänderna komma i kontakt med varandra ett ögonblick, vilket gör att ratten känner sig lös.

Servostyrning i ett cirkulationsbollsystem fungerar på samma sätt som ett rack-och-pinion-system. Hjälpmedlet tillhandahålls genom att tillföra högtrycksvätska till en sida av blocket.

Låt oss nu titta på de andra komponenterna som utgör ett servostyrningssystem.

Det finns ett par viktiga komponenter i servostyrning förutom rack-och-kugghjulet eller recirkulationsbollmekanismen.

Pump

Styrningens hydraulkraft tillhandahålls av a roterande skovelpump (se diagram nedan). Denna pump drivs av bilens motor via ett rem och remskiva. Den innehåller en uppsättning utdragbara skovlar som snurrar inuti en oval kammare.

När skovlarna snurrar drar de hydraulvätska från returledningen vid lågt tryck och tvingar den in i utloppet vid högt tryck. Pumpens flöde beror på bilens motorvarvtal. Pumpen måste vara konstruerad för att ge tillräckligt flöde när motorn går på tomgång. Som ett resultat rör sig pumpen mycket mer vätska än nödvändigt när motorn går med snabbare hastigheter.

Pumpen innehåller en tryckavlastningsventil för att se till att trycket inte blir för högt, särskilt vid höga motorvarvtal när så mycket vätska pumpas.

Vridventil

Ett servostyrningssystem ska endast hjälpa föraren när han utövar kraft på rattet (t.ex. när man startar en sväng). När föraren inte utövar kraft (till exempel när han kör i en rak linje) bör systemet inte ge någon hjälp. Enheten som känner av kraften på ratten kallas vridventil.

Nyckeln till vridventilen är a torsionsstång. Vridstången är en tunn metallstång som vrids när vridmoment appliceras på den. Den övre delen av stången är ansluten till rattet och botten av stången är ansluten till kugghjulet eller snäckväxeln (som vrider hjulen), så att vridmomentmängden i torsionsstången är lika med mängden vridmoment föraren använder för att vrida på hjulen. Ju mer vridmoment som föraren använder för att vrida på hjulen, desto mer vrider sig stången.

Ingången från styraxeln utgör den inre delen av a spolventil. Den ansluts också till den övre änden av torsionsstång. Botten på torsionsstången ansluts till den yttre delen av spolventilen. Vridstången vrider också styrväxelns utgång, ansluter till antingen tandhjulet eller maskutrustningen beroende på vilken typ av styrning bilen har.

Detta innehåll är inte kompatibelt på den här enheten.

Animering som visar vad som händer inne i vridventilen när du först börjar vrida ratten

När stången vrids roterar den inuti spolventilen relativt utsidan. Eftersom den inre delen av spolventilen också är ansluten till styraxeln (och därmed till rattet) beror rotationsmängden mellan spolventilens inre och yttre delar på hur mycket vridmoment som föraren applicerar på ratten.

När ratten inte vrids ger båda hydraullinjerna samma tryckmängd på ratten. Men om spolventilen vrids på ett eller annat sätt öppnas portarna för att tillhandahålla högtrycksvätska till lämplig linje.

Det visar sig att den här typen av servostyrningssystem är ganska ineffektiv. Låt oss ta en titt på några framsteg vi kommer att se under kommande år som kommer att hjälpa till att förbättra effektiviteten.

Eftersom servostyrningspumpen på de flesta bilar idag körs konstant och pumpar vätska hela tiden, slösar den bort hästkrafter. Denna bortkastade kraft översätter till slösat bränsle.

Du kan förvänta dig att se flera innovationer som kommer att förbättra bränsleekonomin. En av de coolaste idéerna på ritbordet är "styr-för-tråd" eller "driv-för-tråd" -system. Dessa system skulle helt eliminera den mekaniska anslutningen mellan rattet och styrningen och ersätta det med ett rent elektroniskt styrsystem. I huvudsak skulle ratten fungera som den du kan köpa för din hemdator för att spela spel. Den skulle innehålla sensorer som berättar för bilen vad föraren gör med hjulet och har några motorer i sig för att ge föraren feedback om vad bilen gör. Utgången från dessa sensorer skulle användas för att styra ett motoriserat styrsystem. Detta skulle frigöra utrymme i motorrummet genom att eliminera styraxeln. Det skulle också minska vibrationer i bilen.

General Motors har introducerat en konceptbil, Hy-wire, som har denna typ av drivsystem. En av de mest spännande sakerna med drive-by-wire-systemet i GM Hy-wire är att du kan finjustera fordonets hantering utan att ändra något i bilens mekaniska komponenter - allt som krävs för att justera styrningen är någon ny dator programvara. I framtida fordonsbilar kommer du sannolikt att kunna konfigurera kontrollerna exakt efter dina önskemål genom att trycka på några knappar, precis som du kan justera sittplatsen i en bil idag. Det skulle också vara möjligt i denna typ av system att lagra distinkta kontrollpreferenser för varje förare i familjen.

Under de senaste femtio åren har bilstyrningssystem inte förändrats mycket. Men under det kommande decenniet kommer vi att se framsteg i bilstyrning som kommer att resultera i effektivare bilar och en mer bekväm körning.

För mer information om styrsystem och relaterade ämnen, kolla in länkarna på nästa sida.

Quiz Corner

Vet du vilka styrsystem som används i bilar? Testa din kunskap med Car Steering Quiz från Turbo.

Relaterade artiklar

• Bilupphängning-frågesport
• Hur blinkers fungerar
• Hur Gears fungerar
• Hur skillnader fungerar
• Hur bromsar fungerar
• Hur kryssningskontrollsystem fungerar
• Traktionskontroll förklarad

Fler bra länkar

• The Columbia Encyclopedia: Steering System
• Felsökning av styrsystem
• Lastbilar: Felsökning hård styrning, hjulspark och andra servostyrningssjukdomar
• Auto Channel Forums
• Professionell mekanik online: styrning
• Automotive 101: Suspension And Steering Systems Operation
• QUADRASTEER av Delphi: Fordon i full storlek manövrerar som kompakta bilar
• Hur man bygger en bakhjulsstyrning framhjulsdrift