Wie die Autolenkung funktioniert

Es könnte Sie überraschen, dass Ihre Vorderräder beim Drehen Ihres Autos nicht in die gleiche Richtung zeigen.

Damit sich ein Auto reibungslos drehen kann, muss jedes Rad einem anderen Kreis folgen. Da das Innenrad einem Kreis mit einem kleineren Radius folgt, macht es tatsächlich eine engere Kurve als das Außenrad. Wenn Sie eine Linie senkrecht zu jedem Rad zeichnen, schneiden sich die Linien am Mittelpunkt der Kurve. Durch die Geometrie des Lenkgestänges dreht sich das Innenrad stärker als das Außenrad.

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Es gibt verschiedene Arten von Lenkgetrieben. Am häufigsten sind Zahnstange und Ritzel und Umlaufkugel.

Zahnstangenlenkung wird schnell zur häufigsten Art der Lenkung von Autos, kleinen Lastwagen und SUVs. Es ist eigentlich ein ziemlich einfacher Mechanismus. Ein Zahnstangenradsatz ist in einem Metallrohr eingeschlossen, wobei jedes Ende der Zahnstange aus dem Rohr herausragt. Eine Stange namens a Spurstange, Wird an jedes Ende des Racks angeschlossen.

Das Ritzel ist an die angehängt Lenkwelle. Wenn Sie das Lenkrad drehen, dreht sich das Zahnrad und bewegt die Zahnstange. Die Spurstange an jedem Ende des Racks ist mit dem verbunden Lenkarm auf der Spindel (siehe Abbildung oben).

Das Zahnstangengetriebe macht zwei Dinge:

• Es wandelt die Drehbewegung des Lenkrads in die lineare Bewegung um, die zum Drehen der Räder erforderlich ist.
• Es bietet eine Untersetzung, die das Drehen der Räder erleichtert.

Bei den meisten Autos dauert es drei bis vier vollständige Umdrehungen des Lenkrads, bis sich die Räder von Schloss zu Schloss drehen (von ganz links nach ganz rechts)..

Das Lenkübersetzung ist das Verhältnis zwischen der Drehung des Lenkrads und der Drehung der Räder. Wenn zum Beispiel eine vollständige Umdrehung (360 Grad) des Lenkrads dazu führt, dass sich die Räder des Autos um 20 Grad drehen, ist das Lenkverhältnis 360 geteilt durch 20 oder 18: 1. Ein höheres Übersetzungsverhältnis bedeutet, dass Sie das Lenkrad mehr drehen müssen, damit sich die Räder um eine bestimmte Strecke drehen. Aufgrund des höheren Übersetzungsverhältnisses ist jedoch weniger Aufwand erforderlich.

Im Allgemeinen haben leichtere, sportlichere Autos niedrigere Lenkverhältnisse als größere Autos und Lastwagen. Durch das niedrigere Übersetzungsverhältnis reagiert die Lenkung schneller - Sie müssen das Lenkrad nicht so stark drehen, damit sich die Räder um eine bestimmte Strecke drehen -, was bei Sportwagen wünschenswert ist. Diese kleineren Autos sind leicht genug, dass selbst mit dem niedrigeren Übersetzungsverhältnis der Aufwand zum Drehen des Lenkrads nicht übermäßig ist.

Einige Autos haben Lenkung mit variablem Übersetzungsverhältnis, Hier wird ein Zahnstangenradsatz verwendet, der in der Mitte eine andere Zahnsteigung (Anzahl der Zähne pro Zoll) aufweist als außen. Dadurch reagiert das Auto beim Starten einer Kurve schnell (die Zahnstange befindet sich in der Nähe der Mitte) und verringert den Kraftaufwand in der Nähe der Wendegrenzen des Rads.

Power Zahnstange und Ritzel

Wenn sich Zahnstange und Ritzel in einem Servolenkungssystem befinden, hat die Zahnstange ein etwas anderes Design.

Ein Teil der Zahnstange enthält einen Zylinder mit einem Kolben in der Mitte. Der Kolben ist mit der Zahnstange verbunden. Es gibt zwei Flüssigkeitsöffnungen, eine auf jeder Seite des Kolbens. Die Zufuhr von Hochdruckfluid zu einer Seite des Kolbens zwingt den Kolben, sich zu bewegen, was wiederum die Zahnstange bewegt und die Servounterstützung bereitstellt.

Wir werden später in diesem Artikel die Komponenten überprüfen, die die Hochdruckflüssigkeit liefern, und entscheiden, auf welche Seite des Racks es geliefert werden soll. Schauen wir uns zunächst eine andere Art der Lenkung an.

Kugelumlauflenkung wird heute in vielen LKWs und SUVs eingesetzt. Das Gestänge, das die Räder dreht, unterscheidet sich geringfügig von einem Zahnstangensystem.

Das Umlaufkugel-Lenkgetriebe enthält ein Schneckengetriebe. Sie können das Zahnrad in zwei Teilen darstellen. Der erste Teil ist ein Metallblock mit einem Gewindeloch. In diesen Block sind außen Zahnradzähne geschnitten, die in ein Zahnrad einrücken, das das Zahnrad bewegt Lenkstockhebel (siehe Abbildung oben). Das Lenkrad ist mit einer Gewindestange verbunden, die einem Bolzen ähnelt und in das Loch im Block steckt. Wenn sich das Lenkrad dreht, dreht es den Bolzen. Anstatt sich wie ein normaler Bolzen weiter in den Block hinein zu drehen, wird dieser Bolzen festgehalten, so dass er beim Drehen den Block bewegt, der das Zahnrad bewegt, das die Räder dreht.

Anstelle des Bolzens, der direkt in die Gewinde im Block eingreift, sind alle Gewinde mit Kugellagern gefüllt, die beim Drehen durch das Zahnrad zirkulieren. Die Kugeln dienen tatsächlich zwei Zwecken: Erstens reduzieren sie die Reibung und den Verschleiß des Zahnrads; zweitens reduzieren sie sich Slop im Gang. Wenn Sie die Richtung des Lenkrads ändern, ist ein Gefälle zu spüren. Ohne die Kugeln im Lenkgetriebe würden die Zähne für einen Moment nicht mehr miteinander in Kontakt kommen, wodurch sich das Lenkrad locker anfühlt.

Die Servolenkung in einem Umlaufkugelsystem funktioniert ähnlich wie bei einem Zahnstangensystem. Der Assist wird bereitgestellt, indem einer Seite des Blocks Flüssigkeit mit höherem Druck zugeführt wird.

Schauen wir uns nun die anderen Komponenten an, aus denen ein Servolenkungssystem besteht.

Es gibt einige Schlüsselkomponenten in Servolenkung zusätzlich zum Zahnstangen- oder Kugelumlaufmechanismus.

Pumpe

Die hydraulische Kraft für die Lenkung wird von a bereitgestellt Drehschieberpumpe (siehe Abbildung unten). Diese Pumpe wird vom Motor des Autos über einen Riemen und eine Riemenscheibe angetrieben. Es enthält einen Satz einziehbarer Flügel, die sich in einer ovalen Kammer drehen.

Wenn sich die Flügel drehen, ziehen sie Hydraulikflüssigkeit mit niedrigem Druck aus der Rücklaufleitung und drücken sie mit hohem Druck in den Auslass. Die von der Pumpe bereitgestellte Durchflussmenge hängt von der Motordrehzahl des Fahrzeugs ab. Die Pumpe muss so ausgelegt sein, dass im Leerlauf des Motors ein ausreichender Durchfluss gewährleistet ist. Infolgedessen bewegt die Pumpe viel mehr Flüssigkeit als nötig, wenn der Motor mit höheren Drehzahlen läuft.

Die Pumpe enthält ein Überdruckventil, um sicherzustellen, dass der Druck nicht zu hoch wird, insbesondere bei hohen Motordrehzahlen, wenn so viel Flüssigkeit gepumpt wird.

Drehventil

Ein Servolenkungssystem sollte den Fahrer nur unterstützen, wenn er Kraft auf das Lenkrad ausübt (z. B. beim Starten einer Kurve). Wenn der Fahrer keine Kraft ausübt (z. B. beim Fahren auf einer geraden Linie), sollte das System keine Unterstützung bieten. Das Gerät, das die Kraft auf das Lenkrad erfasst, heißt Drehventil.

Der Schlüssel zum Drehschieber ist a Drehstab. Der Torsionsstab ist ein dünner Metallstab, der sich dreht, wenn ein Drehmoment auf ihn ausgeübt wird. Die Oberseite der Stange ist mit dem Lenkrad verbunden, und die Unterseite der Stange ist mit dem Ritzel oder Schneckengetriebe (das die Räder dreht) verbunden, so dass das Drehmoment im Torsionsstab gleich dem Drehmoment ist Der Fahrer dreht die Räder. Je mehr Drehmoment der Fahrer zum Drehen der Räder verwendet, desto mehr dreht sich die Stange.

Der Eingang von der Lenkwelle bildet den inneren Teil von a Steuerventilbaugruppe. Es wird auch mit dem oberen Ende des verbunden Drehstab. Der Boden des Torsionsstabes ist mit dem äußeren Teil des Steuerventils verbunden. Der Torsionsstab dreht auch die Leistung des Lenkgetriebes und verbindet sich entweder mit dem Ritzel oder dem Schneckenrad, je nachdem, welche Art von Lenkung das Auto hat.

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Animation, die zeigt, was im Drehschieber passiert, wenn Sie das Lenkrad zum ersten Mal drehen

Wenn sich die Stange dreht, dreht sie die Innenseite des Steuerventils relativ zur Außenseite. Da der innere Teil des Steuerventils auch mit der Lenkwelle (und damit mit dem Lenkrad) verbunden ist, hängt das Ausmaß der Drehung zwischen dem inneren und dem äußeren Teil des Steuerventils davon ab, wie viel Drehmoment der Fahrer auf das Lenkrad ausübt.

Wenn das Lenkrad nicht gedreht wird, üben beide Hydraulikleitungen den gleichen Druck auf das Lenkgetriebe aus. Wenn das Steuerventil jedoch in die eine oder andere Richtung gedreht wird, öffnen sich die Anschlüsse, um die entsprechende Leitung mit Hochdruckflüssigkeit zu versorgen.

Es stellt sich heraus, dass diese Art von Servolenkung ziemlich ineffizient ist. Werfen wir einen Blick auf einige Fortschritte, die wir in den kommenden Jahren sehen werden und die zur Verbesserung der Effizienz beitragen werden.

Da die Servopumpe bei den meisten Autos heutzutage ständig läuft und ständig Flüssigkeit pumpt, wird Pferdestärke verschwendet. Diese verschwendete Energie führt zu verschwendetem Kraftstoff.

Sie können mehrere Innovationen erwarten, die den Kraftstoffverbrauch verbessern. Eine der coolsten Ideen auf dem Reißbrett ist das "Steer-by-Wire" - oder "Drive-by-Wire" -System. Diese Systeme würden die mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Lenkung vollständig aufheben und durch ein rein elektronisches Steuersystem ersetzen. Im Wesentlichen würde das Lenkrad so funktionieren, wie Sie es für Ihren Heimcomputer kaufen können, um Spiele zu spielen. Es würde Sensoren enthalten, die dem Auto mitteilen, was der Fahrer mit dem Rad macht, und einige Motoren enthalten, um dem Fahrer eine Rückmeldung darüber zu geben, was das Auto tut. Der Ausgang dieser Sensoren würde zur Steuerung eines motorisierten Lenksystems verwendet. Dies würde Platz im Motorraum schaffen, indem die Lenkwelle weggelassen wird. Es würde auch Vibrationen im Auto reduzieren.

General Motors hat mit dem Hy-Wire ein Konzeptauto vorgestellt, das über diese Art von Antriebssystem verfügt. Eines der aufregendsten Dinge am Drive-by-Wire-System des GM Hy-Wire ist, dass Sie das Fahrzeughandling optimieren können, ohne die mechanischen Komponenten des Fahrzeugs zu verändern. Zum Einstellen der Lenkung ist lediglich ein neuer Computer erforderlich Software. In zukünftigen Drive-by-Wire-Fahrzeugen können Sie die Steuerung höchstwahrscheinlich durch Drücken einiger Tasten genau nach Ihren Wünschen konfigurieren, so wie Sie heute die Sitzposition in einem Auto einstellen könnten. In dieser Art von System wäre es auch möglich, unterschiedliche Steuerpräferenzen für jeden Fahrer in der Familie zu speichern.

In den letzten fünfzig Jahren haben sich die Autolenkungssysteme nicht wesentlich verändert. Aber im nächsten Jahrzehnt werden wir Fortschritte in der Fahrzeuglenkung sehen, die zu effizienteren Autos und einer komfortableren Fahrt führen werden.

Weitere Informationen zu Lenksystemen und verwandten Themen finden Sie unter den Links auf der nächsten Seite.

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