为什么几吨重的汽车轻轻转动方向盘就能改变汽车的方向呢?我们看看方向盘背后的秘密,这根带有齿条的长杆式机甲,与机架相连的是齿轮根,齿轮根可以通过齿轮带动机架左右移动。这两个是转向臂与车轮相连接,转向臂又通过滚动轴承与车架相连,并能带动车轮旋转。这是两根拉杆,连接着转向臂合机甲。当我们通过方向盘移动机甲时,可以看到车轮也随之转动。但是这种方向盘需要你使出九牛二虎之力才能转动。怎么优化呢?这就要加入电动助力转向系统,该系统通过一个无刷直流电器带动转向轴上的齿轮旋转,齿轮不仅可以顺时针旋转,还能逆时针旋转。电机还配备一个电子控制单元,它能接收很多重要信息,比如驾驶员施加在方向盘上的扭矩、转向角的速度、车速等等,综合这些信息,控制单元就能提供给电机一个最佳扭矩,我们就能轻松转动方向盘进行转。转向了,但是有没有什么问题呢?由于转向轴上的齿轮和电机是啮合的,如果开车时电机突然故障不能转动了,这就会导致转动不了转向轴,方向盘会直接卡死,这是非常危险的。怎么解决了?这就要扔到一个精彩绝伦的机械设计,行星齿轮。行星齿轮主要由太阳轮、行星轮、环形齿轮和行星甲四种部件组成。当输入轴转速不变时,输出轴的速度可以转很快,也可以转很慢,甚至里面的齿轮还能反向旋转。假设环形齿轮保持静止,我们只旋转太阳齿轮,可以看到行星齿轮在自转的同时还会围着太阳轮公转。当红色的行星架连接到行星齿轮时,行星架就会随着行星齿轮一直转动。基于这个原理,我们重新设计一下方向盘。首先在转向轴的末端连接一个太阳轮,另一端连接一个行星架,行星架再连接行星轮。正常情况下,点击带动环行齿轮旋转环形齿轮。在带动行星轮旋转,动力就能往下传输,但是一旦电机故障,环形齿轮就会停止转动。但是这并不影响太阳轮的转动,太阳轮转动就能带动行星轮和行星下转动,方向盘就能正常控制车辆转向了。当我们转向完成后,放开方向盘,方向盘会自行回正,这又是什么原理?当转动方向盘时,车轮会一直围绕这根黄色的转动轴转动,转动轴垂直于地面,但现实中转动轴与地面是有一定倾角的,这个角成为主向后倾角,这也是方向盘回正的关键。当车轮转弯时,车轮除了受到一个向心力外,还会受到地面的反向摩擦力,当放开方向盘时,摩擦力的作用点与主校延长线有一定距离,这就会产生一个复原扭矩,这个扭矩就能转动轮子,带动方向盘重新回正了。
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