1. 简化转向系解析
一个转向系统由方向盘、转向管柱整备和转向器组成。这三个部件有机组合一起赋能驾驶员控制汽车转向。甚者，通过我们所熟知的“减速增扭”，助力转向系统还能让驾驶员更加轻松地实现转向控制。
接下来，我们将首先介绍传统的机械转向系统，即不带助力的转向系统。通过纯机械式的转向系统的研究，可以帮助我们更好地理解转向系统的基本功能。
上图就是超级简化的转向系统的三个主要组成部分。想象一下，当你坐在驾驶座上，你会将手搭在方向盘上。在方向盘的下面是转向管柱的外壳，这里有转向信号灯、大灯以及其他开关或按键。你看不见的是隐藏在外壳里面的转向管柱(steering column)和中间轴(intermediate shaft)，一直通道踏板下面的汽车底部，在那里将和转向器(steering rack)相连。最后，齿条(rack)有两端，分别连接两边车轮的转向节臂(knuckle)。这就是整个简化的汽车转向系。可以看到，这些部件都是机械连接在一块，所以当你转动方向盘时，手力将通过转向系传到转向节臂，然后带动车轮跟着驾驶员意图进行转向。
1.1 方向盘
方向盘的作用在此不多做介绍，方向盘作为驾驶员的输入端，就和键盘之于电脑一样。它接受驾驶员的意图并传动到转向系的其余部分。
1.2 转向管柱
转向管柱是转向装备的下半部分，它的主要目的在于将方向盘的圆周运动传递到下边的转向横拉杆。说白一点，它就是一个简单的金属传动轴，承接上面的方向盘和下面的横拉杆。当然，现代的转向管柱还有一个“伸缩吸能机制”，它将在汽车发生强烈前部碰撞时伸缩（类似望远镜），以防止转向管柱在事故中穿透方向盘刺向驾驶员。当然，这是一个旁话，和转向机理没有太大关系。
转向管柱下半部分连接着一个中间轴，这个中间轴由两个万向节组成。这个中间轴起什么作用呢？很多人可能会问，为什么需要添加一个中间轴呢，直接连接横拉杆不行吗？这是一个非常好的问题。的确，原理上不需要一个中间轴。但是，如果不加一个中间轴，方向盘将不会像现在这样有一个倾斜角度，让驾驶员可以舒适地把手搭上去，就会像拖拉机一样，方向盘直接就躺平了。
加上一个万向节(universal joint)，就可以使转向管柱倾斜一定的角度，使得驾驶员可以轻松、舒适地操作方向盘。
1.3 转向器
转向器(steering rack)本质上是由齿条(rack)和齿轮(pinion gear)组成的金属套管。
转向器的主要作用有两个：
其一，将方向盘传入的圆周运动转化为齿条所需的横向运动；
其二，通过齿轮的减速增扭作用，使转向更轻松。
通过齿条和齿轮的啮合作用，齿轮的圆周运动可以转化为齿条的横向运动。所以，当驾驶员转动方向盘时，可以带动齿条左右运动，然后齿条带动两边的转向节臂使车轮转向。
2. 齿条和齿轮转向机理
为了使运动可以从齿轮传动到齿条，齿轮的齿需要与齿条的齿互相啮合，才能使齿条左右移动。
设：
R – 方向盘半径，r – 齿轮的半径，t – 齿轮的齿数，p – 齿距，
E – 方向盘输入力，W – 输出的齿条力
为了使齿轮转一周，方向盘需要输入一周的运动，即2πR，输出的齿条运动为
2πr = tp。
传动比的设计主要依赖于车辆的重量，一般小车的传动比为12：1，重型车为22：1。
例子：假设有一个齿轮齿条转向系，齿轮的直径为16mm，方向盘的直径为320mm，问需要输入多少手力去对抗齿条上传来的500N阻力？
计算：
传动比ratio = 160/8 = 20
不考虑摩擦，ratio = W/E = 20
因此，E = W/20 = 500/20 = 25N。
3. 可变转向比
当然，现实情况中，固定的转向比对于驾驶员来说并不是一件“好事”。人们普遍倾向于在低速行驶拥有较小的转向比，特别是泊车的时候，可以更加轻便的打方向，此时方向盘不需要转动很大的幅度就可以让车轮完成大转向。而在高速行驶时，人们又希望增大转向比来增强路感，同时也保障了高速的行驶安全。想象一下，在高速行驶的情况下，轻轻一打方向盘就让车轮发生大转角，这是不适宜的。因此，对于不同的驾驶情形，转向比最好是可变的，可以根据不同的情形来调整转向比，从而达到更加人性化的设计。
可变转向比的实现主要有两种不同的设计方式：
3.1 机械齿轮齿条传动比可变
原理比较简单，直接把齿条的齿密度做成中间密两边疏的形式。
默认齿条都是从齿条中央开始滚动的，所以低速转向的时候，由于方向盘的转动幅度比较大，所以齿轮一定会滚到齿条上稀疏的区域，此时传动比变小了，方向盘也就更快实现转向了。而高速行驶时，方向盘不需要转动很大角度，此时齿轮在齿条靠近中央的密集区，较大的传动比可以降低方向盘的灵敏度，从而更稳。
但这个机械结构的可变传动比局限也比较大，即传动比的“可变”程度较小，并不能满足所有驾驶情形的需要。
3.2 电控调节的可变转向传动比
核心是利用了类似于差速器的结构。这套结构，从方向盘输入轴和齿轮输出轴之间增加了一套行星齿轮组。行星齿轮组的外面连接的是一个带蜗齿的外壳（图中的“蜗轮”），外壳不是固定的，可以以输入输出轴为轴心自转。外壳又连接着一套直流电机驱动的蜗杆。也就是说，这套系统可以通过电机/蜗杆的主动旋转，控制蜗轮外壳自转，从而带动连接它的行星齿轮组公转。行星齿轮组连接着内部的输入输出轴，当行星齿轮组不发生公转时，输入输出轴的角速度相等。而行星齿轮组发生转动时，其转动的方向会影响到输出轴与输入轴的转速差，从而改变转动比。
低速行车时，为了让司机操作轻便，此时电机会驱动蜗轮外壳转动，带动行星齿轮组与方向盘输入轴相同的方向转动，从而输出轴的角速度就是输入轴与外壳角速度的叠加，也就是输出轴比输入轴更快，从而让车轮转向更加轻便灵敏，使转向比减小。高速行驶时，司机追求的是稳，不希望此时方向盘过于轻便。那么电控系统就会让电机反转，从而带动蜗轮外壳反转，此时输出轴的角速度就会比输入轴小了，从而增大转向比。
一辆车通常都重达几千斤，要转动这么一个大家伙，可不是那么容易的，特别是当车辆静止的时候。所以，为了轻松打方向，工程师们想出了助力转向的法子。助力转向的工作原理和上面所介绍的一样，只不过是添加了一个助力装置，为驾驶员“加力”，从而减轻驾驶员的手力。关于助力转向，将在下一篇介绍。
