輪胎氣壓對轉(zhuǎn)向橫拉桿力影響的試驗研究

韓加蓬，張瑞靜，張亞新，譚德榮

(1.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.山東交通職業(yè)學(xué)院 車輛工程學(xué)院，山東 濰坊 261206)

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輪胎氣壓對轉(zhuǎn)向橫拉桿力影響的試驗研究

韓加蓬1，張瑞靜2，張亞新1，譚德榮1

(1.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.山東交通職業(yè)學(xué)院 車輛工程學(xué)院，山東 濰坊 261206)

介紹了胎壓對轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響的試驗原理和試驗方法，設(shè)計了道路實車試驗，得出了輪胎氣壓、汽車車速與轉(zhuǎn)向橫拉桿力之間的關(guān)系。研究表明：同一胎壓下，車速對轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響比較?。谎芯勘砻鳎和卉囁傧?，轉(zhuǎn)向橫拉桿力隨著胎壓的降低有著很明顯的變化。

車輛工程；胎壓；車速；轉(zhuǎn)向橫拉桿力；實車試驗

轉(zhuǎn)向橫拉桿是汽車轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的一部分，起到轉(zhuǎn)向傳力的作用[1]。目前汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了助力系統(tǒng)，其中液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)HPS(hydraulic power steering)是在駕駛員控制下,借助于汽車發(fā)動機(jī)帶動液壓泵產(chǎn)生的壓力來實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向的裝置，其應(yīng)用最為廣泛[2-3]。

但是，目前液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車高速行駛中，如遇導(dǎo)向輪胎突然發(fā)生異常情況，特別是爆胎時，汽車將因爆胎一側(cè)車輪摩擦力突然增大等原因，使兩側(cè)車輪打破力的平衡，所產(chǎn)生的不平衡力將通過轉(zhuǎn)向橫拉桿拉動助力油缸的活塞桿移動，使汽車行駛方向突然轉(zhuǎn)向爆胎一側(cè)，此時駕駛者如沒有緊握方向盤就會滑脫，方向就會失去控制，導(dǎo)致重大交通事故發(fā)生。有研究表明，轉(zhuǎn)向橫拉桿的彈性與轎車操縱穩(wěn)定性的不足有很大關(guān)系，增加橫向穩(wěn)定桿角剛度會使車輛的操縱穩(wěn)定性得到改善[4-5]。筆者通過試驗研究輪胎氣壓對汽車轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響，為汽車爆胎穩(wěn)定性的研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。

1 試 驗

1.1 試驗原理

轉(zhuǎn)向橫拉桿是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一部分，當(dāng)某個車輪發(fā)生爆胎時，該車輪勢必帶動其他車輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向節(jié)會將產(chǎn)生的相應(yīng)的線性力傳遞給轉(zhuǎn)向橫拉桿，在該線性力的作用下，齒輪的齒與齒條嚙合，齒輪的運(yùn)動繼而引起方向盤的轉(zhuǎn)動，直接造成轉(zhuǎn)向輪角度的偏轉(zhuǎn)。相關(guān)學(xué)者對轎車轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動進(jìn)行了分析，得出了轉(zhuǎn)向橫拉桿移動距離和汽車兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度關(guān)系(圖1)[6]。

圖1 轉(zhuǎn)向橫拉桿移動距離與轉(zhuǎn)向角的關(guān)系

當(dāng)轉(zhuǎn)向橫拉桿移動距離較小時，曲線平緩，轉(zhuǎn)向橫拉桿每移動較小的距離，可以獲得較大轉(zhuǎn)彎角度變化；隨著轉(zhuǎn)彎角度的增加，曲線變得越來越陡，此時，車輪要得到同樣的轉(zhuǎn)彎角度變化，轉(zhuǎn)向橫拉桿就需要移動較大的距離。

如果采用相應(yīng)的設(shè)計阻止轉(zhuǎn)向橫拉桿移動的距離，就可以有效減少拉桿的轉(zhuǎn)角，防止其跑偏，阻尼力大小可以隨電流變化而變化[7]，而阻止其位移的阻尼力的大小取決于橫拉桿受力的大小。基于這一思想，筆者對轉(zhuǎn)向橫拉桿力與輪胎氣壓的關(guān)系進(jìn)行了實車試驗研究。

1.2 試驗設(shè)備

本次進(jìn)行的是不同位置車輪不同車速下的胎壓異常工況車輛直線行駛試驗，試驗車型為奇瑞QQ轎車，結(jié)合DEWE-2601數(shù)據(jù)采集儀、WFY-B轉(zhuǎn)向盤測試儀、輪胎氣壓表、LBS-3微型拉壓力傳感器、VGPS-200速度位移傳感器等儀器構(gòu)建了試驗平臺(圖2)。

圖2 試驗設(shè)備安裝平臺

1.3 試驗方法

本試驗中，汽車輪胎的標(biāo)準(zhǔn)胎壓為210 kPa。設(shè)定胎壓下降率約為20%，試驗輪胎氣壓變化范圍為210～60 kPa。即：試驗輪胎胎壓分別為210，168，135，105，80，60 kPa。出于安全考慮，車速變化范圍設(shè)定為20～60 km/h。由拉壓力傳感器采集轉(zhuǎn)向橫拉桿力的變化數(shù)據(jù)；WFY-B轉(zhuǎn)向盤測試儀主要用來測量試驗過程中方向盤轉(zhuǎn)動的角度。而試驗數(shù)據(jù)的保存和導(dǎo)出通過DEWE-2610采集儀自帶的DEWESoft數(shù)據(jù)處理軟件來完成[8-9]。

以右前輪為例，其余3個車輪恒定為標(biāo)準(zhǔn)胎壓。首先，使右前輪胎壓保持為210 kPa，完成車速在20～60 km/h下的直線試驗。每個車速保持勻速3 s以上，記錄好數(shù)據(jù)，然后按168，135，105，60 kPa順序依次改變右前輪胎壓值，分別重復(fù)以上過程。右前輪胎壓異常試驗完成以后，依次對左前輪、右后輪、左后輪進(jìn)行相同過程試驗。試驗安排如表1。

表1 直線行駛試驗安排

Table 1 Trial arrangement of straight line running

2 試驗結(jié)果

2.1 右前輪胎壓變化對轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響

右前輪轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值與車速及胎壓的關(guān)系如表2。

表2 右前輪轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值

由表2可以看出：

1)車速為20 km/h時，右前輪從標(biāo)準(zhǔn)胎壓降低至60 kPa，即降低約72%時，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加了193%；

2)車速為60 km/h時，右前輪從標(biāo)準(zhǔn)胎壓降低至60 kPa(降低約72%)，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加了約211%；

3)車速從20 km/h增大到60 km/h，右前輪恒定在標(biāo)準(zhǔn)胎壓時，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加比例僅為0.76%，當(dāng)右前輪胎壓降低至60 kPa時，橫拉桿力平均值僅增加了7%。

由此可見，相對于胎壓對橫拉桿力的影響，車速對轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響很小。

2.2 左前輪胎壓變化對轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響

表3為左前輪轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值與車速及胎壓的關(guān)系。

表3 左前輪轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值

由表3可以看出：

1)車速為20 km/h時，左前輪胎壓降低72%時，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加了約180%；

2)車速為60 km/h時，左前輪從標(biāo)準(zhǔn)胎壓降低至60 kPa(降低約72%)，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加了約198%；

3)車速從20 km/h增大到60 km/h，左前輪恒定在標(biāo)準(zhǔn)胎壓時，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加比例為1.6%，當(dāng)左前輪胎壓降低至60 kPa時，橫拉桿力平均值僅增加了約18%。

由此可見，相對于胎壓對轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響，車速對轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響很小。

2.3 右后輪胎壓變化對轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響

表4為右后輪轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值與車速及胎壓的關(guān)系。

表4 右后輪轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值

由表4可以看出：

1)車速為20 km/h時，右后輪從標(biāo)準(zhǔn)胎壓降低至60 kPa(降低約72%)，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加了約87%；

2)車速為60 km/h時，右后輪從標(biāo)準(zhǔn)胎壓降低至60 kPa(降低約72%)，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加了約98%；

3)車速從20 km/h增大到60 km/h，右后輪恒定在標(biāo)準(zhǔn)胎壓時，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加比例為1.3%，當(dāng)右后輪胎壓降低至60 kPa時，橫拉桿力平均值僅增加了約11%。

由此可見，相對于胎壓對轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響，車速對轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響很小。

2.4 左后輪胎壓變化對轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響

表5為左后輪轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值與車速及胎壓的關(guān)系。

表5 左后輪轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值

由表5可以看出：

1)車速為20 km /h時，左后輪從標(biāo)準(zhǔn)胎壓降低至60 kPa(降低約72%)，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加了約87%；

2)車速為60 km/h時，左后輪從標(biāo)準(zhǔn)胎壓降低至60 kPa(降低約72%)，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加了約98%；

3)車速從20 km/h增大到60 km/h，左后輪恒定在標(biāo)準(zhǔn)胎壓時，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加比為0.7%，當(dāng)左后輪胎壓降低至60 kPa時，橫拉桿力平均值僅增加了約6%。

由此可見，相對于胎壓對轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響，車速對轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響很小。

3 討 論

通過道路實車試驗，得出了汽車胎壓與車速對轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響。結(jié)果表明：在輪胎氣壓變化情況下，車速對轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響很小。車輪胎壓降低，特別是兩前輪胎壓降低時，轉(zhuǎn)向橫拉桿力變化尤其明顯。表6為車速為60 km/h時，汽車4個車輪在不同胎壓下轉(zhuǎn)向橫拉桿力增加百分比。

表6 不同位置車輪轉(zhuǎn)向橫拉桿力變化百分比

通過同一試驗，有橫擺角速度、側(cè)向加速度、側(cè)傾角與轉(zhuǎn)向橫拉桿力的數(shù)據(jù)對比，如表7。

表7 不同參數(shù)增加比值

從試驗結(jié)果可以看出：任何一個車輪氣壓降低，轉(zhuǎn)向橫拉桿力、側(cè)向加速度、橫擺角速度以及側(cè)傾角均呈現(xiàn)出增大的趨勢。由此可以預(yù)見，若車輛兩個前輪爆胎時，轉(zhuǎn)向橫拉桿力受胎壓變化影響比較大，此時，轉(zhuǎn)向橫拉桿力是影響汽車行駛穩(wěn)定性的重要參數(shù)，而在車輛后輪發(fā)生爆胎時，側(cè)向加速度與橫擺角速度隨胎壓變化波動較大。

4 結(jié) 語

轉(zhuǎn)向橫拉桿值的變化可以很好地反映汽車爆胎情況，當(dāng)輪胎氣壓降低70%后，兩前輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向橫拉桿力分別為83.321，86.683 N，后輪所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向橫拉桿力分別為54.897，58.361 N。所以，前輪爆胎產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向橫拉桿力均大于后輪爆胎所產(chǎn)生的，說明前輪爆胎比后輪爆胎更易引起跑偏。如果在車輛前輪爆胎時能夠?qū)D(zhuǎn)向橫拉桿這一部件進(jìn)行控制，將減輕跑偏方向失控的趨勢，這對于車輛的爆胎穩(wěn)定性控制具有重要的參考價值。

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Experimental Study on Tire Pressure’s Influence on Steering Tie Rod

Han Jiapeng1, Zhang Ruijing2, Zhang Yaxin1, Tan Derong1

(1.School of Transport & Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, Shandong, China；2.School of Vehicle Engineering,Shandong Transport Vocational College,Weifang 261206,Shangdong,China)

The test principle and method of the tire pressure influencing on the tie rod force was introduced; the real vehicle road test was designed, and the relationship among tire pressure, vehicle speed and steering tie rod force was obtained. The test results show that with the same tire pressure, the impact of the vehicle speed on steering tie rod is relatively small; with the same vehicle speed, the tie rod force changes obviously with the reduce of the tire pressure.

vehicle engineering; tire pressure; vehicle speed; steering tie rod; vehicle test

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.32

2013-07-18；

2013-11-06

山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2011EEM034)

韓加蓬(1965—)，男，山東青島人，副教授，博士，主要從事汽車電子電器設(shè)備、汽車行駛安全性能監(jiān)控及汽車動態(tài)性能測試等方面的研究。E-mail：hjpsdlgdx@sdu.edu.cn。

U463．3

A

1674-0696(2015)01-149-03