前驅(qū)車型扭矩轉(zhuǎn)向優(yōu)化

王凱 杜文明 王森 丁常偉 于陽 葉明

眾泰汽車工程研究院 浙江省杭州市 310018

1 引言

扭矩轉(zhuǎn)向是指車輛急加速時(shí)出現(xiàn)的加速跑偏現(xiàn)象。

伴隨著汽車動(dòng)力性的進(jìn)步，大馬力前驅(qū)車日漸普及。加上消費(fèi)者日益增長的駕駛樂趣需求，扭矩轉(zhuǎn)向問題越來越凸顯。因此，提前規(guī)避和有效解決扭矩轉(zhuǎn)向迫在眉睫。

圖1 后視圖

圖2 俯視圖——扭矩轉(zhuǎn)向現(xiàn)象

2 扭矩轉(zhuǎn)向原因

扭矩轉(zhuǎn)向根本原因是左右傳動(dòng)半軸不對稱。前驅(qū)車由于發(fā)動(dòng)機(jī)橫置，變速箱通常不在汽車中心平面，而是偏置在一側(cè)，左、右半軸角度不同，使得扭矩分配到左、右側(cè)時(shí)不相等，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)偏離中間位置而出現(xiàn)加速跑偏的現(xiàn)象。

假定差速器輸出扭矩為T，左右扭矩平均分配。且輪胎與地面無打滑。

簡化模型及計(jì)算公式如下所示：

注：不同公司計(jì)算公式存在差異，將傳動(dòng)扭矩分解到輪胎處繞Z軸旋轉(zhuǎn)的扭矩，可以便于系統(tǒng)臺架驗(yàn)證，且通過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)吻合較好。

左側(cè)扭矩：MZL=T/2*COSαL*SINβL

右側(cè)扭矩：MZR=T/2*COSαR*SINβR

式中：T為差速器輸出扭矩總和，α為傳動(dòng)軸與輸入端之間的夾角，β為傳動(dòng)軸與輸入端之間夾角。MZ為分解到輪胎處繞Z軸旋轉(zhuǎn)的扭矩。

因左、右半軸角度不對稱，導(dǎo)致MZL與MZR不相等。若MZL與MZR差值大于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的摩擦，將導(dǎo)致車輪偏轉(zhuǎn)一定角度產(chǎn)生跑偏現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可以看到方向盤也會(huì)偏轉(zhuǎn)一定角度。如圖2所示：

3 目標(biāo)設(shè)定

為了在開發(fā)前期有效規(guī)避扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向，需要對對傳動(dòng)系統(tǒng)開展目標(biāo)設(shè)定及分解，通常要求：

（1）△MZ=/MZL-MZR/≤30Nm。然后根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩、速比等反推左右半軸夾角差值。

（2）左、右半軸總成扭轉(zhuǎn)間隙≤1.5deg。

（3）左、右半軸總成等剛度。

4 扭矩轉(zhuǎn)向優(yōu)化措施

4.1 對稱式半軸布置

采用對稱式的兩段或者三段式半軸。受限于布置空間，兩段對稱式半軸在發(fā)動(dòng)機(jī)橫置的前驅(qū)車上很難實(shí)現(xiàn)，部分電動(dòng)車有采用。三段式半軸在成本較低的A級車上采用相對較少。

4.2 調(diào)整半軸剛度

采用對稱式半軸時(shí)，通常要求左右半軸總成等剛度。而對于不對稱布置且有扭矩轉(zhuǎn)向現(xiàn)象時(shí)，可以通過增大兩側(cè)剛度差異反過去彌補(bǔ)扭矩轉(zhuǎn)向現(xiàn)象。

彌補(bǔ)機(jī)理：剛度大，半軸扭轉(zhuǎn)變形角度小，傳遞到輪胎的有效滾動(dòng)角度大。如半軸剛度左側(cè)100Nm/°，右側(cè)120Nm/°，左右側(cè)扭矩均為1200Nm，左側(cè)半軸扭轉(zhuǎn)變形12°，右側(cè)10°，右側(cè)有效傳遞到輪胎滾動(dòng)方向的角度大，響應(yīng)快。通俗的說是調(diào)整剛度讓車輛朝扭矩轉(zhuǎn)向跑偏的另外一側(cè)跑偏，削弱甚至達(dá)到完全中和不跑偏的效果。

某A級轎車項(xiàng)目后期發(fā)現(xiàn)1.5T車型存在明顯扭矩轉(zhuǎn)向現(xiàn)象，采用其它措施難以滿足上市節(jié)點(diǎn)且代價(jià)巨大，因此在滿足強(qiáng)度的前提下降低左半軸剛度（直徑），在左右側(cè)簧下質(zhì)量差異無明顯導(dǎo)致舒適性差異前提下提高右半軸剛度（直徑），最終通過半軸剛度調(diào)整實(shí)現(xiàn)扭矩轉(zhuǎn)向的優(yōu)化。

4.3 調(diào)整輸出扭矩

通過降低輸出扭矩大小，或者延長響應(yīng)時(shí)間，可以緩解扭矩轉(zhuǎn)向現(xiàn)象。通常自動(dòng)擋比手動(dòng)擋扭矩轉(zhuǎn)向表現(xiàn)好。該方法會(huì)降低動(dòng)力性和駕駛樂趣，不建議采用。扭矩過大輪胎打滑可以考慮適當(dāng)降低。

4.4 調(diào)整動(dòng)力總成布置

（1）動(dòng)總旋轉(zhuǎn)傾斜，俗稱發(fā)動(dòng)機(jī)歪置。部分車型如大眾POLO、奇瑞艾瑞澤5等采用。

（2）動(dòng)總平移，分為水平移動(dòng)和垂直移動(dòng)。某品牌SUV1.5T車型因調(diào)整動(dòng)總姿態(tài)去調(diào)整半軸角度空間有限，不能完全通過消除扭矩轉(zhuǎn)向，因此調(diào)整動(dòng)總姿態(tài)的同時(shí)通過更改懸架彈簧降低車身姿態(tài)15mm，兩個(gè)方案組合有效消除扭矩轉(zhuǎn)向現(xiàn)象。

4.5 調(diào)整轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦

（1）增大摩擦：滑柱轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦、轉(zhuǎn)向機(jī)摩擦和轉(zhuǎn)向管柱等零部件的摩擦。其中增加齒輪齒條預(yù)緊力以增大轉(zhuǎn)向機(jī)逆驅(qū)動(dòng)摩擦力較容易實(shí)現(xiàn)。

（2）增大轉(zhuǎn)向機(jī)軸線到輪心距離（調(diào)整轉(zhuǎn)向梯形）。影響較大，后期調(diào)整空間小。

EPS往往比HPS逆向摩擦阻力大，抗扭矩轉(zhuǎn)向能力更強(qiáng)。增大逆向摩擦往往會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向回正變差，HPS需要均衡考慮。

4.6 軟件主動(dòng)控制

（1）EPS主動(dòng)控制

在監(jiān)測到扭矩轉(zhuǎn)向現(xiàn)象時(shí)，可以增加EPS主動(dòng)回正和保持方向盤的能力?？赡軐?dǎo)致回正偏強(qiáng)，需要均衡考慮。

（2）ESC主動(dòng)控制

在監(jiān)測到扭矩轉(zhuǎn)向現(xiàn)象時(shí)，可以考慮ESC主動(dòng)介入對車速快的一側(cè)額外施加制動(dòng)力以抑制跑偏，甚至限扭。當(dāng)前市面上ESC無此項(xiàng)功能。

（3）其它電子設(shè)備主動(dòng)控制，如車道保持系統(tǒng)。

4.7 其它非對稱調(diào)整措施

如某國產(chǎn)SUV采用不對稱主銷設(shè)計(jì)抑制扭矩轉(zhuǎn)向。

圖3 對稱兩段式半軸

圖4 對稱三段式半軸

表1

圖5 初始布置

圖6 動(dòng)總旋轉(zhuǎn)傾斜

圖7 水平移動(dòng)

圖8 垂直移動(dòng)

5 結(jié)語

（1）在開發(fā)前期通過對傳動(dòng)系統(tǒng)合理的目標(biāo)設(shè)定和分解，可以有效的規(guī)避扭矩轉(zhuǎn)向風(fēng)險(xiǎn)。

（2）對前期未有效規(guī)避已經(jīng)存在扭矩轉(zhuǎn)向現(xiàn)象，合理借鑒上述一種或者幾種組合方案可以有效優(yōu)化扭矩轉(zhuǎn)向。