商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與整車操縱穩(wěn)定性的相關(guān)性研究

王耀一

摘要：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車底盤的重要部件，對(duì)汽車的行駛安全至關(guān)重要，目前商用車普遍采用助力特性單一的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS），在車速較高時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)反饋給駕駛員的路感明顯減弱，駕駛員會(huì)感到車輛“發(fā)飄”，導(dǎo)致精神緊張和誤操作，直接影響車輛的操縱穩(wěn)定性和行駛安全性。

關(guān)鍵詞：商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；整車操縱；穩(wěn)定性

近年來，隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車上廣泛使用各類助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。乘用車負(fù)載較小，對(duì)速度性能要求較高，通常采用齒輪齒條式EPS 以及EHPS 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；而由于前輪載荷較大、電機(jī)功率以及加工工藝方面的因素制約，商用車通常采用循環(huán)球式HPS系統(tǒng)提供助力。一、助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與整車操縱穩(wěn)定性具有重要意義。

一、商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車改變或保持方向的控制裝置，組成部分有轉(zhuǎn)向控制裝置、轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)關(guān)和專用裝置。轉(zhuǎn)向性能是汽車的基本功能之一，是汽車正常行駛的基本條件。轉(zhuǎn)向性能對(duì)保護(hù)駕駛員的安全、保障行車安全和減少交通事故等方面具有重要作用。轉(zhuǎn)向性能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)和駕駛員的操作對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向行駛特點(diǎn)具有直接的影響。因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)汽車的整車操縱穩(wěn)定性具有重要的作用。常規(guī)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系用無法兼顧靈敏性和協(xié)調(diào)輕便性，商用車全部使用助力系統(tǒng)輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為基礎(chǔ)，增設(shè)助力裝置。在正常條件下，汽車轉(zhuǎn)向時(shí)消耗的能量大部分是助力轉(zhuǎn)向裝置供給的，駕駛員只提供了一小部分。為保證商用車的行車安全，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在助力裝置發(fā)生故障時(shí)，仍可以通過駕駛員的操作完成轉(zhuǎn)向。目前，根據(jù)轉(zhuǎn)向能源可以分為液壓助力系統(tǒng)（HPS）、電動(dòng)液壓助力系統(tǒng)（EHPS）及電動(dòng)助力系統(tǒng)（EPS）。其中，商用車應(yīng)用的最多的是液壓助力系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理是通過發(fā)動(dòng)機(jī)工作，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵，駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，液壓油會(huì)流到助力缸中的一個(gè)腔內(nèi)，另一個(gè)腔內(nèi)的部分液壓油就會(huì)回流，在兩腔之間就會(huì)產(chǎn)生壓力差，推動(dòng)轉(zhuǎn)向齒輪和活塞運(yùn)轉(zhuǎn)。

二、商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與整車操縱穩(wěn)定性的相關(guān)性

1.整車操縱穩(wěn)定性的研究。汽車的操縱穩(wěn)定性指的是：一是汽車響應(yīng)駕駛員的轉(zhuǎn)向操作；二是行駛在彎路時(shí)，汽車加減速和對(duì)外界干擾的響應(yīng)。操縱穩(wěn)定性是決定汽車在高速行駛時(shí)安全程度的主要性能。和操縱穩(wěn)定性相關(guān)的研究，在上世紀(jì)六十年代以前就已展開，最初是把汽車看作開環(huán)系統(tǒng)，研究重點(diǎn)是汽車在曲線行駛時(shí)的響應(yīng)頻率與特征。早在1956 年，就有學(xué)者提出了“線性二自由度”的汽車轉(zhuǎn)向模型，逐漸發(fā)展到現(xiàn)在已達(dá)到17 自由度甚至更高的數(shù)學(xué)模型。精確的數(shù)字模型，對(duì)車輛設(shè)計(jì)、性能評(píng)價(jià)等方面具有重要意義。隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)及側(cè)偏特征的研究逐步深入，對(duì)汽車的響應(yīng)仿真度越來越高。進(jìn)行仿真前，第一步要建立整車的動(dòng)力學(xué)模型，包括輪胎、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等元件。另外，駕駛員對(duì)整車操縱穩(wěn)定性也有很大的影響。建立仿真模型時(shí)，必須將“人車路”進(jìn)行閉環(huán)系統(tǒng)的研究。仿真技術(shù)中新技術(shù)層出不窮，如最優(yōu)控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，使整車模型越來越逼真，在操縱穩(wěn)定性進(jìn)行研究時(shí)，對(duì)仿真結(jié)果和性能分析等方面的作用越來越大。

2.操控性與能耗分析。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）分為中位開式和中位閉式。中位開式HPS 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向油泵由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，無論是否有轉(zhuǎn)向要求，轉(zhuǎn)向油泵一直處于工作狀態(tài)，液壓油經(jīng)過轉(zhuǎn)閥直接流回油箱，這無疑是一種能源的浪費(fèi)。研究人員測(cè)試得到的汽車在典型市郊道路行駛時(shí)轉(zhuǎn)向器齒條的位移- 時(shí)間曲線，出現(xiàn)尖峰的時(shí)間段表示汽車有轉(zhuǎn)向動(dòng)作，其余較平坦或近似直線的時(shí)間段表示轉(zhuǎn)向盤不動(dòng)或小幅調(diào)整，即汽車處于或保持直線行駛狀態(tài)。汽車在80%以上的運(yùn)行里程（時(shí)間）中都處于直線行駛狀態(tài)。因此，采用HPS 的車輛在行駛過程中無論是否需要轉(zhuǎn)向動(dòng)作，轉(zhuǎn)向泵一直在運(yùn)轉(zhuǎn)，其所消耗的大部分能源為無用功。中位閉式HPS系統(tǒng)使用蓄能器維持系統(tǒng)壓力，系統(tǒng)壓力低于某個(gè)值時(shí)，轉(zhuǎn)向泵輸出液壓油；高于某個(gè)值時(shí)，轉(zhuǎn)向泵停轉(zhuǎn)或卸荷，幾乎不消耗能量，但由于系統(tǒng)始終處于高壓狀態(tài)，對(duì)部件的密封要求高，并且影響部件的壽命，同時(shí)還增加蓄能器使系統(tǒng)的布置更加復(fù)雜，因此現(xiàn)代商用車上很少應(yīng)用中位閉式HPS。商用車HPS 的轉(zhuǎn)向泵由定量泵、溢流閥和安全閥組成。定量泵的輸出流量隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于溢流轉(zhuǎn)速時(shí)，多余的油液從溢流口溢出，轉(zhuǎn)速越高，溢流量越多，能量損失越大，多余流量造成的能量損失約占HPS 總能耗的46%；采用變量泵取代定量泵可以有效避免溢流損失，變量泵內(nèi)部有一個(gè)油缸，通過與油缸相連的連桿推動(dòng)變量機(jī)構(gòu)，改變轉(zhuǎn)向泵的排量，從而改變轉(zhuǎn)向泵的輸出流量。例如轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速升高時(shí)，流量增大，節(jié)流孔兩端的壓差變大，這個(gè)壓差作用于油缸的活塞兩端，推動(dòng)變量機(jī)構(gòu)，使排量減少。這種方案采用容積調(diào)速方式控制流量，不存在溢流損失，節(jié)能效果較好，但是轉(zhuǎn)向泵的輸出流量只隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，不能適應(yīng)行駛工況的變化，且轉(zhuǎn)向泵高轉(zhuǎn)速下輸出的小流量不能滿足快速轉(zhuǎn)向?qū)α髁康囊?。由于溢流閥的存在，轉(zhuǎn)向泵的輸出流量基本恒定，該流量要保證原地或低速轉(zhuǎn)向時(shí)的助力需求，那么在高速時(shí)轉(zhuǎn)向，車輛就會(huì)“發(fā)飄”，操縱穩(wěn)定性變差。也就是說，HPS 的助力轉(zhuǎn)向特性設(shè)計(jì)完成后，其助力的大小不會(huì)隨車速的變化而變化，通過調(diào)整扭桿的剛度和閥的靈敏度可以獲得不同助力特性，折中了輕便性和操縱穩(wěn)定性。

3.液壓助力轉(zhuǎn)向車輛的操縱穩(wěn)定性仿真分析?，F(xiàn)階段對(duì)汽車的許多研究都是通過建立仿真模型，商用車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和整車操縱穩(wěn)定性的關(guān)系也可以通過建立動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行描述。通過對(duì)仿真模型進(jìn)行研究，可以得出以下結(jié)論：第一，扭桿剛度可以提高轉(zhuǎn)向的靈敏性。剛度越大，車輛的橫擺角度和側(cè)向加速峰值也越大，對(duì)液壓助力系統(tǒng)沒有影響，但會(huì)影響操縱穩(wěn)定性和安全性。第二，擴(kuò)大活塞的有效工作范圍，可以提高商用車的輕便性和靈敏性，但會(huì)降低商用車在轉(zhuǎn)彎時(shí)的穩(wěn)定性和安全性。第三，減小前懸架側(cè)傾角度，橫擺角速度的超調(diào)量增加明顯，穩(wěn)態(tài)值降低；側(cè)傾角的曲線到達(dá)最高值和穩(wěn)態(tài)值會(huì)明顯延時(shí)，車身的側(cè)傾角的穩(wěn)態(tài)值上升明顯；提高側(cè)傾角速度的峰值，其達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間會(huì)增加。因此，增加前懸架的側(cè)傾角度，可以提高商用車轉(zhuǎn)彎的安全性、舒適性和靈敏性，并提高整車操縱的穩(wěn)定性。第四，減少小齒輪基圓的半徑，有助于提高商用車轉(zhuǎn)向時(shí)的靈敏性，對(duì)助力效果幾乎沒有影響，會(huì)降低車輛的穩(wěn)定性和安全性。第五，提高轉(zhuǎn)閥供油量，可以縮短響應(yīng)時(shí)間，能有效提高轉(zhuǎn)向的輕便性與靈敏性，但在轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)降低安全性和舒適性。

本次分析，得出了以下結(jié)論：提升扭桿剛度可以提高轉(zhuǎn)向的靈敏性；大活塞的有效工作范圍，可以提高商用車的輕便性和靈敏性；增加前懸架的側(cè)傾角度，可以提高商用車轉(zhuǎn)彎的安全性、舒適性和靈敏性，并提高整車操縱的穩(wěn)定性；減少小齒輪基圓的半徑，有助于提高商用車轉(zhuǎn)向時(shí)的靈敏性；提高轉(zhuǎn)閥供油量，可以縮短響應(yīng)時(shí)間，能有效提高轉(zhuǎn)向的輕便性與靈敏性。希望以上結(jié)論有助于提高我國(guó)商用車的轉(zhuǎn)向性能和整車操縱穩(wěn)定性，全面提升商用車的安全操作性能。

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