車輛轉(zhuǎn)向回正因素分析

喬華，楊秀玲，王娟，胥峰

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車輛轉(zhuǎn)向回正因素分析

喬華1，楊秀玲2，王娟1，胥峰2

（1.眾泰汽車工程研究院，浙江 杭州 310018；2.卡達(dá)克機(jī)動車質(zhì)量檢驗(yàn)中心（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

轉(zhuǎn)向回正是車輛的動態(tài)特性之一，當(dāng)車輛在運(yùn)動中出現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作，前輪有轉(zhuǎn)向角度輸入，此時車輛就會產(chǎn)生一個繞主銷的回正力矩，使車輛向恢復(fù)直線行駛狀態(tài)變化。文章從理論角度分析了影響產(chǎn)生轉(zhuǎn)向回正的因素，定量分析了各因素的敏感性并試圖給出了解決方案。

轉(zhuǎn)向回正；回正力矩；動態(tài)特性

1 回正力矩的產(chǎn)生和影響因素

轉(zhuǎn)向回正是車輛的動態(tài)特性之一，當(dāng)車輛在運(yùn)動中出現(xiàn)轉(zhuǎn)向操作，前輪有轉(zhuǎn)向角度輸入，此時車輪就會產(chǎn)生一個繞主銷的回正力矩，使車輛向恢復(fù)直線行駛狀態(tài)變化。通常認(rèn)為回正力矩最主要有兩個來源：一個是由輪胎特性產(chǎn)生的回正力矩，另一個是由車輪定位參數(shù)引起的回正力矩。車輛繞主銷的總回正力矩是由這兩個來源綜合產(chǎn)生的結(jié)果。

1.1 輪胎回正力矩

由輪胎特性引起的回正力矩原理如圖1，其中回正力矩定義為縱向力和側(cè)向力對輪胎坐標(biāo)系原點(diǎn)的力矩，因縱向力的側(cè)向偏移和側(cè)向力的縱向偏移引起。其中縱向力的側(cè)向偏移為y+△，其中y是輪胎胎體側(cè)向平移距離，△是由車輪側(cè)傾造成的偏移；側(cè)向力的縱向偏移為D，由輪胎的側(cè)偏特性產(chǎn)生。

圖1 輪胎回正力矩形成原理

1.2 定位參數(shù)回正力矩

由定位參數(shù)引起的回正力矩原理如圖2和圖3所示。

定位參數(shù)的回正力矩包括兩部分：由側(cè)向力與主銷后傾在地面的穿地點(diǎn)形成的力臂產(chǎn)生的回正力矩；縱向力與主銷內(nèi)傾在地面的穿地點(diǎn)形成的力臂0產(chǎn)生的回正力矩。

圖2 主銷后傾和后傾拖距示意圖

圖3 主銷內(nèi)傾和偏移距示意圖

關(guān)于這兩部分的回正力矩，一般認(rèn)為：在低速、大轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向時車輛有被“舉升”的效應(yīng)，此時主銷內(nèi)傾和偏移距產(chǎn)生的回正力矩效果明顯；而在高速、小轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向時，由于后傾回正力矩與車速的二次方成正比，所以后傾回正效果明顯。

1.3 回正力矩的計算

如果想計算出某時刻的回正力矩值，通常都需要通過整車模型仿真的方法。這需要將整車參數(shù)代入模型，對整車模型加以轉(zhuǎn)向輸入，整車模型計算出前輪側(cè)偏角信息，再通過輪胎特性得到相應(yīng)得回正力矩或側(cè)向力。圖4是205/70R15輪胎的側(cè)偏特性和回正特性，可見，如果有車輪垂直載荷和側(cè)偏角信息，相應(yīng)的回正力矩就得到了。

圖4 輪胎側(cè)偏特性和回正特性

但需要說明的是，具體計算某時間點(diǎn)的回正力矩其意義并不大，因?yàn)檐囕v行駛是動態(tài)過程，而其性能也必須通過動態(tài)過程顯現(xiàn)出來，所以某一點(diǎn)處的數(shù)值無法反映車輛的特性，整個過程的輸入方式和傳遞特性（控制方法）決定了下一時刻車輛的狀態(tài)情況。

1.4 影響回正力矩產(chǎn)生的因素

通過分析回正力矩的產(chǎn)生機(jī)理，可見影響回正力矩的因素主要是：

（1）車輪型號車輪直徑越大、輪胎斷面高寬比越小則回正力矩越大；

（2）輪胎氣壓氣壓越低，回正力矩越大；

（3）車輪載荷車輪垂直載荷越大，或者說車輛前軸載荷越大，回正力矩越大；

（4）定位參數(shù)后傾值和內(nèi)傾值越大，回正力矩越大。

2 轉(zhuǎn)向回正問題

車輛在行駛中如果有轉(zhuǎn)向操作，車輪產(chǎn)生相應(yīng)回正力矩，轉(zhuǎn)向輸入力克服回正力矩和系統(tǒng)其它阻力。當(dāng)完成轉(zhuǎn)向操作，不再對轉(zhuǎn)向盤加力時，回正力矩經(jīng)轉(zhuǎn)向系傳回轉(zhuǎn)向盤，車輛向直線行駛趨勢變化。如果此時松開轉(zhuǎn)向盤，轉(zhuǎn)向盤會向中間位置回轉(zhuǎn)。但由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)自身有多處摩擦存在，當(dāng)回正力矩與轉(zhuǎn)向系的摩擦力矩?fù)p失達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)向盤不再回轉(zhuǎn)而停留在距中間位置某角度處。如果想使車輛恢復(fù)直線行駛狀態(tài)，需對轉(zhuǎn)向盤施加額外輸入。

車輛的回正能力是評價車輛性能，主要是操縱穩(wěn)定性的主要方法之一。在操縱穩(wěn)定性的道路試驗(yàn)時，通常用兩個指標(biāo)對車輛轉(zhuǎn)向回正性能進(jìn)行評價：殘余橫擺角速度和反應(yīng)時間。達(dá)到穩(wěn)態(tài)的反應(yīng)時間越短（低速一般為2-3秒）、殘余橫擺角速度值越小，則回正性能越好。

按照1.4中所述的影響產(chǎn)生回正力矩的原因，下面對整車做一些仿真分析。仿真過程中，主要通過改變定位參數(shù)，說明回正力矩的變化情況。

2.1 主銷后傾的影響

主銷后傾對回正力矩產(chǎn)生的影響見圖5。

圖5 后傾角變化對回正力矩的影響

（車速分別為18km/h和100km/h雙移線仿真過程）

2.2 主銷內(nèi)傾的影響

主銷內(nèi)傾對回正力矩的影響見圖6所示。

圖6 內(nèi)傾角變化對回正力矩的影響

（車速分別為18km/h和100km/h雙移線仿真過程）

2.3 車輪外傾和前束的影響

圖7 車輪外傾的變化和前束變化對回正力矩的影響

（100km/h雙移線仿真過程）

2.4 主銷偏距的影響

這里所說的主銷偏距是指主銷和車輪中心的距離。

圖8 主銷偏移距對回正力矩的影響

（車速為18km/h和100km/h雙移線仿真過程）

2.5 車輪半徑的影響

圖9 車輪半徑對回正力矩的影響

（車速18km/h和72km/h雙移線仿真過程）

根據(jù)上面的仿真結(jié)果可見：

（1）影響最大的因素是主銷后傾角，無論是高速或者低速情況，都是最敏感的因素。

（2）從車輪回正力矩產(chǎn)生的理論而言，內(nèi)傾的變化對回正影響不大。在低速時微小的改變回正力矩而高速時基本沒有任何影響。但從另一方面，如果考慮車輛自重的影響，此時回正力矩表現(xiàn)為車輛位能對前輪轉(zhuǎn)角導(dǎo)數(shù)的函數(shù)，所以，如果主銷偏移距越大，前輪轉(zhuǎn)角或其變化率越大，則由位能產(chǎn)生的回正力矩越大。從這個角度，增加主銷偏移距和主銷內(nèi)傾角度，可以增大回正力矩。

（3）外傾和前束對回正力矩均有影響，但不是敏感因素。前束增加和外傾減小，回正力矩變小。

（4）與主銷內(nèi)傾相似，偏移距對于車輪模型的影響極其微?。坏菑奈荒艿慕嵌?，偏移距非常重要，尤其關(guān)系到車輛低速行駛時回正力矩的產(chǎn)生。增加偏移距可以增加低速時的回正力矩。

（5）車輪半徑對于回正力矩的影響在于：當(dāng)車輪半徑增加，相同后傾角情況下后傾拖距增加，回正力矩也隨之增加。

3 影響轉(zhuǎn)向回正的因素和改善方法

3.1 影響轉(zhuǎn)向回正的因素

影響車輛轉(zhuǎn)向回正性能的因素主要是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中各部分摩擦阻力的大小，現(xiàn)分別討論之：

（1）轉(zhuǎn)向柱和中間軸處的摩擦此處摩擦主要包括轉(zhuǎn)向柱與柱管間的摩擦、萬向節(jié)十字軸處軸承的摩擦。根據(jù)轉(zhuǎn)向管柱和中間軸總成的設(shè)計和試驗(yàn)要求，總成的摩擦力矩應(yīng)小于0.6Nm。

（2）轉(zhuǎn)向器軸向摩擦根據(jù)轉(zhuǎn)向器的設(shè)計和試驗(yàn)要求，當(dāng)逆向驅(qū)動轉(zhuǎn)向器時，軸向摩擦力應(yīng)小于340N。

（3）車輪繞主銷的轉(zhuǎn)動力矩車輪繞主銷的轉(zhuǎn)向力矩對于乘用車而言，實(shí)際反映在前輪繞減震器滑柱軸承和前傳動軸球頭的轉(zhuǎn)動力矩。

舉例說明：

如果轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為液壓助力，將各處阻尼力或力矩都換算至主銷處，其中轉(zhuǎn)向柱摩擦力矩不直接影響回正，主要考慮轉(zhuǎn)向器阻尼力和主銷阻尼力矩。如果轉(zhuǎn)向節(jié)臂為120mm，轉(zhuǎn)向器換算至主銷：340N×0.12m＝40.8Nm。分至兩個車輪，每個車輪為20.4Nm。如果車輪繞減震器軸承和傳動軸球頭的阻尼力矩為10Nm，則單個車輪的總阻尼力矩就有30.4Nm，也就是說：當(dāng)車輪的回正力矩小于這個阻力矩時，車輛就無法回正。參考一下圖四中車輪側(cè)偏角與回正力矩的關(guān)系，30.4Nm對應(yīng)有約2°的側(cè)偏角。也就是說，當(dāng)不考慮傳動效率，不考慮側(cè)傾轉(zhuǎn)向、側(cè)向力轉(zhuǎn)向等因素影響，轉(zhuǎn)向盤仍然有近2*16.6＝33.2°的殘留角度不能回正。

3.2 轉(zhuǎn)向回正的改善方法

前期設(shè)計：解決系統(tǒng)不回正的問題，應(yīng)首先考慮以上所述產(chǎn)生回正的因素，也就是合理設(shè)計懸架參數(shù)，合理的定義參數(shù)值，這是第一位的。對于影響回正的因素，應(yīng)合理控制性能參數(shù)，在有效的衰減路面沖擊的前提下改善回正性能，所以是第二位的。

后期改進(jìn)：

（1）對于前懸架：盡量降低車輪繞減震器滑柱的轉(zhuǎn)動阻力矩，不同的車型需要滿足懸架工程定義的轉(zhuǎn)動力矩（軸向加載情況下）的規(guī)范要求；

（2）對于轉(zhuǎn)向器：可以通過改善摩擦副阻尼系數(shù)及的方法，在保證密封性能的基礎(chǔ)上盡量降低齒條與油封、活塞與油缸的摩擦，在保證間隙的基礎(chǔ)上盡量降低齒條與壓塊間的摩擦力。通過以上手段來控制整個齒條的軸向移動力并滿足轉(zhuǎn)向工程師制定的規(guī)范值。

（3）對于轉(zhuǎn)向柱，應(yīng)盡量降低轉(zhuǎn)向柱自身的阻尼力，保證總成在整車裝配位置的轉(zhuǎn)動力矩在0.6Nm以下。

[1] 余志生.汽車?yán)碚?機(jī)械工業(yè)出版社,2009.3.

[2] 喬華等.對整車綜合主觀評價的六何分析.時代汽車.2017.12.

Analysis of the Factors of the Vehicle's Turn-back

Qiao Hua1, Yang Xiuling2, Wang Juan1, Xi Feng2

( 1.Zhongtai Automotive Engineering Research Institute, Zhejiang Hangzhou 310018; 2.Kadak Motor vehicle quality Inspection Center (Ningbo) Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315336 )

Steering return is one of the dynamic characteristics of the vehicle. When the steering operation occurs and the front wheel has steering angle input, the vehicle will produce a positive moment around the main pin, which will change the vehicle to a straight line. From the theoretical point of view, this paper analyses the factors affecting the turning back, quantitatively analyses the sensitivity of each factor and gives the solution.

Steering return;Return torque;Vehicle performance

U467

B

1671-7988(2019)09-161-03

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喬華（1982-），男，就職于眾泰汽車工程研究院，擔(dān)任總師，從事整車性能集成開發(fā)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.052