汽車加速跑偏的分析及優(yōu)化

薛志祥 詹鈺君

摘 要：本文介紹了汽車開發(fā)過程中，針對加速跑偏現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析研究和敏感度分析，在實際的案例中進(jìn)行了驗證。

關(guān)鍵詞：加速跑偏;驅(qū)動軸角度;扭矩差校核

1 引言

對于大部分前驅(qū)車來說，汽車在低檔位急加速情況下，行駛方向會轉(zhuǎn)向一側(cè)，當(dāng)動力突然切斷時，方向會反過來朝另一側(cè)，這就是加速跑偏現(xiàn)象。對于驅(qū)動軸扭矩和轉(zhuǎn)向幾何結(jié)構(gòu)的相互影響造成的跑偏問題，我們通常用Torque steer（扭矩轉(zhuǎn)向）來描述[1]。早期的前驅(qū)車沒有這個問題，因為自然吸氣發(fā)動機扭矩變化速率沒有渦輪增壓發(fā)動機變化的快，隨著渦輪增壓、缸內(nèi)直噴技術(shù)的興起，發(fā)動機扭矩的增大，將導(dǎo)致加速跑偏問題越來越凸顯。另一方面由于電動汽車的蓬勃發(fā)展，起步扭矩更大，將會放大加速跑偏問題，這不得不引起各大汽車制造廠商的關(guān)注。

2 加速跑偏的形成機理

汽車加速跑偏現(xiàn)象用動力學(xué)知識分析如下[2]：加速時發(fā)動機的扭矩通過變速箱傳遞到驅(qū)動軸上，一方面驅(qū)動力作用在輪心處產(chǎn)生了繞車輪半徑的轉(zhuǎn)向力矩，另一方面驅(qū)動扭矩的分量作用在主銷軸線上，產(chǎn)生了繞主銷的扭矩。兩者疊加即是作用在車輪上的轉(zhuǎn)向力矩。如果左前輪和右前輪受到的轉(zhuǎn)向力矩不對稱，這個力矩差值作用在轉(zhuǎn)向橫拉桿上，即推動車輪向一側(cè)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，見圖1。

3 影響加速跑偏的因素分析

假設(shè)在設(shè)計、生產(chǎn)過程中，能保證車輛的懸架、重量、動總布置是左右對稱的，由前文分析可知，這將不會產(chǎn)生左右扭矩差。而對于實際生產(chǎn)的車輛很難做到左右對稱。下面將從驅(qū)動軸角度、輪荷、主銷內(nèi)傾角、主銷偏置距的不對稱性對扭矩差的影響進(jìn)行敏感度分析。

3.1 驅(qū)動軸角度對扭矩差的影響分析

對于前驅(qū)車來說，傳動軸需要負(fù)責(zé)動力傳遞，而又因為變速箱位置的關(guān)系，左右傳動軸常有左短右長的設(shè)計，這樣就會導(dǎo)致驅(qū)動軸角度不等。對于設(shè)定初始參數(shù)，W=400kg，μ=1.0，R=320mm，θ=11°，rks=60mm，αL=5°，αR=（0～10）°，由公式（2）～（3）可得，扭矩差相對角度差的變化率為10.8Nm/deg，即左右驅(qū)動軸角度每相差1度，則產(chǎn)生的繞主銷扭矩差為10.8Nm。如圖2所示。

3.2 輪荷對扭矩差的影響分析

對于一般的前驅(qū)車來說很難做到左右輪荷的完全一致。設(shè)定初始參數(shù)如下：WL=400kg，WR=（380～420）kg，μ=1.0，R=320mm，θ=11°，rks=60mm，α=5°，由公式（2）～（3）可得，扭矩差相對輪荷差的變化率為0.23Nm/kg，即左右輪荷每相差10kg，則產(chǎn)生的繞主銷扭矩差為2.3Nm。如圖3所示。

3.3 主銷內(nèi)傾角對扭矩差的影響分析

考慮到生產(chǎn)制造的誤差，主銷內(nèi)傾角公差一般為±1°左右。設(shè)定初始參數(shù)如下：W=400kg，μ=1.0，R=320mm，α=5°，θL=11°，θR=（10～12）°，rks=60mm。由公式（2）～（3）可得，扭矩差相對主銷內(nèi)傾角差的變化率為0.18Nm/°，即左右主銷內(nèi)傾角每相差1度，則產(chǎn)生的繞主銷扭矩差為0.18Nm。如圖4所示。

3.4 主銷偏置距（輪心處）對扭矩差的影響分析

輪心處主銷偏置距決定了驅(qū)動力作用在主銷上的力臂大小。例如HiperStrut懸掛的設(shè)計[3]，相比常規(guī)的麥弗遜懸架，這種設(shè)計能夠減小主銷偏置距從而抑制扭矩轉(zhuǎn)向。設(shè)定初始參數(shù)如下：W=400kg，μ=1.0，R=320mm，α=5°，θ=11°，rks_L=60mm，rks_R=（55～65）mm由公式（2）～（3）可得，扭矩差相對主銷內(nèi)傾角差的變化率為3.92Nm/°，即左右主銷偏置距每相差1mm，則產(chǎn)生的繞主銷扭矩差為3.92Nm。如圖5所示。

3.5 縱向加速度對扭矩差的影響

當(dāng)初始狀態(tài)下布置下的驅(qū)動軸角度左右不對稱，在汽車大扭矩起步時，由于軸荷轉(zhuǎn)移引起的前懸架拉升，動總姿態(tài)上抬。由于左軸桿短于右軸桿，根據(jù)公式（4）～（6）可知，在動總姿態(tài)上抬過程中，則左驅(qū)動軸角度的變化必然大于右驅(qū)動軸角度，則驅(qū)動軸角度的不對稱性將隨之放大，扭矩差也將進(jìn)一步增大。如圖6所示。

3.6 小結(jié)

由前文分析可知，與扭矩差相關(guān)的幾個重要因素中，左右驅(qū)動軸角度差的影響最大，依次是主銷偏置距、左右驅(qū)動輪輪荷、主銷內(nèi)傾角。考慮到懸架的對稱設(shè)計和輪荷的不可更改，驅(qū)動軸的優(yōu)化布置是解決加速跑偏問題的一個關(guān)鍵思路。

4 案例應(yīng)用

在某車型開發(fā)過程中，發(fā)現(xiàn)該樣車在低檔位急加速起步時，存在扭矩轉(zhuǎn)向問題，即加速跑偏。第一步，檢查車輛狀態(tài)（包括輪胎氣壓、四輪定位、輪荷及車身姿態(tài)等），結(jié)果如表1所示：

接下來，在同一臺車上通過加配載的方式，使得左右驅(qū)動軸角度產(chǎn)生差異，然后進(jìn)行跑偏對比驗證，如表2所示。

就如何減小驅(qū)動軸角度有兩種方案，一是減短彈簧長度，二是通過動總姿態(tài)下降方案重新布置傳動軸角度。由于彈簧長度更改影響整車通過性，最終采取動總姿態(tài)下降方案，使得空載下驅(qū)動軸角度降為左3.1°，右2.7°。此方案實施在該跑偏故障車上，通過主觀評價對比，加速跑偏問題得到有效解決。

通過公式（2）～（6），可以初步計算原車的扭矩差為46.2Nm，采取動總姿態(tài)下降方案后的扭矩差降為28.5Nm，下降幅度為38%。

5 小結(jié)

本文通過理論分析加速跑偏問題產(chǎn)生的原因，并對關(guān)鍵影響因素進(jìn)行了敏感度分析，據(jù)此解決了實際項目開發(fā)中遇到的問題。

在項目開發(fā)前期，輸入車輛的基本參數(shù)如車輛重量、車輪滾動半徑、主銷內(nèi)傾角、驅(qū)動軸角度、懸架剛度、軸距、質(zhì)量等參數(shù)，可以校核急加速起步時的扭矩差，各廠家可根據(jù)實際情況制定相應(yīng)的校核標(biāo)準(zhǔn)和優(yōu)化方案來提前規(guī)避產(chǎn)生加速跑偏問題的風(fēng)險。

參考文獻(xiàn)：

[1]Donald Bastow，Geoffrey Howard，John P. Whitehead. Car Suspension and Handling [J].Wiley，No.2004-03-29：15.

[2]余志生.汽車?yán)碚摚ǖ?版）.北京：機械工業(yè)出版社，2009.183.

[3]凱迪拉克XTS底盤技術(shù)簡介[J].汽車與駕駛維修（汽車版），2013（6）：140.