基于扭矩變化提高汽車轉(zhuǎn)向中心感研究

吳成偉 賴富剛 孫福祿 王華

摘 要：隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，客戶對(duì)車輛的需求漸漸由功能向性能轉(zhuǎn)變。橫向控制是車輛必不可少的功能，其橫向控制性能直接影響駕駛員的舒適度，方向盤中心感是車輛橫向控制的主要性能。文章以方向盤扭矩反饋對(duì)中心感的影響為研究對(duì)象，闡述雙十字萬向節(jié)在傳動(dòng)過程中扭矩波動(dòng)，基于扭矩波動(dòng)對(duì)方向盤中心感的應(yīng)用。利用CATIA模型模擬分析，找到合理的方向盤扭矩波動(dòng)趨勢、通過方向盤扭矩大小的波動(dòng)與波動(dòng)趨勢提高汽車轉(zhuǎn)向中心感。

關(guān)鍵詞：方向盤中心感;力矩波動(dòng);轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U463.4 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）10-67-04

Analysis on On-center Handling of Vehicle Based on Torque Fluctuation

Wu Chengwei， Lai Fugang， Sun Fulu， Wang Hua

（Geely Automobile Research Institute?（Ningbo） Co.， Ltd.， Zhejiang Ningbo 315000?）

Abstract：?With the development of automotive industry， customer's needs on vehicle transfers from functions to performances. Lateral control is an essential function for a vehicle， the lateral control performance will directly influence on the comfort of the driver， the performance of steering wheel centrality is the main function of vehicle lateral control. We choose the influence on steering wheel centrality as the researched objects in this paper， which is brought by steering wheel's torque feedback， to expound the torque ripple theory of the torque value transmitted among double spiders， and the application using the relation between torque ripple ?and steering wheel centrality. By simulation analysis with CAITA model， we can find the proper steering wheel torque variation trend， and then increase steering wheel center feeling according to the steering wheel torque variation amplitude and variation trend.

Keywords： On-center Handling;?Torque fluctuation;?Steering transmission system

CLC NO.： U463.4 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）10-67-04

1 前言

車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能主要包含汽車轉(zhuǎn)向的可靠性、響應(yīng)性、精準(zhǔn)性、平順性以及轉(zhuǎn)向力等。轉(zhuǎn)向中心感主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)向平順性以及轉(zhuǎn)向力的變化趨勢。

本文以D-EPS（Dual pinion -Electric Power Steering）轉(zhuǎn)向助力形式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)扭矩傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的布置分析，應(yīng)用空間向量方法，并借助CAITA 軟件中的模型模擬，通過運(yùn)動(dòng)校核模型導(dǎo)出輸入軸、輸出軸的轉(zhuǎn)速差，推算出方向盤的扭矩波動(dòng)趨勢，進(jìn)行優(yōu)化布置。結(jié)合通常駕駛員對(duì)方向盤扭矩大小及波動(dòng)的敏感程度分析、通過模型對(duì)結(jié)構(gòu)布置研究，達(dá)到提高車輛方向盤的中心感，并且兼顧方向盤扭矩波動(dòng)的范圍，從而提高車輛的感知質(zhì)量，同時(shí)降低駕駛員駕駛車輛的疲勞程度。

2 乘用汽車轉(zhuǎn)向中心感

2.1 汽車轉(zhuǎn)向中心感

乘用車的轉(zhuǎn)向中心感是指汽車在中、高速行駛的過程中，駕駛員小角度打方向盤、對(duì)車輛橫向控制的的感知，主要體現(xiàn)在方向盤扭矩給駕駛員的反饋及汽車轉(zhuǎn)向靈敏度。本文主要對(duì)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的扭矩傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為研究對(duì)象，道路以中國高速公路、快速車道以及GB/T 6323-2014規(guī)范為參考。

2.2 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)剛度對(duì)轉(zhuǎn)向敏感影響

乘用車輛轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)剛度，是指汽車方向盤與轉(zhuǎn)向助力單元之間的傳動(dòng)部分剛度，含機(jī)械轉(zhuǎn)向管柱總成，中間軸總成。以某車型的案例分析，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度要求大于等于6Nm/°，常規(guī)乘用車在有助力的情況下，方向盤扭力小于4.0 Nm，根據(jù)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)剛度要求及設(shè)定的方向盤扭矩，計(jì)算因轉(zhuǎn)向剛度產(chǎn)生的方向盤轉(zhuǎn)角如?式（1）、（2）所示。

通過某車型的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)剛度測試驗(yàn)證曲線如圖1 所示，測試值如表1所示。

根據(jù)表表1-某車型轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度，計(jì)算轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的平均剛度如式（3）所示，由于剛度產(chǎn)生的方向盤轉(zhuǎn)角如式（4）所示。

由式（2）、式（4），由于剛度產(chǎn)生的方向盤轉(zhuǎn)角最大值為0.667°，平均值0.337°。根據(jù)此分析及驗(yàn)證數(shù)據(jù)體現(xiàn)，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)剛度對(duì)轉(zhuǎn)向敏感影響小。

2.3 方向盤扭矩對(duì)汽車轉(zhuǎn)向中心感分析

方向盤扭矩是指駕駛員直接作用在汽車方向盤上面的扭矩，根據(jù)牛頓第三定律，汽車方向盤反饋給駕駛員的扭矩與反作用力相等。駕駛員對(duì)方向盤的中心感，通常是以方向盤中間位置與附近位置隨角度增加，根據(jù)扭矩變化趨勢來判斷及感知方向盤的中心位置。

方向盤中心感通常表現(xiàn)在駕駛汽車的過程中，小范圍調(diào)整方向盤角度，方向盤中間位置扭力處于波谷狀態(tài)，隨著方向盤角度的增加，方向盤扭力值平滑逐漸增大，并且順時(shí)針與逆時(shí)針基本對(duì)稱。駕駛員能從調(diào)整方向盤角度的扭力反饋，感知方向盤中心位置。

3?轉(zhuǎn)向系統(tǒng)扭矩傳動(dòng)分析

3.1 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)

乘用車常規(guī)的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部件包括方向盤總成、機(jī)械轉(zhuǎn)向管柱總成、中間軸總成，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器總成，如圖2所示。

3.2 常規(guī)乘用汽車轉(zhuǎn)向扭矩傳遞波動(dòng)

本課題以D-EPS（Dual pinion-Electric Power Steer -ing）為例，方向盤扭矩傳遞到轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)向器總成上，其扭力傳遞系統(tǒng)包括方向盤、機(jī)械轉(zhuǎn)向管柱總成、中間軸總成。在轉(zhuǎn)傳遞扭矩的結(jié)構(gòu)部件中，方向盤、機(jī)械轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向器輸入軸為等速，中間軸中的十字萬向節(jié)傳遞轉(zhuǎn)速不是等速的。故方向盤的力矩傳動(dòng)波動(dòng)主要來自中間軸的兩個(gè)十字萬向節(jié)。根據(jù)能量守恒定律，如果不計(jì)扭矩傳遞過程的摩擦力損失、方向盤和轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)的功率相等等，即式（5）所示。

T_方向盤·ω_方向盤=T_{轉(zhuǎn)向器輸入軸}·ω_{轉(zhuǎn)向器輸入軸}（5）

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)車輪的扭矩，分別來自駕駛員轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的扭矩與電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向單元提供的扭矩，如式（6）所示。

T_總= T_{轉(zhuǎn)向器輸入軸}+ T_{電動(dòng)助力單元}（6）

D-EPS（Dual pinion-Electric Power Steering）是在轉(zhuǎn)向器輸入軸處設(shè)計(jì)扭矩傳感器，助力單元控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)助力模型，助力單元的基本助力模型如式（7）。

T_{電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力}=T_輸入軸·?K_{模型系數(shù)}（7）

由式（5）得：

由式（6）、（7）、（8）得：

T_總=?T_{轉(zhuǎn)向器輸入軸}+?T_{轉(zhuǎn)向器輸入軸}·?K_{模型系數(shù)}（9）

由式（8）、式（10）得：

設(shè)定方向盤小角度轉(zhuǎn)向范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)受到的阻力（T_總）恒定的情況下，由式（11）得出，其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)扭矩傳遞的波動(dòng)，在于方向盤與轉(zhuǎn)向器輸入軸的轉(zhuǎn)速比。

3.3 十字萬向節(jié)對(duì)扭矩傳遞波動(dòng)

單個(gè)十字萬向節(jié)力學(xué)模型如圖3所示，十字軸萬向節(jié)的主動(dòng)軸與從動(dòng)軸轉(zhuǎn)角間的關(guān)系為：

tanφ₁=tanφ₂·cosα??????????????????????????????（12）

設(shè)萬向節(jié)角度α保持不變、把式（12） 時(shí)間求導(dǎo)，并且把φ2用φ1表示，可得：

其中，ω₁、ω₂分別是軸1、軸2的轉(zhuǎn)速、由于cosφ1是周期為180°的周期性函數(shù)，所以在α保持不變的條件下，轉(zhuǎn)速比也是周期為180°周期性函數(shù)，如圖4 所示：

根據(jù)單十字軸萬向節(jié)轉(zhuǎn)速比變化特性，其雙十字軸萬向節(jié)的位置設(shè)計(jì)應(yīng)該成互補(bǔ)狀態(tài)，使其中一個(gè)十字萬向節(jié)傳動(dòng)波動(dòng)的波峰與另外一個(gè)十字萬向節(jié)傳動(dòng)波動(dòng)的波谷值相對(duì)應(yīng)。如圖5所示，中間軸兩十字軸萬向節(jié)，兩端的節(jié)叉布置應(yīng)與中間軸軸線及相鄰軸軸線構(gòu)成一個(gè)平面。

4 CATIA建模

4.1 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)副

轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)的自由度限制為機(jī)械轉(zhuǎn)向管柱總成的兩安裝軸承、轉(zhuǎn)向器輸入軸兩軸承、傳動(dòng)分別由中間軸總成中的兩十字萬向節(jié)叉連接。如圖6所示。

4.2 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)模型建立

在某車型上根據(jù)式（13）原理進(jìn)行初步優(yōu)化，優(yōu)化后布置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建立CATIA模擬模型。方向盤與轉(zhuǎn)向上管柱為剛性連接，運(yùn)動(dòng)模型設(shè)計(jì)為一個(gè)Part₁。上下十字萬向節(jié)中的十字軸，模型各設(shè)計(jì)為Part₂、Part₃。中間軸部分的模型設(shè)計(jì)為一個(gè)Part₄。中間軸總成的下軸與轉(zhuǎn)向器輸入軸為剛性連接，運(yùn)動(dòng)模型設(shè)計(jì)為一個(gè)Part₅。轉(zhuǎn)向器殼體及固定軸承組件的運(yùn)動(dòng)模型設(shè)計(jì)為一個(gè)Part₆方向盤、上轉(zhuǎn)向管柱組件通過軸承固定。運(yùn)動(dòng)關(guān)系設(shè)置為旋轉(zhuǎn)接合，以方向盤和機(jī)械轉(zhuǎn)向管柱輸入軸作為驅(qū)動(dòng)單元、上十字軸Part₂與方向盤與轉(zhuǎn)向上管柱組件Part1設(shè)置為旋轉(zhuǎn)接連、十字軸、方向盤及機(jī)械轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)軸組件設(shè)置為旋轉(zhuǎn)接連，設(shè)置CATIA的運(yùn)動(dòng)模型。

4.3 設(shè)置模型參數(shù)

設(shè)置方向盤轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向器輸入軸轉(zhuǎn)速為目標(biāo)。首先建立函數(shù)關(guān)系。運(yùn)用CAITA中“知識(shí)工程”工具欄中的“公式”模型。設(shè)置“公式”工具欄中的“編輯當(dāng)前參數(shù)的名稱或值”。導(dǎo)出CATIA模型模擬后數(shù)據(jù)，如圖7所示。

4.4 方向盤力矩波動(dòng)計(jì)算

應(yīng)用模型模擬后，導(dǎo)出part 6（轉(zhuǎn)向器輸入軸）轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)。設(shè)定轉(zhuǎn)向器輸入軸阻力扭矩為T，結(jié)合式（8），計(jì)算出方向盤扭矩波動(dòng)趨勢與方向盤的轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線如圖8所示。

根據(jù)圖8 曲線體現(xiàn)，方向盤位置在中心位置，扭矩處于波谷值。方向盤在小角度轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，方向盤扭矩符合轉(zhuǎn)向中心感需求的平滑疊增趨勢。

5 方向中心感驗(yàn)證

試驗(yàn)根據(jù)某車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置。試驗(yàn)將輸入軸上安裝扭矩傳感器及伺服驅(qū)動(dòng)單元，轉(zhuǎn)向器齒條輸出位置加載設(shè)計(jì)的載荷進(jìn)行試驗(yàn)，如圖9所示。伺服驅(qū)動(dòng)單元按設(shè)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)記錄伺服驅(qū)動(dòng)單元的扭矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線如圖10所示。

根據(jù)圖9 試驗(yàn)曲線體現(xiàn)，方向盤位置在中心位置，扭矩接近波谷值。方向盤在小角度轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，方向盤扭矩符合轉(zhuǎn)向中心感需求的平滑疊增趨勢。

6 結(jié)束語

通過某車型根據(jù)目標(biāo)扭矩波動(dòng)趨勢及波動(dòng)值范圍，優(yōu)化轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)布置。應(yīng)用CAITA模型模擬及分析、能快速得到優(yōu)化結(jié)構(gòu)改善趨勢。經(jīng)模擬及試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線體現(xiàn)，方向盤扭矩值隨方向盤轉(zhuǎn)角的變化趨勢，符合提高轉(zhuǎn)向中心感的優(yōu)化。

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