某車型轉向系統(tǒng)力矩波動優(yōu)化設計

摘 要：轉向手感是影響汽車舒適性評價的重要指標之一，而轉向系統(tǒng)的力矩波動會對轉向手感有較大影響。對于汽車轉向系統(tǒng)而言，合理的硬點布置以及中間軸相位角能夠有效減小轉向系統(tǒng)的力矩波動，從而保證駕駛的轉向手感。本文針對某車型的轉向系統(tǒng)的力矩波動進行了深入研究，從硬點布置、中間軸相位角等影響因素進行分析，并運用理論計算和CATIA仿真兩種方法進行優(yōu)化設計驗證，結果表明優(yōu)化后的硬點布置能夠將力矩波動值控制在設計范圍內(nèi)，并且針對方向盤零位的力矩波動進行匹配優(yōu)化，能夠有效提升駕駛員的轉向手感。

關鍵詞：轉向系統(tǒng) 力矩波動 中間軸相位角 優(yōu)化設計

1 前言

隨著汽車開發(fā)技術的不斷進步，越來越多的用戶更加關注汽車的舒適性，操縱穩(wěn)定性以及安全性。汽車在轉向時，受到來自路面反饋的力并通過方向盤傳遞到駕駛員。轉向手感會對用戶的駕駛體驗產(chǎn)生極大的影響，而轉向手感是整車性能的綜合表現(xiàn)，因此為了給用戶一個更好的駕駛體驗，需要不斷提升整車的各項性能。其中影響最大的因素之一就是力矩波動，如果力矩波動設計不合理，在汽車轉向時，就會讓駕駛員感覺方向盤時輕時重，轉向力不均勻，會導致駕駛舒適性下降并且會對駕駛的安全性產(chǎn)生一定影響。對于具有上下調(diào)節(jié)功能的轉向管柱，理論上應該關注管柱上、中、下三個位置的力矩波動。目前國內(nèi)主機廠大部分只關注在中間設計位置時的力矩波動滿足設計要求。少部分主機廠也會關注轉向管柱上下調(diào)節(jié)位置的力矩波動情況。但未對波動的相位分布情況進行分析。

針對以上不足，本文分析了轉向系統(tǒng)力矩波動理論，其次通過理論計算和CATIA仿真兩種方法，從硬點、中間軸相位角以及方向盤中間位置的波動相位情況進行優(yōu)化，取得了一定的優(yōu)化效果。可以為后續(xù)轉向系統(tǒng)的力矩波動設計開發(fā)提供一定的借鑒意義。

2 轉向系統(tǒng)力矩波動理論

轉向系統(tǒng)結構中包含十字軸式萬向節(jié)的中間軸，單十字軸萬向節(jié)不等速性，經(jīng)過推導可得出如下關系：

（1）

式中：為主動軸轉速、為從動軸轉速；為AO與BO的夾角，即輸入軸和輸出軸夾角；為主動軸節(jié)叉轉角，以上公式適用于主動軸節(jié)叉初始角，即主動軸節(jié)位于叉初始位置：主動軸節(jié)叉中心平面（ADC平面）與輸入軸和輸出軸形成平面（AOB平面）重合。

目前針對C-EPS常采用的結構形式是三段式中間軸，可以推導出雙十字軸萬向節(jié)的不等速性如式（2）所示：

（2）

式中：為中間軸轉速、為輸出軸轉速；為中間軸和輸出軸夾角；為中間軸上節(jié)叉轉角；為中間軸相位角；為平面角?，F(xiàn)有關于力矩波動的計算公式對角度定義并不明確，因此首先定義方向盤轉角，以對中標記線為參考，轉角順時針旋轉為正，逆時針旋轉為負。取值范圍：-180?！?80。。將整個轉向系統(tǒng)結構進行簡化，簡化后的轉向系統(tǒng)用硬點表示如圖1所示：

轉向系統(tǒng)的硬點A、B、C、D點形成軸線AB、BC、CD。輸入軸和中間軸所在平面，即AB-BC平面記為p1，中間軸和輸出軸所在平面，即BC-CD平面記為p2，由根據(jù)能量守恒定律，定義主、從動轉矩分別為T1、T2，若忽略摩擦等損失，則存在：可以得到式（3）：

（3）

3 某車型轉向系統(tǒng)力矩波動分析

轉向系統(tǒng)力矩波動理論計算：

首先根據(jù)轉向系統(tǒng)初步布置對力矩波動進行校核，如表1所示為某車型轉向系統(tǒng)硬點坐標。

根據(jù)硬點坐標，可以計算得出夾角、、平面角，考慮管柱上下調(diào)節(jié)，經(jīng)表格計算得到該硬點布置下的轉向系統(tǒng)力矩波動情況如圖6所示，力矩波動值：設計位置5.93%，上調(diào)節(jié)5.12%，下調(diào)節(jié)8.37%，相位角35deg。

圖２中藍色曲線代表管柱位于設計位置，綠色曲線代表管柱上調(diào)節(jié)位置，紅色曲線代表管柱下調(diào)節(jié)。為了進一步提升轉向性能，目前大部分主機廠都現(xiàn)目前要求<5%，從計算結果來看，管柱上調(diào)節(jié)位置的波動值達到了8.37%，會影響駕駛員的轉向手感。經(jīng)校核，在該硬點布置下，調(diào)整相位角無法滿足要求，因此需要重新進行硬點布置進行優(yōu)化。

4 某車型轉向系統(tǒng)力矩優(yōu)化設計

4.1 硬點布置與中間軸相位角優(yōu)化

在轉向系統(tǒng)的硬點布置中通常會考慮人機布置以及周邊件的影響，若出現(xiàn)力矩波動不滿足設計要求的情況，則需要進行力矩波動的優(yōu)化。首先根據(jù)初步布置的硬點確定一個相位角，如果不滿足力矩波動<5%的要求，則重新調(diào)整硬點，根據(jù)調(diào)整后的硬點再次確定新的相位角，再帶入計算，直至滿足要求。

結合整車開發(fā)范圍和降低開發(fā)費用要求，在前期布置中，為保證前圍板、前儀表橫梁等周邊件的沿用性，A、B點硬點位置保持不變，C點處中間軸的布置空間有限，初步的硬點布置不能滿足力矩波動要求。綜合考慮，為保證轉向系統(tǒng)力矩波動性能滿足要求，從C點優(yōu)化，經(jīng)調(diào)整后的硬點如表2所示。

為了得到更加準確的驗證結果，本文從理論計算和DMU仿真兩種方法進行對比驗證，結果表明，重新布置后的硬點能夠滿足力矩波動<5%的要求，并且兩種方法得出的力矩波動值非常接近，其中在設計位置為0.46%，上調(diào)節(jié)3.78%，下調(diào)節(jié)3.39%，如表3所示。

4.2 方向盤中位力矩波動優(yōu)化

在轉向手感主觀評價中，對轉向中位感的關注度額外高，其中力矩波動的波峰和波谷值分布情況對轉向中位感影響很大。通過分析力矩波動相位分布的幾種情況可知，若在方向盤處于零位時，力矩波動為0，或者處于波峰和波谷之間，則力矩波動會出現(xiàn)左右不對稱的情況，駕駛員在轉動方向盤會感覺到左右手感不一致，影響駕駛體驗。

若方向盤零位時位于波谷，則T3<T1，輸出力小于輸入力，駕駛員在方向盤中位附近會感到阻力較大，有利于保持轉向中位感，隨著方向盤轉角增大，輸出力增大趨勢，有利于轉向輕便性，若方向盤零位時位于波峰，則T3>T1，輸出力大于輸入力，隨著方向盤轉角增大，輸出力呈現(xiàn)減小趨勢，不利于轉向輕便性。因此，我們將力矩波動峰值優(yōu)化到波谷位置，即方向盤轉角零位時，力矩波動處于波谷位置。對影響波動相位的因素進行分析：一個是中間軸相位角，一個是初始節(jié)叉角，最終經(jīng)調(diào)整得到的中間軸相位角為36.6deg，初始節(jié)叉相位角為-124deg，可以滿足方向盤零位力矩波動處于波谷位置，如圖5所示，即完成對轉向系統(tǒng)力矩波動的優(yōu)化。

5 結論

本文對力矩波動的理論計算方法進行了詳細推導，修正了理論計算公式的不足，并運用理論計算和DMU仿真兩種方法進行對比驗證，結果表明，優(yōu)化后的硬點布置能夠滿足力矩波動<5%的要求，驗證了修正之后的理論計算公式的正確性。

本文還對力矩波動的相位分布情況進行了優(yōu)化，在方向盤零位時，力矩波動處于波谷，使得轉向手感左右對稱，有利于力矩建立以及保持較好的中位感，有助于提升轉向手感，獲得更好的駕駛體驗。

參考文獻：

[1]裴錦華，李明.汽車轉向系統(tǒng)力矩波動的匹配研究[J].汽車科技，2010（3）：4.

[2]王海波，劉紅領，孫禮，等.基于Adams/Car汽車轉向系統(tǒng)力矩波動優(yōu)化分析[C]//2013年MSC50周年慶典暨中國區(qū)用戶大會.2013.

[3]林成杰，谷玉川.基于CATIA知識工程的汽車轉向系統(tǒng)力矩波動分析[C]//“廣汽豐田杯”廣東省汽車行業(yè)第七期學術會議論文集，2013.

[4]王長明，李麗君，王懷謙，等.某微型純電動車轉向系統(tǒng)力矩波動優(yōu)化改進[J].汽車實用技術，2020（4）：3.

[5]王思文，馮櫻，李葉嶺.基于CATIA/DMU汽車轉向系統(tǒng)力矩波動解析計算與仿真分析[J].湖北汽車工業(yè)學院學報，2019，33（4）：4.