汽車轉向系統摩擦分析優化

徐宇航

摘 要：文章針對某車型電動助力轉向系統轉向力發澀及轉向回正殘余角偏大的問題，利用實車測試及理論計算對轉向系統摩擦進行了分析。根據分析結果采用降低電動轉向管柱摩擦及優化助力曲線等措施進行控制。通過對比優化前后的轉向力及回正殘余角，證明所采取的措施有效。

關鍵詞：電動助力轉向系統；轉向力；摩擦；轉向管柱

1 概述

隨著物質生活和精神生活水平的不斷提高，人們對汽車的駕駛舒適性提出了更高的要求。轉向力是影響汽車駕駛舒適性的關鍵因素。當車輛在城市道路行駛時必然會頻繁的打方向，此時車輛的轉向力的舒適性會嚴重影響駕駛員的駕駛心情和情緒。

某新開發車型在試驗中發現，車輛打方向時轉向力有明顯的發澀、不平順的現象。若投放市場，必然引起客戶的強烈抱怨。因此必須對此轉向力進行分析加以改善。

2 轉向系統實車測試

電動助力轉向系統根據扭桿的變形量由助力電機輸出助力，合適的助力可控制扭矩適中的轉向盤扭矩[1]。但轉向系統的摩擦力會影響轉向力的感覺，不同的系統摩擦對于不同的車影響不同，所以可以在測試中獲取客觀數據，調整參數后，主觀評價轉向力感覺是否合適。同時較大的摩擦力也會導致轉向回正的能力。本車型轉向力需要有質感、平滑感，回正殘余角15°以內。

2.1 轉向系統齒條力測試

轉向系統齒條軸力測試，見圖1。

圖1 轉向系統齒條力測試圖

以上測試條件，見表1。

表1 齒條力測試條件

車輛最大齒條力5.6kN，符合設計狀態。

2.2 轉向系統摩擦力矩測試

轉向系統摩擦力是影響汽車轉向力感覺的原因之一，調整摩擦力大小，可以改善整個系統的主觀感受。調整摩擦前測試的轉向力矩（關閉EPS，轉向器外球頭與轉向節斷開），見圖2。

圖2 轉向力矩測試圖

該車輛轉向系統摩擦測試結果為：

左打轉向平均力矩：3.8N.m

右打轉向平均力矩：3.6N.m

2.3 改善轉向系統摩擦力矩后測試

電動助力轉向系統相對液壓助力轉向摩擦力主要體現在渦輪蝸桿處[2]，經過改善潤滑脂、除塵及微調間隙后，再次測試系統摩擦，見圖3。

圖3 改善后轉向力矩測試圖

該車輛轉向系統摩擦測試結果為：

左打轉向平均力矩：2.3N.m

右打轉向平均力矩：2.2N.m

3 轉向系統摩擦分析

轉向系統摩擦影響著轉向盤力矩對駕駛員的操縱感覺，同時對車輛回正起到一定的影響。

3.1 摩擦力對于轉向力的分析

轉向力=齒條力+摩擦-助力

僅從力的角度分析，助力電機可以提供額外的助力消除系統摩擦，從而使轉向力達到所需的大小。但是，系統摩擦給駕駛員帶來的主觀感受是不可消除的[3]。

當系統摩擦過小時，駕駛員會感覺到轉向力過于空洞，沒有絲毫的阻尼感，同時路面的反饋會毫無保留的傳遞到方向盤上，方向盤頻繁的震動抖動令駕駛員感到難受且疲勞。

當系統摩擦過大時，駕駛員會感覺轉向力有阻滯、發澀、不順暢，同時過多的吸收路面反饋會使車輛缺乏路感。

本車需求的轉向力需要有品質感，摩擦帶來的反饋使轉向力即不空洞也沒阻滯感，這就需要調整轉向摩擦力后主觀評價了。

3.2 摩擦力對于轉向回正力的分析

回正力矩減去回正阻力矩即為凈回正力矩TF：

TF=Ta-M （1）

式中，Ta為總轉向回正力矩（包括定位回正力矩和側向力回正力矩），M為總回正阻力矩（轉向系統中的摩擦阻力矩和路面與輪胎之間的摩擦阻力矩）。

當TF大于零時，轉向系統可自動回正。

在不考慮EPS系統影響的情況下，汽車中、低速行駛時，車輪的回正力矩一般都能使車輪回正，即TF>0。但安裝了EPS系統之后，電機和減速機構的引入增大了轉向系統的慣性、阻尼和摩擦（設EPS系統引入的阻力矩為M1），可能會造成汽車低速行駛時轉向回正不足。因此要提高安裝EPS系統車輛的回正性能，就要設法消除M1的影響。

4 效果驗證

4.1 改善摩擦后轉向力變化

轉向系統摩擦力矩減小約1.5N.m后，轉向力阻滯感明顯下降，力矩表現為圓潤，具有質感，駕駛時轉向輕便舒適。

4.2 改善摩擦后轉向回正變化

轉向系統摩擦力矩減小后，左右轉向回正殘余角均有減小，同時，微調軟件回正控制后使回正殘余角小于15°，符合本車設計要求。

5 結束語

汽車轉向系統摩擦會導致轉向力的感覺及轉向回正性能，并嚴重影響駕駛員的駕駛心情和情緒，需加以控制和改善。文章通過對某車型采取優化轉向系統摩擦改善轉向系統性能。通過對比優化前后的轉向力感覺及轉向回正性能，表明以上措施對轉向系統性能改善明顯。

參考文獻

[1]汽車工程手冊編輯委員會.汽車工程手冊.設計篇[M].北京：人民交通出版社，2001，6.

[2]陳家瑞.汽車構造[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2000.