商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與整車操縱穩(wěn)定性的相關(guān)性研究

常健+龍玉林

摘 要：操縱穩(wěn)定性是汽車的重要性能之一，是影響汽車的安全性能、操控性及抗干擾能力的重要因素。轉(zhuǎn)向性能能夠改變車輛的行駛方向，是汽車的基礎(chǔ)功能之一，與操縱穩(wěn)定性具有緊密的關(guān)系。作為內(nèi)部參數(shù)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，及外部參數(shù)的駕駛員作用，都會(huì)對(duì)整車操縱的穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大的影響。本次研究首先闡述了商用車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能，接著探究了整車操縱穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀，最后通過仿真模型對(duì)商用車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與整車操縱穩(wěn)定性間的關(guān)系進(jìn)行探究。希望本次研究有助于提高商用車的轉(zhuǎn)向性能和整車操縱穩(wěn)定性，全面提升汽車的安全性。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；操縱穩(wěn)定性；液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.165

0 前言

隨著商用車的大量普及，商用車的安全性能越來越重要。作為汽車的基礎(chǔ)功能，轉(zhuǎn)向功能對(duì)整車操縱具有重要的影響。常規(guī)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不能兼顧靈敏性和輕便性，因此，大部分商用車都使用液壓助力系統(tǒng)作為輔助的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。通過助力系統(tǒng)可以提升駕駛員在轉(zhuǎn)向時(shí)對(duì)汽車的掌控力，提高汽車的安全性能和操作的便捷性。盡管電動(dòng)助力系統(tǒng)具有部件尺寸小、助力更安全、可以吸收路面的沖擊等優(yōu)勢(shì)，但目前應(yīng)用的最廣泛的仍是液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。因此，探究液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與整車操縱穩(wěn)定性具有重要意義。

1 商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車改變或保持方向的控制裝置，組成部分有轉(zhuǎn)向控制裝置、轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)關(guān)和專用裝置。轉(zhuǎn)向性能是汽車的基本功能之一，是汽車正常行駛的基本條件。轉(zhuǎn)向性能對(duì)保護(hù)駕駛員的安全、保障行車安全和減少交通事故等方面具有重要作用。轉(zhuǎn)向性能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)和駕駛員的操作對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向行駛特點(diǎn)具有直接的影響。因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)汽車的整車操縱穩(wěn)定性具有重要的作用。常規(guī)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系用無法兼顧靈敏性和協(xié)調(diào)輕便性，商用車全部使用助力系統(tǒng)輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為基礎(chǔ)，增設(shè)助力裝置。在正常條件下，汽車轉(zhuǎn)向時(shí)消耗的能量大部分是助力轉(zhuǎn)向裝置供給的，駕駛員只提供了一小部分。為保證商用車的行車安全，助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在助力裝置發(fā)生故障時(shí)，仍可以通過駕駛員的操作完成轉(zhuǎn)向[1]。

目前，根據(jù)轉(zhuǎn)向能源可以分為液壓助力系統(tǒng)（HPS）、電動(dòng)液壓助力系統(tǒng)（EHPS）及電動(dòng)助力系統(tǒng)（EPS）。其中，商用車應(yīng)用的最多的是液壓助力系統(tǒng)、液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理是通過發(fā)動(dòng)機(jī)工作，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵，駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，液壓油會(huì)流到助力缸中的一個(gè)腔內(nèi)，另一個(gè)腔內(nèi)的部分液壓油就會(huì)回流，在兩腔之間就會(huì)產(chǎn)生壓力差，推動(dòng)轉(zhuǎn)向齒輪和活塞運(yùn)轉(zhuǎn)[2]。

2 整車操縱穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀

汽車的操縱穩(wěn)定性指的是：一是汽車響應(yīng)駕駛員的轉(zhuǎn)向操作；二是行駛在彎路時(shí)，汽車加減速和對(duì)外界干擾的響應(yīng)。操縱穩(wěn)定性是決定汽車在高速行駛時(shí)安全程度的主要性能。和操縱穩(wěn)定性相關(guān)的研究，在上世紀(jì)六十年代以前就已展開，最初是把汽車看作開環(huán)系統(tǒng)，研究重點(diǎn)是汽車在曲線行駛時(shí)的響應(yīng)頻率與特征。早在1956年，就有學(xué)者提出了“線性二自由度”的汽車轉(zhuǎn)向模型，逐漸發(fā)展到現(xiàn)在已達(dá)到17自由度甚至更高的數(shù)學(xué)模型。精確的數(shù)字模型，對(duì)車輛設(shè)計(jì)、性能評(píng)價(jià)等方面具有重要意義[3]。

隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)及側(cè)偏特征的研究逐步深入，對(duì)汽車的響應(yīng)仿真度越來越高。進(jìn)行仿真前，第一步要建立整車的動(dòng)力學(xué)模型，包括輪胎、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等元件。另外，駕駛員對(duì)整車操縱穩(wěn)定性也有很大的影響。建立仿真模型時(shí)，必須將“人車路”進(jìn)行閉環(huán)系統(tǒng)的研究。仿真技術(shù)中新技術(shù)層出不窮，如最優(yōu)控制技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，使整車模型越來越逼真，在操縱穩(wěn)定性進(jìn)行研究時(shí)，對(duì)仿真結(jié)果和性能分析等方面的作用越來越大[4]。

3 液壓助力轉(zhuǎn)向車輛的操縱穩(wěn)定性仿真分析

現(xiàn)階段對(duì)汽車的許多研究都是通過建立仿真模型，商用車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和整車操縱穩(wěn)定性的關(guān)系也可以通過建立動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行描述。通過對(duì)仿真模型進(jìn)行研究，可以得出以下結(jié)論：

第一，扭桿剛度可以提高轉(zhuǎn)向的靈敏性。剛度越大，車輛的橫擺角度和側(cè)向加速峰值也越大，對(duì)液壓助力系統(tǒng)沒有影響，但會(huì)影響操縱穩(wěn)定性和安全性。

第二，擴(kuò)大活塞的有效工作范圍，可以提高商用車的輕便性和靈敏性，但會(huì)降低商用車在轉(zhuǎn)彎時(shí)的穩(wěn)定性和安全性。

第三，減小前懸架側(cè)傾角度，橫擺角速度的超調(diào)量增加明顯，穩(wěn)態(tài)值降低；側(cè)傾角的曲線到達(dá)最高值和穩(wěn)態(tài)值會(huì)明顯延時(shí)，車身的側(cè)傾角的穩(wěn)態(tài)值上升明顯；提高側(cè)傾角速度的峰值，其達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間會(huì)增加。因此，增加前懸架的側(cè)傾角度，可以提高商用車轉(zhuǎn)彎的安全性、舒適性和靈敏性，并提高整車操縱的穩(wěn)定性。

第四，減少小齒輪基圓的半徑，有助于提高商用車轉(zhuǎn)向時(shí)的靈敏性，對(duì)助力效果幾乎沒有影響，會(huì)降低車輛的穩(wěn)定性和安全性。

第五，提高轉(zhuǎn)閥供油量，可以縮短響應(yīng)時(shí)間，能有效提高轉(zhuǎn)向的輕便性與靈敏性，但在轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)降低安全性和舒適性。

4 結(jié)論

本次研究通過對(duì)仿真模型的研究與分析，得出了以下結(jié)論：提升扭桿剛度可以提高轉(zhuǎn)向的靈敏性；大活塞的有效工作范圍，可以提高商用車的輕便性和靈敏性；增加前懸架的側(cè)傾角度，可以提高商用車轉(zhuǎn)彎的安全性、舒適性和靈敏性，并提高整車操縱的穩(wěn)定性；減少小齒輪基圓的半徑，有助于提高商用車轉(zhuǎn)向時(shí)的靈敏性；提高轉(zhuǎn)閥供油量，可以縮短響應(yīng)時(shí)間，能有效提高轉(zhuǎn)向的輕便性與靈敏性。希望以上結(jié)論有助于提高我國(guó)商用車的轉(zhuǎn)向性能和整車操縱穩(wěn)定性間的，全面提升商用車的操作性能和安全性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳建宏，張碩.商用車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性研究[J].武夷學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（09）：38-42.

[2]郭潤(rùn)清，姜兆娟，高明秋.汽車操縱穩(wěn)定性道路試驗(yàn)和評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].北京汽車，2015（01）：37-41.

[3]張志運(yùn)，黃妙華，張振良.基于Adams的后轉(zhuǎn)向橋優(yōu)化與整車穩(wěn)定性分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（信息與管理工程版），2014（06）：807-811.

[4]黃菊花，閆雪.基于某商務(wù)電動(dòng)汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析的底盤布置優(yōu)化[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2012（01）：53-57.

作者簡(jiǎn)介：常健（1989-），男，黑龍江綏化人，本科，助理工程師，研究方向：商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。