某輕型卡車轉向盤自由轉動量減小淺析

柴博，賈偉偉，袁智明，陳開超，王濤

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某輕型卡車轉向盤自由轉動量減小淺析

柴博，賈偉偉，袁智明，陳開超，王濤

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

當汽車轉向盤自由轉動量較大時，會降低車輛直線行駛穩定性。當駕駛者打方向轉彎時，會使車輛的轉向響應降低，進而影響操控感受。文章主要針對汽車的轉向系統，對造成某輕型卡車轉向盤自由轉動量較大的原因進行分析，制定解決措施，并最終降低該型卡車轉向盤自由轉動量。

轉向盤；自由轉動量；間隙；剛度；免維護

CLC NO.:U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-103-03

引言

轉向系的作用包括轉向后轉向盤應能自動回正，并能使汽車保持在穩定的直線行駛工況，保證汽車的操縱穩定性。汽車的轉向操作均通過轉向盤實現，當駕駛者轉動轉向盤時，會帶動轉向系的轉向操縱機構、轉向器和轉向傳動機構發生動作，進而實現汽車轉向。在實際中，由于轉向系的各零、部件尤其是一些桿件均具有一定的彈性，且各零、部件的組裝均存在間隙，加上輪胎存在的側偏剛度，會造成轉向輪的實際轉角要比司機轉動轉向盤并按轉向系角傳動比換算至轉向輪的轉角要小，即轉向盤存在一定的自由轉動量。如轉向盤的自由轉動量過大，會影響轉向盤的自動回正，不利于車輛保持穩定的直線行駛，駕駛者會感到車輛的轉向與其操作存在偏差，降低操縱穩定性。因此轉向盤的自由轉動量應控制在一定的范圍內。某輕型卡車在市場上多數客戶反映轉向盤自由轉動量較大，影響該輕型卡車在市場上的口碑與銷量。本文運用標桿對比法，對該輕型卡車轉向系的零部件進行系統分析，找出影響轉向盤自由轉動量的主要原因，制定措施加以改進，最終降低該輕型卡車的轉向盤自由轉動量，滿足客戶需求。

1、轉向盤自由轉動量現狀調查

依據《GB/T 7258機動車運行安全技術條件》中6.4規定，最大設計車速大于等于 100km/h的機動車方向盤的最大自由轉動量應小于等于 15°。我們在生產線隨機抽取8臺剛下線的該輕型卡車，運用測量儀器對這8臺車進行轉向盤自由轉動量的測量，結果如表1所示：

表1

根據測量結果，這8臺車均滿足《GB/T 7258機動車運行安全技術條件》的規定。國內輕卡市場通常以五十鈴卡車作為標桿產品，用戶對五十鈴的產品性能及質量評價較高。我們找到同等噸位的一臺五十鈴輕型卡車，對其轉向盤自由轉動量進行測量，測量結果為9.6°。對比標桿產品，我們可以得出，該輕型卡車的轉向盤自由轉動量較大，性能不能滿足客戶要求。

2、原因分析

該輕型卡車轉向系統的構成如圖1所示，由轉向管柱、轉向器、前軸總成、轉向直拉桿四大部件組成。

圖1

造成轉向盤自由轉動量大的FTA分析如下：

在本文中，只對轉向系統進行研究，不考慮輪胎的影響，因此輪胎側偏剛度對轉向盤自由轉動量的影響不做分析。將分析重點放在轉向器、轉向管柱、轉向直拉桿總成的影響上。

2.1 轉向管柱性能分析

圖2 1號轉向管柱檢測曲線

圖3 2號轉向管柱檢測曲線

該車型轉向管柱結構與五十鈴產品完全相同，轉向管柱的軸組合件具有一定的剛度，軸組合件與轉向柱管的配合存在一定的間隙，故組成轉向管柱的零部件的剛度和配合間隙使轉向管柱存在自由行程，轉向管柱自由行程會影響轉向盤自由轉動量。隨機抽取2臺該車型使用的轉向管柱，進行轉向管柱自由行程檢測。檢測方法為給轉向管柱輸入端施加扭矩±3N·m時，記錄輸入軸轉過的角度。檢測得到的曲線如圖2、圖3所示。

對轉向管柱自由行程檢測結果進行整理，結果如表2所示：

表2

以相同的檢測方法，對五十鈴轉向管柱進行檢測，得到自由間隙為0.68°。可以看到，該車型轉向管柱平均自由行程0.73°，與五十鈴產品相當。可以得出轉向管柱自由行程不是整車轉向盤自由轉動量大的主因。

2.2 轉向器性能分析

該車型及五十鈴車型均采用循環球式轉向器。轉向器的輸入扭桿具有一定的剛度，轉向器內部的轉閥、螺桿、齒扇等零部件的配合存在間隙，故轉向器內部零部件的剛度及間隙使轉向器存在自由行程，轉向器自由行程會影響轉向盤自由轉動量。隨機抽取2臺該車型使用的轉向器，進行轉向器自由行程檢測。檢測方法為在輸入軸兩個方向施加負荷達到±2 N·m 時，記錄輸入軸轉過的角度。檢測得到的曲線如圖4、圖5所示。

圖4 1號轉向器檢測曲線

圖5 2號轉向器檢測曲線

對轉向器自由行程檢測結果進行整理，結果如表3所示：

表3

以相同的檢測方法，對五十鈴轉向器進行檢測，得到自由間隙為4.01°。可以看到，該車型轉向器平均自由行程6.05°，超出五十鈴產品51.2%。可以得出轉向器自由行程大是整車轉向盤自由轉動量大的主因。

2.3 轉向直拉桿性能分析

該車型轉向直拉桿為可維護直拉桿，日常需要通過油脂嘴進行加注潤滑脂，其球頭結構如圖6所示。

圖6 該車型轉向直拉桿球頭

可維護球頭為金屬球座，球座依靠彈簧頂緊，由于彈簧剛度影響，球頭自由行程可達到0.75mm-1mm，該球頭自由行程經過轉向器的角傳動比放大，會對轉向盤自由轉動量產生影響。轉向直拉桿上有2個球頭，轉向直拉桿球頭自由行程造成的轉向盤自由轉動量的換算如公式1：

式中：α——轉向直拉桿球頭剛度造成的轉向盤自由轉動量，單位°；

A——球頭剛度，單位mm；

i——轉向器角傳動比

L——轉向器垂臂長度，單位mm；

該車型A=（0.75-1）mm，i=20.42，L=196.2mm，根據上述公式計算可得α=8.94°～11.94°。

五十鈴車型轉向直拉桿為免維護直拉桿，無需加注潤滑脂維護，其球頭結構如圖7所示。

圖7 五十鈴轉向直拉桿球頭

免維護拉桿球頭球座為復合材質，直接與球銷接觸，球座壓縮量極小，且球座與球銷之間的間隙可以控制的很小。經過試驗，免維護球頭在軸向施加1050N的力時，軸向自由行程≤0.1mm，在徑向施加2000N的力時，徑向自由行程≤0.1mm，即免維護球頭綜合自由行程≤0.2mm。免維護轉向直拉桿球頭自由行程造成的轉向盤自由轉動量通過式1計算，當A=0.2mm時，可得α=2.39°，遠小于可維護直拉桿對轉向盤自由轉動量的影響。

通過上述分析，可以得出該車型轉向直拉桿球頭自由行程大，對轉向盤自由轉動量的影響較大，是主要原因。

2.4 要因確認

經過上述對零部件分析，最終確定該輕卡車型轉向盤自由轉動量大的主因：①轉向器自由行程大；②轉向直拉桿球頭自由行程大。

3、整改措施

針對上述排查的主因，確認改進措施。

3.1 降低轉向器自由行程

與轉向器供應商共同改進轉向器自由行程，通過對轉向器扭桿剛度的改善及內部裝配間隙的控制，實現在輸入軸兩個方向施加負荷達到±2 N·m 時，輸入軸轉過的角度≤4°。

3.2 為該車型開發免維護轉向直拉桿

為該車型設計免維護轉向直拉桿，直拉桿各項性能指標全面對標五十鈴產品開發，其中免維護球頭在軸向施加1050N的力時，軸向自由行程≤0.1mm，在徑向施加2000N的力時，徑向自由行程≤0.1mm。

3.3 整改后性能達標情況

將性能提升后的轉向器，新開發的免維護直拉桿更換至該車型上，進行轉向盤自由轉動量檢測，檢測結果為7°，優于五十鈴產品，目標達成。

4、固化措施

4.1OTS 試驗

完成新開發的免維護轉向直拉桿的OTS試驗。

4.2 可靠性驗證

對提升性能后的轉向器、新開發的免維護直拉桿在該輕卡車型上進行可靠性試驗，經過強化路、山路、高環道路驗證，折合里程達到213132km，轉向器與轉向直拉桿均無問題。

4.3 將性能提升的轉向器與免維護轉向直拉桿總成在該車型上量產切換。

5、結束語

隨著客戶對車輛性能的要求越來越高，車輛僅符合國標法規已不能滿足客戶需求，汽車廠家在開發新產品時對車輛性能需要有更高的要求。本文運用標桿對比法，通過對某輕型卡車轉向系統各零部件的分析，找出影響轉向盤自由轉動量的主要原因，并采取相應的改進措施，最終解決該車型轉向盤自由轉動量大的問題。本文所及方法和結論對類似問題的解決具有一定的借鑒作用，為新車型的開發提供理論依據。

[1] 劉惟信.汽車設計.北京:清華大學出版社,2001.

[2] 余志生.汽車理論.北京:機械工業出版社,2000.

[3] 國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB 7258-2012 機動車運行安全技術條件.北京:中國標準出版社, 2012.

[4] 江淮汽車集團股份有限公司技術中心.江淮輕型卡車設計規范.第一版,合肥: 江淮汽車股份有限公司,2006.

A light truck steering wheel free transfer momentum decrease analyses

Chai Bo, Jia Weiwei, Yuan Zhiming, Chen Kaichao, Wang Tao
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

When steering wheel has large free turn momentum, it will reduce the straight line driving stability of vehicle. When a driver turn, it will reduce the vehicle's steering response and affect manipulation of the feelings. For a light truck steering system，this article mainly analysis the reasons of larger free turn momentum of steering wheel，formulate solutions, and eventually reduce the larger free turn momentum.

steering wheel; free turn momentum; clearance; stiffness; non-maintenance

U463.4

A 1671-7988 (2017)08-103-03

柴博，學士學位，工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，負責公司輕卡車型前橋轉向的開發與研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.035