虛擬主銷懸架系統的轉向齒條力分析

王海峰，張雷

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

虛擬主銷懸架系統的轉向齒條力分析

王海峰，張雷

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章主要講述采用虛擬主銷設計的懸架結構對轉向系統最大齒條力的影響及可行的降低齒條力方法。

齒條力；虛擬注銷

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-34-02

前言

在轉向系統設計時，助力匹配是一項至關重要的工作，其直接關系到后續轉向系統的開發及性能達標。

在整車產品研發過程中，產品設計人員會根據整車前軸質量及懸架拉臂長度等信息對轉向系統最大齒條力進行估算。并根據估算結果來對轉向系統進行助力匹配工作。

文章將就實際發生在一款量產車型上的齒條力估算失真事宜進行詳細論述，以便為其他轉向系統開發人員的產品設計提供借鑒依據。

1 最大齒條力理論計算

原地轉向時的阻力矩為輪胎與地面之間的靜摩擦力矩，此時阻力矩為所有車況中的最大值，按照經驗公式：

如果按照更為精確的積分公式，則有單個輪胎與地面之間的摩擦力矩：

按照此公式計算出來的原地轉向阻力矩是左右拉桿上的拉力和壓力分別對主銷軸線力矩之和。

重力回正力矩計算：

在中間位置時，拉桿力對于主銷軸線的力臂為Lmid（拉壓兩種狀態），此時的原地轉向齒條力為：

在從轉向中間位置到轉向極限位置的過程中，拉桿力臂L會逐漸減小，同時考慮到懸架襯套等橡膠件的彈性變形反作用力，齒條力Frack會持續增加，一直到轉向極限位置(也叫做LOCK TO LOCK)，此時齒條力最大，轉向系統油壓也達到最大值。

在轉向極限位置時，拉桿力對于主銷軸線的力臂為Lend（拉壓兩種狀態），此時的原地轉向齒條力為：

實車原地轉向時測得的拉桿力隨轉角的變化關系曲線如右圖所示。從該圖中可以總結出的規律是：

圖1

（1）僅在方向盤從中位向極限位置轉動的過程中時承受拉力的橫拉桿力會逐漸增加，其余回位過程中的拉力和任何過程中的推力都維持不變；

（2）對于齒條力，在方向盤從中位向兩側轉動的過程中齒條力都會增加，從極限位置向中位回位的過程中齒條力維持不變。

此種計算方法對于前懸采用麥弗遜式獨立懸架的車輛而言，是較為準確的。但在其他懸架結構上卻存在較大失真，特別是采用主銷位置可以移動的虛擬主銷懸架結構上，其最大誤差可以達到30%以上。

可以移動位置的虛擬主銷設計，其主銷位置會隨著車輪轉角的變化而在一個范圍內進行移動。這種主銷位置的移動是通過擺臂膠套變形來實現的。

如下圖所示的懸架結構就是一種主銷位置可以移動的虛擬主銷懸架結構。

圖2

此種懸架結構的下方兩個擺臂是通過橡膠結構柔性連接在副車架上的。在車輪轉動過程中，懸架下方兩個擺臂與副車架的連接點由于橡膠的彈性變形會發生一定的空間位移，由此導致懸架的虛擬主銷在一定范圍內進行空間移動。

此種懸架結構具有較好的KC特性，在提高整車操穩性能上存在較大優勢。但由于其主銷位置的不斷變化，在前期進行轉向系統最大齒條力估算的時候會產生較大困難，傳統的齒條力估算公式計算結果失真嚴重。而造成這種情況的關鍵因素就是懸架襯套結構的運動阻尼，下面通過一個實例來分析虛擬注銷懸架系統的最大齒條力估算。

2 實例分析

一款現有采用虛擬主銷懸架設計的目標車輛，其滿載最大齒條力在11.5kN左右（按照計算公式估算，其最大齒條力在9kN左右）。

圖3

將車輛前輪停放在可以自由旋轉的的轉盤上（地面摩擦阻尼為0），對齒條力進行測量， 最大齒條力在5kN 左右。（此齒條力包含重力回正力矩及系統運動阻力）

圖4

我們嘗試對懸架下擺臂中一個襯套進行剛度調整，結果可以很大程度上降低最大齒條力。（可以降低2000N以上）

圖5

圖6

由上可知，采用可移動的虛擬主銷設計的懸架結構，在降低其懸架系統軟連接處的襯套剛度時，是可以有效降低其最大齒條力的。

采用此種懸架結構的車輛，在前期進行齒條力估算時不能僅僅依靠傳統公式進行估算，還需要充分考慮到不同懸架結構對齒條力的影響。

3 總結

轉向系統最大齒條力估算對于轉向系統的開發至關重要，其直接關系到后續助力匹配、強度分析、結構設計的成敗。對于不同的懸架結構，設計人員要充分考慮到懸架系統自身的運動阻尼影響，以避免估算數據的嚴重失真。

[1] 劉鍵.GB11557 轉向機構對駕駛員傷害.

[2] 逯海.汽車工程手冊[M].人民交通出版社,2000.479～484.

[3] 王望予.汽車設計[M].機械工程出版社,2000.166～193.

Analysis of steering rack force of virtual main pin suspension system

Wang Haifeng, Zhang Lei
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

This paper mainly describes the influence of suspension structure design on the maximum rack force of the steering system and the feasible method of reducing the rack force.

rack force; virtual logoff

U463.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)20-34-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.011

王海峰，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。