汽車加速跑偏的分析及優化

薛志祥 詹鈺君

摘 要：本文介紹了汽車開發過程中，針對加速跑偏現象進行了理論分析研究和敏感度分析，在實際的案例中進行了驗證。

關鍵詞：加速跑偏;驅動軸角度;扭矩差校核

1 引言

對于大部分前驅車來說，汽車在低檔位急加速情況下，行駛方向會轉向一側，當動力突然切斷時，方向會反過來朝另一側，這就是加速跑偏現象。對于驅動軸扭矩和轉向幾何結構的相互影響造成的跑偏問題，我們通常用Torque steer（扭矩轉向）來描述[1]。早期的前驅車沒有這個問題，因為自然吸氣發動機扭矩變化速率沒有渦輪增壓發動機變化的快，隨著渦輪增壓、缸內直噴技術的興起，發動機扭矩的增大，將導致加速跑偏問題越來越凸顯。另一方面由于電動汽車的蓬勃發展，起步扭矩更大，將會放大加速跑偏問題，這不得不引起各大汽車制造廠商的關注。

2 加速跑偏的形成機理

汽車加速跑偏現象用動力學知識分析如下[2]：加速時發動機的扭矩通過變速箱傳遞到驅動軸上，一方面驅動力作用在輪心處產生了繞車輪半徑的轉向力矩，另一方面驅動扭矩的分量作用在主銷軸線上，產生了繞主銷的扭矩。兩者疊加即是作用在車輪上的轉向力矩。如果左前輪和右前輪受到的轉向力矩不對稱，這個力矩差值作用在轉向橫拉桿上，即推動車輪向一側發生偏轉，見圖1。

3 影響加速跑偏的因素分析

假設在設計、生產過程中，能保證車輛的懸架、重量、動總布置是左右對稱的，由前文分析可知，這將不會產生左右扭矩差。而對于實際生產的車輛很難做到左右對稱。下面將從驅動軸角度、輪荷、主銷內傾角、主銷偏置距的不對稱性對扭矩差的影響進行敏感度分析。

3.1 驅動軸角度對扭矩差的影響分析

對于前驅車來說，傳動軸需要負責動力傳遞，而又因為變速箱位置的關系，左右傳動軸常有左短右長的設計，這樣就會導致驅動軸角度不等。對于設定初始參數，W=400kg，μ=1.0，R=320mm，θ=11°，rks=60mm，αL=5°，αR=（0～10）°，由公式（2）～（3）可得，扭矩差相對角度差的變化率為10.8Nm/deg，即左右驅動軸角度每相差1度，則產生的繞主銷扭矩差為10.8Nm。如圖2所示。

3.2 輪荷對扭矩差的影響分析

對于一般的前驅車來說很難做到左右輪荷的完全一致。設定初始參數如下：WL=400kg，WR=（380～420）kg，μ=1.0，R=320mm，θ=11°，rks=60mm，α=5°，由公式（2）～（3）可得，扭矩差相對輪荷差的變化率為0.23Nm/kg，即左右輪荷每相差10kg，則產生的繞主銷扭矩差為2.3Nm。如圖3所示。

3.3 主銷內傾角對扭矩差的影響分析

考慮到生產制造的誤差，主銷內傾角公差一般為±1°左右。設定初始參數如下：W=400kg，μ=1.0，R=320mm，α=5°，θL=11°，θR=（10～12）°，rks=60mm。由公式（2）～（3）可得，扭矩差相對主銷內傾角差的變化率為0.18Nm/°，即左右主銷內傾角每相差1度，則產生的繞主銷扭矩差為0.18Nm。如圖4所示。

3.4 主銷偏置距（輪心處）對扭矩差的影響分析

輪心處主銷偏置距決定了驅動力作用在主銷上的力臂大小。例如HiperStrut懸掛的設計[3]，相比常規的麥弗遜懸架，這種設計能夠減小主銷偏置距從而抑制扭矩轉向。設定初始參數如下：W=400kg，μ=1.0，R=320mm，α=5°，θ=11°，rks_L=60mm，rks_R=（55～65）mm由公式（2）～（3）可得，扭矩差相對主銷內傾角差的變化率為3.92Nm/°，即左右主銷偏置距每相差1mm，則產生的繞主銷扭矩差為3.92Nm。如圖5所示。

3.5 縱向加速度對扭矩差的影響

當初始狀態下布置下的驅動軸角度左右不對稱，在汽車大扭矩起步時，由于軸荷轉移引起的前懸架拉升，動總姿態上抬。由于左軸桿短于右軸桿，根據公式（4）～（6）可知，在動總姿態上抬過程中，則左驅動軸角度的變化必然大于右驅動軸角度，則驅動軸角度的不對稱性將隨之放大，扭矩差也將進一步增大。如圖6所示。

3.6 小結

由前文分析可知，與扭矩差相關的幾個重要因素中，左右驅動軸角度差的影響最大，依次是主銷偏置距、左右驅動輪輪荷、主銷內傾角。考慮到懸架的對稱設計和輪荷的不可更改，驅動軸的優化布置是解決加速跑偏問題的一個關鍵思路。

4 案例應用

在某車型開發過程中，發現該樣車在低檔位急加速起步時，存在扭矩轉向問題，即加速跑偏。第一步，檢查車輛狀態（包括輪胎氣壓、四輪定位、輪荷及車身姿態等），結果如表1所示：

接下來，在同一臺車上通過加配載的方式，使得左右驅動軸角度產生差異，然后進行跑偏對比驗證，如表2所示。

就如何減小驅動軸角度有兩種方案，一是減短彈簧長度，二是通過動總姿態下降方案重新布置傳動軸角度。由于彈簧長度更改影響整車通過性，最終采取動總姿態下降方案，使得空載下驅動軸角度降為左3.1°，右2.7°。此方案實施在該跑偏故障車上，通過主觀評價對比，加速跑偏問題得到有效解決。

通過公式（2）～（6），可以初步計算原車的扭矩差為46.2Nm，采取動總姿態下降方案后的扭矩差降為28.5Nm，下降幅度為38%。

5 小結

本文通過理論分析加速跑偏問題產生的原因，并對關鍵影響因素進行了敏感度分析，據此解決了實際項目開發中遇到的問題。

在項目開發前期，輸入車輛的基本參數如車輛重量、車輪滾動半徑、主銷內傾角、驅動軸角度、懸架剛度、軸距、質量等參數，可以校核急加速起步時的扭矩差，各廠家可根據實際情況制定相應的校核標準和優化方案來提前規避產生加速跑偏問題的風險。

參考文獻：

[1]Donald Bastow，Geoffrey Howard，John P. Whitehead. Car Suspension and Handling [J].Wiley，No.2004-03-29：15.

[2]余志生.汽車理論（第5版）.北京：機械工業出版社，2009.183.

[3]凱迪拉克XTS底盤技術簡介[J].汽車與駕駛維修（汽車版），2013（6）：140.