某中型4×2載貨車方向盤自動偏轉問題的分析與改進

史為成

摘 要：針對某中型4×2載貨車空車到裝滿貨物后方向盤自動偏轉的問題，文章從轉向傳動系統與前懸架系統運動協調性的角度進行分析，分別借助作圖法和ADAMS軟件對轉向傳動系統與前懸架系統之間運動干涉量進行計算分析，并提出具體的優化改進措施，解決整車加載過程中方向盤偏轉的問題。

關鍵詞：轉向系統;前懸架系統;運動干涉;分析;改進

中圖分類號：U462 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）06-115-03

Abstract： Aiming at the problem that the steering wheel is automatically deflected when a medium-sized 4×2 truck is loaded with goods， this paper analyzes the coordination between the steering system and the front suspension system. By means of the mapping method and ADAMS software， Driving system and the front suspension system， and puts forward some concrete optimization and improvement measures to solve the problem of steering wheel deflection during vehicle loading.

Keywords： Steering system; Front suspension system; Motion interference; Analysis; Improvement

CLC NO.： U462 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）06-115-03

1 前言

某中型4×2載貨車市場反饋空車到裝滿貨物后方向盤發生自動偏轉的問題，最大偏轉角度達20°，方向盤自動偏轉阻擋了駕駛員觀察儀表盤的視野，影響了駕駛的舒適性。另一方面，當汽車經過顛簸路面時，方向盤產生異常擺動，甚至發生打手的現象，影響了駕駛的安全性。針對該問題，從理論設計的角度筆者采用作圖法和ADMAS運動仿真的方法對前懸架系統和轉向傳動系統的運動過程進行了模擬，計算出了空車到裝滿貨物后方向盤的偏轉角度，并且提出了具體的優化改進措施，經過計算分析和加載試驗，優化改進后該問題得以徹底解決。所涉及的車輛基本配置如下表1。

2 原因分析

汽車從空車到裝滿貨物的過程中，前軸載荷逐漸增大，前懸架鋼板彈簧弧高逐漸變小，而轉向節彎臂與縱拉桿的鉸接點（球銷中心A1）一方面隨著鋼板彈簧主片中心C所決定的軌跡JJ'運動，同時又繞著縱拉桿另一端B1點擺動，其擺動軌跡KK'。由于轉向傳動系統零部件空間布置的限制，導致運動軌跡JJ'和運動軌跡KK'不一致，其兩者運動的差值即為轉向傳動系統與前懸架系統的運動干涉量。汽車在空車到裝滿貨物的過程中，如該干涉量過大，勢必會導致轉向垂臂擺動一個角度，直接會傳遞到方向盤上，使方向盤偏轉一定的角度。如果其偏轉的角度超出轉向傳動機構的自由間隙，方向盤就會發生偏轉的現象。下圖1為轉向系統與懸架系統的運動模型。

3 現有轉向傳動系統與懸架系統干涉量校核

該車實際使用過程中，空車前軸軸荷3t，裝滿貨物后（滿載）前軸載荷6t，以下校核過程均以實際使用時的前軸載荷為依據。下表2、3為轉向系統與前懸架系統的主要結構及性能參數。

3.1 根據汽車設計手冊中的作圖法計算

根據轉向傳動系統及前懸架系統各個元件在整車上的布置關系，在UG草圖環境中確定出轉向傳動系統與懸架系統各個關鍵點坐標，并按汽車設計手冊所描述的方法繪制出運動干涉量圖，其校核結果如圖2所示。

計算結果顯示，從空載到滿載懸架運動過程中，運動干涉量最大θ0為4.2mm，垂臂長度L1為195mm，導致垂臂的擺動角度 ?=1.23°，忽略轉向傳動機構傳動間隙，方向盤轉動的角度θ=θ1i=1.23°×20.48=25.2°。

由以上計算結果可以看出，車輛空車狀態到裝滿貨物（滿載）的過程中，前懸架弧高變化35mm，方向盤偏轉25.2°。

3.2 運用ADAMS運動仿真方法進行計算

在ADAMS環境中建立轉向傳動系—前懸架運動學模型，對其在前懸架跳動工況下進行運動仿真分析。空車（前軸負荷3t）到滿載（前軸負荷6t）跳動工況轉向輪偏轉角度分析結果如下圖3所示。

由以上分析結果可以看出，車輛從空車到滿載過程中轉向輪偏轉角度最大為η=1.2°，其轉向傳動系統與懸架系統最大干涉量 ? =4.5mm，垂臂擺動角度 ? =1.33°，忽略轉向傳動機構傳動間隙，方向盤轉動的角度 ?=1.33°×20.48=27.2°。

由以上計算結果可以看出，車輛空車狀態到裝滿貨物（滿載）的過程中，方向盤偏轉27.2°。

3.3 現有轉向傳動系統與懸架系統干涉量校核結論

為了避免單獨使用一種計算方法帶來的計算誤差，取兩種計算方法所求得結果的平均值作為最終的計算結果，即該車輛從空載（前軸負荷3t）到滿載（前軸負荷6t）工況的過程中，方向盤偏轉角度 ? =26.2°

通過以上計算分析可以看出，轉向傳動系統與懸架系統干涉量過大是導致方向盤從空車到滿載過程中自動偏轉的主要原因。

4 轉向傳動系統與懸架系統干涉量優化改進

轉向節彎臂與縱拉桿的鉸接點A1與轉向垂臂縱拉桿的鉸接點B1兩者的相對位置是影響系統干涉量的主要因素，本文在現有車型平臺的基礎上，對A1與B1兩者之間的相對位置進行調整，以減小系統的干涉量，消除方向盤的偏轉問題。

根據3.1中所述的作圖法作圖的結果可以看出，降低B1的位置有利于減小系統干涉量。為了解決現有問題，同時避免系統各個零部件之間運動過程總不會存在干涉問題。使B1點的位置降低60mm。

4.1 運用ADAMS運動仿真方法進行校核

根據以上優化改進方案，在ADAMS環境中建立轉向傳動系—前懸架運動學模型，對其在前懸架跳動工況下進行運動仿真分析。空車（前軸負荷3t）到滿載（前軸負荷6t）跳動工況轉向輪偏轉角度優化改進前后分析結果如下圖4所示。

由以上仿真分析結果可知，優化改進后，轉向輪最大轉角值明顯降低，左前輪偏轉角度即轉向與懸架系統的干涉量保持在一個相對較小的區域中，左前輪最大偏轉角度η'為0.28°，其轉向傳動系統與懸架系統最大干涉量 ?= 1.1，垂臂擺動角度 ? =0.31°;忽略轉向傳動機構傳動間隙，方向盤轉動的角度 =0.31°×20.48=6.3°

4.2 優化改進后效果分析

通過以上計算分析可知，優化改進后車輛在空車到滿載的過程中轉向傳動系統與懸架系統干涉量明顯降低。優化前后在空車到滿載的過程中方向盤偏轉角度等各參數對比情況見表4所示：

由以上理論計算結果對比分析可知，優化改進后在空車到滿載的過程中方向盤偏轉角度為0°，方向盤自動偏轉問題得以解決。

5 試驗驗證

在優化改進工作完成后，進行了樣車的裝車及加載試驗，并對空載（前軸負荷3t）到滿載（前軸負荷6t）加載過程中方向盤偏轉情況進行了測量，在加載過程中對方向盤偏轉角度進行測量，加載試驗過程中方向盤未發生偏轉現象。從而，優化后空車到滿載過程中方向盤偏轉問題得以徹底解決。

6 結束語

本文針對某中型載貨車空車到裝滿貨物后方向盤發生自動偏轉的問題進行了詳細的理論計算分析，提出了方向盤自動偏轉問題的主要原因，制定了優化改進措施，通過優化轉向傳動系統與懸架系統的運動干涉量，使問題徹底解決，試驗驗證效果良好，消除了車輛行駛的安全隱患。該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。

參考文獻

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[2] 王望予.汽車設計.機械工業出版社，2004.

[3]《汽車工程手冊》編輯委員會.汽車工程手冊設計篇[M] .人民交通出版社，2001.