低速轉向回正性能的分析及優化

夏建華 于志超 張鵬

摘 要：低速轉向回正性能是汽車操縱穩定性能重要指標，影響到駕駛安全性、舒適性、輕便性。論文針對A車型機械轉向回正不良的問題，從理論計算和實際測試數據進行分析，找出問題根源。通過優化轉向小齒輪齒形及加工精度，改善球銷套加工工藝等措施，有效降低轉向阻力矩61.3%，提升了車輛轉向回正性能。

關鍵詞：轉向系統;回正性能;優化

中圖分類號：U463.46? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）15-149-03

Abstract： Low speed steering return performance is an important index of vehicle handling stability， which affects driving safety， comfort and handiness. Aiming at the problem of the poor steering return of A vehicle which used mechanical steering， the paper analyzes the theoretical calculation and the actual test data to find out the root cause of the problem. By optimizing the tooth shape and machining accuracy of the steering pinion and improving the machining process of the spherical shell， the steering resistance torque is effectively reduced by 61.3%， and the steering return performance of the vehicle is improved.

Keywords： Steering system; Return performance; Optimization

CLC NO.： U463.46? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-149-03

前言

低速轉向回正性能是汽車操縱穩定性能評價的重要指標之一，影響到駕駛安全性、舒適性、輕便性等。汽車四輪定位參數是影響轉向回正力的主要因素，尤其是轉向輪主銷內傾角和主銷后傾角。[1]但除了四輪定位參數外，齒條式轉向器的齒輪嚙合力、擺臂和連桿等球頭的轉動摩擦阻力也直接影響到轉向回正效果。

當前理論教材和學術研究大多基于四輪定位參數對轉向力及回正力的影響展開論述和分析。靳立強等[2]通過對主銷內傾角與主銷后傾角優化設計，提升回正性能和轉向輕便性。黃炳華等[3]從理論推導汽車主動轉向系統中轉向阻力矩的影響要素，為改善轉向力及回正力提供理論基礎。苗立東等[4]、薛立軍[5]通過理論推導出前輪定位對汽車低速轉向回正性能的影響。

因為當前大多數車輛都裝配HPS或EPS轉向助力系統，所以對轉向系統中各零件的阻力矩關注相對較少。但是當車輛只裝配機械轉向系統而無輔助助力時，轉向系統各部件的設計及工藝引起的轉向阻力對低速轉向回正則有較明顯的影響。本論文以A機械轉向車型為研究對像，從零件制造工藝角度分析和優化轉向回正力矩，改善車輛轉向回正不良的問題，為轉向系統零件設計及工藝控制提供數據參考。

1 轉向回正力矩計算

汽車主銷后傾角和主銷內傾角是影響轉向回正力矩的主要因素[6]，因此定量計算時以主銷后傾角γ和主銷內傾角β引起的轉向回正力矩為主。

1.1 主銷后傾角作用的轉向回正力矩計算

如圖1所示，當車輪轉動θo時，車輪與地面接觸點b處產生與車輛離心力方向相反大小相等的摩擦力F0。因為主銷后傾角γ的存在，其作用在轉向輪上的力臂e為 ，故摩擦力F0產生阻止車輪轉動的阻力矩Mγ為：

式中：η1為轉向傳動逆向效率75%，F1為前軸軸荷470kg，r為輪胎半徑0.264m，γ為3o12，，V為車速10km/h，最大轉彎角度θ為27 o59，，g取9.8m/s2。

1.2 主銷內傾角作用的轉向回正力矩計算

如圖2所示，當車輪轉動θo時，由于主銷內傾角β的存在，前軸（轉向軸）被抬高h為 [7]，則前軸重力勢能增加F1·g·h。在重力勢能作用下，使轉向輪產生主銷內傾回正力矩Mβ為：

式中：η1為轉向傳動逆向效率75%，F1為前軸軸荷470kg，r為輪胎半徑0.264m，c為主銷偏距0.014m，β為12o30，，最大轉彎角度θ為27o59，，g取9.8m/s2。

1.3 總轉向回正力矩計算

通過上述（1）和（2）計算，主銷后傾角和主銷內傾角產生的總轉向回正力矩MHZ為：

2 轉向系統零件阻力矩測試

2.1 機械轉向器阻力矩測試

利用方向盤轉矩測試設備從機械轉向器輸入軸分別測出轉向器從左極限至右極限（圖3）和從右極限至左極限（圖4）的轉動力矩波形。

從波形來看，測量扭矩MZC峰-谷值達到2.0N.m，最大值達到3.0N.m，超出標準（0.5 N.m～1.5 N.m）扭矩1.5N.m;且波形出現周期性波動，小齒輪每旋轉1周出現1次波峰，說明小齒輪的齒形存在問題。

2.2 球頭轉動阻力矩測試

利用方向盤轉矩測試設備測試5組轉向器球頭旋轉力矩（圖5）和連桿及擺臂球頭旋轉力矩（圖6）數據，從圖5數據可以得出，轉向器球頭實測旋轉力矩MQC均值為2.16 N.m，沒有超出標準（0.5 N.m～2.5 N.m）要求。從圖6數據可以得出，擺臂球頭實測旋轉力矩MBC均值為9.42 N.m，超出標準（0.5 N.m～2.5 N.m）最大值6.92N.m;連桿球頭實測旋轉力矩MLC均值為2.7 N.m，超出標準（0.5 N.m～2.5 N.m）最大值0.2N.m。

2.3 總阻力矩

通過上述對轉向系統零件阻力矩的測試可以得出轉向系統零件總阻力矩MZ：

由此得出，轉向系統零件阻力矩MZ比標準（MMAX：9.0 N.m）要求的最大值還要大8.28N.m。且總阻力矩MZ大于回正力矩MHZ，當車輛以10km/h最大轉角行駛時，基本失去回正能力。

因此，零件阻力矩較大是轉向回正性能較差的主要因素。在四輪定位參數確定的情況下，要提高整車轉向回正性能，必須優化轉向系統零件設計，降低轉向系統零件阻力矩MZ。

3 優化改進后轉向零件阻力矩測試

3.1 轉向器小齒輪齒形優化

通過對轉向器小齒輪齒形進行優化，并提高小齒輪加工精度，改善小齒輪與齒條的嚙合平順性，優化后從左極限至右極限（圖7）和從右極限至左極限（圖8）的轉動力矩明顯降低，阻力矩MZC最大值為1.3N.m，滿足標準要求。

3.2 球頭優化

球頭旋轉力矩主要與球銷套對塑料軸承抱緊度有關，因此將擺臂球銷套尺寸由調整為，連桿球銷套尺寸由調整為。優化后（圖9）擺臂球頭旋轉力矩MBC均值為1.92N.m，連桿球頭旋轉力矩MLC均值為1.36N.m，滿足標準要求。

3.3 優化后總阻力矩

通過對轉向器小齒輪、擺臂球頭和連桿球頭力矩進行優化，優化后轉向系統零件總阻力矩的測試結果MZ為：

相比優化前降低10.54N.m，降低了61%，且各零件旋轉力矩均在標準范圍內，汽車以10km/h最大轉角行駛時，主觀評價轉向回正良好。

4 結論

低速轉向回正性能是汽車操穩性能的重要指標之一，有效降低轉向系統各零件阻力矩，不僅可以提升汽車轉向回正性能，也可以降低無用功能耗，因此合理設定工藝要求，加強過程工藝控制是零件質量提升的關鍵。

參考文獻

[1] 郭孔輝.汽車操縱穩定性[M].長春：吉林科學技術出版社，1991.

[2] 靳立強，宋傳學，彭彥宏.基于回正性與輕便性的前輪定位參數優化設計[J].農業機械學報，2006（11）：20-23.

[3] 黃炳華，陳禎福.汽車主動轉向系統中轉向阻力矩的分析與計算[J].武漢理工大學學報（信息與管理工程版），2008，30（06）：912-915.

[4] 苗立東，柴山，高保恒.前輪定位對汽車低速轉向回正性能的分析[J].機械傳動，2013，37（04）：114-117+121.

[5] 薛立軍.前輪定位角對汽車轉向回正作用的影響[J].汽車工程， 2003（02）：198-200.

[6] 王潤琪，周永軍，尹鵬.汽車前輪定位及回正力矩和轉向力的計算[J].湖南科技大學學報（自然科學版），2010，25（01）：42-46.

[7] 王文建，張雷.轉向器最大齒條力的計算與驗證[J].客車技術與研究，2015，37（04）：34-36.