商用車轉向阻力因素分析

彭璽 杜喜陽 魏超

摘要：轉向系統是車輛操控系統中的最重要的一部分，沉重的轉向受力會給駕駛員帶來較差的駕駛體驗，也給應急轉向帶來風險。針對商用車轉向系統低速轉向產生阻力的部分開展分析，論述了轉向系統中各個部分轉向阻力產生的原理、影響程度和改善方向，為改善商用車轉向操控性能提供指導思路，為今后商用汽車轉向系統的研發提供有效借鑒。

關鍵詞：商用車;轉向阻力;系統設計;制造公差;裝調工藝

中圖分類號：U463.4 收稿日期：2022-02-22

DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.04.007

l 前言

商用車作為生產勞動工具，用戶操作車輛頻繁轉向，駕駛員期待更輕便的轉向力，以降低工作強度。根據法規要求，在行駛中車輛動力源失效條件下，依然需要保持一定的轉向能力，通過分析可知，在轉向過程中有眾多相關系統參與動作，各個系統均存在阻力。為了得到更輕的轉向操作感覺，本文從轉向系統設計、零部件制造公差以及裝調工藝等方面，簡要分析論述了商用車轉向過程中的阻力來源和改善方向。

GB 17675《汽車轉向系基本要求》有以下要求：“除機械傳動機構外的任何傳動失效，應如第4.4條的規定提示駕駛員。當出現占文障時，允許平均轉向傳動比出現變化，但不允許轉向操縱力超出所規定的值”。

以上條款從法規方面限制了駕駛員操縱力，推動主機廠在降低轉向阻力方面做出努力。

商用車前橋轉向系統（圖1）設計時，首先要保證轉向手力滿足國家法規條款要求，其次，要保證手力在用戶可接受的范圍內。由于轉向系統止常工作狀態下，可以調節轉向助力系統達到減輕轉向手力的目的，但一味地提高助力會造成不必要的能量損耗，增加了成本，同時也不滿足“碳中和”理念。目前轉向阻力問題，主要體現在方向盤手力發卡沉重，應急轉向工況不同驅動形式車型、不同配置下法規通過一致性較差等方面。其實方向盤白由問隙人，也最終體現到方向盤不對中問題。如果清楚了轉向阻力產生的原理和影響方式，就可以通過整車多個部分的調教提高駕駛舒適性、安全性等一系列問題。轉向阻力產生的因素較多，有f方向盤手力、R方向盤半徑、G輪荷、P輪胎氣壓、u路面摩擦系數、Mcolumn前橋摩擦阻力、M.gear轉向器摩擦阻力、Mcolumn轉向管柱摩擦阻力、n轉向器傳動比、k專向拉桿系統傳動比、主銷后傾角瓦。重力引起的阻力矩等影響因素。下面從這些方面展開分析并提出相應的改善方向。

2 車輛結構因素

2.1 驅動橋差速摩擦影響轉向阻力

2.1.1 影響原理

首先，市面上主流商用車驅動形式包含4x2車型、6x4車型、6x2車型、8x4車型等，“×”前代表整車輪位數量，“×”后數字代表驅動輪輪位數量，即4x2代表一根轉向橋（兩個輪位）加一根驅動橋（兩個輪位），6x4代表一根轉向橋（兩個輪位）加兩根驅動橋（四個輪位）。由于存在左右輪差速設計，雙驅動橋車輛比單驅動橋車輛轉向時受到的阻力更人。

2.1.2 改善方向

a.驅動橋采用油潤滑，減少溫度較低時凝膠狀潤滑脂形成的阻力。

b.驅動橋半軸、輪轂及車輪采用輕量化方案，降低傳動系統轉動慣量。

c.降低驅動橋差速器的摩擦阻力。

2.2 軸距變化影響轉向阻力

軸距變化的影響計算中，理論上隨著軸距的增大，所需要的力矩越人，如圖2所示。

計算公式如下：

（1）

L1=a+b

（2）

M=

（3）式中，j為轉動慣量，kg'm2;m為整車質量，kg;a為汽車質心至前軸支撐點水平距離，m;b為汽車質心至后軸支撐點水平距離，m;Ll為前后支撐點水平距離，m;L2：為整車輪距，m。

根據公式可知，可以通過縮短軸距進行改善。

2.3 拉桿系統傳動比影響轉向阻力

2.3.1 拉桿系統構成

拉桿系統由轉向垂臂、連接拉桿、中問過渡垂臂、直拉桿臂、橋總成轉向節等主要零部件組成，其中垂臂和直拉桿臂的等效轉動半徑是拉桿系統傳動比的主要影響因素。由于垂臂和直拉桿臂的擺動使硬點做圓周運動，所以硬點初始角是次要影響因素。

2.3.2 直拉桿臂尺寸分析

由于地面傳遞給車輪的阻力為直接影響，所以計算公式如下：

（4）式中，F直拉桿直拉桿為直拉桿受力，N-m;Mkp為主銷受到的阻力矩，N.m2;L節臂為直拉桿臂等效轉動半徑，m。

2.3.3 改善方向

轉向橋直拉桿臂設計在布置允許條件下盡可能增人對應硬點轉動半徑。轉向器垂臂設計時，在滿足轉角要求情況下盡可能減少對應硬點轉動半徑，即增人直拉桿臂和垂臂有效長度的比值。

2.4 轉向橋載荷及參數影響轉向阻力

2.4.1根據結構開展理論分析

轉向橋載荷機構分析如圖3所示。

其中，輪胎轉動摩擦計算如下：

Mk=

（5）式中，Mk為輪胎摩擦阻力矩，N.m;u為輪胎與地面摩擦因數;Nw為輪荷（矢量），N;p為輪胎胎壓，Pa。

改善方向主要包括兩方面：a.降低轉向軸載荷;b.提高輪胎胎壓。

主銷傾角帶來的阻力矩計算如下：

（6）式中，Tkpg為傾角引起的阻力矩，N·m;erim為接地點關于旋轉中心的半徑（矢量），m;kp為輪胎摩擦阻力矩（矢量），N·m。

主銷轉動過程中存在轉動摩擦，直接疊加到Mkp上，可以采用軸承結構降低主銷轉動阻力進行改善。

2.5 轉向器參數影響轉向阻力

轉向器傳動比指的是輸入軸轉動角度和輸出軸轉動角度的比值。根據能量守恒，在理想狀態下，摩擦力矩按照比例傳遞到輸入端，若考慮效率，則需要增加傳遞效率系數。DCDE4D68-9311-4E50-B59F-543025F597C7

改善方向主要有兩點：a.選用人速比轉向器，降低轉向轉向手力：b.采用磨齒工藝，降低轉向器齒輪系的摩擦。

2.6 轉向傳動裝置影響轉向阻力

轉向柱是由多段連接組成，每一段之問由萬向節連接，由于多段轉向柱形成空問夾角，在傳動過程中存住相位差，形成波形力矩，超過部分即為阻力。

改善方向主要有兩點：a.選用人速比轉向器，降低輸入端阻力矩;b.采用磨齒工藝，降低轉向器齒輪系的摩擦。

方向盤是駕駛員操控車輛方向最直接的零件，根據轉矩和手力的關系可知，輸入端阻力矩一定的情況下，方向盤有效半徑越人，轉向手力越小，公式如下：

Mh=F·R

（7）式中，Mh為方向盤轉動力矩，N·m;F為方向盤手力，N;R為方向盤有效半徑，m。

根據市場上主流的商用車主機廠方向盤設計（圖4）來看，均考慮了人機交互和輕手力要求的平衡。

在用戶人機交互可以接受的前提下，增加方向盤有效半徑可以有效改善。

3 結語

本義針對商用車轉向阻力進行分析，通過市場調研和理論分析，從整車狀態、系統匹配、零部件設計等方面，提出在低速或者原地轉向條件下的轉向阻力來源和改善方向，為轉向特性研究提供幫助，尤其針對應急轉向法規的實施有指導意義和參考價值。

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作者簡介：

彭璽，男，1992年生，工程師，研究方向為前橋轉向設計開發。DCDE4D68-9311-4E50-B59F-543025F597C7