商用車方向盤不對中因素探討

彭璽 張騰心 甘曉珍

摘要：商用車住整車線上裝配、整車下線調整檢測等環節，已經采取了方向盤對中裝配調整工藝，但下線車輛行駛幾公里后，方向盤位置不對中問題依然存在。從轉向系統設計、零部件制造公差以及裝調工藝等方面，論述了商用車方向盤不對中影響因素，提出了保證商用車方向盤對中的改善方案。

關鍵詞：商用車;方向盤對中;系統設計;制造公差;裝調工藝

中圖分類號：U463.81 收稿日期：2022-02-09

DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.04.015

l 前言

GB 7258-2017《機動車運行安全技術條件》與方向盤對中位置有關的條款，有以下四條：

a.機動車的方向盤應轉動靈活，無卡滯現象。

b.機動車正常行駛時，轉向輪轉向后應有一定的回止能力，允許方向盤有殘余角，以使機動車具有穩定的直線行駛能力。

c.機動車在平坦硬實十燥清潔的道路上行駛不應跑偏，其方向盤不應有擺振等異常現象。

d.機動車方向盤的最人自由轉動量按車型分應滿足條件最人設計車速≥100 km/h的機動車≤15°;三輪汽車≥35°：其他機動車≤25°。

以上條款從車輛駕駛舒適性、操控性、穩定性和安全性方面，定義了方向盤特性和功能。方向盤中間位置，通常用方向盤幅條位置來衡量，如圖l所示。方向盤不住中間位置時，機動車住平坦硬實道路上行駛會出現跑偏;方向盤不住中問位置時，機動車轉向后，方向盤不可能完全返回到中問位置，方向盤殘余角（也稱為方向盤不對中角度）會繼續增人，從而不滿足法規要求。下面從這些方面展開分析并提出相應的對策。

2 車輛結構因素

首先，車輛使用工況存在車輛空載整備質量、滿載承載質量等多工況前橋軸荷差異，前橋軸荷差異會產生方向盤不對中。其次，從車輪到方向盤之間，轉向、懸架系統存在幾何或運動十涉，這些幾何或運動十涉，也會產生方向盤不對中。

2.1 前橋載荷差異

眾所周知，商用車空載和滿載工況下的前橋軸荷是有差異的。顯然，車輛空載時前橋軸荷相對較小，板簧弧高較人，輪心至車架上平面距離高;相反，車輛滿載時前橋軸荷相對較人，板簧弧高較小，輪心至車架上平面距離低。

前橋轉向拉桿系統設計計算時，轉向垂臂球銷坐標，直拉桿上節臂球銷坐標統一以車輪輪心即主銷中心坐標參考點。輪心為原點，X軸由經過主銷中心指向汽車前進方向，Z軸經過主銷中心指向車架上平面方向。車輛空載時輪心至車架上平面距離變人，垂臂球銷中心Z垂臂坐標相對上節臂球銷Z節臂坐標變人，空載工況相對滿載工況，垂臂球銷點和上節臂球銷點之問空問距離要變大，如圖2所示。而直拉桿長度是以滿載工況為基準設計制造的，且通常情況下，直拉桿結構設計長度是固定不可調整的。因此，空載和滿載情況下，垂臂初始擺角發生變化，導斂方向盤中問位置發生偏離。

前橋空載和滿載軸荷差異，產生直拉桿長度偏差，帶來的方向盤偏離中問位置角度。

助力轉向機對轉向垂臂初始角變化有一種放人的效果，假設助力轉向機傳動比為20，則產生方向盤向右偏轉角度為40x20=800。

2.1.1 傳統對中裝配：方向盤向左偏斜

商用車在線裝配過程中，通過在零部件上標記刻線，采用配對零部件對齊刻線裝配，以保證方向盤裝配狀態與設計一斂。但由于零部件設計開發是以滿載工況為基準，而商用車在線裝配調整時，車輛處于空載工況，按照上面計算說明必定產生方向盤偏斜，若此時強行進行方向盤對中裝配，當用戶滿載使用時，前軸由空載到滿載變化，轉向垂臂必定向前偏轉一個角度，方向盤跟隨向左偏斜，如圖3所示。

2.1.2 裝配改進：裝配偏斜彌補

VOLVO日產UD采用裝調工藝彌補法來解決這個問題。事先計算空載與滿載前橋軸荷變化引起的輪心高差異、直拉桿長度變化、引起的垂臂向后偏擺角度值、方向盤向右偏轉的角度值（上表估算為80°）;然后在整車空載整備質量狀態裝調方向盤時，有意將方向盤中問位置（幅條位置）向右偏轉相應角度R點（例如80。），這樣當車輛滿載時前橋軸荷增加，則方向盤向芹偏轉（例如80°），方向盤位置剛好處于中間位置處，如圖4所示。

以上從裝配角度介紹了矯止方向盤偏斜角的措施。設計上可以從優化垂臂初始角、預先讓垂臂初始角朝反向偏離，作為補償角度，然后再進行拉桿系統設計，以平衡軸荷變化引起的垂臂偏轉，減小方向盤偏斜角度。

2.2 轉向和懸架系統干涉

眾所周知，轉向和懸架系統系統存在干涉，這種十涉分為兩種，一種為幾何定位靜態干涉，一種為運動屬性動態干涉。

2.2.1 靜態干涉

前橋在車架上的定位和姿態，是通過鋼板板簧來保證。

前橋在整車上的縱向（X向），橫向（y向），高度方向（Z向）位置由鋼板彈簧長度，鋼板彈簧板簧固定端與中心孔距離及鋼板彈簧弧高確定的。整車坐標定位，一般以前橋主銷中心（也稱為車輪中心）定義為X方向的零位定位，前橋轉向系統計算時以主銷中心位置作為x方向零位。事實上，主銷中心時刻處于鋼板彈簧中心孔位置，如圖5～圖6所示。由于鋼板彈簧中心孔受后傾角的影響，板簧后傾狀態的中心孔，比板簧伸直水平放置狀態（弧高為零）的中心孔靠前，前橋裝配到板簧上時，前橋主銷中心相對零位向前偏移，即整車理論零位和實際零位相差，導斂直拉桿長度理論計算值比實際長度需求值長，使得垂臂向前偏轉一個角度（假設為1°），方向盤相應向左偏轉一個角度20°（假設轉向機傳動比為20），即方向盤中問位置向左發生偏轉20°。

根據圖6，可以分別計算板簧住安裝角度為零、安裝角度為a，板簧安裝中心水平位置x與板簧弧高y之問的進行計算[1]。

板簧安裝角度為零時，板簧安裝中心水平位移x與弧高關系y，公式如下：1DD00931-FF1F-4701-A1DD-783DF9A7B2B3

板簧裝角度為a時，板簧安裝中心水平位移x與弧高關系y，公式如下：

假設板簧半長，為865 mm，板簧固定端卷耳半徑r為35mm，則板簧在弧高y和安裝角為零度，安裝角為a時，板簧安裝中心水平位移變化Ax（即板簧安裝中心水平前移量）如圖7所示。

從以上計算可以看出，板簧有弧高時，板簧安裝中心水平位移往前偏。有安裝角度時，偏移量比無安裝角度前移量小。

商用車在線裝配為空載整備質量工況，前橋裝配到板簧上后，前橋主銷中心相對理論零位向前偏移，如圖8所示。

以上分析計算說明，板簧安裝中心并非理論坐標原點，因此板簧固定端支架安裝孔位坐標應考慮板簧安裝中心前移的影響，不能按板簧伸直長度半長來確定板簧固定端支架安裝孔位，需要通過理論計算并實際臺架測試滿載工況下的弧高和弦長來確定板簧前后支架孔位。

2.2.2 動態干涉

眾所周知，轉向和懸架系統還存住動態運動干涉。車輛行駛時，當車輪做上下跳動鋼板弧高發生動態變化時，前橋轉向節臂球銷中心，一方面隨同鋼板彈簧跳動中心做圓弧運動，一方面隨同垂臂球銷中心做圓弧運動，這兩種運動存在運動十涉，稱為垂直跳動十涉[2]，如圖9所示。這種因車輪跳動板簧弧高變化導致的動念十涉，會使垂臂向前或向后偏轉一個角度，相應引起方向盤中間位置向芹或向右偏轉。前橋車輪跳動板簧弧高的變化是隨機的，即車輪可能向上跳動，也可能向下跳動，因此方向盤中間位置偏轉也是隨機的，可能向左偏轉，也可能向右偏轉。

如圖9所示，利用作圖法進行轉向桿系與懸架布置分析[3]：a.彈簧主片中心點的位置A的軌跡為一圓弧，先確定圓心0A的位置;b.轉向節臂與直拉桿的球鉸中心點B與A→起作平移運動，連接0A A和AB，作平行四邊形OA ABOB;COB為點B的回轉中心，BOB為懸架決定的B點的運動軌跡（圓弧），計算如下：

（6）

（7）式中，r為卷耳半徑，mm;L。為鋼板彈簧的有效長度，mm。

根據作圖法，轉向節臂上球頭銷點B的繞圓心OL的運動軌跡：

（X-X1）2+（Z-Z1）2=L2（8）

當主片處于任何弧高時，軌跡圓弧半徑與基線的夾角為：

（9）

由于ABOA0B是平行四邊形，根據平行四邊形法則，可求出點OB在整車下的坐標為：

XB=X2-Rcos（a+Ф）（10）

ZB=Z2+Rsin（a+Ф）

則轉向節臂上球頭銷點B的繞圓心OB的運動軌跡：

（X-XB）2+（Z-ZB）2=R2 （ll）

轉向與懸架跳動運動十涉產生的方向盤偏轉方向是隨機的。

垂臂球銷中心坐標盡量靠近鋼板彈簧圓弧軌跡中心，上節臂球銷坐標盡量靠近鋼板彈簧主片中心，達到減小垂直跳動十涉量的目的。

3 零部件制造公差

前橋和轉向系統即從前橋車輪到方向盤之問零部件制造公差，會影響到方向盤不對中，這些零部件有轉向直拉桿、轉向垂臂、助力轉向機、轉向傳動裝置等。與前橋轉向相關的懸架系統重要零部件制造公差，也會影響到方向盤不對中，如鋼板彈簧等。

3.1 轉向直拉桿

轉向直拉桿是一根空問運動二力桿，車輪左右轉向過程中，直拉桿可能與周圍零部件如前橋輪胎、制動器、鋼板彈簧、釧板彈簧固定端支架等零部件發生十涉，直拉桿必須設計成為一根具有多個折彎的空間彎管，折彎點比較多，受折彎工藝影響，直拉桿空問長度公差不易控制住較小范圍內，目前國內工藝水平直拉桿長度公差僅能控制住±2.5 mm內。而直拉桿長度公差最直接影響方向盤中問位置偏移量。

3.2 轉向垂臂

轉向垂臂通過花鍵，與轉向機的搖臂軸連接，將轉向機旋轉運動轉化為轉向直拉桿前后擺動，推動車輪左右轉向，完成轉向功能。一方面，由于轉向機轉動圈數較多（4.5圈以上），一般在轉向機搖臂軸花鍵上刻有刻痕，代表轉向機中問位置。另一方面，車輪左右轉向過程中，轉向垂臂相應地朝前后方向擺動，一般也在垂臂內花鍵上也刻有刻痕，代表車輪中間位置。這樣轉向垂臂上的刻痕對上轉向機搖臂軸的刻痕，從設計角度保證車輪處于中問位置時，轉向機和方向盤止好處于中間位置。因此轉向垂臂內花鍵齒上的角度公差，最直接影響方向盤中間位置偏移量，目前國內花鍵齒刻痕角度公差僅能控制住±45°。

3.3 助力轉向機

前橋車輪至方向盤傳遞過程，包含動力學和運動學兩方面傳遞，其中助力轉向機為核心樞紐，助力轉向機傳遞力矩和角位移，助力轉向機自由問隙，直接影響方向盤的對中特性。由于助力轉向機內部結構復雜，內部有齒輪齒條副、渦輪蝸桿循環球副、軸承襯套副以及轉閥扭桿對中副等，因此助力轉向機存在一定自由問隙，轉向機自由問隙直接對應著方向盤不對中度。

轉向機搖臂軸上花鍵齒刻痕，也直接影響方向盤不對中偏移量。

3.4 轉向傳動裝置

轉向傳動裝置通過萬向節叉和滑動花鍵副，將轉向機和方向盤相連。由于方向盤位于駕駛艙內，轉向機位于車架底盤上，駕駛室還需要具有翻轉功能，轉向傳動裝置為空問傳遞機構。轉向傳動裝置至少具有兩組萬向節，實現方向盤和轉向機之間的空間鉸鏈接;轉向傳動裝置具有可滑動花鍵軸花鍵套連接，實現駕駛室翻轉及顛簸路上所需要的轉向裝置長度自由伸縮功能。

由于萬向節叉也是通過花鍵副軸承副相連，花鍵副軸承副之間有配合間隙：滑動花鍵軸花鍵套之間也有配合間隙，因此轉向傳動裝置也有自由間隙。轉向傳動裝置傳遞的力矩較小，轉向傳動裝置自由問隙相對較小，一般不人于1°。

3.5 前橋鋼板彈簧

鋼板彈簧弧高決定鋼板彈簧長度，而鋼板彈簧長度決定前橋中心的位置，如圖10所示。可以看出，由于前橋左右鋼板彈簧長度（e1，e2）存在公差（目前為±6），則必定導致前橋零位與理論零位有偏差。1DD00931-FF1F-4701-A1DD-783DF9A7B2B3

因此，建議提高板簧制造工藝水平，來減小前橋鋼板彈簧弧高公差，以減小方向盤不對中的偏移量。

4 整車裝配調整

上義從車輛轉向系統結構設計方面、零部件制造工藝方面分析了商用車方向盤不對中的影響因素及改善建議，這些改善建議只能在一定程度上減小方向盤不對中的偏移量。因此，還需要在整車裝配、整車調整方面采取一些措施，將方向盤不對中偏移量控制在最小范圍，使出廠商品車滿足GB 7258-2017法規要求和用戶使用要求。

車輛裝配環節分零部件分裝和整車線上裝配。零部件分裝主要有前橋和板簧分裝、轉向機和垂臂分裝，整車線上裝配主要有轉向傳動裝置和轉向機的裝配、方向盤和轉向傳動裝置的裝配。

4.1 整乍裝配

前橋和板簧分裝工藝，對方向盤不對中偏移影響較人，上面已經介紹板簧弧高存在制造公差，因此前橋和板簧分裝時，要求同一前橋上左右兩側板簧長度和弧高配對裝配，即“一”對“一”裝配，“O”對“O”裝配，“+”對“+”裝配。其次，前橋和板簧分裝時，要求前橋和板簧對中裝配，即通過裝夾工裝，保證左右板簧和前橋垂直對中裝配，避免前橋與板簧不垂直出現歪斜。

轉向機和垂臂分裝，按照垂臂花鍵齒上刻痕和轉向機搖臂軸花鍵齒上刻度線對齊裝配便可，避免刻度線錯齒裝配，造成方向盤較人的不對中偏移量。轉向機搖臂和垂臂花鍵齒數一般為48齒，假設錯一齒裝配，造成垂臂擺角偏差為360/48=7.5°，假設轉向機傳動比為20，則造成方向盤不對中角度=7.5 x20=150°。顯然，垂臂和轉向機刻度線對其裝配，對方向盤不對中偏移量影響非常人。

轉向傳動裝置分裝，轉向機輸入軸花鍵齒上也刻有對中裝配刻痕，轉向傳動裝置的萬向節叉內花鍵齒上也刻有裝配刻痕，裝配轉向傳動裝置時，對其裝配刻痕便可，避免刻度線錯齒裝配，造成方向盤較人的不對中偏移量。轉向機輸入軸和萬向節花鍵齒數一般為79齒，假設錯一齒裝配，造成垂臂擺角偏差為360。/79=4.5°，則造成方向盤不對中角度=4.5°。顯然，垂臂和轉向機刻度線對其裝配，對方向盤不對中偏移量也有影響。

4.2 整車調整

方向盤裝配為裝車裝配最后一個環節，最后所有累計公差都集中在方向盤裝配環節，因此方向盤裝配調整非常重要，如果這個環節裝配調整工藝合適，可以將所有累計公差降低到最小，以保證方向盤不對中偏移量在法規和使用要求范圍內。

由于車輛存在以上各方面的影響因素，裝配方向盤時應盡量消除這些影響因素，例如在車輛輪胎未裝配、車輛未下地、前橋處于懸空狀態、前橋軸荷為“零軸荷”時，對中裝配方向盤，當車輛落地，行駛較短距離例如1 km，方向盤幅條位置一定會發生偏移，即方向盤不處于對中位置了。

5 結語

針對方向盤不對中的故障模式、原因和影響因素進行了分析，對其主要影響因素還進行了試驗驗證，并得到了接近實際情況的驗證結論，針對轉向系統設計、零部件制造公差以及裝調工藝等方面提出了改善方向，對商用車轉向操縱穩定性提升有指導意義，對轉向系統設計具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]余志生汽車理論[M]5版北京：機械工業出版社，2011.

[2]王望予.汽車設計[M]北京：機械工業出版社，2004.

[3]王霄鋒.汽車懸架和轉向系統設計[M].北京：清華大學出版社，2015.

[4]吉林工業大學汽車教研室汽車構造（下冊）[M].北京：人民交通出版社.1976

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。1DD00931-FF1F-4701-A1DD-783DF9A7B2B3