某車型轉向系統力矩波動優化設計

摘 要：轉向手感是影響汽車舒適性評價的重要指標之一，而轉向系統的力矩波動會對轉向手感有較大影響。對于汽車轉向系統而言，合理的硬點布置以及中間軸相位角能夠有效減小轉向系統的力矩波動，從而保證駕駛的轉向手感。本文針對某車型的轉向系統的力矩波動進行了深入研究，從硬點布置、中間軸相位角等影響因素進行分析，并運用理論計算和CATIA仿真兩種方法進行優化設計驗證，結果表明優化后的硬點布置能夠將力矩波動值控制在設計范圍內，并且針對方向盤零位的力矩波動進行匹配優化，能夠有效提升駕駛員的轉向手感。

關鍵詞：轉向系統 力矩波動 中間軸相位角 優化設計

1 前言

隨著汽車開發技術的不斷進步，越來越多的用戶更加關注汽車的舒適性，操縱穩定性以及安全性。汽車在轉向時，受到來自路面反饋的力并通過方向盤傳遞到駕駛員。轉向手感會對用戶的駕駛體驗產生極大的影響，而轉向手感是整車性能的綜合表現，因此為了給用戶一個更好的駕駛體驗，需要不斷提升整車的各項性能。其中影響最大的因素之一就是力矩波動，如果力矩波動設計不合理，在汽車轉向時，就會讓駕駛員感覺方向盤時輕時重，轉向力不均勻，會導致駕駛舒適性下降并且會對駕駛的安全性產生一定影響。對于具有上下調節功能的轉向管柱，理論上應該關注管柱上、中、下三個位置的力矩波動。目前國內主機廠大部分只關注在中間設計位置時的力矩波動滿足設計要求。少部分主機廠也會關注轉向管柱上下調節位置的力矩波動情況。但未對波動的相位分布情況進行分析。

針對以上不足，本文分析了轉向系統力矩波動理論，其次通過理論計算和CATIA仿真兩種方法，從硬點、中間軸相位角以及方向盤中間位置的波動相位情況進行優化，取得了一定的優化效果。可以為后續轉向系統的力矩波動設計開發提供一定的借鑒意義。

2 轉向系統力矩波動理論

轉向系統結構中包含十字軸式萬向節的中間軸，單十字軸萬向節不等速性，經過推導可得出如下關系：

（1）

式中：為主動軸轉速、為從動軸轉速；為AO與BO的夾角，即輸入軸和輸出軸夾角；為主動軸節叉轉角，以上公式適用于主動軸節叉初始角，即主動軸節位于叉初始位置：主動軸節叉中心平面（ADC平面）與輸入軸和輸出軸形成平面（AOB平面）重合。

目前針對C-EPS常采用的結構形式是三段式中間軸，可以推導出雙十字軸萬向節的不等速性如式（2）所示：

（2）

式中：為中間軸轉速、為輸出軸轉速；為中間軸和輸出軸夾角；為中間軸上節叉轉角；為中間軸相位角；為平面角。現有關于力矩波動的計算公式對角度定義并不明確，因此首先定義方向盤轉角，以對中標記線為參考，轉角順時針旋轉為正，逆時針旋轉為負。取值范圍：-180。～180。。將整個轉向系統結構進行簡化，簡化后的轉向系統用硬點表示如圖1所示：

轉向系統的硬點A、B、C、D點形成軸線AB、BC、CD。輸入軸和中間軸所在平面，即AB-BC平面記為p1，中間軸和輸出軸所在平面，即BC-CD平面記為p2，由根據能量守恒定律，定義主、從動轉矩分別為T1、T2，若忽略摩擦等損失，則存在：可以得到式（3）：

（3）

3 某車型轉向系統力矩波動分析

轉向系統力矩波動理論計算：

首先根據轉向系統初步布置對力矩波動進行校核，如表1所示為某車型轉向系統硬點坐標。

根據硬點坐標，可以計算得出夾角、、平面角，考慮管柱上下調節，經表格計算得到該硬點布置下的轉向系統力矩波動情況如圖6所示，力矩波動值：設計位置5.93%，上調節5.12%，下調節8.37%，相位角35deg。

圖２中藍色曲線代表管柱位于設計位置，綠色曲線代表管柱上調節位置，紅色曲線代表管柱下調節。為了進一步提升轉向性能，目前大部分主機廠都現目前要求<5%，從計算結果來看，管柱上調節位置的波動值達到了8.37%，會影響駕駛員的轉向手感。經校核，在該硬點布置下，調整相位角無法滿足要求，因此需要重新進行硬點布置進行優化。

4 某車型轉向系統力矩優化設計

4.1 硬點布置與中間軸相位角優化

在轉向系統的硬點布置中通常會考慮人機布置以及周邊件的影響，若出現力矩波動不滿足設計要求的情況，則需要進行力矩波動的優化。首先根據初步布置的硬點確定一個相位角，如果不滿足力矩波動<5%的要求，則重新調整硬點，根據調整后的硬點再次確定新的相位角，再帶入計算，直至滿足要求。

結合整車開發范圍和降低開發費用要求，在前期布置中，為保證前圍板、前儀表橫梁等周邊件的沿用性，A、B點硬點位置保持不變，C點處中間軸的布置空間有限，初步的硬點布置不能滿足力矩波動要求。綜合考慮，為保證轉向系統力矩波動性能滿足要求，從C點優化，經調整后的硬點如表2所示。

為了得到更加準確的驗證結果，本文從理論計算和DMU仿真兩種方法進行對比驗證，結果表明，重新布置后的硬點能夠滿足力矩波動<5%的要求，并且兩種方法得出的力矩波動值非常接近，其中在設計位置為0.46%，上調節3.78%，下調節3.39%，如表3所示。

4.2 方向盤中位力矩波動優化

在轉向手感主觀評價中，對轉向中位感的關注度額外高，其中力矩波動的波峰和波谷值分布情況對轉向中位感影響很大。通過分析力矩波動相位分布的幾種情況可知，若在方向盤處于零位時，力矩波動為0，或者處于波峰和波谷之間，則力矩波動會出現左右不對稱的情況，駕駛員在轉動方向盤會感覺到左右手感不一致，影響駕駛體驗。

若方向盤零位時位于波谷，則T3<T1，輸出力小于輸入力，駕駛員在方向盤中位附近會感到阻力較大，有利于保持轉向中位感，隨著方向盤轉角增大，輸出力增大趨勢，有利于轉向輕便性，若方向盤零位時位于波峰，則T3>T1，輸出力大于輸入力，隨著方向盤轉角增大，輸出力呈現減小趨勢，不利于轉向輕便性。因此，我們將力矩波動峰值優化到波谷位置，即方向盤轉角零位時，力矩波動處于波谷位置。對影響波動相位的因素進行分析：一個是中間軸相位角，一個是初始節叉角，最終經調整得到的中間軸相位角為36.6deg，初始節叉相位角為-124deg，可以滿足方向盤零位力矩波動處于波谷位置，如圖5所示，即完成對轉向系統力矩波動的優化。

5 結論

本文對力矩波動的理論計算方法進行了詳細推導，修正了理論計算公式的不足，并運用理論計算和DMU仿真兩種方法進行對比驗證，結果表明，優化后的硬點布置能夠滿足力矩波動<5%的要求，驗證了修正之后的理論計算公式的正確性。

本文還對力矩波動的相位分布情況進行了優化，在方向盤零位時，力矩波動處于波谷，使得轉向手感左右對稱，有利于力矩建立以及保持較好的中位感，有助于提升轉向手感，獲得更好的駕駛體驗。

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