某新能源輕型商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)與校核

中圖分類號(hào)：U463 DOI：10.20042/j.cnki.1009-4903.2025.01.013

Matching Designand Verificationof Steering System fora New Energy Light Commercial Vehicle

Abstract：Inordertofurtherimprovethestabityandsafetyofthesteeringsystemofnwenergylightcommercialvehicleseducethe forcerequiredyingtiproes，wrtilyfationdtthqiementsofrivlit andcomfort.Thisarticletakesacertainnewenergylightcommercialvehicleastheresearchobjectandelaboratesindetailonthe matchingdesignndverificationprossofisteringstem.Itmmarestheprameterlculatioalysisndmpatie verificationofthemaincomponentsoftesteringsystemfromdesigninputtooutputandselectsareasonablesteeingsystem matchingschemebasedontheoveralldesignrequirementsof thevehicleforthesteeringsystem.Thisresearchcontenthascertain referencesignificanceforthecurrentdesignanddevelopmentworkofsteeringsystemsfornewenergylightcommercialehicles. Keywords：Newenergylightcommercialvehicles；Returnability；Steering System；Matched Design；Calculationandcheck

0引

近年來(lái)，在“推進(jìn)生態(tài)優(yōu)先、節(jié)約集約、綠色低碳發(fā)展”的理念引領(lǐng)下，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化升級(jí)，社會(huì)環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)。其中，商用車行業(yè)作為交通領(lǐng)域碳減排目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵一環(huán)，新能源技術(shù)得到了逐步推廣和應(yīng)用。隨著物流行業(yè)的快速發(fā)展，新能源輕型商用車市場(chǎng)需求日益增長(zhǎng)，市場(chǎng)滲透率不斷提高[]。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為新能源輕型商用車的關(guān)鍵執(zhí)行部件，是整車操控性能的關(guān)鍵載體。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能不僅直接影響駕駛員的操縱輕便性和舒適性，還決定了車輛行駛的穩(wěn)定性和安全性。本文以某新能源輕型商用車為研究對(duì)象，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)與校核過(guò)程進(jìn)行闡述，明確設(shè)計(jì)要求及原則，篩選出一套合理的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配方案，為新能源輕型商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作提供了一定參考。

力轉(zhuǎn)向器上。這樣可以減輕駕駛員在車輛低速行駛、停車和轉(zhuǎn)彎等情況下轉(zhuǎn)向時(shí)施加的力，降低轉(zhuǎn)向操控難度，實(shí)現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向操作，從而提高駕駛的輕便性和舒適性。某新能源輕型商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)組成及工作原理

目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的新能源輕型商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器（EPS）3大部分組成[2。轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)的主要作用是將駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力，通過(guò)轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸等轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置傳遞到電動(dòng)助

2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及主要輸入

新能源輕型商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)原則為：首先需要根據(jù)整車總體布置方案，初步確定轉(zhuǎn)向器的安裝位置及運(yùn)動(dòng)空間。其次，根據(jù)整車主要性能參數(shù)輸入，以前橋常用軸荷作為動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)，結(jié)合車輛使用的道路條件及載荷特征，在標(biāo)定軸荷的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，匹配相適應(yīng)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向器總成（EPS）隨后，按照轉(zhuǎn)向器在車架上的位置和圖紙，結(jié)合前軸、懸架等部件，繪制轉(zhuǎn)向直拉桿與懸架的運(yùn)動(dòng)干涉圖，計(jì)算最小轉(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)向操縱力，并進(jìn)行直拉桿強(qiáng)度校核等[2]。某新能源輕型商用車主要參數(shù)輸入如表1所示。

3動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要參數(shù)設(shè)計(jì)

以某新能源輕型商用車為研究對(duì)象，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原地轉(zhuǎn)向阻力矩、實(shí)際及理論因變角、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS的選擇及參數(shù)確定、轉(zhuǎn)向桿系與懸架的匹配設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向管柱傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)計(jì)算等過(guò)程進(jìn)行了闡述說(shuō)明。

3.1轉(zhuǎn)向阻力矩計(jì)算及阻力矩間的對(duì)比驗(yàn)證

輪胎在原地轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向阻力矩可以利用以下公式計(jì)算：

式中 T_i 一—輪胎的原地轉(zhuǎn)向阻力矩，Nmμ 一 輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，一般取0.8G_t ——作用在一個(gè)輪胎上的垂直負(fù)荷，NP —輪胎氣壓，Pa[3l

根據(jù)整車主要參數(shù)輸入前軸負(fù)荷 2.5t， 輪胎氣壓為770000Pa，按照一定的安全系數(shù)，可以求得單個(gè)輪胎原地轉(zhuǎn)向阻力矩約為 425Nm 。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS的輸出力矩要求，在原地轉(zhuǎn)向時(shí)，整體動(dòng)力轉(zhuǎn)向器輸出的轉(zhuǎn)矩 T_G 為：

T_G=T_z×i_L/η

式中i——轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比η——轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率

轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的角傳動(dòng)比和前橋輪胎的極限轉(zhuǎn)角、前橋梯形參數(shù)、方向機(jī)垂臂長(zhǎng)度，以及前橋節(jié)臂尺寸有關(guān)，相關(guān)參數(shù)如表2所示。

根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算，前橋在轉(zhuǎn)向極限位置時(shí)，傳動(dòng)比i=2.69 ， n 是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率，一般取值為0.96，可以近似認(rèn)為 T_G=2.8?_z ，即需要EPS輸出力矩為 11901Nm 。

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向EPS的輸出力矩按照下式計(jì)算：

T_?=P₁×i_w×i_w1×η_G1×η_G （3）

式中 P₁ -—電機(jī)額定扭矩 i_w 一一減速機(jī)構(gòu)渦輪蝸桿速比 i_w1 一一轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率轉(zhuǎn)向器速比 nG1 電機(jī)的機(jī)械效率，取0.7 nG 轉(zhuǎn)向器的機(jī)械效率，取0.85

根據(jù)上式可求得EPS的理論輸出力矩為1951Nm，滿足整車使用要求。因此，該車型EPS的主要選型參數(shù)匹配如表3所示。

3.2實(shí)際、理論因變角的計(jì)算

根據(jù)該車的設(shè)計(jì)要求軸距和阿克曼（Ackerman）轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系，計(jì)算出理論因變角，并設(shè)計(jì)計(jì)算校核理論轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)，得出符合設(shè)計(jì)要求的實(shí)際、理論因變角計(jì)算表，如表4所示，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3轉(zhuǎn)向桿系與懸架的匹配校核

假設(shè)拉桿與兩端臂剛性連接，在整車運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)向軸與板簧剛性連接視為同一部件。在板簧變形過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)軌跡理想化為圓的一部分；其帶動(dòng)拉桿運(yùn)動(dòng)，拉桿的運(yùn)動(dòng)軌跡也近似為圓的一部分，兩者不同心且半徑不同，這會(huì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)致拉桿逆向反推轉(zhuǎn)向器輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，最終體現(xiàn)到轉(zhuǎn)向盤(pán)上的左右竄動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可能產(chǎn)生“打手”現(xiàn)象。

針對(duì)新能源EPS車型，EPS助力大小和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角直接相關(guān)。如空滿載干涉量較大，會(huì)出現(xiàn)空滿載時(shí)轉(zhuǎn)向盤(pán)角度因動(dòng)態(tài)干涉量較大而產(chǎn)生一段轉(zhuǎn)角，造成車輛跑偏。針對(duì)EPS車型，一般要求空載滿動(dòng)態(tài)干涉量小于 1mm ，轉(zhuǎn)向盤(pán)角度變化控制在 5^° 以內(nèi)。

校核方法：當(dāng)鋼板彈簧主片處于平直位置時(shí)，主片中心（中心螺栓中心線與主片中性層的交點(diǎn)）相對(duì)于車架的運(yùn)動(dòng)軌跡是圓弧半徑R，按公式（4）計(jì)算：

3.4轉(zhuǎn)向管柱傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)與校核

根據(jù)該車型轉(zhuǎn)向管柱套筒組合極限行程范圍（240＼～390mm），通過(guò)模型進(jìn)行校核。轉(zhuǎn)向管柱具有4項(xiàng)調(diào)節(jié)功能，當(dāng)轉(zhuǎn)向管柱調(diào)到下極限且角度調(diào)到后限位時(shí)，此時(shí)轉(zhuǎn)向管柱行程最短，套筒組合長(zhǎng)度為 270mm ?？紤]駕駛室上下跳動(dòng) =套筒組合傳動(dòng)軸與套管最小間隙為 30mm 。當(dāng)轉(zhuǎn)向管柱調(diào)到上極限且角度調(diào)到前限位時(shí)，在駕駛室翻轉(zhuǎn) 33^° 情況下，此時(shí)轉(zhuǎn)向管柱行程最長(zhǎng)，套筒組合長(zhǎng)度為 365mm ，傳動(dòng)軸與套管最小間隙重合部分尺寸為 25mm 。因此，轉(zhuǎn)向管柱傳動(dòng)軸長(zhǎng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

scriptstyleR=3Le/8 （4）

此圓弧的圓心位置按公式（5）計(jì)算：

e=3r/2 （5）

式中 R— 軌跡圓弧的半徑Le- 鋼板彈簧的有效長(zhǎng)度， Le=L-KS e- -軌跡圓弧的圓心到主片中性層的距離，偏向卷耳

ｒ一卷耳中心到主片中性層的距離

由于A點(diǎn)與B點(diǎn)一起平移運(yùn)動(dòng)，故有了擺動(dòng)中心OA后，可作出平行四邊形OAABOB，OB就是B擺動(dòng)中心。B又是轉(zhuǎn)向直拉桿的端點(diǎn)，所以點(diǎn)B又繞轉(zhuǎn)向垂臂下端球頭銷中心擺動(dòng)，兩者的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)有錯(cuò)位量。其跳動(dòng)校核示意圖如圖2所示。

在設(shè)計(jì)滿載狀態(tài)下，根據(jù)懸架系統(tǒng)制定前橋上下跳動(dòng)量，本項(xiàng)目前橋上跳尺寸 70mm ，下跳尺寸 50mm 。通過(guò)作圖法校核2個(gè)圓弧在整車×方向的錯(cuò)位量，并等量反推至垂臂。經(jīng)計(jì)算，上跳極限位置干涉量為 1.2mm ，空載到滿載時(shí)干涉量為 0.5mm ，下跳干涉量為 2.1mm ，均符合設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)束語(yǔ)

本文以某新能源輕型商用車為研究對(duì)象，通過(guò)系統(tǒng)闡述該車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)與校核過(guò)程，梳理了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要部件從設(shè)計(jì)輸入到選型輸出所涉及的參數(shù)計(jì)算、性能分析及對(duì)比驗(yàn)證方法。結(jié)合整車對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求，篩選出一套合理的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配方案，為新能源輕型商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作提供了一定的理論依據(jù)和設(shè)計(jì)參考[。

參考文獻(xiàn)

[楊紫都，宋雨童．2021年前10月我國(guó)物流類專用汽車市場(chǎng)分析[J].專用汽車，2021（12）：28-31.

2]孫營(yíng).重型商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模及整車動(dòng)力學(xué)仿真研究回.武漢：華中科技大學(xué)，2011.

3董向力，翟潤(rùn)國(guó)，常少雷.應(yīng)用于某乘用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的載荷計(jì)算方法研究[J].汽車工業(yè)研究，2017（12）：54-59.

4儲(chǔ)勝林，張俊達(dá)，張奇奇，等.某輕型商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算[J]汽車實(shí)用技術(shù)，2017（8）：106-109.

（作者簡(jiǎn)介：楊佳睿（1989一），男，工程師，研究方向?yàn)樯逃密嚳傮w設(shè)計(jì)分析E-mail：qc_yangjiarui@xcmg.com）