摘要：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是車輛操控系統(tǒng)中的最重要的一部分，沉重的轉(zhuǎn)向受力會(huì)給駕駛員帶來較差的駕駛體驗(yàn)，也給應(yīng)急轉(zhuǎn)向帶來風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)低速轉(zhuǎn)向產(chǎn)生阻力的部分開展分析，論述了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中各個(gè)部分轉(zhuǎn)向阻力產(chǎn)生的原理、影響程度和改善方向，為改善商用車轉(zhuǎn)向操控性能提供指導(dǎo)思路，為今后商用汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研發(fā)提供有效借鑒。

1 前言

商用車作為生產(chǎn)勞動(dòng)工具，用戶操作車輛頻繁轉(zhuǎn)向，駕駛員期待更輕便的轉(zhuǎn)向力，以降低工作強(qiáng)度。根據(jù)法規(guī)要求，在行駛中車輛動(dòng)力源失效條件下，依然需要保持一定的轉(zhuǎn)向能力，通過分析可知，在轉(zhuǎn)向過程中有眾多相關(guān)系統(tǒng)參與動(dòng)作，各個(gè)系統(tǒng)均存在阻力。為了得到更輕的轉(zhuǎn)向操作感覺，本文從轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)、零部件制造公差以及裝調(diào)工藝等方面，簡要分析論述了商用車轉(zhuǎn)向過程中的阻力來源和改善方向。

GB 17675《汽車轉(zhuǎn)向系 基本要求》有以下要求：“除機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)外的任何傳動(dòng)失效，應(yīng)如第4.4條的規(guī)定提示駕駛員。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，允許平均轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比出現(xiàn)變化，但不允許轉(zhuǎn)向操縱力超出所規(guī)定的值”。

以上條款從法規(guī)方面限制了駕駛員操縱力，推動(dòng)主機(jī)廠在降低轉(zhuǎn)向阻力方面做出努力。

商用車前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（圖1）設(shè)計(jì)時(shí)，首先要保證轉(zhuǎn)向手力滿足國家法規(guī)條款要求，其次，要保證手力在用戶可接受的范圍內(nèi)。由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)達(dá)到減輕轉(zhuǎn)向手力的目的，但一味地提高助力會(huì)造成不必要的能量損耗，增加了成本，同時(shí)也不滿足“碳中和”理念。目前轉(zhuǎn)向阻力問題，主要體現(xiàn)在方向盤手力發(fā)卡沉重，應(yīng)急轉(zhuǎn)向工況不同驅(qū)動(dòng)形式車型、不同配置下法規(guī)通過一致性較差等方面。其實(shí)方向盤自由間隙大，也最終體現(xiàn)到方向盤不對(duì)中問題。如果清楚了轉(zhuǎn)向阻力產(chǎn)生的原理和影響方式，就可以通過整車多個(gè)部分的調(diào)教提高駕駛舒適性、安全性等一系列問題。轉(zhuǎn)向阻力產(chǎn)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、μ路面摩擦系數(shù)、Mmcf前 橋摩擦阻力、Mgear轉(zhuǎn) 向器摩擦阻力、Mcolumn轉(zhuǎn)向管柱摩擦阻力、n轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比、k轉(zhuǎn)向拉桿系統(tǒng)傳動(dòng)比、主銷后傾角Tkp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(yīng)的改善方向。

圖1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成

2 車輛結(jié)構(gòu)因素

2.1 驅(qū)動(dòng)橋差速摩擦影響轉(zhuǎn)向阻力

2.1.1 影響原理

首先，市面上主流商用車驅(qū)動(dòng)形式包含4×2車型、6×4車型、6×2車型、8×4車型等，“×”前代表整車輪位數(shù)量，“×”后數(shù)字代表驅(qū)動(dòng)輪輪位數(shù)量，即4×2代表一根轉(zhuǎn)向橋（兩個(gè)輪位）加一根驅(qū)動(dòng)橋（兩個(gè)輪位），6×4代表一根轉(zhuǎn)向橋（兩個(gè)輪位）加兩根驅(qū)動(dòng)橋（四個(gè)輪位）。由于存在左右輪差速設(shè)計(jì)，雙驅(qū)動(dòng)橋車輛比單驅(qū)動(dòng)橋車輛轉(zhuǎn)向時(shí)受到的阻力更大。

2.1.2 改善方向

a.驅(qū)動(dòng)橋采用油潤滑，減少溫度較低時(shí)凝膠狀潤滑脂形成的阻力。

b.驅(qū)動(dòng)橋半軸、輪轂及車輪采用輕量化方案，降低傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

c.降低驅(qū)動(dòng)橋差速器的摩擦阻力。

2.2 軸距變化影響轉(zhuǎn)向阻力

軸距變化的影響計(jì)算中，理論上隨著軸距的增大，所需要的力矩越大，如圖2所示。

圖2 軸距變化影響計(jì)算

計(jì)算公式如下：

式中，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；m為整車質(zhì)量，kg；a為汽車質(zhì)心至前軸支撐點(diǎn)水平距離，m；b為汽車質(zhì)心至后軸支撐點(diǎn)水平距離，m；L1為前后支撐點(diǎn)水平距離，m；L2為整車輪距，m。

根據(jù)公式可知，可以通過縮短軸距進(jìn)行改善。

2.3 拉桿系統(tǒng)傳動(dòng)比影響轉(zhuǎn)向阻力

2.3.1 拉桿系統(tǒng)構(gòu)成

拉桿系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向垂臂、連接拉桿、中間過渡垂臂、直拉桿臂、橋總成轉(zhuǎn)向節(jié)等主要零部件組成，其中垂臂和直拉桿臂的等效轉(zhuǎn)動(dòng)半徑是拉桿系統(tǒng)傳動(dòng)比的主要影響因素。由于垂臂和直拉桿臂的擺動(dòng)使硬點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，所以硬點(diǎn)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?zhèn)鬟f給車輪的阻力為直接影響，所以計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)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(jié)臂為直拉桿臂等效轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，m。

2.3.3 改善方向

轉(zhuǎn)向橋直拉桿臂設(shè)計(jì)在布置允許條件下盡可能增大對(duì)應(yīng)硬點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。轉(zhuǎn)向器垂臂設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足轉(zhuǎn)角要求情況下盡可能減少對(duì)應(yīng)硬點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，即增大直拉桿臂和垂臂有效長度的比值。

2.4 轉(zhuǎn)向橋載荷及參數(shù)影響轉(zhuǎn)向阻力

2.4.1 根據(jù)結(jié)構(gòu)開展理論分析

轉(zhuǎn)向橋載荷機(jī)構(gòu)分析如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)向橋載荷機(jī)構(gòu)分析

其中，輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦計(jì)算如下：

式中，Mk為輪胎摩擦阻力矩，N·m；μ為輪胎與地面摩擦因數(shù)；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(zhuǎn)向軸載荷；b.提高輪胎胎壓。

主銷傾角帶來的阻力矩計(jì)算如下：

式中，T kpg為 傾角引起的阻力矩，N·m；erim為接地點(diǎn)關(guān)于旋轉(zhuǎn)中心的半徑（矢量），m；kp為輪胎摩擦阻力矩（矢量），N·m。

主銷轉(zhuǎn)動(dòng)過程中存在轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦，直接疊加到Mkp上，可以采用軸承結(jié)構(gòu)降低主銷轉(zhuǎn)動(dòng)阻力進(jìn)行改善。

2.5 轉(zhuǎn)向器參數(shù)影響轉(zhuǎn)向阻力

轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比指的是輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度和輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度的比值。根據(jù)能量守恒，在理想狀態(tài)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(shù)。

改善方向主要有兩點(diǎn)：a.選用大速比轉(zhuǎn)向器，降低轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向手力；b.采用磨齒工藝，降低轉(zhuǎn)向器齒輪系的摩擦。

2.6 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置影響轉(zhuǎn)向阻力

轉(zhuǎn)向柱是由多段連接組成，每一段之間由萬向節(jié)連接，由于多段轉(zhuǎn)向柱形成空間夾角，在傳動(dòng)過程中存在相位差，形成波形力矩，超過部分即為阻力。

改善方向主要有兩點(diǎn)：a.選用大速比轉(zhuǎn)向器，降低輸入端阻力矩；b.采用磨齒工藝，降低轉(zhuǎn)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(jù)轉(zhuǎn)矩和手力的關(guān)系可知，輸入端阻力矩一定的情況下，方向盤有效半徑越大，轉(zhuǎn)向手力越小，公式如下：

式中，Mh為方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，N·m；F為方向盤手力，N；R為方向盤有效半徑，m。

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

圖4 市場上主流的商用車主機(jī)廠方向盤設(shè)計(jì)

在用戶人機(jī)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(jié)語

本文針對(duì)商用車轉(zhuǎn)向阻力進(jìn)行分析，通過市場調(diào)研和理論分析，從整車狀態(tài)、系統(tǒng)匹配、零部件設(shè)計(jì)等方面，提出在低速或者原地轉(zhuǎn)向條件下的轉(zhuǎn)向阻力來源和改善方向，為轉(zhuǎn)向特性研究提供幫助，尤其針對(duì)應(yīng)急轉(zhuǎn)向法規(guī)的實(shí)施有指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

文章作者：彭璽 杜喜陽 魏 超