汽車原地轉向方向盤轉向特性試驗及數據分析

趙玉霞，孫華雨

（河南機電職業學院，河南 鄭州 451191）

汽車原地轉向方向盤轉向特性試驗及數據分析

趙玉霞，孫華雨

（河南機電職業學院，河南 鄭州 451191）

本論文研究不同類型的汽車在在水泥路、泥土路、石子路三種路面上，不同輪胎氣壓下的原地轉向方向盤轉向特性。通過對試驗數據進行整理和分析、曲線擬合，求得試驗車的方向盤力矩與方向盤轉角的關系式，得出了汽車原地轉向時方向盤力和力矩的平均值。最終得出不同汽車在相同條件下和相同車在不同條件下的汽車原地轉向方向盤轉向特性。

汽車原地轉向特性試驗；方向盤力矩；方向盤回轉力矩；方向盤轉角

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-108-02

引言

汽車原地轉向阻力矩是汽車轉向系統設計時的重要參數之一，是影響汽車操縱穩定性的主要因素。目前,汽車轉向特性的核心問題就是汽車轉向助力特性和轉向系統機構特性的研究[1-6]。而實際駕駛中駕駛員操縱方向盤既有力輸入又有角輸入[7]。本文所進行的原地轉向試驗主要是在原地轉向時給方向盤角輸入來觀察汽車方向盤的力變化特性和車輪的變化狀況。目的主要是分析汽車實際應用中轉向阻力矩對汽車轉向系統的影響以及驗證輪胎載荷漸變假設[8]。

1、汽車原地轉向試驗

汽車轉向中要求有良好的路感，路感就是操舵力矩[9]，要做到路感清晰就要使汽車的前輪側向力信息反映到方向盤上的力矩存在且不能太大。最終折算到方向盤上的力矩是方向盤轉動力矩，其中輪胎的回正力矩占絕大部分[10]。

1.1 試驗目的

進行汽車原地轉向特性試驗，目的是為了獲得汽車在原地轉向時方向盤轉動的力矩變化區間,屬于綜合性試驗。

1.2 試驗對象

試驗選取三輛車作為研究對象，這三輛車分別為試驗車1，試驗車2，試驗車3，它們的轉向系統均為機械式轉向系統，其基本參數如表1。

表1 試驗車基本參數表

上述表格中的轉向半徑為試驗后計算所得。

1.3 試驗條件

輪胎氣壓：25Psi（Pounds per square inch即磅/平方英寸），30Psi，35Psi（1Psi=6.895 KPa）氣象：依據GB/T 12534-1990 汽車道路試驗方法通則[11]。試驗儀器：氣壓泵、電子秤、卷尺、直尺、三角板、白紙。

1.4 試驗方案設計和試驗方法

方向盤力矩特性是車輛響應路感和轉向輕便性最重要的決定性因素[12]。本文測量方向盤力矩特性試驗方法如下：

以該車擺正時即汽車停止時兩個前輪與后輪平行的位置，此時方向盤所在位置角度為零度，向右轉動為正角度。使用氣壓泵保證左右輪氣壓均為30Psi，將電子秤固定在方向盤上，根據牛頓定律，力的作用是相互的，手拉電子秤轉動方向盤的力保證均勻，是使方向盤剛剛轉動時記錄讀數。

按右手螺旋法把T表示為矢量，當矢量方向與截面的外法線方向一致時，T為正；反之，為負，根據這一法則， 順時針為負，逆時針為正。

2、試驗數據處理

通過上述試驗方法測得數據畫圖如下圖1。

圖1 中是方向盤轉動力矩和方向盤回轉力矩隨著方向盤轉角的變化曲線，從方向盤中間位置向右或者向左轉動方向盤，其轉動力矩均和回轉力矩是隨著方向盤轉角的增大而逐漸增大的，但是在增大的過程中都有小幅的回落，參考[13-14]可以知道這種現象受汽車轉向系統方向盤、輪胎及轉向機構結構的影響所產生。

方向盤轉動90度，車輪轉動一個角度做出曲線如圖2，也即是縱坐標左右車輪轉角隨著橫坐標方向盤轉角的變化規律圖。

圖2方向盤向左或者向右轉動時，其車輪轉角是基本對稱的。向右轉動時，右車輪轉角大；向左轉動時，左車輪轉角大。

3、結論

通過上述試驗可以得到如下結論：

（1）汽車原地轉向試驗得出了試驗車1、試驗車3和試驗車2的方向盤力矩和回正力矩隨方向盤轉角的變化關系是不斷波動變化的，并且隨著方向盤轉角的增大，力矩增加。

（2）汽車方向盤力矩和方向盤轉角之間近似傅里葉基本型函數，其每轉一周所做功是開口向下的拋物線曲線。

（3）將試驗車數據代入前文假設，可以基本驗證輪胎載荷模型假設是可信的。并且計算的汽車轉向阻力矩是滿足國家汽車標準規定：汽車以10Km/h車速、24m轉彎直徑前行轉彎時，不帶助力轉向力應小于245N的。

（4）不同車在相同條件下的方向盤轉向阻力矩不同，試驗車1是普通面包車，轉動一周的方向盤平均力矩和平均力小于試驗車3皮卡和試驗車2質量稍大的面包車。

[1] 宗長富，麥莉.基于駕駛模擬器的駕駛員所偏好的轉向盤力矩特性研究.中國機械工程，2007年4月下半月.

[2] 黃炳華. 汽車主動轉向系統中轉向阻力矩的分析與計算. 武漢理工大學報.2008，12.

[3] 莊曄，郭孔輝.基于LuGre模型的輪胎原地轉向模型.設計.計算.研究. 2008年第7期.

[4] 李嘯.轉向盤轉角特性在駕駛疲勞檢測中的應用研究.北京林業大學碩士畢業論文.2009年6月.

[5] Daniel Vilela. TIRE Size AND INFLATION PRESSURE INFL UENCE ON STATICSTEERING EFFORT.SAE TECHNI CAL PAPER SERIES.2010-36-0105.

[6] 郭亞朝. 輪胎式滑移裝載機轉向阻力矩分析.礦山機械.2012年8期.

[7] 陳家瑞.汽 車構造（第2版）（下冊）[M].北京：機械工業出版社,2005.

[8] 楊翔宇，趙玉霞.汽車靜態下轉向阻力矩的計算比較.重慶理工大學學報. 2012，vol.26.

[9] 劉喜東，劉應東.汽車電動助力轉向助力特性的確定方法研究. 武漢理工大學學報.2010,09.

[10] 馮櫻.基于多剛體動力學的轉向盤力矩特性研究. International Conterence on Broadcast Technology and Multimedia Communi cation.2010.

[11] 安相璧.汽車試驗工程. 國防工業出版社.2006，02.

[12] 周金.中心操作時方向盤力感特性的建模分析.吉林大學碩士學位論文.2009,04.

[13] 張炳力.汽車設計.合肥工業大學出版社.2010,06.

[14] 林秉華.最新汽車設計實用手冊. 黑龍江人們出版社.2005,06.

The test and data analysis of the automobile static steering characteristics

Zhao Yuxia, Sun Huayu
（Henan Mechanical College, Henan Zhengzhou 451191）

The paper research three vehicles with mechanical steering system, and the static steering characteristics of different vehicles under different tire pressures and different roads such as the cement road，the dirt road, gravel road. Through the experiment of different vehicles under the same conditions and the same cars at different conditions of automotive steering, the paper gets the automobile static steering characteristics. At last, the experimental data get curve fitting, the paper gets the relationship between the obtained test vehicle steering torque and steering wheel angle, we can also get the average values of the steering wheel force and torque and characteristic curve of automobile steering from the test data's processing.

Test of the automotive steering characteristics; steering resistance torque; self-aligning torque on the steering wheel; steering wheel angle

U463.4

A

1671-7988(2015)02-108-02

趙玉霞，碩士研究生，就職于河南機電職業學院。