商用車轉向系統與整車操縱穩定性的相關性研究

常健+龍玉林

摘 要：操縱穩定性是汽車的重要性能之一，是影響汽車的安全性能、操控性及抗干擾能力的重要因素。轉向性能能夠改變車輛的行駛方向，是汽車的基礎功能之一，與操縱穩定性具有緊密的關系。作為內部參數的轉向系統結構，及外部參數的駕駛員作用，都會對整車操縱的穩定性產生巨大的影響。本次研究首先闡述了商用車的轉向系統的功能，接著探究了整車操縱穩定性的研究現狀，最后通過仿真模型對商用車的轉向系統與整車操縱穩定性間的關系進行探究。希望本次研究有助于提高商用車的轉向性能和整車操縱穩定性，全面提升汽車的安全性。

關鍵詞：轉向系統；操縱穩定性；液壓助力轉向系統

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.165

0 前言

隨著商用車的大量普及，商用車的安全性能越來越重要。作為汽車的基礎功能，轉向功能對整車操縱具有重要的影響。常規的機械轉向系統不能兼顧靈敏性和輕便性，因此，大部分商用車都使用液壓助力系統作為輔助的動力轉向系統。通過助力系統可以提升駕駛員在轉向時對汽車的掌控力，提高汽車的安全性能和操作的便捷性。盡管電動助力系統具有部件尺寸小、助力更安全、可以吸收路面的沖擊等優勢，但目前應用的最廣泛的仍是液壓助力轉向系統。因此，探究液壓助力轉向系統與整車操縱穩定性具有重要意義。

1 商用車轉向系統概述

汽車的轉向系統是汽車改變或保持方向的控制裝置，組成部分有轉向控制裝置、轉向輪、轉向傳動機關和專用裝置。轉向性能是汽車的基本功能之一，是汽車正常行駛的基本條件。轉向性能對保護駕駛員的安全、保障行車安全和減少交通事故等方面具有重要作用。轉向性能的內部結構參數和駕駛員的操作對汽車的轉向行駛特點具有直接的影響。因此轉向系統對汽車的整車操縱穩定性具有重要的作用。常規的機械轉向系用無法兼顧靈敏性和協調輕便性，商用車全部使用助力系統輔助轉向系統，以機械轉向系統為基礎，增設助力裝置。在正常條件下，汽車轉向時消耗的能量大部分是助力轉向裝置供給的，駕駛員只提供了一小部分。為保證商用車的行車安全，助力轉向系統在助力裝置發生故障時，仍可以通過駕駛員的操作完成轉向[1]。

目前，根據轉向能源可以分為液壓助力系統（HPS）、電動液壓助力系統（EHPS）及電動助力系統（EPS）。其中，商用車應用的最多的是液壓助力系統、液壓助力轉向系統的工作原理是通過發動機工作，帶動轉向油泵，駕駛員轉動方向盤時，液壓油會流到助力缸中的一個腔內，另一個腔內的部分液壓油就會回流，在兩腔之間就會產生壓力差，推動轉向齒輪和活塞運轉[2]。

2 整車操縱穩定性的研究現狀

汽車的操縱穩定性指的是：一是汽車響應駕駛員的轉向操作；二是行駛在彎路時，汽車加減速和對外界干擾的響應。操縱穩定性是決定汽車在高速行駛時安全程度的主要性能。和操縱穩定性相關的研究，在上世紀六十年代以前就已展開，最初是把汽車看作開環系統，研究重點是汽車在曲線行駛時的響應頻率與特征。早在1956年，就有學者提出了“線性二自由度”的汽車轉向模型，逐漸發展到現在已達到17自由度甚至更高的數學模型。精確的數字模型，對車輛設計、性能評價等方面具有重要意義[3]。

隨著科技的進步，人們對空氣動力學及側偏特征的研究逐步深入，對汽車的響應仿真度越來越高。進行仿真前，第一步要建立整車的動力學模型，包括輪胎、轉向系統等元件。另外，駕駛員對整車操縱穩定性也有很大的影響。建立仿真模型時，必須將“人車路”進行閉環系統的研究。仿真技術中新技術層出不窮，如最優控制技術、神經網絡技術等，使整車模型越來越逼真，在操縱穩定性進行研究時，對仿真結果和性能分析等方面的作用越來越大[4]。

3 液壓助力轉向車輛的操縱穩定性仿真分析

現階段對汽車的許多研究都是通過建立仿真模型，商用車的轉向系統和整車操縱穩定性的關系也可以通過建立動力學模型進行描述。通過對仿真模型進行研究，可以得出以下結論：

第一，扭桿剛度可以提高轉向的靈敏性。剛度越大，車輛的橫擺角度和側向加速峰值也越大，對液壓助力系統沒有影響，但會影響操縱穩定性和安全性。

第二，擴大活塞的有效工作范圍，可以提高商用車的輕便性和靈敏性，但會降低商用車在轉彎時的穩定性和安全性。

第三，減小前懸架側傾角度，橫擺角速度的超調量增加明顯，穩態值降低；側傾角的曲線到達最高值和穩態值會明顯延時，車身的側傾角的穩態值上升明顯；提高側傾角速度的峰值，其達到穩態的時間會增加。因此，增加前懸架的側傾角度，可以提高商用車轉彎的安全性、舒適性和靈敏性，并提高整車操縱的穩定性。

第四，減少小齒輪基圓的半徑，有助于提高商用車轉向時的靈敏性，對助力效果幾乎沒有影響，會降低車輛的穩定性和安全性。

第五，提高轉閥供油量，可以縮短響應時間，能有效提高轉向的輕便性與靈敏性，但在轉彎時會降低安全性和舒適性。

4 結論

本次研究通過對仿真模型的研究與分析，得出了以下結論：提升扭桿剛度可以提高轉向的靈敏性；大活塞的有效工作范圍，可以提高商用車的輕便性和靈敏性；增加前懸架的側傾角度，可以提高商用車轉彎的安全性、舒適性和靈敏性，并提高整車操縱的穩定性；減少小齒輪基圓的半徑，有助于提高商用車轉向時的靈敏性；提高轉閥供油量，可以縮短響應時間，能有效提高轉向的輕便性與靈敏性。希望以上結論有助于提高我國商用車的轉向性能和整車操縱穩定性間的，全面提升商用車的操作性能和安全性能。

參考文獻：

[1]陳建宏，張碩.商用車電動助力轉向系統助力特性研究[J].武夷學院學報，2015（09）：38-42.

[2]郭潤清，姜兆娟，高明秋.汽車操縱穩定性道路試驗和評價系統設計[J].北京汽車，2015（01）：37-41.

[3]張志運，黃妙華，張振良.基于Adams的后轉向橋優化與整車穩定性分析[J].武漢理工大學學報（信息與管理工程版），2014（06）：807-811.

[4]黃菊花，閆雪.基于某商務電動汽車操縱穩定性仿真分析的底盤布置優化[J].南昌大學學報（工科版），2012（01）：53-57.

作者簡介：常健（1989-），男，黑龍江綏化人，本科，助理工程師，研究方向：商用車轉向系統。