汽車轉向系統綜合剛度測量試驗裝置研究

李勝琴，陳汝春，王乾浩，王哲，劉啟元

(東北林業大學 交通學院，哈爾濱150040)

汽車轉向系統綜合剛度測量試驗裝置研究

李勝琴，陳汝春，王乾浩，王哲，劉啟元

(東北林業大學 交通學院，哈爾濱150040)

汽車轉向系統綜合剛度是影響汽車操縱穩定性的重要因素之一。介紹一種汽車轉向系統綜合剛度的測量裝置及試驗方法，通過分析汽車轉向系統的受力狀況，設計車輪固定裝置，并對實驗室汽車轉向系統實驗臺進行改裝，在此基礎上進行試驗。分別固定車輛左前輪及右前輪，順時針或者逆時針轉動車輛方向盤,同時利用方向盤扭矩測量儀測量方向盤轉矩及轉角數據，進行數據整理分析，獲得了汽車轉向系統的綜合剛度特性。結果表明，所述的試驗裝置及方法可以有效地對轉向系統綜合剛度進行測量，能夠用來進行車輛系統動力學建模研究。本文在進一步研究轉向系統剛度特性對汽車操縱穩定性的影響等方面具有一定的研究意義。

轉向系統；綜合剛度；測量；試驗裝置

0 引言

近年來，隨著計算機科學技術的迅猛發展及車輛模擬和分析精度的提高，作為虛擬樣機技術應用核心問題的汽車動力學模型發展也越來越完善，因而對車輛各系統建模的精度要求也越來越高[1]。

作為車輛的輸入系統，轉向系統模型能否精確反映車輛的實際參數及動態特性，直接影響車輛操縱穩定性的仿真分析精度，因此需要對轉向系統各部件特性，尤其是綜合剛度進行精確的測量[2-4]。目前比較流行的車輛動力學仿真軟件ADAMS提供的轉向系統模型模板，建立了轉向立柱和左右橫拉桿的剛度環節，實現了齒條和左右車輪分別具有獨立的自由度的條件，能夠準確表達兩側車輪的相互耦合關系，可以動態仿真左右車輪“東拉西拽”的現象[5-6]。但模型沒有考慮轉向系統的摩擦等環節，也需要通過完善細節來建立詳盡的轉向系統模型，進而為汽車動力學模型的準確仿真提供基礎[7]。

汽車在行駛中，轉向系統中的傳動比、摩擦、助力和慣量等特性參數會直接影響到駕駛員對路感信息的獲取[8-9]，進而對汽車的操縱穩定性產生重要的影響[10]。因此在建立完備整車動力學模型的基礎上，還要注重轉向系統的建模，需要充分考慮轉向管柱、轉向器的固定支架和傳動桿系等零部件的相關特性，才能夠為車輛系統動力學性能研究提供精確的輸入參數[11-12]。

本文對轉向系統綜合剛度測量試驗裝置進行研究，設計通用性較好的固定底座，利用轉向盤扭矩檢測儀測量轉向系統工作過程中轉向盤轉角及轉向力矩變化，進行測量數據采集及后處理，最終獲得車輛轉向系統的綜合剛度特性[13]。通過本論文研究，能夠解決車輛動力學模擬與仿真研究中對轉向系統綜合剛度及阻尼特性無法測量或測量不準確的技術問題，提高汽車動力學模擬的精度，在此基礎上才能夠對車輛系統的相關運動特性進行進一步研究[14]。

1 試驗原理及內容

通過本項目的研究，設計轉向系統綜合剛度測量試驗裝置。試驗過程中，該裝置能夠用來固定轉向車輪，在轉動方向盤的同時，利用方向盤相矩測量方向盤轉角和轉矩，經過數據采集整理，能夠對轉向系統的綜合剛度特性進行計算。

轉向系的剛度是主要由三部分組成：①轉向管柱總成扭轉剛度，指方向盤到轉向器輸入軸端的扭轉剛度，包括轉向軸、轉向傳動軸及萬向節的扭轉剛度；②動力轉向器轉向控制扭力桿扭轉剛度；③轉向齒條套管與車身連接襯套剛度，指轉向器的固定剛度[15]。本文將三部分的剛度特性綜合起來成為轉向系統綜合剛度，進行測量。

1.1 底座及固定支架研究

需要設計安裝底座及固定支架，保證在測量過程中車輪固定不動，以便在轉向盤上施加轉向力矩，并進行相關測量。要求安裝底座能夠適應不同車型車輪的尺寸需求，并且固定支架能夠保證足夠的強度，以保證施加轉向力矩過程中車輪不發生偏轉[16]。

車輪固定裝置設計如圖1所示。固定裝置底座安裝在試驗臺上，在水平方向移動以適應不同輪距的變化。垂直方向上利用可以沿豎直方向移動的螺栓固定，以適應不同輪心高度。在實驗室轉向系統試驗臺架上進行試驗，試驗時將車輛現有車輪卸下，利用車輪安裝螺栓連接車輪固定裝置與車輛，并保證試驗過程中車輛前輪處于固定狀態，以測量轉向系統的剛度特性。

圖1 車輪固定裝置簡圖Fig.1 The figure of wheel fixing device

1.2 測量裝置安裝

在轉向盤上安裝方向盤扭矩測量儀，以便測量施加在轉向盤上的轉向力矩和轉向盤轉角。要求方向盤扭矩測量儀與車輛轉向盤同時轉動，并且旋轉中心相同，以保證試驗過程中的測量精度[17]。測量及車輪固定裝置如圖2所示。

圖2 整體試驗裝置Fig.2 The testing apparatus

2 試驗過程及數據處理

2.1 轉向盤扭矩檢測儀力矩標定

測量轉向力矩之前，要對方向盤扭矩測量儀進行標定，主要標定力矩大小。將測力計固定在轉向盤邊緣上，轉動方向盤扭矩測量儀同時讀取測力計數據，利用測力計顯示的力的大小及方向量扭矩測量儀的轉動半徑數據(方向盤半徑為202 mm)，通過計算可得到測力轉向盤所測得的實際轉動力矩的數值。

轉動方向盤扭矩測量儀顯示數值與轉向力矩之間的轉換關系見表1。

表1 顯示數值與轉向力矩之間的轉換關系

2.2 轉向系統剛度特性試驗

試驗過程中，操縱方向盤的力矩和轉角采用方向盤扭矩測量儀測量。試驗時，分別固定前外及前內車輪，在無助力情況下將方向盤從中間位置起向左側(或右側)方向連續轉動，使方向盤轉角增加至40°左右直至無法轉動為止，然后將方向盤反向連續轉動至極限位置，再將轉向盤回到中間位置時停止，記錄方向盤力矩和轉角，綜合對比采集試驗數據，結果如圖3、圖4所示。

圖3 固定右前輪測量結果Fig.3 The results of test with right front wheel fixed

通過對測量數據進行整理，可以看出：

(1)當方向盤轉角小于10°時，固定左前輪順時針轉動方向盤、固定左前輪逆時針轉動方向盤、固定右前輪順時針轉動方向盤及固定右前輪逆時針轉動方向盤，所得到的4條綜合剛度曲線基本重合。隨著方向盤轉角的增加，剛度曲線重合趨勢減弱。即當作用在方向盤上的轉矩小于10.789 1 Nm時，轉向系統綜合剛度相同，平均值約為1.1 Nm/(°)。

圖4 固定左前輪測量結果Fig.4 The results of test with left front wheel fixed

(2)標準規定，當作用在方向盤上的轉向力Fh≥25～190 N時，動力轉向器應該開始工作，也就是對于本試驗臺涉及的乘用車而言，當轉向力大于25～50 N時，轉向助力開始起作用[18]。本試驗中，作用在方向盤上的轉矩為10.789 1 Nm時，作用在方向盤的力為53.95 N(方向盤半徑為202 mm)，此時轉向助力器已經開始起作用。故轉向系統的綜合剛度可以只考慮小于10.789 1 Nm以下的曲線。對測量所得的試驗數據進行均值整理，計算出轉向系統的綜合剛度特性如圖5所示。

圖5 轉向系統綜合剛度特性Fig.5 The comprehensive stiffness of steering system

3 結論

(1)依據轉向系統工作原理，設計轉向系統綜合剛度測量方法，對實驗室原有試驗臺進行改造，完成轉向系統綜合剛度測量試驗裝置。

(2)對原有方向盤扭矩測量儀進行力矩標定，滿足試驗需要。

(3)進行轉向系統綜合剛度測量試驗，對試驗數據進行整理分析，得出轉向系統的綜合剛度特性曲線。

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Research on the Comprehensive Stiffness Measurement Testing Device of Automobile Steering System

Li Shengqin，Chen Ruchun，Wang Qianhao，Wang Zhe，Liu Qiyuan

(School of Traffic，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

The comprehensive stiffness of automobile steering system is one of the most important factors that could affect vehicle handling stability.A measuring device and testing method concerned of the comprehensive stiffness of automobile steering system was introduced in this paper.The force condition of the automobile steering system was analyzed and the fixing device of wheels was designed.Meanwhile，the automobile steering system experiment table in the laboratory was modified to do the test.We obtained the comprehensive stiffness characteristics by fixing the left and right front-wheel respectively，measuring and analyzing the torque and angle of steering wheel.The results showed that the method could measure the comprehensive stiffness of automobile steering system effectively and could be applied to the modeling of vehicle system dynamics.The paper has certain significance in the further study on the influences of the composite stiffness of steering system to vehicle handling stability and other aspects.

Steering system；comprehensive stiffness；measurement；testing device

2017-02-21

東北林業大學大學生創新訓練計劃項目(201610225209)

李勝琴，博士，副教授。研究方向：車輛動力學及控制。E-mail：lishengqin@126.com

李勝琴，陳汝春，王乾浩，等.汽車轉向系統綜合剛度測量試驗裝置研究[J].森林工程，2017，33(4)：94-97.

U 467.4

A

1001-005X(2017)04-0094-04