車輛轉向回正因素分析

喬華，楊秀玲，王娟，胥峰

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車輛轉向回正因素分析

喬華1，楊秀玲2，王娟1，胥峰2

（1.眾泰汽車工程研究院，浙江 杭州 310018；2.卡達克機動車質量檢驗中心（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

轉向回正是車輛的動態特性之一，當車輛在運動中出現轉向操作，前輪有轉向角度輸入，此時車輛就會產生一個繞主銷的回正力矩，使車輛向恢復直線行駛狀態變化。文章從理論角度分析了影響產生轉向回正的因素，定量分析了各因素的敏感性并試圖給出了解決方案。

轉向回正；回正力矩；動態特性

1 回正力矩的產生和影響因素

轉向回正是車輛的動態特性之一，當車輛在運動中出現轉向操作，前輪有轉向角度輸入，此時車輪就會產生一個繞主銷的回正力矩，使車輛向恢復直線行駛狀態變化。通常認為回正力矩最主要有兩個來源：一個是由輪胎特性產生的回正力矩，另一個是由車輪定位參數引起的回正力矩。車輛繞主銷的總回正力矩是由這兩個來源綜合產生的結果。

1.1 輪胎回正力矩

由輪胎特性引起的回正力矩原理如圖1，其中回正力矩定義為縱向力和側向力對輪胎坐標系原點的力矩，因縱向力的側向偏移和側向力的縱向偏移引起。其中縱向力的側向偏移為y+△，其中y是輪胎胎體側向平移距離，△是由車輪側傾造成的偏移；側向力的縱向偏移為D，由輪胎的側偏特性產生。

圖1 輪胎回正力矩形成原理

1.2 定位參數回正力矩

由定位參數引起的回正力矩原理如圖2和圖3所示。

定位參數的回正力矩包括兩部分：由側向力與主銷后傾在地面的穿地點形成的力臂產生的回正力矩；縱向力與主銷內傾在地面的穿地點形成的力臂0產生的回正力矩。

圖2 主銷后傾和后傾拖距示意圖

圖3 主銷內傾和偏移距示意圖

關于這兩部分的回正力矩，一般認為：在低速、大轉角轉向時車輛有被“舉升”的效應，此時主銷內傾和偏移距產生的回正力矩效果明顯；而在高速、小轉角轉向時，由于后傾回正力矩與車速的二次方成正比，所以后傾回正效果明顯。

1.3 回正力矩的計算

如果想計算出某時刻的回正力矩值，通常都需要通過整車模型仿真的方法。這需要將整車參數代入模型，對整車模型加以轉向輸入，整車模型計算出前輪側偏角信息，再通過輪胎特性得到相應得回正力矩或側向力。圖4是205/70R15輪胎的側偏特性和回正特性，可見，如果有車輪垂直載荷和側偏角信息，相應的回正力矩就得到了。

圖4 輪胎側偏特性和回正特性

但需要說明的是，具體計算某時間點的回正力矩其意義并不大，因為車輛行駛是動態過程，而其性能也必須通過動態過程顯現出來，所以某一點處的數值無法反映車輛的特性，整個過程的輸入方式和傳遞特性（控制方法）決定了下一時刻車輛的狀態情況。

1.4 影響回正力矩產生的因素

通過分析回正力矩的產生機理，可見影響回正力矩的因素主要是：

（1）車輪型號車輪直徑越大、輪胎斷面高寬比越小則回正力矩越大；

（2）輪胎氣壓氣壓越低，回正力矩越大；

（3）車輪載荷車輪垂直載荷越大，或者說車輛前軸載荷越大，回正力矩越大；

（4）定位參數后傾值和內傾值越大，回正力矩越大。

2 轉向回正問題

車輛在行駛中如果有轉向操作，車輪產生相應回正力矩，轉向輸入力克服回正力矩和系統其它阻力。當完成轉向操作，不再對轉向盤加力時，回正力矩經轉向系傳回轉向盤，車輛向直線行駛趨勢變化。如果此時松開轉向盤，轉向盤會向中間位置回轉。但由于轉向系統自身有多處摩擦存在，當回正力矩與轉向系的摩擦力矩損失達到平衡，轉向盤不再回轉而停留在距中間位置某角度處。如果想使車輛恢復直線行駛狀態，需對轉向盤施加額外輸入。

車輛的回正能力是評價車輛性能，主要是操縱穩定性的主要方法之一。在操縱穩定性的道路試驗時，通常用兩個指標對車輛轉向回正性能進行評價：殘余橫擺角速度和反應時間。達到穩態的反應時間越短（低速一般為2-3秒）、殘余橫擺角速度值越小，則回正性能越好。

按照1.4中所述的影響產生回正力矩的原因，下面對整車做一些仿真分析。仿真過程中，主要通過改變定位參數，說明回正力矩的變化情況。

2.1 主銷后傾的影響

主銷后傾對回正力矩產生的影響見圖5。

圖5 后傾角變化對回正力矩的影響

（車速分別為18km/h和100km/h雙移線仿真過程）

2.2 主銷內傾的影響

主銷內傾對回正力矩的影響見圖6所示。

圖6 內傾角變化對回正力矩的影響

（車速分別為18km/h和100km/h雙移線仿真過程）

2.3 車輪外傾和前束的影響

圖7 車輪外傾的變化和前束變化對回正力矩的影響

（100km/h雙移線仿真過程）

2.4 主銷偏距的影響

這里所說的主銷偏距是指主銷和車輪中心的距離。

圖8 主銷偏移距對回正力矩的影響

（車速為18km/h和100km/h雙移線仿真過程）

2.5 車輪半徑的影響

圖9 車輪半徑對回正力矩的影響

（車速18km/h和72km/h雙移線仿真過程）

根據上面的仿真結果可見：

（1）影響最大的因素是主銷后傾角，無論是高速或者低速情況，都是最敏感的因素。

（2）從車輪回正力矩產生的理論而言，內傾的變化對回正影響不大。在低速時微小的改變回正力矩而高速時基本沒有任何影響。但從另一方面，如果考慮車輛自重的影響，此時回正力矩表現為車輛位能對前輪轉角導數的函數，所以，如果主銷偏移距越大，前輪轉角或其變化率越大，則由位能產生的回正力矩越大。從這個角度，增加主銷偏移距和主銷內傾角度，可以增大回正力矩。

（3）外傾和前束對回正力矩均有影響，但不是敏感因素。前束增加和外傾減小，回正力矩變小。

（4）與主銷內傾相似，偏移距對于車輪模型的影響極其微小；但是從位能的角度，偏移距非常重要，尤其關系到車輛低速行駛時回正力矩的產生。增加偏移距可以增加低速時的回正力矩。

（5）車輪半徑對于回正力矩的影響在于：當車輪半徑增加，相同后傾角情況下后傾拖距增加，回正力矩也隨之增加。

3 影響轉向回正的因素和改善方法

3.1 影響轉向回正的因素

影響車輛轉向回正性能的因素主要是轉向系統中各部分摩擦阻力的大小，現分別討論之：

（1）轉向柱和中間軸處的摩擦此處摩擦主要包括轉向柱與柱管間的摩擦、萬向節十字軸處軸承的摩擦。根據轉向管柱和中間軸總成的設計和試驗要求，總成的摩擦力矩應小于0.6Nm。

（2）轉向器軸向摩擦根據轉向器的設計和試驗要求，當逆向驅動轉向器時，軸向摩擦力應小于340N。

（3）車輪繞主銷的轉動力矩車輪繞主銷的轉向力矩對于乘用車而言，實際反映在前輪繞減震器滑柱軸承和前傳動軸球頭的轉動力矩。

舉例說明：

如果轉向系統為液壓助力，將各處阻尼力或力矩都換算至主銷處，其中轉向柱摩擦力矩不直接影響回正，主要考慮轉向器阻尼力和主銷阻尼力矩。如果轉向節臂為120mm，轉向器換算至主銷：340N×0.12m＝40.8Nm。分至兩個車輪，每個車輪為20.4Nm。如果車輪繞減震器軸承和傳動軸球頭的阻尼力矩為10Nm，則單個車輪的總阻尼力矩就有30.4Nm，也就是說：當車輪的回正力矩小于這個阻力矩時，車輛就無法回正。參考一下圖四中車輪側偏角與回正力矩的關系，30.4Nm對應有約2°的側偏角。也就是說，當不考慮傳動效率，不考慮側傾轉向、側向力轉向等因素影響，轉向盤仍然有近2*16.6＝33.2°的殘留角度不能回正。

3.2 轉向回正的改善方法

前期設計：解決系統不回正的問題，應首先考慮以上所述產生回正的因素，也就是合理設計懸架參數，合理的定義參數值，這是第一位的。對于影響回正的因素，應合理控制性能參數，在有效的衰減路面沖擊的前提下改善回正性能，所以是第二位的。

后期改進：

（1）對于前懸架：盡量降低車輪繞減震器滑柱的轉動阻力矩，不同的車型需要滿足懸架工程定義的轉動力矩（軸向加載情況下）的規范要求；

（2）對于轉向器：可以通過改善摩擦副阻尼系數及的方法，在保證密封性能的基礎上盡量降低齒條與油封、活塞與油缸的摩擦，在保證間隙的基礎上盡量降低齒條與壓塊間的摩擦力。通過以上手段來控制整個齒條的軸向移動力并滿足轉向工程師制定的規范值。

（3）對于轉向柱，應盡量降低轉向柱自身的阻尼力，保證總成在整車裝配位置的轉動力矩在0.6Nm以下。

[1] 余志生.汽車理論.機械工業出版社,2009.3.

[2] 喬華等.對整車綜合主觀評價的六何分析.時代汽車.2017.12.

Analysis of the Factors of the Vehicle's Turn-back

Qiao Hua1, Yang Xiuling2, Wang Juan1, Xi Feng2

( 1.Zhongtai Automotive Engineering Research Institute, Zhejiang Hangzhou 310018; 2.Kadak Motor vehicle quality Inspection Center (Ningbo) Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315336 )

Steering return is one of the dynamic characteristics of the vehicle. When the steering operation occurs and the front wheel has steering angle input, the vehicle will produce a positive moment around the main pin, which will change the vehicle to a straight line. From the theoretical point of view, this paper analyses the factors affecting the turning back, quantitatively analyses the sensitivity of each factor and gives the solution.

Steering return;Return torque;Vehicle performance

U467

B

1671-7988(2019)09-161-03

U467

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1671-7988(2019)09-161-03

喬華（1982-），男，就職于眾泰汽車工程研究院，擔任總師，從事整車性能集成開發工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.052