汽車方向盤復(fù)原性影響因素探討

趙守月 祝秀芬

摘 要：本文主要分析了方向盤復(fù)原性的機理，總結(jié)了影響方向盤復(fù)原性的各個系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，并對各因素的影響原因作了簡要說明，可以用于車輛方向盤復(fù)原性差的要因解析，也可以作為車輛開發(fā)初期復(fù)原性能的關(guān)聯(lián)因素設(shè)計參考。

關(guān)鍵詞：汽車;方向盤;復(fù)原性

1 引言

方向盤復(fù)原性，是指方向盤從一定角度回正到中位，使車輛恢復(fù)直線行駛的性能。方向盤的復(fù)原性在日常的駕駛場景中經(jīng)常遇到，如車輛掉頭，轉(zhuǎn)彎等。良好的復(fù)原性使車輛更容易恢復(fù)直線行駛，可以減輕駕駛者的操作負擔(dān)，提高駕駛者的駕駛樂趣。復(fù)原性不好，車輛在掉頭或轉(zhuǎn)彎后，駕駛者需要額外地操作方向盤使車輛恢復(fù)直線行駛，增加駕駛者操作負擔(dān)，影響駕駛體驗。因此對于車輛開發(fā)者來說，搞清楚方向盤復(fù)原性機理，并對影響方向盤復(fù)原的關(guān)聯(lián)因素進行管控，具有重要意義。

2 復(fù)原性機理

車輛行駛過程中，駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤后，車輪轉(zhuǎn)過一定角度，車輛沿一定半徑做圓周運動，此時車輪會受到向心力以及重力的作用，具有回到起始位置的趨勢，我們稱這種力矩為回正力矩。與此同時，車輪在回正的過程中，會受到懸架、轉(zhuǎn)向等各系統(tǒng)連接處的摩擦力，阻止車輪或者方向盤的回正，這種力產(chǎn)生的力矩為回正阻力矩?；卣睾突卣枇赝瑫r作用，影響車輛的復(fù)原性能。圖1為轉(zhuǎn)向機構(gòu)示意圖。

3 影響復(fù)原性的因素

方向盤復(fù)原性，涉及不同速度下方向盤的復(fù)原速度以及復(fù)原角度。分析其影響因素，可以根據(jù)方向盤的入力傳遞路徑上各個因素來分析復(fù)原性的影響因素。車輛轉(zhuǎn)向時，輪胎受到的力會沿輪胎→懸架→轉(zhuǎn)向機/柱→方向盤傳遞，我們這里就對傳遞路徑上各個系統(tǒng)的回正力矩和回正阻力矩進行分析。

3.1 輪胎

輪胎是車輛實現(xiàn)各項性能的基礎(chǔ)。作為傳遞路徑上的第一部分，輪胎對方向盤回正性能的影響是非常大的，主要是輪胎回正特性的影響。輪胎的回正特性包括輪胎側(cè)偏角引起的側(cè)向力回正特性和外傾角引起的側(cè)向力回正特性。

側(cè)偏角是車輛在轉(zhuǎn)向時輪胎的轉(zhuǎn)動方向和前進方向之間的夾角，側(cè)偏角產(chǎn)生的側(cè)向力的合力在輪胎接地面積的后部，與輪胎中心到地面的投影距離為輪胎拖距，因此輪胎側(cè)偏角引起的回正力矩可以用側(cè)偏力與輪胎拖距的乘積來表示，即

Tt=CF×e （1）

式中：CF——側(cè)偏力

e——輪胎拖距

因此輪胎側(cè)偏角引起的側(cè)向力回正特性與側(cè)向力和輪胎拖距大小有關(guān)。側(cè)向力與輪胎側(cè)偏剛度以及側(cè)偏角關(guān)系較大，輪胎拖距則與輪胎尺寸和輪胎氣壓關(guān)系較大。

車輪的外傾角會使車輪有沿著旋轉(zhuǎn)軸線與路面的交點O滾動的趨勢，如圖4所示。但是由于車輪軸的約束，兩個車輪只能向前行駛，車輪中心的約束力為F，相應(yīng)的在地面處存在與F大小相等方向相反的力CFγ，即外傾角引起的側(cè)向力，該力產(chǎn)生的回正力矩為外傾回正力矩。由于汽車左右輪外傾角產(chǎn)生的CFγ是方向相反的，產(chǎn)生的回正力矩也是方向相反的，而且對于子午線輪胎來說，外傾回正力矩很小，大約為側(cè)偏角引起的回正力矩的3%，所以在計算中可以忽略不計。

3.2 懸架

在懸架系統(tǒng)上，也會產(chǎn)生使車輪回正的回正力矩和阻止車輪回正的阻力矩，回正力矩主要是通過對懸架四輪定位的設(shè)定產(chǎn)生的，包括主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角。

對于主銷后傾角，現(xiàn)代汽車的設(shè)計一般為使其為正的角度，如圖5所示，主銷與地面的交點落在輪心到地面的投影的前面，這兩者的距離稱為后傾角拖距，它和輪胎拖距合在一起，增大了側(cè)向力的作用力臂，進而增大了回正力矩，見圖5。

對于主銷內(nèi)傾角，一般而言，其角度不會設(shè)定為0，而是設(shè)定為正的內(nèi)傾角，即主銷向車輛內(nèi)側(cè)傾斜。車輪在繞主銷轉(zhuǎn)動一定角度時，會相對于車身下降一定高度，如圖6所示，因此車身相應(yīng)的會被抬高一定高度，由于重力的作用，車身具有恢復(fù)到起始位置的趨勢，因此車輪具有回正到直線行駛位置的趨勢。

對于麥弗遜懸架來說，彈簧的荷重軸與其幾何中心軸通常呈一定角度，以減小減震器所受的側(cè)向力，提高懸架的耐久和整車舒適性。但由于荷重軸的存在，導(dǎo)致懸架系統(tǒng)上產(chǎn)生一個力矩，該力矩會使車輪繞主銷向一個方向轉(zhuǎn)動，這個力矩稱為彈簧扭轉(zhuǎn)力矩。如果左右懸架上的扭轉(zhuǎn)力矩之不能相互抵消，它會使車輪有向一個方向轉(zhuǎn)動的趨勢，會影響車輛的回正力矩，其中一側(cè)回正時，該力矩是正的回正力矩，另一個回正時，是負的回正力矩，即左右兩側(cè)回正力矩不一致，扭轉(zhuǎn)力矩越大，不一致越明顯。

懸架系統(tǒng)上的回正阻力矩，在車輪回正的過程中起抑制作用，包括懸架上端的軸承的摩擦力矩和懸架下端的球頭的摩擦力矩，減震器活塞桿與套筒間的摩擦等。

3.3 轉(zhuǎn)向系

在車輛低速、大角度轉(zhuǎn)向行駛的情況下，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計對車輪的回正影響很大，主要評價指標是方向盤開始回正時的車速及方向盤的復(fù)原角度。在影響復(fù)原性方面，轉(zhuǎn)向系的設(shè)計主要考慮轉(zhuǎn)向系的阿克曼特性，轉(zhuǎn)向拉桿的效率及最大轉(zhuǎn)角。

轉(zhuǎn)彎時前輪內(nèi)外轉(zhuǎn)角滿足式（1）的理想特性稱為阿克曼特性，具有理想阿克曼特性的車輛轉(zhuǎn)彎時內(nèi)輪和外輪的轉(zhuǎn)向中心點重合在一點，如圖8所示。但是實際上車輛為了減小最小轉(zhuǎn)彎半徑，增加汽車的靈活性，通常使外輪的實際轉(zhuǎn)角大于理論轉(zhuǎn)角，如圖8所示。

L×（COTθ2-COTθ1）=T （1）

外輪轉(zhuǎn)角過大，內(nèi)外輪的轉(zhuǎn)向中心點不一致，轉(zhuǎn)向時車輪會發(fā)生滑移，車輪的復(fù)原性會變差。

衡量內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系時使用阿克曼率來表示，阿克曼率是轉(zhuǎn)彎時前輪內(nèi)外輪實際轉(zhuǎn)角差值與理論的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角差值的比值。如果阿克曼率等于100%，則轉(zhuǎn)向特性為理論阿克曼特性;如果阿克曼率等于0%，即內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角相等，此時在低速大轉(zhuǎn)角的情況下，內(nèi)輪的行駛方向相對于中心線偏轉(zhuǎn)了一定角度，從而產(chǎn)生阻止車輪回正的力矩，抑制車輪回正。

在低速大角度轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)之間的夾角θ的大小影響復(fù)原性，如圖10所示，在進行懸架和轉(zhuǎn)向幾何設(shè)計時要避免設(shè)計值過小。

除此之外，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的摩擦力對車輪的復(fù)原性影響很大，因為在對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行設(shè)計時，要考慮車輛的跑偏性能，因此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上具有一定的摩擦力，包括轉(zhuǎn)向機摩擦力矩TR和轉(zhuǎn)向柱摩擦力TC，以及轉(zhuǎn)向拉桿球頭上的摩擦力，因球頭處摩擦力較小，在計算時通常忽略。在實際測量過程中，轉(zhuǎn)向機的摩擦力矩通常用轉(zhuǎn)向機上的摩擦力來表征，但是可以通過下式換算取得。

TR=fR*r0

式中

TR——轉(zhuǎn)向機的摩擦力轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)向柱上的摩擦力矩

fR——轉(zhuǎn)向機上的摩擦力

r0——轉(zhuǎn)向柱齒輪半徑

EPS主動回正功能除此之外，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的摩擦力對車輪的復(fù)原性影響很大，因為在對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行設(shè)計時，要考慮車輛。

4 結(jié)語

橫風(fēng)穩(wěn)定性計算模型考慮了懸架轉(zhuǎn)向效應(yīng)對輪胎側(cè)偏剛度的影響，提升了計算精度。但是由于模型使用的線性二自由度計算模型，忽略因素較多，會導(dǎo)致精度有一定的欠缺。同時，空力系數(shù)是通過軟件仿真獲取，與實測結(jié)果也會有一定差異。如果需要更精確的計算，需要對模型進一步完善。但是此模型對于車輛開發(fā)前期的橫風(fēng)穩(wěn)定性目標分析，并做出快速的性能預(yù)測，具有較強的實際應(yīng)用價值。

參考文獻：

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