某微型純電動車轉向系統力矩波動優化改進

王長明 李麗君 王懷謙 左鵬進 孫鎮

摘 要：文章闡述了汽車轉向系統的結構型式和轉向力矩波動原理，并利用該原理，在某車型轉向系統硬點不改變的情況下，確定轉向系統的最佳中間軸相位角，使該車型轉向系統力矩波動降到最低，并通過實車驗證。

關鍵詞：轉向系統;力矩波動;相位角

中圖分類號：U463.4 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）04-19-03

Improvement Design of Torque Fluctuation of the Electric Vehicle Steering System^*

Wang Changming¹， Li Lijun²， Wang Huaiqian³， Zuo?Pengjin⁴， Sun Zhen⁵

（ 1.Shandong?Tangjun?Ouling Automobile Manufacture Co.， Ltd.， Automotive Research Institute， Shandong?Zibo?255000;2.Traffic?&?Vehicle Engineering College，?Shandong?University of Technology， Shandong?Zibo?255000 ）

Abstract：?The authors elaborate the structure style and torque fluctuation theory?of vehicle steering transmission system， According to these principles， Determine the optimal intermediate shaft phase phase angle of the steering system without changing the hard point of the?vehicle steering system， minimizing the torque fluctuation of the steering system of the model， and verify the results through testing.Keywords： Steering system; Torque fluctuation; Phase angleCLC NO.：?U463.4??Document Code： B??Article ID： 1671-7988（2020）04-19-03

1 前言

汽車轉向系統中包含轉向傳動軸，由于轉向傳動軸兩端有兩個不等速萬向節，會導致轉向系統出現時重時輕的力矩波動現象，長時間開車會影響駕駛員的舒適性和安全性^[1]，因此如何降低轉向系統的力矩波動，是廣大設計人員的值得重視的一部分，由于乘用車本身布置空間的緊湊性以及公司開發成本、周期所限制，某車型一旦開發完成之后，改變該車型的轉向系統硬點來降低轉向力矩波動就變得不太可能，但是通過改變轉向系統傳動軸相位角來降低力矩波動是非常容易實現的。

2 力矩波動理論

2.1?相位角定義及確定方法^[2]

轉向傳動軸兩端萬向節撥叉平面之間的夾角，稱為相位角ψ，其正負判斷方法下如圖1所示，垂直于轉向傳動軸的軸線做一平面A，轉向傳動軸上軸線L1和轉向器小齒輪軸線L3分別投影在平面A上，為L1'和L3'，垂直于平面A從上往下看，L1'到L3'沿瞬時針轉為正，反之為負，相位角范圍大小為[-90°， 90°]。

2.2 轉向系統力矩波動理論分析^[3]

轉向傳動機構等效夾角的計算公式如下：

其中：

β₁-轉向軸與轉向傳動軸間的夾角，;

β₂-轉向傳動軸與轉向器輸入軸間的夾角，;

α-轉向軸與轉向傳動軸所在平面與轉向傳動軸與轉向器所在平面之間的夾角，;

ψ-轉向傳動軸相位角，;

β_e-等效夾角，。

由于瞬時功率相等，因此轉向器輸入轉矩為：

（1）

其中：θ-轉向軸轉角;T₁-轉向軸輸入轉矩;T₂-轉向器輸入轉矩;

由式（1）可得：

（2）

（3）

由式（2）和式（3）可知汽車轉向力波動：

（4）

對式（4）求導：

（5）

由式（5）可知F（β_e）在[0°， 90°]上是個遞增函數，即β_e越小，汽車轉向力矩波動F（β_e）越小。

一旦轉向系統硬點確定下來，β₁、β₂、α就確定下來，所以當轉向系統硬點確定后，β_e的大小只和中間軸的相位角ψ大小有關;

令x=α+ψ，則

令，則：

（6）

對式（6）求導得：

（7）

當A（x）存在極點時，，

即x=-90°，0°，90°

當x=0時，A（x）取得最小值，即當ψ=-α時，，F（β_e）最小，如果在當ψ=-α時，轉向力矩波動仍然不能滿足要求，就必須通過調整轉向系統硬點使β₁或β₂或變小來減小轉向力波動，當x=-90°時或90°時A（x）取得最大值，即當ψ=-90-α或時，，F（β_e）最大。

3 某微型純電動車力矩波動優化改進

某車型為我公司自主研發的純電動微型轎車，該車型轉向系統配帶電動助力，轉向器為常見的齒輪齒條式，該車型經過多人原地轉動方向盤及試駕，普遍反應存在力矩波動，而要想在轉向系統硬點不改變的情況下，要使轉向力矩波動控制在可接受的范圍內，依據力矩波動理論，需對轉向系統的中間軸相位角進行優化改進。該車型的轉向系統布置圖，如下圖2所示。

3.1 轉向管柱布置優化

對該微型純電動汽車的轉向系統轉向管柱的布置數模進行測量以及依據力矩波動理論計算公式，得到轉向管柱的數據如表1所示：

依據力矩波動理論得到方向盤轉角與力矩波動的曲線入下圖3所示：

根據曲線的最大值與最小值的比值，可計算出該車型優化前力矩波動率為7.57%。

在不改變轉向系統硬點的情況下，只有改變轉向傳動軸相位角才能降低力矩波動，依據力矩波動理論，當ψ=-α時，力矩波動達到最小值。優化后數據見表2。

依據力矩波動理論得到方向盤轉角與力矩波動的曲線入下圖4所示：

根據圖中曲線最大值與最小值的比值，可計算出該車型優化后力矩波動率為0.3%。

3.2 不同相位角的傳動軸裝車驗證力矩波動影響

不同相位角的傳動軸如下圖5所示，實車主要測試靜態轉向力矩，數據測試過程如下圖6所示。

按中間軸相位角改進前和改進后兩種狀態，分別將ψ=-38.5°和ψ=-16.11°轉向傳動軸裝配在該純電動微型轎

車進行轉向力矩測試，該車輛轉向盤勻速從左極限轉到右極限位置約為3.53圈，取第2圈和第3圈的轉向力矩最大值與最小值進行分析比較，測試結果如表3所示。

從試驗數據來看，轉向傳動軸相位角更改后，轉向盤力矩最大值與最小值的比值明顯降低，相應的轉向力矩波動由原來9.8%的降低到0.78%，實驗數據與理論計算基本一致，驗證了在轉向硬點不變的情況下，改善該車型轉向力矩波動可行性。

4 總結

方向盤力是汽車操作穩定性評價的重要指標^[4]，文章詳細闡述了力矩波動理論，并依據該理論，在某微型純電動車轉向系統硬點不改變的情況下，通過改變中間軸相位角來減小轉向力矩波動，并經過實物裝車測試驗證，實測結果與理論計算基本一致，改善了該車型的力矩波動，并為后續車型開發提供借鑒意義。

參考文獻

[1] 陳家瑞.汽車構造：下冊[M].3版.北京：人民交通出版社，1997.

[2] 高新華等.基于代理模型的轎車轉向柱力矩波動關系研究與優化[J]數字化設計.2008.66-67.

[3] 王宵鋒.汽車底盤設計[M].北京：清華大學出版社，2010.

[4] 余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2000.