基于扭矩變化提高汽車轉向中心感研究

吳成偉 賴富剛 孫福祿 王華

摘 要：隨著汽車工業的發展，客戶對車輛的需求漸漸由功能向性能轉變。橫向控制是車輛必不可少的功能，其橫向控制性能直接影響駕駛員的舒適度，方向盤中心感是車輛橫向控制的主要性能。文章以方向盤扭矩反饋對中心感的影響為研究對象，闡述雙十字萬向節在傳動過程中扭矩波動，基于扭矩波動對方向盤中心感的應用。利用CATIA模型模擬分析，找到合理的方向盤扭矩波動趨勢、通過方向盤扭矩大小的波動與波動趨勢提高汽車轉向中心感。

關鍵詞：方向盤中心感;力矩波動;轉向傳動系統

中圖分類號：U463.4 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-67-04

Analysis on On-center Handling of Vehicle Based on Torque Fluctuation

Wu Chengwei， Lai Fugang， Sun Fulu， Wang Hua

（Geely Automobile Research Institute?（Ningbo） Co.， Ltd.， Zhejiang Ningbo 315000?）

Abstract：?With the development of automotive industry， customer's needs on vehicle transfers from functions to performances. Lateral control is an essential function for a vehicle， the lateral control performance will directly influence on the comfort of the driver， the performance of steering wheel centrality is the main function of vehicle lateral control. We choose the influence on steering wheel centrality as the researched objects in this paper， which is brought by steering wheel's torque feedback， to expound the torque ripple theory of the torque value transmitted among double spiders， and the application using the relation between torque ripple ?and steering wheel centrality. By simulation analysis with CAITA model， we can find the proper steering wheel torque variation trend， and then increase steering wheel center feeling according to the steering wheel torque variation amplitude and variation trend.

Keywords： On-center Handling;?Torque fluctuation;?Steering transmission system

CLC NO.： U463.4 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）10-67-04

1 前言

車輛轉向系統的性能主要包含汽車轉向的可靠性、響應性、精準性、平順性以及轉向力等。轉向中心感主要體現在轉向平順性以及轉向力的變化趨勢。

本文以D-EPS（Dual pinion -Electric Power Steering）轉向助力形式的轉向系統為例，對轉向系統扭矩傳動結構的布置分析，應用空間向量方法，并借助CAITA 軟件中的模型模擬，通過運動校核模型導出輸入軸、輸出軸的轉速差，推算出方向盤的扭矩波動趨勢，進行優化布置。結合通常駕駛員對方向盤扭矩大小及波動的敏感程度分析、通過模型對結構布置研究，達到提高車輛方向盤的中心感，并且兼顧方向盤扭矩波動的范圍，從而提高車輛的感知質量，同時降低駕駛員駕駛車輛的疲勞程度。

2 乘用汽車轉向中心感

2.1 汽車轉向中心感

乘用車的轉向中心感是指汽車在中、高速行駛的過程中，駕駛員小角度打方向盤、對車輛橫向控制的的感知，主要體現在方向盤扭矩給駕駛員的反饋及汽車轉向靈敏度。本文主要對于轉向系統的扭矩傳動結構設計作為研究對象，道路以中國高速公路、快速車道以及GB/T 6323-2014規范為參考。

2.2 轉向傳動剛度對轉向敏感影響

乘用車輛轉向傳動機構剛度，是指汽車方向盤與轉向助力單元之間的傳動部分剛度，含機械轉向管柱總成，中間軸總成。以某車型的案例分析，轉向傳動系統的剛度要求大于等于6Nm/°，常規乘用車在有助力的情況下，方向盤扭力小于4.0 Nm，根據轉向傳動系統剛度要求及設定的方向盤扭矩，計算因轉向剛度產生的方向盤轉角如?式（1）、（2）所示。

通過某車型的轉向傳動系統剛度測試驗證曲線如圖1 所示，測試值如表1所示。

根據表表1-某車型轉向傳動系統的剛度，計算轉向系統的平均剛度如式（3）所示，由于剛度產生的方向盤轉角如式（4）所示。

由式（2）、式（4），由于剛度產生的方向盤轉角最大值為0.667°，平均值0.337°。根據此分析及驗證數據體現，轉向傳動機構剛度對轉向敏感影響小。

2.3 方向盤扭矩對汽車轉向中心感分析

方向盤扭矩是指駕駛員直接作用在汽車方向盤上面的扭矩，根據牛頓第三定律，汽車方向盤反饋給駕駛員的扭矩與反作用力相等。駕駛員對方向盤的中心感，通常是以方向盤中間位置與附近位置隨角度增加，根據扭矩變化趨勢來判斷及感知方向盤的中心位置。

方向盤中心感通常表現在駕駛汽車的過程中，小范圍調整方向盤角度，方向盤中間位置扭力處于波谷狀態，隨著方向盤角度的增加，方向盤扭力值平滑逐漸增大，并且順時針與逆時針基本對稱。駕駛員能從調整方向盤角度的扭力反饋，感知方向盤中心位置。

3?轉向系統扭矩傳動分析

3.1 轉向傳動系統機構

乘用車常規的轉向傳動機構部件包括方向盤總成、機械轉向管柱總成、中間軸總成，電動助力轉向器總成，如圖2所示。

3.2 常規乘用汽車轉向扭矩傳遞波動

本課題以D-EPS（Dual pinion-Electric Power Steer -ing）為例，方向盤扭矩傳遞到轉向助力轉向器總成上，其扭力傳遞系統包括方向盤、機械轉向管柱總成、中間軸總成。在轉傳遞扭矩的結構部件中，方向盤、機械轉向管柱、轉向器輸入軸為等速，中間軸中的十字萬向節傳遞轉速不是等速的。故方向盤的力矩傳動波動主要來自中間軸的兩個十字萬向節。根據能量守恒定律，如果不計扭矩傳遞過程的摩擦力損失、方向盤和轉向器傳動的功率相等等，即式（5）所示。

T_方向盤·ω_方向盤=T_{轉向器輸入軸}·ω_{轉向器輸入軸}（5）

轉向系統對車輪的扭矩，分別來自駕駛員轉向產生的扭矩與電動助力轉向單元提供的扭矩，如式（6）所示。

T_總= T_{轉向器輸入軸}+ T_{電動助力單元}（6）

D-EPS（Dual pinion-Electric Power Steering）是在轉向器輸入軸處設計扭矩傳感器，助力單元控制系統設計助力模型，助力單元的基本助力模型如式（7）。

T_{電動轉向助力}=T_輸入軸·?K_模型系數（7）

由式（5）得：

由式（6）、（7）、（8）得：

T_總=?T_{轉向器輸入軸}+?T_{轉向器輸入軸}·?K_模型系數（9）

由式（8）、式（10）得：

設定方向盤小角度轉向范圍內，轉向系統受到的阻力（T_總）恒定的情況下，由式（11）得出，其轉向系統扭矩傳遞的波動，在于方向盤與轉向器輸入軸的轉速比。

3.3 十字萬向節對扭矩傳遞波動

單個十字萬向節力學模型如圖3所示，十字軸萬向節的主動軸與從動軸轉角間的關系為：

tanφ₁=tanφ₂·cosα??????????????????????????????（12）

設萬向節角度α保持不變、把式（12） 時間求導，并且把φ2用φ1表示，可得：

其中，ω₁、ω₂分別是軸1、軸2的轉速、由于cosφ1是周期為180°的周期性函數，所以在α保持不變的條件下，轉速比也是周期為180°周期性函數，如圖4 所示：

根據單十字軸萬向節轉速比變化特性，其雙十字軸萬向節的位置設計應該成互補狀態，使其中一個十字萬向節傳動波動的波峰與另外一個十字萬向節傳動波動的波谷值相對應。如圖5所示，中間軸兩十字軸萬向節，兩端的節叉布置應與中間軸軸線及相鄰軸軸線構成一個平面。

4 CATIA建模

4.1 轉向傳動系統運動副

轉向傳動系統的自由度限制為機械轉向管柱總成的兩安裝軸承、轉向器輸入軸兩軸承、傳動分別由中間軸總成中的兩十字萬向節叉連接。如圖6所示。

4.2 轉向傳動模型建立

在某車型上根據式（13）原理進行初步優化，優化后布置的結構進行建立CATIA模擬模型。方向盤與轉向上管柱為剛性連接，運動模型設計為一個Part₁。上下十字萬向節中的十字軸，模型各設計為Part₂、Part₃。中間軸部分的模型設計為一個Part₄。中間軸總成的下軸與轉向器輸入軸為剛性連接，運動模型設計為一個Part₅。轉向器殼體及固定軸承組件的運動模型設計為一個Part₆方向盤、上轉向管柱組件通過軸承固定。運動關系設置為旋轉接合，以方向盤和機械轉向管柱輸入軸作為驅動單元、上十字軸Part₂與方向盤與轉向上管柱組件Part1設置為旋轉接連、十字軸、方向盤及機械轉向旋轉軸組件設置為旋轉接連，設置CATIA的運動模型。

4.3 設置模型參數

設置方向盤轉速、轉向器輸入軸轉速為目標。首先建立函數關系。運用CAITA中“知識工程”工具欄中的“公式”模型。設置“公式”工具欄中的“編輯當前參數的名稱或值”。導出CATIA模型模擬后數據，如圖7所示。

4.4 方向盤力矩波動計算

應用模型模擬后，導出part 6（轉向器輸入軸）轉速與轉角數據。設定轉向器輸入軸阻力扭矩為T，結合式（8），計算出方向盤扭矩波動趨勢與方向盤的轉角關系曲線如圖8所示。

根據圖8 曲線體現，方向盤位置在中心位置，扭矩處于波谷值。方向盤在小角度轉動的過程中，方向盤扭矩符合轉向中心感需求的平滑疊增趨勢。

5 方向中心感驗證

試驗根據某車型轉向系統的空間結構進行布置。試驗將輸入軸上安裝扭矩傳感器及伺服驅動單元，轉向器齒條輸出位置加載設計的載荷進行試驗，如圖9所示。伺服驅動單元按設定的轉速運行。試驗臺控制系統記錄伺服驅動單元的扭矩與轉角關系曲線如圖10所示。

根據圖9 試驗曲線體現，方向盤位置在中心位置，扭矩接近波谷值。方向盤在小角度轉動的過程中，方向盤扭矩符合轉向中心感需求的平滑疊增趨勢。

6 結束語

通過某車型根據目標扭矩波動趨勢及波動值范圍，優化轉向傳動機構布置。應用CAITA模型模擬及分析、能快速得到優化結構改善趨勢。經模擬及試驗數據曲線體現，方向盤扭矩值隨方向盤轉角的變化趨勢，符合提高轉向中心感的優化。

參考文獻

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