輕卡轉(zhuǎn)向盤對中控制技術(shù)的研究與應(yīng)用分析

中圖分類號：U462 收稿日期：2025-02-22 DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.05.006

Research and Application Analysis of Centering Control Technology for Light Truck Steering Wheel

Hong GuanghuiLu Gaojian Peng Zhenwen Li Pengduo Li Ran Dongfeng Motor Corporation Product Research and Development Institute，Wuhan 43oo50，Chin：

Abstract：Thesteringmechanismofalighttruckisassembledfromcomponentssuchasthesteeringgear，steringrod，frontaxle jointarm，andsteringtransmissionshaft.esiedeviationandistalltiondviationaveanimpactandtereayalsoesoedeviationintheangleofthesteeringwelwhenthevehicleisinastraightposiion.Tisarticledeeplyanalyestheinfluencemeansm ofvarioufactors，xpoundstheadvantagesanddisadvantagesofsveralcommonlyusedsteeringwelcenteringmethods，andfinaly proposes thatdifferentialadjustmentassemblycaneectivelysolveteproblemofexcessvesteringheelcenteringdeviatiobydesigning different numbers of teeth on the upper and lower splines of the steering transmission shaft.

Keywords：Steingecentering;Steingedeflecion;Dierentialadjustmentofupperandlowerspineteeth;Applicationanalysis

1前言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和人們生活水平的持續(xù)提升，商用車用戶群體日益年輕化。年輕用戶對輕卡性能和品質(zhì)的要求愈發(fā)嚴(yán)格，車輛直行時方向盤角度出現(xiàn)偏差，會嚴(yán)重影響用戶對產(chǎn)品的感知質(zhì)量，不僅降低用戶體驗，還可能引發(fā)對產(chǎn)品質(zhì)量的質(zhì)疑，導(dǎo)致用戶提出改進要求，損害產(chǎn)品的品質(zhì)形象[1]。

2轉(zhuǎn)向盤中位偏轉(zhuǎn)問題現(xiàn)象

轉(zhuǎn)向盤偏轉(zhuǎn)是指車輛在直行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向盤輪輻對稱中心線，相對于車體中心線偏斜的角度。車體中心線一般以儀表外廓對稱中心為參考，偏轉(zhuǎn) ?3^° 時目視不容易感知，當(dāng)偏轉(zhuǎn)達到 5^° 時有輕微感知，當(dāng)偏轉(zhuǎn)量大于 5^° 時用戶會認(rèn)為產(chǎn)品有較明顯的感知，超過 10^° 會引起強烈抱怨，因此各種工況下轉(zhuǎn)向盤偏轉(zhuǎn)角不能超過 5^° ，不同車型轉(zhuǎn)向盤模擬偏轉(zhuǎn)角度目視效果見圖1。

3轉(zhuǎn)向盤對中角度偏差問題產(chǎn)生機理

輕卡轉(zhuǎn)向機構(gòu)，主要由轉(zhuǎn)向直拉桿總成、轉(zhuǎn)向機總成、轉(zhuǎn)向傳動裝置和轉(zhuǎn)向盤裝配而成（圖2）。轉(zhuǎn)向盤是轉(zhuǎn)向機構(gòu)最后安裝擰緊的零件，轉(zhuǎn)向拉桿長度偏差、轉(zhuǎn)向機總成輸人軸和輸出軸轉(zhuǎn)向垂臂的角度相對限位偏差、轉(zhuǎn)向傳動軸兩端的花鍵相對相位偏差，以及轉(zhuǎn)向盤安裝花鍵的相位偏差，均會影響轉(zhuǎn)向盤最后的安裝角度[2]。例如轉(zhuǎn)向直拉桿長度變化時，轉(zhuǎn)向垂臂角度就會變化，通過轉(zhuǎn)向機傳動比換算放大后，轉(zhuǎn)向輸人軸會產(chǎn)生比較大的角度變化，由于轉(zhuǎn)向器輸入軸-轉(zhuǎn)向傳動軸-轉(zhuǎn)向盤均通過花鍵連接，所以輸入軸的角度變化直接影響轉(zhuǎn)向盤偏轉(zhuǎn)角度，轉(zhuǎn)向直拉桿長度影響角度就達 15^° 左右，以某輕卡轉(zhuǎn)向直拉桿長度制造公差對轉(zhuǎn)向盤的偏轉(zhuǎn)影響說明如下：設(shè) B 為轉(zhuǎn)向盤偏轉(zhuǎn)角度；8為轉(zhuǎn)向拉桿的長度公差， 1.5mm;L 為轉(zhuǎn)向垂臂的長度， 185mm;i 為轉(zhuǎn)向機的速比， 17.9mm 。則 。

根據(jù)計算，某輕卡轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向直拉桿長度對轉(zhuǎn)向盤的偏轉(zhuǎn)達到 16.6^° ，轉(zhuǎn)向機總成輸入軸、轉(zhuǎn)向傳動軸總成兩端的花鍵及轉(zhuǎn)向盤額花鍵制造限位誤差，會同比例影響到轉(zhuǎn)向盤的對中角度，因此在轉(zhuǎn)向機構(gòu)眾多零件裝配后需要有調(diào)整環(huán)節(jié)，從而改善校正轉(zhuǎn)向盤的對中角度，使轉(zhuǎn)向盤對中角度控制在用戶感知角度 5^° 以內(nèi)。

4轉(zhuǎn)向盤對中常用方案及存在問題

4.1轉(zhuǎn)向盤花鍵對中調(diào)整技術(shù)

該技術(shù)的原理：轉(zhuǎn)向盤為最后裝配的零件，首先轉(zhuǎn)向盤先預(yù)裝配，車輛直線行駛一段距離，保證車輛前輪轉(zhuǎn)角處于直行狀態(tài)，或在四輪定位設(shè)備中調(diào)整左右輪前束角度對稱位置，此時轉(zhuǎn)向盤可能存在較大的裝配偏差，脫開轉(zhuǎn)向盤，通過目視對中角度或采用對中設(shè)備來對中轉(zhuǎn)向盤，然后將轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向傳動軸花鍵進行對齒（花鍵凹齒和花鍵凸齒）裝配對齒過程中，一種可能情況是轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向傳動軸兩個零件的花鍵分別是凸齒和凹齒正對上了（最理想情況），此時可以按對中狀態(tài)安裝轉(zhuǎn)向盤并擰緊鎖緊螺母，轉(zhuǎn)向盤處于良好對中狀態(tài)。另外一種可能情況是轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向傳動軸兩個零件的花鍵分別是凸齒和凹齒正對上了（最差情況），此時需要在轉(zhuǎn)向盤對中情況下，調(diào)整轉(zhuǎn)向盤角度偏離中位轉(zhuǎn)動半個齒，以便兩個零件的花鍵凸齒和凹齒對上，然后將花鍵軸插人花鍵孔裝配，最后擰緊緊固螺母，如此，轉(zhuǎn)向盤花鍵對中調(diào)整完成，這種情況轉(zhuǎn)向盤對中角度偏離理想對中角度半個齒的角度。

由此可知，轉(zhuǎn)向盤對中偏差由單個花鍵齒數(shù)分度角決定，也即由花鍵齒數(shù)決定。轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向軸連接花鍵的齒數(shù)越多，單個花鍵齒的分度角越小，轉(zhuǎn)向盤對中精度越高，轉(zhuǎn)向盤對中偏差為單齒分度角的一半。若花鍵齒數(shù)是36齒，單齒分度角 10^° ，安裝誤差為 ?5^° ，該裝配調(diào)整方案被大部分輕卡廠商所采用。某些車型轉(zhuǎn)向盤的安裝偏差見表1。

轉(zhuǎn)向盤花鍵對中調(diào)整技術(shù)效果：由于轉(zhuǎn)向盤的對中偏差與單齒的分度角相關(guān)，因此增加轉(zhuǎn)向傳動軸和轉(zhuǎn)向盤連接花鍵的齒數(shù)是有效的方法。具體實施途徑是增大轉(zhuǎn)向軸的直徑，便于增加花鍵齒數(shù)。該方法有非常大的局限性，增加軸的直徑對轉(zhuǎn)向傳動軸產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和成本造成比較大的影響。另外的途徑是在轉(zhuǎn)向軸直徑一定的情況下，減小花鍵模數(shù)，增加花鍵齒數(shù)。該方法由于花鍵齒形變小，花鍵連接強度變小，花鍵齒加工工藝也變得更加困難。目前比較經(jīng)濟的花鍵齒模數(shù)是 0.5mm ，根據(jù)表1所示，采用轉(zhuǎn)向盤花鍵對中調(diào)整技術(shù)形成的轉(zhuǎn)向盤對中偏差仍然較大，接近或超出目視識別角度 5^° 的要求。

4.2轉(zhuǎn)向直拉桿長度調(diào)整技術(shù)

轉(zhuǎn)向拉桿長度調(diào)節(jié)技術(shù)原理：通過轉(zhuǎn)向直拉桿長度變化，使轉(zhuǎn)向機垂臂角度發(fā)生變化，進而轉(zhuǎn)向機輸入軸、轉(zhuǎn)向傳動軸和轉(zhuǎn)向盤角度也會發(fā)生變化，達到轉(zhuǎn)向盤對中的目的。具體實施方案是在轉(zhuǎn)向直拉桿兩端球頭座和彎管兩端的連接部位設(shè)計正反螺紋（圖3），或在拉桿總成一端的球頭座和彎管連接部位增加內(nèi)外正反螺紋的調(diào)整套，轉(zhuǎn)動中間鋼管或調(diào)整螺紋套時，拉桿長度產(chǎn)生變化，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向盤角度變化到對中狀態(tài)。

轉(zhuǎn)向盤花鍵對中調(diào)整技術(shù)效果：該方法需要擰松和固定調(diào)整機構(gòu)，現(xiàn)場調(diào)整的難度比較大，效率低，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)增加拉桿的成本，調(diào)整機構(gòu)的復(fù)雜性也增加零件性能和強度失效的概率。另外，拉桿長度調(diào)整后，轉(zhuǎn)向機總成垂臂初始角度發(fā)生了改變，也就是車輛在直行的狀態(tài)，轉(zhuǎn)向機總成內(nèi)部機構(gòu)并沒有在中位。根據(jù)轉(zhuǎn)向機內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，轉(zhuǎn)向機初始位置偏離中位后，轉(zhuǎn)向間隙會變大，摩擦特性也有所改變，而轉(zhuǎn)向機中位的摩擦和間隙特性嚴(yán)重影響車輛操穩(wěn)的中位感性能。因此，該方案也存在比較大的局限性，沒有被所有輕卡車型所采用。

5轉(zhuǎn)向傳動軸上下花鍵齒差動調(diào)整技術(shù)

基于轉(zhuǎn)向盤花鍵對中技術(shù)和轉(zhuǎn)向拉桿長度調(diào)整技術(shù)分別存在轉(zhuǎn)向盤對中精度低，以及對中調(diào)整操作繁瑣、效率低的問題，現(xiàn)提出利用轉(zhuǎn)向傳動軸上下花鍵齒差動調(diào)整技術(shù)，來解決上述轉(zhuǎn)向盤對中技術(shù)的不足[3]。

轉(zhuǎn)向傳動軸上下花鍵齒差動調(diào)整技術(shù)是利用轉(zhuǎn)向傳動軸上下連接花鍵齒數(shù)差關(guān)系，通過轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向傳動軸一定齒數(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向盤對中的。

花鍵齒差動調(diào)整技術(shù)的原理是：轉(zhuǎn)向傳動軸上端和轉(zhuǎn)向盤的連接花鍵 Z₁ ，與轉(zhuǎn)向傳動軸下端轉(zhuǎn)向機連接的花鍵 Z₂ 為不同的齒數(shù)時，轉(zhuǎn)向傳動軸下端花鍵轉(zhuǎn)動一個花鍵齒裝配，轉(zhuǎn)向傳動軸上端與轉(zhuǎn)向盤也錯一個齒裝配，此時轉(zhuǎn)向盤的角度會偏轉(zhuǎn)一定角度。因為上下花鍵齒數(shù)不同，一個齒的相位角度不相同，所以轉(zhuǎn)向盤會轉(zhuǎn)動一定角度。利用該原理，當(dāng)轉(zhuǎn)向傳動軸轉(zhuǎn)動齒數(shù)足夠多時，就能調(diào)整轉(zhuǎn)向盤的角度到對中位置。該方案是在4.1節(jié)轉(zhuǎn)向盤花鍵對中調(diào)整技術(shù)基礎(chǔ)上補充的，進一步提升轉(zhuǎn)向盤對中精度，具體示例及計算如下。

a.轉(zhuǎn)向傳動軸上端和轉(zhuǎn)向盤連接花鍵齒數(shù)與轉(zhuǎn)向傳動動軸下端和轉(zhuǎn)向機連接花鍵齒數(shù)存在齒數(shù)差，轉(zhuǎn)向傳動軸同時在轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向機每錯一個齒裝配時，轉(zhuǎn)向盤相對轉(zhuǎn)向機單位齒變化角為：

式中， Z₁ 為轉(zhuǎn)向傳動軸與轉(zhuǎn)向盤連接花鍵齒數(shù); Z₂ 為轉(zhuǎn)向傳動軸與轉(zhuǎn)向機連接花鍵齒數(shù)。

b.按4.1節(jié)轉(zhuǎn)向盤花鍵齒對中實施后，轉(zhuǎn)向盤存在初始偏轉(zhuǎn)角 B （最大為單齒分度值的一半），裝配最大偏轉(zhuǎn)角情況如圖4所示。 B 的計算公式如下：

式中， B 為轉(zhuǎn)向盤對中后的偏斜角。

根據(jù)式（2），轉(zhuǎn)向傳動軸與轉(zhuǎn)向盤及轉(zhuǎn)向機需要差動調(diào)整齒數(shù)：

C=B/A

式中， C 為轉(zhuǎn)向傳動軸需要轉(zhuǎn)動調(diào)整齒數(shù)。上下齒差動調(diào)整后轉(zhuǎn)向盤的角度為：

D=|B-CA|

式中 Δ，D 為上下花鍵齒差動調(diào)整后轉(zhuǎn)向盤對中殘余角。

c.表2是某輕型卡車車型轉(zhuǎn)向盤對中過程中的計算與調(diào)整步驟實例。

采用轉(zhuǎn)向傳動軸上下花鍵齒差動聯(lián)調(diào)的控制方法及效果：

a.轉(zhuǎn)向盤對中精度非常高，方案實施簡單，只需設(shè)計時保證 Z₁ 和 Z₂ 齒數(shù)差足夠小，就可以獲得高的對中精度。

b.無需增加調(diào)整機構(gòu)，避免調(diào)整機構(gòu)帶來的零件可靠性風(fēng)險，同時也控制了成本。

c.上下花鍵角度差調(diào)整法的調(diào)整簡單，現(xiàn)場裝調(diào)人員容易掌握。

6結(jié)語

a.原轉(zhuǎn)向盤花鍵齒對中技術(shù)，由于受花鍵齒數(shù)量的限值，最大對中偏差為半個花鍵齒的限位角度，存在對中精度不足的問題。

b.原轉(zhuǎn)向拉桿長度調(diào)整轉(zhuǎn)向盤對中方案，其拉桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加零件在性能和耐久性方面的風(fēng)險點，轉(zhuǎn)向機總成工作中間初始位置發(fā)生改變，將影響整車操穩(wěn)中心區(qū)的性能，同時作業(yè)現(xiàn)場調(diào)整拉桿工作量大。

c.現(xiàn)在采用轉(zhuǎn)向傳動軸上下花鍵齒差動調(diào)整，是比較有效的控制方法，中位控制精度高，趨近 0^° ，未改變轉(zhuǎn)向拉桿等零件的狀態(tài)，對零件的性能和耐久性沒有影響，無實物成本增加。

d.轉(zhuǎn)向盤對中技術(shù)未來發(fā)展方向：線控轉(zhuǎn)向在輕卡上實現(xiàn)后，轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)可機械解耦，因此無需機械對中操作，只需要通過信號識別轉(zhuǎn)向盤中間位置即可。

參考文獻：

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作者簡介：

洪光輝，男，1972年生，正高級工程師，研究方向為輕型商用車行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能設(shè)計。