汽車方向盤(pán)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(pán)復(fù)原性的機(jī)理，總結(jié)了影響方向盤(pán)復(fù)原性的各個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，并對(duì)各因素的影響原因作了簡(jiǎn)要說(shuō)明，可以用于車輛方向盤(pán)復(fù)原性差的要因解析，也可以作為車輛開(kāi)發(fā)初期復(fù)原性能的關(guān)聯(lián)因素設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：汽車;方向盤(pán);復(fù)原性

1 引言

方向盤(pán)復(fù)原性，是指方向盤(pán)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(pán)的復(fù)原性在日常的駕駛場(chǎng)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(fù)擔(dān)，提高駕駛者的駕駛樂(lè)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(pán)使車輛恢復(fù)直線行駛，增加駕駛者操作負(fù)擔(dān)，影響駕駛體驗(yàn)。因此對(duì)于車輛開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，搞清楚方向盤(pán)復(fù)原性機(jī)理，并對(duì)影響方向盤(pán)復(fù)原的關(guān)聯(lián)因素進(jìn)行管控，具有重要意義。

2 復(fù)原性機(jī)理

車輛行駛過(guò)程中，駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)后，車輪轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，車輛沿一定半徑做圓周運(yùn)動(dòng)，此時(shí)車輪會(huì)受到向心力以及重力的作用，具有回到起始位置的趨勢(shì)，我們稱這種力矩為回正力矩。與此同時(shí)，車輪在回正的過(guò)程中，會(huì)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(pán)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(shí)作用，影響車輛的復(fù)原性能。圖1為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意圖。

3 影響復(fù)原性的因素

方向盤(pán)復(fù)原性，涉及不同速度下方向盤(pán)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(pán)的入力傳遞路徑上各個(gè)因素來(lái)分析復(fù)原性的影響因素。車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，輪胎受到的力會(huì)沿輪胎→懸架→轉(zhuǎn)向機(jī)/柱→方向盤(pán)傳遞，我們這里就對(duì)傳遞路徑上各個(gè)系統(tǒng)的回正力矩和回正阻力矩進(jìn)行分析。

3.1 輪胎

輪胎是車輛實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)。作為傳遞路徑上的第一部分，輪胎對(duì)方向盤(pán)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(shí)輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和前進(jìn)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(lái)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(huì)使車輪有沿著旋轉(zhuǎn)軸線與路面的交點(diǎn)O滾動(dòng)的趨勢(shì)，如圖4所示。但是由于車輪軸的約束，兩個(gè)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(duì)于子午線輪胎來(lái)說(shuō)，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(jì)算中可以忽略不計(jì)。

3.2 懸架

在懸架系統(tǒng)上，也會(huì)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(guò)對(duì)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(duì)于主銷后傾角，現(xiàn)代汽車的設(shè)計(jì)一般為使其為正的角度，如圖5所示，主銷與地面的交點(diǎn)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(jìn)而增大了回正力矩，見(jiàn)圖5。

對(duì)于主銷內(nèi)傾角，一般而言，其角度不會(huì)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(dòng)一定角度時(shí)，會(huì)相對(duì)于車身下降一定高度，如圖6所示，因此車身相應(yīng)的會(huì)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(shì)，因此車輪具有回正到直線行駛位置的趨勢(shì)。

對(duì)于麥弗遜懸架來(lái)說(shuō)，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(gè)力矩，該力矩會(huì)使車輪繞主銷向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)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(huì)使車輪有向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，會(huì)影響車輛的回正力矩，其中一側(cè)回正時(shí)，該力矩是正的回正力矩，另一個(gè)回正時(shí)，是負(fù)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(guò)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(jì)對(duì)車輪的回正影響很大，主要評(píng)價(jià)指標(biāo)是方向盤(pán)開(kāi)始回正時(shí)的車速及方向盤(pán)的復(fù)原角度。在影響復(fù)原性方面，轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)內(nèi)輪和外輪的轉(zhuǎn)向中心點(diǎn)重合在一點(diǎn)，如圖8所示。但是實(shí)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(shí)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(guò)大，內(nèi)外輪的轉(zhuǎn)向中心點(diǎn)不一致，轉(zhuǎn)向時(shí)車輪會(huì)發(fā)生滑移，車輪的復(fù)原性會(huì)變差。

衡量?jī)?nèi)外輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系時(shí)使用阿克曼率來(lái)表示，阿克曼率是轉(zhuǎn)彎時(shí)前輪內(nèi)外輪實(shí)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(shí)在低速大轉(zhuǎn)角的情況下，內(nèi)輪的行駛方向相對(duì)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(shí)，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(jìn)行懸架和轉(zhuǎn)向幾何設(shè)計(jì)時(shí)要避免設(shè)計(jì)值過(guò)小。

除此之外，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的摩擦力對(duì)車輪的復(fù)原性影響很大，因?yàn)樵趯?duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，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(jī)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(jì)算時(shí)通常忽略。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，轉(zhuǎn)向機(jī)的摩擦力矩通常用轉(zhuǎn)向機(jī)上的摩擦力來(lái)表征，但是可以通過(guò)下式換算取得。

TR=fR*r0

式中

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

fR——轉(zhuǎn)向機(jī)上的摩擦力

r0——轉(zhuǎn)向柱齒輪半徑

EPS主動(dòng)回正功能除此之外，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的摩擦力對(duì)車輪的復(fù)原性影響很大，因?yàn)樵趯?duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮車輛。

4 結(jié)語(yǔ)

橫風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算模型考慮了懸架轉(zhuǎn)向效應(yīng)對(duì)輪胎側(cè)偏剛度的影響，提升了計(jì)算精度。但是由于模型使用的線性二自由度計(jì)算模型，忽略因素較多，會(huì)導(dǎo)致精度有一定的欠缺。同時(shí)，空力系數(shù)是通過(guò)軟件仿真獲取，與實(shí)測(cè)結(jié)果也會(huì)有一定差異。如果需要更精確的計(jì)算，需要對(duì)模型進(jìn)一步完善。但是此模型對(duì)于車輛開(kāi)發(fā)前期的橫風(fēng)穩(wěn)定性目標(biāo)分析，并做出快速的性能預(yù)測(cè)，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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