商用车转向系统与整车操纵稳定性的相关性研究

王耀一

摘要：转向系统是汽车底盘的重要部件，对汽车的行驶安全至关重要，目前商用车普遍采用助力特性单一的液压助力转向系统（HPS），在车速较高时，转向系统反馈给驾驶员的路感明显减弱，驾驶员会感到车辆“发飘”，导致精神紧张和误操作，直接影响车辆的操纵稳定性和行驶安全性。

关键词：商用车转向系统；整车操纵；稳定性

近年来，随着汽车技术的不断发展，汽车上广泛使用各类助力转向系统。乘用车负载较小，对速度性能要求较高，通常采用齿轮齿条式EPS 以及EHPS 转向系统；而由于前轮载荷较大、电机功率以及加工工艺方面的因素制约，商用车通常采用循环球式HPS系统提供助力。一、助力转向系统与整车操纵稳定性具有重要意义。

一、商用车转向系统概述

汽车的转向系统是汽车改变或保持方向的控制装置，组成部分有转向控制装置、转向轮、转向传动机关和专用装置。转向性能是汽车的基本功能之一，是汽车正常行驶的基本条件。转向性能对保护驾驶员的安全、保障行车安全和减少交通事故等方面具有重要作用。转向性能的内部结构参数和驾驶员的操作对汽车的转向行驶特点具有直接的影响。因此转向系统对汽车的整车操纵稳定性具有重要的作用。常规的机械转向系用无法兼顾灵敏性和协调轻便性，商用车全部使用助力系统辅助转向系统，以机械转向系统为基础，增设助力装置。在正常条件下，汽车转向时消耗的能量大部分是助力转向装置供给的，驾驶员只提供了一小部分。为保证商用车的行车安全，助力转向系统在助力装置发生故障时，仍可以通过驾驶员的操作完成转向。目前，根据转向能源可以分为液压助力系统（HPS）、电动液压助力系统（EHPS）及电动助力系统（EPS）。其中，商用车应用的最多的是液压助力系统、液压助力转向系统的工作原理是通过发动机工作，带动转向油泵，驾驶员转动方向盘时，液压油会流到助力缸中的一个腔内，另一个腔内的部分液压油就会回流，在两腔之间就会产生压力差，推动转向齿轮和活塞运转。

二、商用车转向系统与整车操纵稳定性的相关性

1.整车操纵稳定性的研究。汽车的操纵稳定性指的是：一是汽车响应驾驶员的转向操作；二是行驶在弯路时，汽车加减速和对外界干扰的响应。操纵稳定性是决定汽车在高速行驶时安全程度的主要性能。和操纵稳定性相关的研究，在上世纪六十年代以前就已展开，最初是把汽车看作开环系统，研究重点是汽车在曲线行驶时的响应频率与特征。早在1956 年，就有学者提出了“线性二自由度”的汽车转向模型，逐渐发展到现在已达到17 自由度甚至更高的数学模型。精确的数字模型，对车辆设计、性能评价等方面具有重要意义。随着科技的进步，人们对空气动力学及侧偏特征的研究逐步深入，对汽车的响应仿真度越来越高。进行仿真前，第一步要建立整车的动力学模型，包括轮胎、转向系统等元件。另外，驾驶员对整车操纵稳定性也有很大的影响。建立仿真模型时，必须将“人车路”进行闭环系统的研究。仿真技术中新技术层出不穷，如最优控制技术、神经网络技术等，使整车模型越来越逼真，在操纵稳定性进行研究时，对仿真结果和性能分析等方面的作用越来越大。

2.操控性与能耗分析。液压助力转向系统（HPS）分为中位开式和中位闭式。中位开式HPS 系统的转向油泵由发动机直接驱动，无论是否有转向要求，转向油泵一直处于工作状态，液压油经过转阀直接流回油箱，这无疑是一种能源的浪费。研究人员测试得到的汽车在典型市郊道路行驶时转向器齿条的位移- 时间曲线，出现尖峰的时间段表示汽车有转向动作，其余较平坦或近似直线的时间段表示转向盘不动或小幅调整，即汽车处于或保持直线行驶状态。汽车在80%以上的运行里程（时间）中都处于直线行驶状态。因此，采用HPS 的车辆在行驶过程中无论是否需要转向动作，转向泵一直在运转，其所消耗的大部分能源为无用功。中位闭式HPS系统使用蓄能器维持系统压力，系统压力低于某个值时，转向泵输出液压油；高于某个值时，转向泵停转或卸荷，几乎不消耗能量，但由于系统始终处于高压状态，对部件的密封要求高，并且影响部件的寿命，同时还增加蓄能器使系统的布置更加复杂，因此现代商用车上很少应用中位闭式HPS。商用车HPS 的转向泵由定量泵、溢流阀和安全阀组成。定量泵的输出流量随发动机转速的升高而增大，当转速高于溢流转速时，多余的油液从溢流口溢出，转速越高，溢流量越多，能量损失越大，多余流量造成的能量损失约占HPS 总能耗的46%；采用变量泵取代定量泵可以有效避免溢流损失，变量泵内部有一个油缸，通过与油缸相连的连杆推动变量机构，改变转向泵的排量，从而改变转向泵的输出流量。例如转向泵的转速升高时，流量增大，节流孔两端的压差变大，这个压差作用于油缸的活塞两端，推动变量机构，使排量减少。这种方案采用容积调速方式控制流量，不存在溢流损失，节能效果较好，但是转向泵的输出流量只随转速的变化而变化，不能适应行驶工况的变化，且转向泵高转速下输出的小流量不能满足快速转向对流量的要求。由于溢流阀的存在，转向泵的输出流量基本恒定，该流量要保证原地或低速转向时的助力需求，那么在高速时转向，车辆就会“发飘”，操纵稳定性变差。也就是说，HPS 的助力转向特性设计完成后，其助力的大小不会随车速的变化而变化，通过调整扭杆的刚度和阀的灵敏度可以获得不同助力特性，折中了轻便性和操纵稳定性。

3.液压助力转向车辆的操纵稳定性仿真分析。现阶段对汽车的许多研究都是通过建立仿真模型，商用车的转向系统和整车操纵稳定性的关系也可以通过建立动力学模型进行描述。通过对仿真模型进行研究，可以得出以下结论：第一，扭杆刚度可以提高转向的灵敏性。刚度越大，车辆的横摆角度和侧向加速峰值也越大，对液压助力系统没有影响，但会影响操纵稳定性和安全性。第二，扩大活塞的有效工作范围，可以提高商用车的轻便性和灵敏性，但会降低商用车在转弯时的稳定性和安全性。第三，减小前悬架侧倾角度，横摆角速度的超调量增加明显，稳态值降低；侧倾角的曲线到达最高值和稳态值会明显延时，车身的侧倾角的稳态值上升明顯；提高侧倾角速度的峰值，其达到稳态的时间会增加。因此，增加前悬架的侧倾角度，可以提高商用车转弯的安全性、舒适性和灵敏性，并提高整车操纵的稳定性。第四，减少小齿轮基圆的半径，有助于提高商用车转向时的灵敏性，对助力效果几乎没有影响，会降低车辆的稳定性和安全性。第五，提高转阀供油量，可以缩短响应时间，能有效提高转向的轻便性与灵敏性，但在转弯时会降低安全性和舒适性。

本次分析，得出了以下结论：提升扭杆刚度可以提高转向的灵敏性；大活塞的有效工作范围，可以提高商用车的轻便性和灵敏性；增加前悬架的侧倾角度，可以提高商用车转弯的安全性、舒适性和灵敏性，并提高整车操纵的稳定性；减少小齿轮基圆的半径，有助于提高商用车转向时的灵敏性；提高转阀供油量，可以缩短响应时间，能有效提高转向的轻便性与灵敏性。希望以上结论有助于提高我国商用车的转向性能和整车操纵稳定性，全面提升商用车的安全操作性能。

参考文献：

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