低速转向回正性能的分析及优化

夏建华 于志超 张鹏

摘 要：低速转向回正性能是汽车操纵稳定性能重要指标，影响到驾驶安全性、舒适性、轻便性。论文针对A车型机械转向回正不良的问题，从理论计算和实际测试数据进行分析，找出问题根源。通过优化转向小齿轮齿形及加工精度，改善球销套加工工艺等措施，有效降低转向阻力矩61.3%，提升了车辆转向回正性能。

关键词：转向系统;回正性能;优化

中图分类号：U463.46  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）15-149-03

Abstract： Low speed steering return performance is an important index of vehicle handling stability， which affects driving safety， comfort and handiness. Aiming at the problem of the poor steering return of A vehicle which used mechanical steering， the paper analyzes the theoretical calculation and the actual test data to find out the root cause of the problem. By optimizing the tooth shape and machining accuracy of the steering pinion and improving the machining process of the spherical shell， the steering resistance torque is effectively reduced by 61.3%， and the steering return performance of the vehicle is improved.

Keywords： Steering system; Return performance; Optimization

CLC NO.： U463.46  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）15-149-03

前言

低速轉向回正性能是汽车操纵稳定性能评价的重要指标之一，影响到驾驶安全性、舒适性、轻便性等。汽车四轮定位参数是影响转向回正力的主要因素，尤其是转向轮主销内倾角和主销后倾角。[1]但除了四轮定位参数外，齿条式转向器的齿轮啮合力、摆臂和连杆等球头的转动摩擦阻力也直接影响到转向回正效果。

当前理论教材和学术研究大多基于四轮定位参数对转向力及回正力的影响展开论述和分析。靳立强等[2]通过对主销内倾角与主销后倾角优化设计，提升回正性能和转向轻便性。黄炳华等[3]从理论推导汽车主动转向系统中转向阻力矩的影响要素，为改善转向力及回正力提供理论基础。苗立东等[4]、薛立军[5]通过理论推导出前轮定位对汽车低速转向回正性能的影响。

因为当前大多数车辆都装配HPS或EPS转向助力系统，所以对转向系统中各零件的阻力矩关注相对较少。但是当车辆只装配机械转向系统而无辅助助力时，转向系统各部件的设计及工艺引起的转向阻力对低速转向回正则有较明显的影响。本论文以A机械转向车型为研究对像，从零件制造工艺角度分析和优化转向回正力矩，改善车辆转向回正不良的问题，为转向系统零件设计及工艺控制提供数据参考。

1 转向回正力矩计算

汽车主销后倾角和主销内倾角是影响转向回正力矩的主要因素[6]，因此定量计算时以主销后倾角γ和主销内倾角β引起的转向回正力矩为主。

1.1 主销后倾角作用的转向回正力矩计算

如图1所示，当车轮转动θo时，车轮与地面接触点b处产生与车辆离心力方向相反大小相等的摩擦力F0。因为主销后倾角γ的存在，其作用在转向轮上的力臂e为 ，故摩擦力F0产生阻止车轮转动的阻力矩Mγ为：

式中：η1为转向传动逆向效率75%，F1为前轴轴荷470kg，r为轮胎半径0.264m，γ为3o12，，V为车速10km/h，最大转弯角度θ为27 o59，，g取9.8m/s2。

1.2 主销内倾角作用的转向回正力矩计算

如图2所示，当车轮转动θo时，由于主销内倾角β的存在，前轴（转向轴）被抬高h为 [7]，则前轴重力势能增加F1·g·h。在重力势能作用下，使转向轮产生主销内倾回正力矩Mβ为：

式中：η1为转向传动逆向效率75%，F1为前轴轴荷470kg，r为轮胎半径0.264m，c为主销偏距0.014m，β为12o30，，最大转弯角度θ为27o59，，g取9.8m/s2。

1.3 总转向回正力矩计算

通过上述（1）和（2）计算，主销后倾角和主销内倾角产生的总转向回正力矩MHZ为：

2 转向系统零件阻力矩测试

2.1 机械转向器阻力矩测试

利用方向盘转矩测试设备从机械转向器输入轴分别测出转向器从左极限至右极限（图3）和从右极限至左极限（图4）的转动力矩波形。

从波形来看，测量扭矩MZC峰-谷值达到2.0N.m，最大值达到3.0N.m，超出标准（0.5 N.m～1.5 N.m）扭矩1.5N.m;且波形出现周期性波动，小齿轮每旋转1周出现1次波峰，说明小齿轮的齿形存在问题。

2.2 球头转动阻力矩测试

利用方向盘转矩测试设备测试5组转向器球头旋转力矩（图5）和连杆及摆臂球头旋转力矩（图6）数据，从图5数据可以得出，转向器球头实测旋转力矩MQC均值为2.16 N.m，没有超出标准（0.5 N.m～2.5 N.m）要求。从图6数据可以得出，摆臂球头实测旋转力矩MBC均值为9.42 N.m，超出标准（0.5 N.m～2.5 N.m）最大值6.92N.m;连杆球头实测旋转力矩MLC均值为2.7 N.m，超出标准（0.5 N.m～2.5 N.m）最大值0.2N.m。

2.3 总阻力矩

通过上述对转向系统零件阻力矩的测试可以得出转向系统零件总阻力矩MZ：

由此得出，转向系统零件阻力矩MZ比标准（MMAX：9.0 N.m）要求的最大值還要大8.28N.m。且总阻力矩MZ大于回正力矩MHZ，当车辆以10km/h最大转角行驶时，基本失去回正能力。

因此，零件阻力矩较大是转向回正性能较差的主要因素。在四轮定位参数确定的情况下，要提高整车转向回正性能，必须优化转向系统零件设计，降低转向系统零件阻力矩MZ。

3 优化改进后转向零件阻力矩测试

3.1 转向器小齿轮齿形优化

通过对转向器小齿轮齿形进行优化，并提高小齿轮加工精度，改善小齿轮与齿条的啮合平顺性，优化后从左极限至右极限（图7）和从右极限至左极限（图8）的转动力矩明显降低，阻力矩MZC最大值为1.3N.m，满足标准要求。

3.2 球头优化

球头旋转力矩主要与球销套对塑料轴承抱紧度有关，因此将摆臂球销套尺寸由调整为，连杆球销套尺寸由调整为。优化后（图9）摆臂球头旋转力矩MBC均值为1.92N.m，连杆球头旋转力矩MLC均值为1.36N.m，满足标准要求。

3.3 优化后总阻力矩

通过对转向器小齿轮、摆臂球头和连杆球头力矩进行优化，优化后转向系统零件总阻力矩的测试结果MZ为：

相比优化前降低10.54N.m，降低了61%，且各零件旋转力矩均在标准范围内，汽车以10km/h最大转角行驶时，主观评价转向回正良好。

4 结论

低速转向回正性能是汽车操稳性能的重要指标之一，有效降低转向系统各零件阻力矩，不仅可以提升汽车转向回正性能，也可以降低无用功能耗，因此合理设定工艺要求，加强过程工艺控制是零件质量提升的关键。

参考文献

[1] 郭孔辉.汽车操纵稳定性[M].长春：吉林科学技术出版社，1991.

[2] 靳立强，宋传学，彭彦宏.基于回正性与轻便性的前轮定位参数优化设计[J].农业机械学报，2006（11）：20-23.

[3] 黄炳华，陈祯福.汽车主动转向系统中转向阻力矩的分析与计算[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2008，30（06）：912-915.

[4] 苗立东，柴山，高保恒.前轮定位对汽车低速转向回正性能的分析[J].机械传动，2013，37（04）：114-117+121.

[5] 薛立军.前轮定位角对汽车转向回正作用的影响[J].汽车工程， 2003（02）：198-200.

[6] 王润琪，周永军，尹鹏.汽车前轮定位及回正力矩和转向力的计算[J].湖南科技大学学报（自然科学版），2010，25（01）：42-46.

[7] 王文建，张雷.转向器最大齿条力的计算与验证[J].客车技术与研究，2015，37（04）：34-36.