王長(zhǎng)明 李麗君 王懷謙 左鵬進(jìn) 孫鎮(zhèn)

摘 要：文章闡述了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式和轉(zhuǎn)向力矩波動(dòng)原理，并利用該原理，在某車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)不改變的情況下，確定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的最佳中間軸相位角，使該車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動(dòng)降到最低，并通過實(shí)車驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系統(tǒng);力矩波動(dòng);相位角

中圖分類號(hào)：U463.4 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）04-19-03

Improvement Design of Torque Fluctuation of the Electric Vehicle Steering System^*

Wang Changming¹， Li Lijun²， Wang Huaiqian³， Zuo?Pengjin⁴， Sun Zhen⁵

（ 1.Shandong?Tangjun?Ouling Automobile Manufacture Co.， Ltd.， Automotive Research Institute， Shandong?Zibo?255000;2.Traffic?&?Vehicle Engineering College，?Shandong?University of Technology， Shandong?Zibo?255000 ）

Abstract：?The authors elaborate the structure style and torque fluctuation theory?of vehicle steering transmission system， According to these principles， Determine the optimal intermediate shaft phase phase angle of the steering system without changing the hard point of the?vehicle steering system， minimizing the torque fluctuation of the steering system of the model， and verify the results through testing.Keywords： Steering system; Torque fluctuation; Phase angleCLC NO.：?U463.4??Document Code： B??Article ID： 1671-7988（2020）04-19-03

1 前言

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中包含轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸，由于轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸兩端有兩個(gè)不等速萬向節(jié)，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)時(shí)重時(shí)輕的力矩波動(dòng)現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間開車會(huì)影響駕駛員的舒適性和安全性^[1]，因此如何降低轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力矩波動(dòng)，是廣大設(shè)計(jì)人員的值得重視的一部分，由于乘用車本身布置空間的緊湊性以及公司開發(fā)成本、周期所限制，某車型一旦開發(fā)完成之后，改變?cè)撥囆偷霓D(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)來降低轉(zhuǎn)向力矩波動(dòng)就變得不太可能，但是通過改變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)軸相位角來降低力矩波動(dòng)是非常容易實(shí)現(xiàn)的。

2 力矩波動(dòng)理論

2.1?相位角定義及確定方法^[2]

轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸兩端萬向節(jié)撥叉平面之間的夾角，稱為相位角ψ，其正負(fù)判斷方法下如圖1所示，垂直于轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的軸線做一平面A，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸上軸線L1和轉(zhuǎn)向器小齒輪軸線L3分別投影在平面A上，為L(zhǎng)1'和L3'，垂直于平面A從上往下看，L1'到L3'沿瞬時(shí)針轉(zhuǎn)為正，反之為負(fù)，相位角范圍大小為[-90°， 90°]。

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動(dòng)理論分析^[3]

轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等效夾角的計(jì)算公式如下：

其中：

β₁-轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸間的夾角，;

β₂-轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸與轉(zhuǎn)向器輸入軸間的夾角，;

α-轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸所在平面與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸與轉(zhuǎn)向器所在平面之間的夾角，;

ψ-轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸相位角，;

β_e-等效夾角，。

由于瞬時(shí)功率相等，因此轉(zhuǎn)向器輸入轉(zhuǎn)矩為：

（1）

其中：θ-轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)角;T₁-轉(zhuǎn)向軸輸入轉(zhuǎn)矩;T₂-轉(zhuǎn)向器輸入轉(zhuǎn)矩;

由式（1）可得：

（2）

（3）

由式（2）和式（3）可知汽車轉(zhuǎn)向力波動(dòng)：

（4）

對(duì)式（4）求導(dǎo)：

（5）

由式（5）可知F（β_e）在[0°， 90°]上是個(gè)遞增函數(shù)，即β_e越小，汽車轉(zhuǎn)向力矩波動(dòng)F（β_e）越小。

一旦轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)確定下來，β₁、β₂、α就確定下來，所以當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)確定后，β_e的大小只和中間軸的相位角ψ大小有關(guān);

令x=α+ψ，則

令，則：

（6）

對(duì)式（6）求導(dǎo)得：

（7）

當(dāng)A（x）存在極點(diǎn)時(shí)，，

即x=-90°，0°，90°

當(dāng)x=0時(shí)，A（x）取得最小值，即當(dāng)ψ=-α時(shí)，，F（β_e）最小，如果在當(dāng)ψ=-α時(shí)，轉(zhuǎn)向力矩波動(dòng)仍然不能滿足要求，就必須通過調(diào)整轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)使β₁或β₂或變小來減小轉(zhuǎn)向力波動(dòng)，當(dāng)x=-90°時(shí)或90°時(shí)A（x）取得最大值，即當(dāng)ψ=-90-α或時(shí)，，F（β_e）最大。

3 某微型純電動(dòng)車力矩波動(dòng)優(yōu)化改進(jìn)

某車型為我公司自主研發(fā)的純電動(dòng)微型轎車，該車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配帶電動(dòng)助力，轉(zhuǎn)向器為常見的齒輪齒條式，該車型經(jīng)過多人原地轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤及試駕，普遍反應(yīng)存在力矩波動(dòng)，而要想在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)不改變的情況下，要使轉(zhuǎn)向力矩波動(dòng)控制在可接受的范圍內(nèi)，依據(jù)力矩波動(dòng)理論，需對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的中間軸相位角進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。該車型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置圖，如下圖2所示。

3.1 轉(zhuǎn)向管柱布置優(yōu)化

對(duì)該微型純電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向管柱的布置數(shù)模進(jìn)行測(cè)量以及依據(jù)力矩波動(dòng)理論計(jì)算公式，得到轉(zhuǎn)向管柱的數(shù)據(jù)如表1所示：

依據(jù)力矩波動(dòng)理論得到方向盤轉(zhuǎn)角與力矩波動(dòng)的曲線入下圖3所示：

根據(jù)曲線的最大值與最小值的比值，可計(jì)算出該車型優(yōu)化前力矩波動(dòng)率為7.57%。

在不改變轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)的情況下，只有改變轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸相位角才能降低力矩波動(dòng)，依據(jù)力矩波動(dòng)理論，當(dāng)ψ=-α時(shí)，力矩波動(dòng)達(dá)到最小值。優(yōu)化后數(shù)據(jù)見表2。

依據(jù)力矩波動(dòng)理論得到方向盤轉(zhuǎn)角與力矩波動(dòng)的曲線入下圖4所示：

根據(jù)圖中曲線最大值與最小值的比值，可計(jì)算出該車型優(yōu)化后力矩波動(dòng)率為0.3%。

3.2 不同相位角的傳動(dòng)軸裝車驗(yàn)證力矩波動(dòng)影響

不同相位角的傳動(dòng)軸如下圖5所示，實(shí)車主要測(cè)試靜態(tài)轉(zhuǎn)向力矩，數(shù)據(jù)測(cè)試過程如下圖6所示。

按中間軸相位角改進(jìn)前和改進(jìn)后兩種狀態(tài)，分別將ψ=-38.5°和ψ=-16.11°轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸裝配在該純電動(dòng)微型轎

車進(jìn)行轉(zhuǎn)向力矩測(cè)試，該車輛轉(zhuǎn)向盤勻速從左極限轉(zhuǎn)到右極限位置約為3.53圈，取第2圈和第3圈的轉(zhuǎn)向力矩最大值與最小值進(jìn)行分析比較，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸相位角更改后，轉(zhuǎn)向盤力矩最大值與最小值的比值明顯降低，相應(yīng)的轉(zhuǎn)向力矩波動(dòng)由原來9.8%的降低到0.78%，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算基本一致，驗(yàn)證了在轉(zhuǎn)向硬點(diǎn)不變的情況下，改善該車型轉(zhuǎn)向力矩波動(dòng)可行性。

4 總結(jié)

方向盤力是汽車操作穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)^[4]，文章詳細(xì)闡述了力矩波動(dòng)理論，并依據(jù)該理論，在某微型純電動(dòng)車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)不改變的情況下，通過改變中間軸相位角來減小轉(zhuǎn)向力矩波動(dòng)，并經(jīng)過實(shí)物裝車測(cè)試驗(yàn)證，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算基本一致，改善了該車型的力矩波動(dòng)，并為后續(xù)車型開發(fā)提供借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造：下冊(cè)[M].3版.北京：人民交通出版社，1997.

[2] 高新華等.基于代理模型的轎車轉(zhuǎn)向柱力矩波動(dòng)關(guān)系研究與優(yōu)化[J]數(shù)字化設(shè)計(jì).2008.66-67.

[3] 王宵鋒.汽車底盤設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[4] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.