李勝琴，陳汝春，王乾浩，王哲，劉啟元

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱150040)

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合剛度測量試驗裝置研究

李勝琴，陳汝春，王乾浩，王哲，劉啟元

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱150040)

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合剛度是影響汽車操縱穩(wěn)定性的重要因素之一。介紹一種汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合剛度的測量裝置及試驗方法，通過分析汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的受力狀況，設(shè)計車輪固定裝置，并對實驗室汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實驗臺進行改裝，在此基礎(chǔ)上進行試驗。分別固定車輛左前輪及右前輪，順時針或者逆時針轉(zhuǎn)動車輛方向盤,同時利用方向盤扭矩測量儀測量方向盤轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)整理分析，獲得了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的綜合剛度特性。結(jié)果表明，所述的試驗裝置及方法可以有效地對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合剛度進行測量，能夠用來進行車輛系統(tǒng)動力學(xué)建模研究。本文在進一步研究轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度特性對汽車操縱穩(wěn)定性的影響等方面具有一定的研究意義。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；綜合剛度；測量；試驗裝置

0 引言

近年來，隨著計算機科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展及車輛模擬和分析精度的提高，作為虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用核心問題的汽車動力學(xué)模型發(fā)展也越來越完善，因而對車輛各系統(tǒng)建模的精度要求也越來越高[1]。

作為車輛的輸入系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型能否精確反映車輛的實際參數(shù)及動態(tài)特性，直接影響車輛操縱穩(wěn)定性的仿真分析精度，因此需要對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部件特性，尤其是綜合剛度進行精確的測量[2-4]。目前比較流行的車輛動力學(xué)仿真軟件ADAMS提供的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型模板，建立了轉(zhuǎn)向立柱和左右橫拉桿的剛度環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了齒條和左右車輪分別具有獨立的自由度的條件，能夠準確表達兩側(cè)車輪的相互耦合關(guān)系，可以動態(tài)仿真左右車輪“東拉西拽”的現(xiàn)象[5-6]。但模型沒有考慮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的摩擦等環(huán)節(jié)，也需要通過完善細節(jié)來建立詳盡的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型，進而為汽車動力學(xué)模型的準確仿真提供基礎(chǔ)[7]。

汽車在行駛中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的傳動比、摩擦、助力和慣量等特性參數(shù)會直接影響到駕駛員對路感信息的獲取[8-9]，進而對汽車的操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生重要的影響[10]。因此在建立完備整車動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，還要注重轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模，需要充分考慮轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向器的固定支架和傳動桿系等零部件的相關(guān)特性，才能夠為車輛系統(tǒng)動力學(xué)性能研究提供精確的輸入?yún)?shù)[11-12]。

本文對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合剛度測量試驗裝置進行研究，設(shè)計通用性較好的固定底座，利用轉(zhuǎn)向盤扭矩檢測儀測量轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作過程中轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)向力矩變化，進行測量數(shù)據(jù)采集及后處理，最終獲得車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的綜合剛度特性[13]。通過本論文研究，能夠解決車輛動力學(xué)模擬與仿真研究中對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合剛度及阻尼特性無法測量或測量不準確的技術(shù)問題，提高汽車動力學(xué)模擬的精度，在此基礎(chǔ)上才能夠?qū)囕v系統(tǒng)的相關(guān)運動特性進行進一步研究[14]。

1 試驗原理及內(nèi)容

通過本項目的研究，設(shè)計轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合剛度測量試驗裝置。試驗過程中，該裝置能夠用來固定轉(zhuǎn)向車輪，在轉(zhuǎn)動方向盤的同時，利用方向盤相矩測量方向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集整理，能夠?qū)D(zhuǎn)向系統(tǒng)的綜合剛度特性進行計算。

轉(zhuǎn)向系的剛度是主要由三部分組成：①轉(zhuǎn)向管柱總成扭轉(zhuǎn)剛度，指方向盤到轉(zhuǎn)向器輸入軸端的扭轉(zhuǎn)剛度，包括轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向傳動軸及萬向節(jié)的扭轉(zhuǎn)剛度；②動力轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向控制扭力桿扭轉(zhuǎn)剛度；③轉(zhuǎn)向齒條套管與車身連接襯套剛度，指轉(zhuǎn)向器的固定剛度[15]。本文將三部分的剛度特性綜合起來成為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合剛度，進行測量。

1.1 底座及固定支架研究

需要設(shè)計安裝底座及固定支架，保證在測量過程中車輪固定不動，以便在轉(zhuǎn)向盤上施加轉(zhuǎn)向力矩，并進行相關(guān)測量。要求安裝底座能夠適應(yīng)不同車型車輪的尺寸需求，并且固定支架能夠保證足夠的強度，以保證施加轉(zhuǎn)向力矩過程中車輪不發(fā)生偏轉(zhuǎn)[16]。

車輪固定裝置設(shè)計如圖1所示。固定裝置底座安裝在試驗臺上，在水平方向移動以適應(yīng)不同輪距的變化。垂直方向上利用可以沿豎直方向移動的螺栓固定，以適應(yīng)不同輪心高度。在實驗室轉(zhuǎn)向系統(tǒng)試驗臺架上進行試驗，試驗時將車輛現(xiàn)有車輪卸下，利用車輪安裝螺栓連接車輪固定裝置與車輛，并保證試驗過程中車輛前輪處于固定狀態(tài)，以測量轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度特性。

圖1 車輪固定裝置簡圖Fig.1 The figure of wheel fixing device

1.2 測量裝置安裝

在轉(zhuǎn)向盤上安裝方向盤扭矩測量儀，以便測量施加在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向力矩和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角。要求方向盤扭矩測量儀與車輛轉(zhuǎn)向盤同時轉(zhuǎn)動，并且旋轉(zhuǎn)中心相同，以保證試驗過程中的測量精度[17]。測量及車輪固定裝置如圖2所示。

圖2 整體試驗裝置Fig.2 The testing apparatus

2 試驗過程及數(shù)據(jù)處理

2.1 轉(zhuǎn)向盤扭矩檢測儀力矩標定

測量轉(zhuǎn)向力矩之前，要對方向盤扭矩測量儀進行標定，主要標定力矩大小。將測力計固定在轉(zhuǎn)向盤邊緣上，轉(zhuǎn)動方向盤扭矩測量儀同時讀取測力計數(shù)據(jù)，利用測力計顯示的力的大小及方向量扭矩測量儀的轉(zhuǎn)動半徑數(shù)據(jù)(方向盤半徑為202 mm)，通過計算可得到測力轉(zhuǎn)向盤所測得的實際轉(zhuǎn)動力矩的數(shù)值。

轉(zhuǎn)動方向盤扭矩測量儀顯示數(shù)值與轉(zhuǎn)向力矩之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系見表1。

表1 顯示數(shù)值與轉(zhuǎn)向力矩之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度特性試驗

試驗過程中，操縱方向盤的力矩和轉(zhuǎn)角采用方向盤扭矩測量儀測量。試驗時，分別固定前外及前內(nèi)車輪，在無助力情況下將方向盤從中間位置起向左側(cè)(或右側(cè))方向連續(xù)轉(zhuǎn)動，使方向盤轉(zhuǎn)角增加至40°左右直至無法轉(zhuǎn)動為止，然后將方向盤反向連續(xù)轉(zhuǎn)動至極限位置，再將轉(zhuǎn)向盤回到中間位置時停止，記錄方向盤力矩和轉(zhuǎn)角，綜合對比采集試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 固定右前輪測量結(jié)果Fig.3 The results of test with right front wheel fixed

通過對測量數(shù)據(jù)進行整理，可以看出：

(1)當方向盤轉(zhuǎn)角小于10°時，固定左前輪順時針轉(zhuǎn)動方向盤、固定左前輪逆時針轉(zhuǎn)動方向盤、固定右前輪順時針轉(zhuǎn)動方向盤及固定右前輪逆時針轉(zhuǎn)動方向盤，所得到的4條綜合剛度曲線基本重合。隨著方向盤轉(zhuǎn)角的增加，剛度曲線重合趨勢減弱。即當作用在方向盤上的轉(zhuǎn)矩小于10.789 1 Nm時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合剛度相同，平均值約為1.1 Nm/(°)。

圖4 固定左前輪測量結(jié)果Fig.4 The results of test with left front wheel fixed

(2)標準規(guī)定，當作用在方向盤上的轉(zhuǎn)向力Fh≥25～190 N時，動力轉(zhuǎn)向器應(yīng)該開始工作，也就是對于本試驗臺涉及的乘用車而言，當轉(zhuǎn)向力大于25～50 N時，轉(zhuǎn)向助力開始起作用[18]。本試驗中，作用在方向盤上的轉(zhuǎn)矩為10.789 1 Nm時，作用在方向盤的力為53.95 N(方向盤半徑為202 mm)，此時轉(zhuǎn)向助力器已經(jīng)開始起作用。故轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的綜合剛度可以只考慮小于10.789 1 Nm以下的曲線。對測量所得的試驗數(shù)據(jù)進行均值整理，計算出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的綜合剛度特性如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合剛度特性Fig.5 The comprehensive stiffness of steering system

3 結(jié)論

(1)依據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理，設(shè)計轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合剛度測量方法，對實驗室原有試驗臺進行改造，完成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合剛度測量試驗裝置。

(2)對原有方向盤扭矩測量儀進行力矩標定，滿足試驗需要。

(3)進行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合剛度測量試驗，對試驗數(shù)據(jù)進行整理分析，得出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的綜合剛度特性曲線。

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Research on the Comprehensive Stiffness Measurement Testing Device of Automobile Steering System

Li Shengqin，Chen Ruchun，Wang Qianhao，Wang Zhe，Liu Qiyuan

(School of Traffic，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

The comprehensive stiffness of automobile steering system is one of the most important factors that could affect vehicle handling stability.A measuring device and testing method concerned of the comprehensive stiffness of automobile steering system was introduced in this paper.The force condition of the automobile steering system was analyzed and the fixing device of wheels was designed.Meanwhile，the automobile steering system experiment table in the laboratory was modified to do the test.We obtained the comprehensive stiffness characteristics by fixing the left and right front-wheel respectively，measuring and analyzing the torque and angle of steering wheel.The results showed that the method could measure the comprehensive stiffness of automobile steering system effectively and could be applied to the modeling of vehicle system dynamics.The paper has certain significance in the further study on the influences of the composite stiffness of steering system to vehicle handling stability and other aspects.

Steering system；comprehensive stiffness；measurement；testing device

2017-02-21

東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目(201610225209)

李勝琴，博士，副教授。研究方向：車輛動力學(xué)及控制。E-mail：lishengqin@126.com

李勝琴，陳汝春，王乾浩，等.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合剛度測量試驗裝置研究[J].森林工程，2017，33(4)：94-97.

U 467.4

A

1001-005X(2017)04-0094-04