汽车转向系统摩擦分析优化

徐宇航

摘 要：文章针对某车型电动助力转向系统转向力发涩及转向回正残余角偏大的问题，利用实车测试及理论计算对转向系统摩擦进行了分析。根据分析结果采用降低电动转向管柱摩擦及优化助力曲线等措施进行控制。通过对比优化前后的转向力及回正残余角，证明所采取的措施有效。

关键词：电动助力转向系统；转向力；摩擦；转向管柱

1 概述

随着物质生活和精神生活水平的不断提高，人们对汽车的驾驶舒适性提出了更高的要求。转向力是影响汽车驾驶舒适性的关键因素。當车辆在城市道路行驶时必然会频繁的打方向，此时车辆的转向力的舒适性会严重影响驾驶员的驾驶心情和情绪。

某新开发车型在试验中发现，车辆打方向时转向力有明显的发涩、不平顺的现象。若投放市场，必然引起客户的强烈抱怨。因此必须对此转向力进行分析加以改善。

2 转向系统实车测试

电动助力转向系统根据扭杆的变形量由助力电机输出助力，合适的助力可控制扭矩适中的转向盘扭矩[1]。但转向系统的摩擦力会影响转向力的感觉，不同的系统摩擦对于不同的车影响不同，所以可以在测试中获取客观数据，调整参数后，主观评价转向力感觉是否合适。同时较大的摩擦力也会导致转向回正的能力。本车型转向力需要有质感、平滑感，回正残余角15°以内。

2.1 转向系统齿条力测试

转向系统齿条轴力测试，见图1。

图1 转向系统齿条力测试图

以上测试条件，见表1。

表1 齿条力测试条件

车辆最大齿条力5.6kN，符合设计状态。

2.2 转向系统摩擦力矩测试

转向系统摩擦力是影响汽车转向力感觉的原因之一，调整摩擦力大小，可以改善整个系统的主观感受。调整摩擦前测试的转向力矩（关闭EPS，转向器外球头与转向节断开），见图2。

图2 转向力矩测试图

该车辆转向系统摩擦测试结果为：

左打转向平均力矩：3.8N.m

右打转向平均力矩：3.6N.m

2.3 改善转向系统摩擦力矩后测试

电动助力转向系统相对液压助力转向摩擦力主要体现在涡轮蜗杆处[2]，经过改善润滑脂、除尘及微调间隙后，再次测试系统摩擦，见图3。

图3 改善后转向力矩测试图

该车辆转向系统摩擦测试结果为：

左打转向平均力矩：2.3N.m

右打转向平均力矩：2.2N.m

3 转向系统摩擦分析

转向系统摩擦影响着转向盘力矩对驾驶员的操纵感觉，同时对车辆回正起到一定的影响。

3.1 摩擦力对于转向力的分析

转向力=齿条力+摩擦-助力

仅从力的角度分析，助力电机可以提供额外的助力消除系统摩擦，从而使转向力达到所需的大小。但是，系统摩擦给驾驶员带来的主观感受是不可消除的[3]。

当系统摩擦过小时，驾驶员会感觉到转向力过于空洞，没有丝毫的阻尼感，同时路面的反馈会毫无保留的传递到方向盘上，方向盘频繁的震动抖动令驾驶员感到难受且疲劳。

当系统摩擦过大时，驾驶员会感觉转向力有阻滞、发涩、不顺畅，同时过多的吸收路面反馈会使车辆缺乏路感。

本车需求的转向力需要有品质感，摩擦带来的反馈使转向力即不空洞也没阻滞感，这就需要调整转向摩擦力后主观评价了。

3.2 摩擦力对于转向回正力的分析

回正力矩减去回正阻力矩即为净回正力矩TF：

TF=Ta-M （1）

式中，Ta为总转向回正力矩（包括定位回正力矩和侧向力回正力矩），M为总回正阻力矩（转向系统中的摩擦阻力矩和路面与轮胎之间的摩擦阻力矩）。

当TF大于零时，转向系统可自动回正。

在不考虑EPS系统影响的情况下，汽车中、低速行驶时，车轮的回正力矩一般都能使车轮回正，即TF>0。但安装了EPS系统之后，电机和减速机构的引入增大了转向系统的惯性、阻尼和摩擦（设EPS系统引入的阻力矩为M1），可能会造成汽车低速行驶时转向回正不足。因此要提高安装EPS系统车辆的回正性能，就要设法消除M1的影响。

4 效果验证

4.1 改善摩擦后转向力变化

转向系统摩擦力矩减小约1.5N.m后，转向力阻滞感明显下降，力矩表现为圆润，具有质感，驾驶时转向轻便舒适。

4.2 改善摩擦后转向回正变化

转向系统摩擦力矩减小后，左右转向回正残余角均有减小，同时，微调软件回正控制后使回正残余角小于15°，符合本车设计要求。

5 结束语

汽车转向系统摩擦会导致转向力的感觉及转向回正性能，并严重影响驾驶员的驾驶心情和情绪，需加以控制和改善。文章通过对某车型采取优化转向系统摩擦改善转向系统性能。通过对比优化前后的转向力感觉及转向回正性能，表明以上措施对转向系统性能改善明显。

参考文献

[1]汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册.设计篇[M].北京：人民交通出版社，2001，6.

[2]陈家瑞.汽车构造[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2000.