基于ADAMS/Car的转向梯形优化

温有东

（北京汽车股份有限公司汽车研究院，北京　101300）

Wen Youdong



基于ADAMS/Car的转向梯形优化

温有东

（北京汽车股份有限公司汽车研究院，北京101300）

Wen Youdong

摘要：某车型开发样车在低速大转角转向时，车辆不能自动回正。通过理论分析找出问题根源，利用ADAMS仿真分析，调整球头销硬点位置优化转向梯形，增加阿克曼符合率以改善车辆在低速大转角转向时的回正性能，实车验证该方法切实有效。

关键词：ADAMS/Car软件；回正性能；阿克曼符合率；转向梯形

0　引　言

低速转向时，驾驶员需要精确地控制转向（例如驾驶员从车库离开），然后松开转向盘使得汽车直线行驶。在松开转向盘后，驾驶员期望转向盘自动回到直线行驶的位置；因此设计出一种具有较好回正特性的汽车是十分必要的。具有这种性能的汽车既有在低速时抵抗车轮上各种阻力的能力，也有在转向时让驾驶员具备正确路面感的能力。与高速横向力矩相比，低速回转性能与由悬架和转向系产生的回转力矩关系很大。

某改款车型开发样车在低速（≤10km/h）大转角转向（转向盘在1～1.49圈内）运动后松手，车辆不能自动回正；减小转向盘转角，车辆开始缓慢回正；车速>10km/h时车辆开始逐渐回正。市场在售竞争车型均无此现象，该改款车基础车型也无此现象。

1　汽车低速回正影响因素

影响回正力矩的因素有许多，其中包括车速、转向轮轮胎类型及气压、载荷、路面摩擦系数、前轮定位参数、转弯半径、转向角速度与角加速度、转向系统转动惯量、转向系统干摩擦特性、侧倾转向效应、轴转向效应等转向干涉、转向系统刚度、轮胎的力学特性和车辆系统参数如重心高度等。

构成车轮回正力矩的主要部分是侧向力与轮胎拖距之积形成的轮胎自回正力矩和侧向力与主销后倾距之积形成的侧向力回正力矩，其次是重力回正力矩和纵向力回正力矩；其中轮胎自回正力矩和侧向力回正力矩与侧向力成正比，而重力回正力矩与前轴负荷、转向角成正比。在前轴左、右轮负荷差别不大的情况下，纵向力回正力矩很小。

在低速大转角行驶条件下，汽车的侧向加速度较小，因此轮胎的侧偏角很小，由侧向力形成的回正力矩较小，此时由前轴负荷形成的重力回正力矩和轮胎与地面的摩擦力矩是影响汽车回正性能的2个主要因素。因此，汽车转向几何学在此工况下有着至关重要的影响，不同的转向梯形设计对大转角下阿克曼符合率的影响直接决定了轮胎与地面的摩擦力矩大小，从而决定了汽车的回正性能。

2　汽车低速不回正问题分析

2.1仿真分析

车辆在低速大转角转向时，如内、外侧车轮转角差距较小，偏离理想的转向角度，意味着低速大转角转向时，车轮平面与车轮轨迹不重合，轮胎有一定的侧偏角及侧向力。

如图1所示，低速大转角转向时内、外车轮转角差与理论转向差偏差越大，产生的侧偏角越大，侧向力也就越大。

图1　汽车低速圆周运动轮胎力示意图

建立样车及基础车型的ADAMS整车模型，对样车及基础车型进行ADAMS软件仿真分析，得到转向的阿克曼信息，2车型阿克曼特性基本相当，但都处于偏低水平。如图2所示，实线为问题样车，虚线为样车改款前的基础车型。

图2　转向阿克曼特性对比

2.2前轴荷对比分析

由于回正力矩大小与前轴载荷即垂向力密切相关，在四轮定位等参数相同的条件下，前轴载荷越大，回正力矩越大，这解释了基础车为何比该车回正好。

对比该车与其基础车型载荷见表1。

表1　某车与其基础车参数对比

2.3分析结论

通过分析，该车低速大角度不自动回正主要原因如下。

1）该车型为改款车，改款后前轴载荷减少较多，回正力矩大幅减少，造成低速转向后不自动回正；

2）在载荷变化较大和轮胎发生变化的情况下，维持基础转向梯形和四轮定位参数不变是造成回正力矩减少和低速大转角摩擦力矩增加的主要原因。

3　汽车低速不回正问题解决方案

提高大转角转向时的阿克曼符合率需要对转向梯形进行优化，涉及到转向拉杆、转向节等零件的更改，周期较长。为了验证理论分析的正确性，采用等效方案来提高大转角转向时的阿克曼符合率。

减小车轮前束值以增加大转角转向时的阿克曼符合率，使之更加接近理想阿克曼转向，直至变为负前束。改变车辆前束值进行主观评价，评价结果见表2。

表2　更改前束实车测试结果

可以看出，当负前束绝对值大于28¢时，转向盘开始自动回正，这验证了理论分析的正确性。但是，将车轮前束变为负值会使转向盘中间区域出现很多不合理的问题，同时还会带来轮胎偏磨的风险。

实车测试中，将前束角由0.14°调整为-28¢，怠速转向回正性能变为良好。此调整是通过改变球头销的硬点位置，相当于改变了转向梯形。为获得前束为-28¢时的转向梯形，需沿整车坐标系Y方向调整球头销硬点位置；对比阿克曼符合率，原模型转向球头销硬点沿Y方向向内移动5.33mm，可以获得相同的转向梯形。

通过ADAMS仿真得到PercentAckerman如图3所示，细线为样车更改前曲线，粗线为样车更改后曲线，阿克曼百分比有所增加，回正性能改善。

图3　更改前、后转向阿克曼符合率对比

优化后需要对悬架特性进行校核，特别是前束角变化。如图4、图5所示，前束角变化在下跳-20mm与上跳20mm范围内基本相同，跳动行程较大时，前束变化梯度有所降低，但变化量较小。

图4　车辆平行跳动时的前束变化

实际更改中，将转向节转向球头销安装锥孔内移5.33mm，转向节不需要重新开模，更改成本较低，布置和耐久影响较小，如图6所示。

更改后对车辆进行转向回正性能主观评价，低速大转角情况下，松开转向盘，回正均匀顺畅，残余角较小，问题得到较好解决。

图5　车辆反向跳动时的前束变化

图6　转向节工程更改

4　结束语

针对某改款车型低速大转角下转向盘不能自动回正的问题，首先通过理论分析找到导致该问题的关键因素和更改方向，利用易于实施的等效方案验证了理论分析的正确性，然后通过CAE仿真分析找到解决问题的优化方案，工程更改实施后，低速大转角情况下，松开转向盘，回正均匀顺畅，残余角较小，问题得到较好解决。

参考文献

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[2]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，2003，25（2）：198-200.

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[5]姜明国，陆波.阿克曼原理与矩形化转向梯形设计[J].汽车技术，1994（5）：16-19.

收稿日期：2015-11-03

文章编号：1002-4581（2016）02-0037-03

中图分类号：U463.46

文献标志码：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.02.010