车辆最小转弯直径控制问题分析

宋文韬 焦宝磊

（上汽通用五菱汽车股份有限公司 青岛分公司，山东 青岛 266000）

【摘 要】转弯直径对车辆转向的灵活性有着较为直接的影响，但在日常生活中因不容易被发现而常被大众忽视。文章结合企业生产过程中的相关经验，对影响车辆转弯直径的原因和控制方式进行探讨。

【关键词】最小转弯直径；四轮定位；最大转向角；转向横拉杆；前束；转向齿条；中位标记

【中图分类号】U463.41 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）06-0069-05

0 引言

有车的朋友可以做这样一个试验：在保证车辆及人员安全的情况下，先将车轮摆正，然后使方向盘从居中位置分别向左和向右打到极限位置，观察方向盘向两侧的转向圈数是不是相同。相信有部分车主会发现，方向盘向左和向右的转向圈数会存在一定的差异，有的甚至可能会相差半圈以上。

当方向盘左、右两侧转向圈数差异不大时，其对车辆转向性能的影响并不太明显，用户也很难注意到这点差异；但是，当左、右转向圈数相差过大时，车辆就会表现出向一侧转向时灵活性较好，但向另一侧转向时灵活性不够好的现象。

以上描述的问题其实就是整车系统中的转弯直径控制问题。上述问题的根源，就在于整机厂在对车辆进行四轮定位时，没有兼顾好对转向器的调整，由此导致车辆左、右转弯直径出现较大的差异。

1 转向中心、最大转向角及转向梯形

车辆以离心力可以忽略不计的极低车速转弯行驶时，使轮胎不发生侧向滑移，各车轮必须围绕一个共同的点进行转弯，此交点称为汽车转向中心。从图1中可以看出，汽车转向时内侧转向轮的偏转角α大于外侧转向轮偏转角β，其中αmax、βmax分别是内、外转向轮最大转向角，O是转向中心。

由前轴、转向横拉杆及左、右梯形臂组成的梯形，称为转向梯形，如图2（a）所示，线N-N是汽车纵向中心线。

目前，市场上的许多微型客车的前悬架为麦弗逊式独立悬架，在独立悬架中，由于左、右轮独立运动，因此转向横拉杆需为分段式结构，同时转向桥也是断开式的，前轴与转向节之间通过下控制臂相连，因此转向梯形也是分段式，如图2（b）所示。在理想状态下，图2中的转向梯形应该是等腰梯形。

图3为某型微客左转向横拉杆局部图，该车型的横拉杆分成3个部分，中间部分为齿条，齿条的两端是左、右转向横拉杆，转向横拉杆由杆体和接头2部分组成。

2 最小转弯直径及其测量方式

在平整地面上，车辆在最大转向角状态下以最低的稳定速度转弯时，外侧前转向轮轮胎中心面与地面接触点形成的轨迹圆直径中的较大者，称为最小转弯直径。

转弯直径直接影响汽车的机动性。最小转弯直径越小，汽车的机动性就越强，汽车转向所需的场地就越小，但是最小转弯直径过小，会使车辆转向时侧翻的风险上升。转弯直径与汽车的轴距、轮距及转向轮的最大转向角直接有关。轴距、轮距越大，转弯直径也越大；转向轮的最大转向角越大，转弯直径就越小。

由于转向轮的左、右最大转向角一般有所不同，因此有左转弯直径和右转弯直径。

国标《汽车最小转弯直径、最小转弯通道圆直径和外摆值测量方法》（GB/T 12540—2009）中规定了对最小转弯直径的测量方式，在此简述如下：在车身上前车轮胎面中心上方安装行驶轨迹显示装置后，转向盘转到极限位置并保持不变，使车辆以较低车速稳定行驶一周，使测点在地面上形成封闭的轨迹圆。用钢卷尺测量外侧前转向轮的轨迹圆直径，测量时在相互垂直的2个方向测量出最大值，以此2个方向测值的算术平均值作为试验结果。车辆应向左转和向右转各测量1次，记录试验结果，这2个试验结果就是该车的左、右转弯直径。如果左、右转方向測得的试验结果之差在0.1 m以内，则取左、右转试验结果的平均值作为该车最小转弯直径的最终结果，否则以左、右转试验结果的较大值作为最终结果。

需要注意的是，在测量最小转弯直径时如果不考虑左、右转弯直径差值是否超过0.1 m，只是简单地取两者的均值作为最小转弯直径值，这是不严谨的。

3 四轮定位过程对转弯直径的影响

转弯直径与汽车的轴距、轮距及转向轮的最大转向角直接有关。对一台成品车来讲，轮距轴距等参数已经确定，那么唯一能够直接影响转弯直径的参数就是转向轮的最大转向角。理想状态下，转向梯形中可以影响到车轮转向角的部件相对中心线N-N完全对称，此时，当转向齿条在转向齿轮的带动下从初始位置分别向左和向右运动的极限行程相同时，车辆左、右转向时内、外转向轮最大转向角相同（如图4所示），即

αL-max=αR-max

βR-max=βL-max

这时车辆的左、右转弯直径相等。同时，转向齿条从初始位置分别向左和向右运动的极限行程相同，对齿轮齿条式转向器来说也就意味着转向盘从初始位置分别向左和向右转到极限位置的转向圈数相同。也就是说，若不考虑所有的误差和公差，当车辆转向盘向左和向右的转向圈数完全相等时，车辆的左、右转弯直径相等。

汽车四轮定位主要指的是转向轮定位，定位参数包括主销后倾、主销内倾、前轮外倾和前轮前束。主销后倾、主销内倾和前轮外倾通常在前轴、下控制臂、前悬挂和车架等装配到一起之后就可形成，不需进行调整，整机厂在通过设备检测此3个参数合格后，只需对车辆的前轮前束值进行调整即可完成转向轮定位。

前束值调整是通过改变左、右转向横拉杆长度来进行的，调整后两车轮前端略向内偏。左、右两车轮的后方距离A与前方距离B之差（A-B）称为前轮前束值，一般前束值为0～12 mm（如图5所示）。图中1和2实际上就是齿轮齿条式转向器壳体的左、右端面，作用是限制转向齿条向右和向左移动的极限行程。为了便于理解，我们将转向齿轮、转向轴与转向盘挪到与中心线N-N重合的位置，此时左、右限位点1和2关于线N-N对称，转向齿条的总行程中位点位于转向齿条自身中点3。

不难理解，当齿条中点3处于中心线N-N上时，此时调整前束后左转向横拉杆长度H1与右转向横拉杆长度H2是相同的，转向齿条从初始位置向右移动的极限行程L1与向左移动的极限行程L2相同，转向盘向两侧的转向圈数也相同。我们设定：

H1=H2=h；L1=L2=l

我们将转向齿条移动时左、右横拉杆在纵向上的位移分量忽略不计，设转向齿条移动到左极限时从左限位点1到左转向横拉杆球头销4的总长为HL：

HL=H1+L1+L2=h+2l

转向齿条移动到右极限时从右限位点2到右转向横拉杆球头销5的总长为HR：

HR=H2+L2+L1=h+2l

可见HL与HR相等，此时车辆左、右转向时内、外转向轮最大转向角相同，左、右转弯直径也相同：

αL-max=αR-max，βR-max=βL-max

但是如果在调整前，转向齿条偏离了总行程的中位点，那么调整完前束之后车辆左、右转向横拉杆就会呈现一边长一边短（如图6所示）。在调整前束前，若齿条从行程中点向左偏离一个尺寸δ，此时调整前束之后各段尺寸关系如下：

左转向横拉杆长度变短：

H1=H1-δ=h-δ

右转向横拉杆长度变长：

H2=H2+δ=h+δ

转向齿条从初始位置向右移动的极限行程变长（转向盘右转向圈数增多）：

L1=L1+δ=l+δ

转向齿条从初始位置向左移动的极限行程变短（转向盘左转向圈数减少）：

L2=L2-δ=l-δ

转向齿条移动到左极限时从左限位点1到左转向横拉杆球头销4的总长HL：

HL=H1+L1+L2=h+2l-δ=HL-δ

转向齿条移动到右极限时从右限位点2到右转向横拉杆球头销5的总长HR：

HR=H2+L2+L1=h+2l+δ=HR+δ

由此可见，此时HR将与HL产生差异，其差值为2δ。此时，车辆转向盘转到左极限位置时左转向横拉杆会比正常状态（即调整前束前齿条中点处于其总行程中点）短一个δ的距离，而转向盘转到右极限位置时右转向横拉杆会比正常状态长一个δ的距离，这时内、外转向轮最大转向角与正常状态时相比会产生如下变化：

αL-max<αL-max；βR-max<βR-max

此时，左转向的内、外轮最大转向角变小，车辆左转弯直径会增大。

αR-max>αR-max；βL-max>βL-max

此时右转向的内外轮最大转向角增大，车辆右转弯直径会减小。

综上可知，如果没有将转向齿条调整到左、右极限行程相同的位置时就进行前束调整，就会造成车辆的左、右转弯直径出现差异，并且是转向圈数少的一侧转弯直径大，转向圈数多的一侧转弯直径小。当然，这个差值δ不会太大，通常其数值不会超过单侧转向横拉杆的调整余量，否则会出现一侧转向横拉杆调整到极限但是前束值仍然不合格的现象。

但是，差值δ对最小转弯直径的影响还是很显著的。最小转弯直径值是车辆的公告参数之一，根据国标中对最小转弯直径的测量要求可知，当左、右转弯直径差值超过0.1 m时，最小转弯直径就要取左、右转弯直径的较大者。企业在生产过程中如果没有有效的监控，量产车中很容易就会出现左、右转弯直径值相差超过0.1 m的情况，如果差值过大使得最小转弯直径取值超出公告值要求，就可能会给车企带来麻烦。

4 在前束调整过程中兼顾对转弯直径的控制

事实上，转向齿条包含在转向器壳体中，在前束调整时其行程中点不容易被直接找到，而检查每一台车的左、右转向圈数对大批量生产来说也不可取，因此对转向器转向齿条行程中点的对中控制主要还是由零件本身和四轮定位设备来保证。

通常的齒轮齿条式转向器左、右转向横拉杆在装车前会进行预调节，以使左、右转向横拉杆长度基本一致；当车辆进入四轮定位工序时，车辆两个前转向轮处于浮动盘上，定位开始时，电机拖动浮动盘上的辊子旋转，带动车轮旋转，随后设备对中机构从2个车轮内侧或外侧扶正轮胎。在对中压力作用下，2个前轮在浮动盘上摆动到左、右初始前束值大致相等的位置，使车辆转向梯形接近于等腰梯形，此时因左、右横拉杆长度基本一致，对中力会反推转向齿条向行程中位靠拢，随后员工将前束调整到合格范围内。理论上讲，当设备及零件精度足够高，且人员操作正常时，车辆四轮定位完成的同时转向齿条应正好处于左、右行程相等的状态，且误差不足以导致左、右转弯直径差值超过0.1 m。但实际上，设备精度及零件精度都难以达到这种高度，而且越是大批量生产型企业，人员非正常操作的现象就越难杜绝，比如还没等设备对中完成就开始进行前束调整等。极端时就会出现车辆的四轮定位合格了，但是左、右转向横拉杆一长一短并且差异很大，车辆的左、右转弯直径差异也很大。图7所示就是较典型的调整不当的转向横拉杆状态，该车左、右转弯直径差值已经接近1 m。

这里需要注意的是，并不是说当左、右转向横拉杆调整状态不一致时车辆的左、右转弯直径就会不一样，因为转向梯形中的前轴、转向节等部件所在的零件总成是要装配到车架的不同区域上的，通常车架的尺寸公差带要比零件大得多，在考虑了各部分累计公差后，也会出现横拉杆左、右侧调整状态不一样的情况，只是各种公差累计造成的差异一般不会使转向横拉杆出现图7中所示的状态。相比之下，通过确认转向盘的左、右转向圈数来判断左、右转弯直径是否一致的方式要更加准确。

既然设备精度及零部件精度等不利因素太多，使得通过设备直接精确控制前束和转弯直径变得不可行，因此主机厂可在转向器本体上增加中位标记线（点），以辅助员工调整前束值时可以兼顾到对转弯直径的控制。在机械转向器上常采用当转向齿条处于行程中点时，在转向器壳体与转向轴连接处笔直的划一条标识线（齐缝线）。车辆在定位设备对中力作用下初步找正，以保证转向盘向两侧的转向圈数大致相同，再将齐缝线在转向轴上的部分与壳体上的部分对齐，然后调整前束即可保证方向盘左、右转向圈数相等，从而保证了左、右转弯直径的一致性。图8（a）所示为机械转向器上的齐缝线。

但是，这种在转向器上画标识线的方法精确性较差，不适合使用在中、高端车型上，尤其是目前EPS（电子助力转向）配置越来越普及，EPS转向器转向轻便，响应迅速，转向盘极限位置回转圈数较机械转向器要少，对左、右转弯直径一致性的要求也更高。某EPS车型为了提高对转弯直径的控制，该车型的转向轴与转向中间轴连接端的花键存在一扁方平面，转向轴与转向齿条在装配到一起的时候有着严格的角度要求，以保证转向齿条处于行程中位的时候，转向轴扁方平面朝着一个指定方向；转向中间轴与转向立柱及与EPS电机的连接端安装角度也通过设计防错进行保证，是唯一的；EPS转向管柱连方向盘端刻有标记；当管柱处于向左、向右转向圈数都相等的位置时，标记点会朝向正上方，此时再调整四轮定位，即可保证方向盘左、右转向圈数相同，如图8（b）所示。

5 总结

在日常生活中，转弯直径对汽车行驶状态的影响可能并不显著，人们甚至很难发觉，但随着百姓生活水平的逐渐提高，人们对车辆的要求已不仅仅是方便出行那么简单，车主对车辆各项参数性能的要求也越来越苛刻，国家各检测机构对整车公告参数的卡控也越来越严，给企业带来的紧迫感也越来越强烈。正是因为用户开始逐渐关注因左、右转弯直径控制不良带来的一系列问题，所以才有了企业对这项工作的研究与改进。以客户关注为导向，积极开展自身相关工作的控制与提升，这将是整个汽车制造行业的大势所在。

参 考 文 献

[1]关文达，吴明，张凯良.汽车构造[M].第2版.北京：清华大学出版社，2009.

[2]日本自动车技术会.汽车工程手册5：底盘设计篇[M].中国汽车工程学会组，译.北京：北京理工大学出版社，2010.

[3]GB/T 12540—2009，汽车最小转弯直径、最小转弯通道圆直径和外摆值测量方法[S].

[责任编辑：陈泽琦]

【作者简介】宋文韬，男，山东青岛人，本科，上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司助理工程师，从事汽车底盘零部件质量改进提升工作；焦宝磊，男，山东临沂人，本科，上汽通用五菱汽车股份有限公司青岛分公司工程师，从事汽车动力及底盘零部件质量改进提升工作。