商用车转向系统与整车操纵稳定性的相关性研究

常健+龙玉林

摘 要：操纵稳定性是汽车的重要性能之一，是影响汽车的安全性能、操控性及抗干扰能力的重要因素。转向性能能够改变车辆的行驶方向，是汽车的基础功能之一，与操纵稳定性具有紧密的关系。作为内部参数的转向系统结构，及外部参数的驾驶员作用，都会对整车操纵的稳定性产生巨大的影响。本次研究首先阐述了商用车的转向系统的功能，接着探究了整车操纵稳定性的研究现状，最后通过仿真模型对商用车的转向系统与整车操纵稳定性间的关系进行探究。希望本次研究有助于提高商用车的转向性能和整车操纵稳定性，全面提升汽车的安全性。

关键词：转向系统；操纵稳定性；液压助力转向系统

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.165

0 前言

随着商用车的大量普及，商用车的安全性能越来越重要。作为汽车的基础功能，转向功能对整车操纵具有重要的影响。常规的机械转向系统不能兼顾灵敏性和轻便性，因此，大部分商用车都使用液压助力系统作为辅助的动力转向系统。通过助力系统可以提升驾驶员在转向时对汽车的掌控力，提高汽车的安全性能和操作的便捷性。尽管电动助力系统具有部件尺寸小、助力更安全、可以吸收路面的冲击等优势，但目前应用的最广泛的仍是液压助力转向系统。因此，探究液压助力转向系统与整车操纵稳定性具有重要意义。

1 商用车转向系统概述

汽车的转向系统是汽车改变或保持方向的控制装置，组成部分有转向控制装置、转向轮、转向传动机关和专用装置。转向性能是汽车的基本功能之一，是汽车正常行驶的基本条件。转向性能对保护驾驶员的安全、保障行车安全和减少交通事故等方面具有重要作用。转向性能的内部结构参数和驾驶员的操作对汽车的转向行驶特点具有直接的影响。因此转向系统对汽车的整车操纵稳定性具有重要的作用。常规的机械转向系用无法兼顾灵敏性和协调轻便性，商用车全部使用助力系统辅助转向系统，以机械转向系统为基础，增设助力装置。在正常条件下，汽车转向时消耗的能量大部分是助力转向装置供给的，驾驶员只提供了一小部分。为保证商用车的行车安全，助力转向系统在助力装置发生故障时，仍可以通过驾驶员的操作完成转向[1]。

目前，根据转向能源可以分为液压助力系统（HPS）、电动液压助力系统（EHPS）及电动助力系统（EPS）。其中，商用车应用的最多的是液压助力系统、液压助力转向系统的工作原理是通过发动机工作，带动转向油泵，驾驶员转动方向盘时，液压油会流到助力缸中的一个腔内，另一个腔内的部分液压油就会回流，在两腔之间就会产生压力差，推动转向齿轮和活塞运转[2]。

2 整车操纵稳定性的研究现状

汽车的操纵稳定性指的是：一是汽车响应驾驶员的转向操作；二是行驶在弯路时，汽车加减速和对外界干扰的响应。操纵稳定性是决定汽车在高速行駛时安全程度的主要性能。和操纵稳定性相关的研究，在上世纪六十年代以前就已展开，最初是把汽车看作开环系统，研究重点是汽车在曲线行驶时的响应频率与特征。早在1956年，就有学者提出了“线性二自由度”的汽车转向模型，逐渐发展到现在已达到17自由度甚至更高的数学模型。精确的数字模型，对车辆设计、性能评价等方面具有重要意义[3]。

随着科技的进步，人们对空气动力学及侧偏特征的研究逐步深入，对汽车的响应仿真度越来越高。进行仿真前，第一步要建立整车的动力学模型，包括轮胎、转向系统等元件。另外，驾驶员对整车操纵稳定性也有很大的影响。建立仿真模型时，必须将“人车路”进行闭环系统的研究。仿真技术中新技术层出不穷，如最优控制技术、神经网络技术等，使整车模型越来越逼真，在操纵稳定性进行研究时，对仿真结果和性能分析等方面的作用越来越大[4]。

3 液压助力转向车辆的操纵稳定性仿真分析

现阶段对汽车的许多研究都是通过建立仿真模型，商用车的转向系统和整车操纵稳定性的关系也可以通过建立动力学模型进行描述。通过对仿真模型进行研究，可以得出以下结论：

第一，扭杆刚度可以提高转向的灵敏性。刚度越大，车辆的横摆角度和侧向加速峰值也越大，对液压助力系统没有影响，但会影响操纵稳定性和安全性。

第二，扩大活塞的有效工作范围，可以提高商用车的轻便性和灵敏性，但会降低商用车在转弯时的稳定性和安全性。

第三，减小前悬架侧倾角度，横摆角速度的超调量增加明显，稳态值降低；侧倾角的曲线到达最高值和稳态值会明显延时，车身的侧倾角的稳态值上升明显；提高侧倾角速度的峰值，其达到稳态的时间会增加。因此，增加前悬架的侧倾角度，可以提高商用车转弯的安全性、舒适性和灵敏性，并提高整车操纵的稳定性。

第四，减少小齿轮基圆的半径，有助于提高商用车转向时的灵敏性，对助力效果几乎没有影响，会降低车辆的稳定性和安全性。

第五，提高转阀供油量，可以缩短响应时间，能有效提高转向的轻便性与灵敏性，但在转弯时会降低安全性和舒适性。

4 结论

本次研究通过对仿真模型的研究与分析，得出了以下结论：提升扭杆刚度可以提高转向的灵敏性；大活塞的有效工作范围，可以提高商用车的轻便性和灵敏性；增加前悬架的侧倾角度，可以提高商用车转弯的安全性、舒适性和灵敏性，并提高整车操纵的稳定性；减少小齿轮基圆的半径，有助于提高商用车转向时的灵敏性；提高转阀供油量，可以缩短响应时间，能有效提高转向的轻便性与灵敏性。希望以上结论有助于提高我国商用车的转向性能和整车操纵稳定性间的，全面提升商用车的操作性能和安全性能。

参考文献：

[1]陈建宏，张硕.商用车电动助力转向系统助力特性研究[J].武夷学院学报，2015（09）：38-42.

[2]郭润清，姜兆娟，高明秋.汽车操纵稳定性道路试验和评价系统设计[J].北京汽车，2015（01）：37-41.

[3]张志运，黄妙华，张振良.基于Adams的后转向桥优化与整车稳定性分析[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2014（06）：807-811.

[4]黄菊花，闫雪.基于某商务电动汽车操纵稳定性仿真分析的底盘布置优化[J].南昌大学学报（工科版），2012（01）：53-57.

作者简介：常健（1989-），男，黑龙江绥化人，本科，助理工程师，研究方向：商用车转向系统。