汽车转向系统综合刚度测量试验装置研究

李胜琴，陈汝春，王乾浩，王哲，刘启元

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨150040)

汽车转向系统综合刚度测量试验装置研究

李胜琴，陈汝春，王乾浩，王哲，刘启元

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨150040)

汽车转向系统综合刚度是影响汽车操纵稳定性的重要因素之一。介绍一种汽车转向系统综合刚度的测量装置及试验方法，通过分析汽车转向系统的受力状况，设计车轮固定装置，并对实验室汽车转向系统实验台进行改装，在此基础上进行试验。分别固定车辆左前轮及右前轮，顺时针或者逆时针转动车辆方向盘,同时利用方向盘扭矩测量仪测量方向盘转矩及转角数据，进行数据整理分析，获得了汽车转向系统的综合刚度特性。结果表明，所述的试验装置及方法可以有效地对转向系统综合刚度进行测量，能够用来进行车辆系统动力学建模研究。本文在进一步研究转向系统刚度特性对汽车操纵稳定性的影响等方面具有一定的研究意义。

转向系统；综合刚度；测量；试验装置

0 引言

近年来，随着计算机科学技术的迅猛发展及车辆模拟和分析精度的提高，作为虚拟样机技术应用核心问题的汽车动力学模型发展也越来越完善，因而对车辆各系统建模的精度要求也越来越高[1]。

作为车辆的输入系统，转向系统模型能否精确反映车辆的实际参数及动态特性，直接影响车辆操纵稳定性的仿真分析精度，因此需要对转向系统各部件特性，尤其是综合刚度进行精确的测量[2-4]。目前比较流行的车辆动力学仿真软件ADAMS提供的转向系统模型模板，建立了转向立柱和左右横拉杆的刚度环节，实现了齿条和左右车轮分别具有独立的自由度的条件，能够准确表达两侧车轮的相互耦合关系，可以动态仿真左右车轮“东拉西拽”的现象[5-6]。但模型没有考虑转向系统的摩擦等环节，也需要通过完善细节来建立详尽的转向系统模型，进而为汽车动力学模型的准确仿真提供基础[7]。

汽车在行驶中，转向系统中的传动比、摩擦、助力和惯量等特性参数会直接影响到驾驶员对路感信息的获取[8-9]，进而对汽车的操纵稳定性产生重要的影响[10]。因此在建立完备整车动力学模型的基础上，还要注重转向系统的建模，需要充分考虑转向管柱、转向器的固定支架和传动杆系等零部件的相关特性，才能够为车辆系统动力学性能研究提供精确的输入参数[11-12]。

本文对转向系统综合刚度测量试验装置进行研究，设计通用性较好的固定底座，利用转向盘扭矩检测仪测量转向系统工作过程中转向盘转角及转向力矩变化，进行测量数据采集及后处理，最终获得车辆转向系统的综合刚度特性[13]。通过本论文研究，能够解决车辆动力学模拟与仿真研究中对转向系统综合刚度及阻尼特性无法测量或测量不准确的技术问题，提高汽车动力学模拟的精度，在此基础上才能够对车辆系统的相关运动特性进行进一步研究[14]。

1 试验原理及内容

通过本项目的研究，设计转向系统综合刚度测量试验装置。试验过程中，该装置能够用来固定转向车轮，在转动方向盘的同时，利用方向盘相矩测量方向盘转角和转矩，经过数据采集整理，能够对转向系统的综合刚度特性进行计算。

转向系的刚度是主要由三部分组成：①转向管柱总成扭转刚度，指方向盘到转向器输入轴端的扭转刚度，包括转向轴、转向传动轴及万向节的扭转刚度；②动力转向器转向控制扭力杆扭转刚度；③转向齿条套管与车身连接衬套刚度，指转向器的固定刚度[15]。本文将三部分的刚度特性综合起来成为转向系统综合刚度，进行测量。

1.1 底座及固定支架研究

需要设计安装底座及固定支架，保证在测量过程中车轮固定不动，以便在转向盘上施加转向力矩，并进行相关测量。要求安装底座能够适应不同车型车轮的尺寸需求，并且固定支架能够保证足够的强度，以保证施加转向力矩过程中车轮不发生偏转[16]。

车轮固定装置设计如图1所示。固定装置底座安装在试验台上，在水平方向移动以适应不同轮距的变化。垂直方向上利用可以沿竖直方向移动的螺栓固定，以适应不同轮心高度。在实验室转向系统试验台架上进行试验，试验时将车辆现有车轮卸下，利用车轮安装螺栓连接车轮固定装置与车辆，并保证试验过程中车辆前轮处于固定状态，以测量转向系统的刚度特性。

图1 车轮固定装置简图Fig.1 The figure of wheel fixing device

1.2 测量装置安装

在转向盘上安装方向盘扭矩测量仪，以便测量施加在转向盘上的转向力矩和转向盘转角。要求方向盘扭矩测量仪与车辆转向盘同时转动，并且旋转中心相同，以保证试验过程中的测量精度[17]。测量及车轮固定装置如图2所示。

图2 整体试验装置Fig.2 The testing apparatus

2 试验过程及数据处理

2.1 转向盘扭矩检测仪力矩标定

测量转向力矩之前，要对方向盘扭矩测量仪进行标定，主要标定力矩大小。将测力计固定在转向盘边缘上，转动方向盘扭矩测量仪同时读取测力计数据，利用测力计显示的力的大小及方向量扭矩测量仪的转动半径数据(方向盘半径为202 mm)，通过计算可得到测力转向盘所测得的实际转动力矩的数值。

转动方向盘扭矩测量仪显示数值与转向力矩之间的转换关系见表1。

表1 显示数值与转向力矩之间的转换关系

2.2 转向系统刚度特性试验

试验过程中，操纵方向盘的力矩和转角采用方向盘扭矩测量仪测量。试验时，分别固定前外及前内车轮，在无助力情况下将方向盘从中间位置起向左侧(或右侧)方向连续转动，使方向盘转角增加至40°左右直至无法转动为止，然后将方向盘反向连续转动至极限位置，再将转向盘回到中间位置时停止，记录方向盘力矩和转角，综合对比采集试验数据，结果如图3、图4所示。

图3 固定右前轮测量结果Fig.3 The results of test with right front wheel fixed

通过对测量数据进行整理，可以看出：

(1)当方向盘转角小于10°时，固定左前轮顺时针转动方向盘、固定左前轮逆时针转动方向盘、固定右前轮顺时针转动方向盘及固定右前轮逆时针转动方向盘，所得到的4条综合刚度曲线基本重合。随着方向盘转角的增加，刚度曲线重合趋势减弱。即当作用在方向盘上的转矩小于10.789 1 Nm时，转向系统综合刚度相同，平均值约为1.1 Nm/(°)。

图4 固定左前轮测量结果Fig.4 The results of test with left front wheel fixed

(2)标准规定，当作用在方向盘上的转向力Fh≥25～190 N时，动力转向器应该开始工作，也就是对于本试验台涉及的乘用车而言，当转向力大于25～50 N时，转向助力开始起作用[18]。本试验中，作用在方向盘上的转矩为10.789 1 Nm时，作用在方向盘的力为53.95 N(方向盘半径为202 mm)，此时转向助力器已经开始起作用。故转向系统的综合刚度可以只考虑小于10.789 1 Nm以下的曲线。对测量所得的试验数据进行均值整理，计算出转向系统的综合刚度特性如图5所示。

图5 转向系统综合刚度特性Fig.5 The comprehensive stiffness of steering system

3 结论

(1)依据转向系统工作原理，设计转向系统综合刚度测量方法，对实验室原有试验台进行改造，完成转向系统综合刚度测量试验装置。

(2)对原有方向盘扭矩测量仪进行力矩标定，满足试验需要。

(3)进行转向系统综合刚度测量试验，对试验数据进行整理分析，得出转向系统的综合刚度特性曲线。

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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

东北林业大学大学生创新训练计划项目(201610225209)

李胜琴，博士，副教授。研究方向：车辆动力学及控制。E-mail：lishengqin@126.com

李胜琴，陈汝春，王乾浩，等.汽车转向系统综合刚度测量试验装置研究[J].森林工程，2017，33(4)：94-97.

U 467.4

A

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