汽车转向机构的优化设计*

类成朋，王志坤，丁和平

(德州学院 机电工程学院，山东 德州 253023)

随着时代的进步，汽车已成为现代生活必不可少的出行工具。在这种大趋势之下汽车的发展也越来越重要，而作为汽车行业的核心，转向结构的设计也是十分重要的，本文主要是对汽车转向机构的优化[1]。

1 转向机构运动原理

转向机构的简化模型如图1所示，连杆2与汽车方向盘通过万向节连接，连杆2与连杆1之间是以一定的传动比i连接的齿轮齿条副，连杆1与连杆3之间靠转动副4连接，转动副5是连杆3与支架之间的运动副，可将转动副5看做是固定转动副[2]。当转动方向盘时带动连杆2的转动，连杆2的转动带动连杆1平动，通过转动副4、5带动连杆3的转动，进而实现转向。

1.连杆；2.连杆；3.连杆；4.转动副；5.转动副

2 模型假设

1) 分析研究的内容是机械结构的参数对运动状态的影响。在对运动状态分析过程中将机构的运动轨迹及机构之间的干涉以及模型运动过程中受到的力的影响分开讨论。

2) 连杆1沿连杆2方向的位移量很小，可以忽略不计。

3) 连杆1与d2之间的初始角度为90°。

4) 转向结构涉及的系数分别是d1：连杆3与车轮接触点到转动副5的距离；d2：运动副4、5之间的距离；z：连杆2上齿轮的齿数；m：齿轮模数；α：连杆1与d2之间的夹角变化量；β：d1与d2之间的夹角。

5) 对汽车转向过程中力的分析时，假设所需要的扭矩大小恒定，即路面粗糙度、平整度为一恒定的值。

3 运动状态模型

汽车行驶过程中运动状态可根据转向机构对车轮旋转角度的改变量来表示，根据三角函数关系可求出转角的改变Δθ量为：

Δθ=α+β-90° .

根据公式我们不难看出Δθ随着α和β的增大而增大，而Δθ越大，汽车行驶过程中的灵敏度也就越大，考虑汽车行驶过程中的实际情况，β最大不能超过90°，因为超过90°汽车就不能作直线运动，因此我们可以令β=90°，这样汽车行驶过程的灵敏度只受α的影响[3]。我们采用极限位置法来求取α的值，根据实际情况我们不难得知，汽车方向盘单方向最大转动1.5圈，我们引入一个定量k来表示从方向盘到连杆1的传动系数，则连杆2水平方向的位移最大量为：

Δx=1.5kπmz.

根据三角函数可列出变化量α的表达式：

化简得：

4 受力状态模型

转向结构的实际工作并不是在绝对理想的环境下进行的，它需要考虑机构与机构之间相对运动的摩擦力、阻尼系数等因素的影响，因此在对机构的优化分析的过程中，需要考虑所需力的大小，在转向过程中，传递给转向机构的力主要是摩擦力、扭转力，我们把这些影响因素用力矩M表示，假设汽车前轮转向过程中所需要的力矩是一定的，则根据上述讨论内容我们可以得出力矩平衡公式：

M=F·d2·cosα.

其中F为所需的连杆1传递给连杆3的力的大小。

将力矩平衡公式化简可得所需的连杆1传递给连杆3的力的大小F的表达式：

根据力F的表达式可知，当所需的扭矩大小一定时，运动副4、5之间的距离d2与力F成负相关，参数k、m、z与力F成正相关，要想所需的力F最小，需要减小k、m、z这三个量的大小，增大d2的大小。这个结论无疑是与运动状态模型的分析结论相反，这就需要我们根据产品的定位及需要来综合分析，求出最优解[4]。

在对转向结构参数的确定过程中，主要影响因素是产品设计的成本，即产品的市场定位。若是输出高端产品，无疑是优先考虑转向的灵敏度，只需增大k、m、z这三个量的大小，减小d2的大小，而所需的力F可以由好一些的转向助力器提供转向所需要的力，这就会增大产品的制造成本；若是输出中低端产品，则需要在考虑灵敏度的同时考虑是否能够提供所需要的力，再结合制造成本确定转向系统的参数[5]。

5 模型的优缺点分析

在建立模型的过程中将模型分为运动状态和受力状态，分别建立模型分析，确保两种状态下模型的独立，单独分析完两种模型后再综合进行分析，根据产品的输出环境不同结合制造成本、转向灵敏度以及所能够提供的力的大小分析进而确定转向机构的参数，所分析的参数具有一定的准确性，以上这些是模型的优点。

相对于模型的准确性来说，模型的广泛性还有不足，在对转向系统模型分析过程中，只是对理想化假设的基础上做了一部分延伸，但没有深度的探究，没有考虑在一些恶劣条件对转向参数的影响，如路面摩擦系数较大，平整度特别低的情况下转向系统是否能够提供足够的转向力，这些都是模型需要改进的地方。

6 结论

根据本文所介绍的方法和最终的结论对转向系统参数的设定，能够在一定程度上确保在不同的成本支持条件下，达到转向系统的需求最优化，能够很好的结合转向系统参数确定汽车运动状态、转向过程受力以及制造的加工成本三者的影响，实现产品的最优化。

[1] 丁礼灯,杨家军 ，刘照，等.汽车动力转向器转向力矩的分析与计算[J].三峡大学学报(自然科学版),2001(3):243-246.

[2] 高军.汽车动力转向器性能测试技术与系统开发[D].大连：大连理工大学,2006.

[3] 李晏,王瑾，徐皓，等.汽车转向器齿轮齿条的建模与仿真研究[J].现代制造工程, 2010(12):73-76.

[4] 郭洪军,王灵犀，葛晗，等.汽车转向器总成有限元仿真分析[J].黑龙江科技信息，2014(32):87-87.

[5] 付立书.汽车转向器的国内外发展浅述[J].科技资讯, 2013(4):109-110.