某微型纯电动车转向系统力矩波动优化改进

王长明 李丽君 王怀谦 左鹏进 孙镇

摘 要：文章阐述了汽车转向系统的结构型式和转向力矩波动原理，并利用该原理，在某车型转向系统硬点不改变的情况下，确定转向系统的最佳中间轴相位角，使该车型转向系统力矩波动降到最低，并通过实车验证。

关键词：转向系统;力矩波动;相位角

中图分类号：U463.4  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）04-19-03

Improvement Design of Torque Fluctuation of the Electric Vehicle Steering System^*

Wang Changming¹， Li Lijun²， Wang Huaiqian³， Zuo Pengjin⁴， Sun Zhen⁵

（ 1.Shandong Tangjun Ouling Automobile Manufacture Co.， Ltd.， Automotive Research Institute， Shandong Zibo 255000;2.Traffic & Vehicle Engineering College， Shandong University of Technology， Shandong Zibo 255000 ）

Abstract： The authors elaborate the structure style and torque fluctuation theory of vehicle steering transmission system， According to these principles， Determine the optimal intermediate shaft phase phase angle of the steering system without changing the hard point of the vehicle steering system， minimizing the torque fluctuation of the steering system of the model， and verify the results through testing.Keywords： Steering system; Torque fluctuation; Phase angleCLC NO.： U463.4  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）04-19-03

1 前言

汽车转向系统中包含转向传动轴，由于转向传动轴两端有两个不等速万向节，会导致转向系统出现时重时轻的力矩波动现象，长时间开车会影响驾驶员的舒适性和安全性^[1]，因此如何降低转向系统的力矩波动，是广大設计人员的值得重视的一部分，由于乘用车本身布置空间的紧凑性以及公司开发成本、周期所限制，某车型一旦开发完成之后，改变该车型的转向系统硬点来降低转向力矩波动就变得不太可能，但是通过改变转向系统传动轴相位角来降低力矩波动是非常容易实现的。

2 力矩波动理论

2.1 相位角定义及确定方法^[2]

转向传动轴两端万向节拨叉平面之间的夹角，称为相位角ψ，其正负判断方法下如图1所示，垂直于转向传动轴的轴线做一平面A，转向传动轴上轴线L1和转向器小齿轮轴线L3分别投影在平面A上，为L1'和L3'，垂直于平面A从上往下看，L1'到L3'沿瞬时针转为正，反之为负，相位角范围大小为[-90°， 90°]。

2.2 转向系统力矩波动理论分析^[3]

转向传动机构等效夹角的计算公式如下：

其中：

β₁-转向轴与转向传动轴间的夹角，;

β₂-转向传动轴与转向器输入轴间的夹角，;

α-转向轴与转向传动轴所在平面与转向传动轴与转向器所在平面之间的夹角，;

ψ-转向传动轴相位角，;

β_e-等效夾角，。

由于瞬时功率相等，因此转向器输入转矩为：

（1）

其中：θ-转向轴转角;T₁-转向轴输入转矩;T₂-转向器输入转矩;

由式（1）可得：

（2）

（3）

由式（2）和式（3）可知汽车转向力波动：

（4）

对式（4）求导：

（5）

由式（5）可知F（β_e）在[0°， 90°]上是个递增函数，即β_e越小，汽车转向力矩波动F（β_e）越小。

一旦转向系统硬点确定下来，β₁、β₂、α就确定下来，所以当转向系统硬点确定后，β_e的大小只和中间轴的相位角ψ大小有关;

令x=α+ψ，则

令，则：

（6）

对式（6）求导得：

（7）

当A（x）存在极点时，，

即x=-90°，0°，90°

当x=0时，A（x）取得最小值，即当ψ=-α时，，F（β_e）最小，如果在当ψ=-α时，转向力矩波动仍然不能满足要求，就必须通过调整转向系统硬点使β₁或β₂或变小来减小转向力波动，当x=-90°时或90°时A（x）取得最大值，即当ψ=-90-α或时，，F（β_e）最大。

3 某微型純电动车力矩波动优化改进

某车型为我公司自主研发的纯电动微型轿车，该车型转向系统配带电动助力，转向器为常见的齿轮齿条式，该车型经过多人原地转动方向盘及试驾，普遍反应存在力矩波动，而要想在转向系统硬点不改变的情况下，要使转向力矩波动控制在可接受的范围内，依据力矩波动理论，需对转向系统的中间轴相位角进行优化改进。该车型的转向系统布置图，如下图2所示。

3.1 转向管柱布置优化

对该微型纯电动汽车的转向系统转向管柱的布置数模进行测量以及依据力矩波动理论计算公式，得到转向管柱的数据如表1所示：

依据力矩波动理论得到方向盘转角与力矩波动的曲线入下图3所示：

根据曲线的最大值与最小值的比值，可计算出该车型优化前力矩波动率为7.57%。

在不改变转向系统硬点的情况下，只有改变转向传动轴相位角才能降低力矩波动，依据力矩波动理论，当ψ=-α时，力矩波动达到最小值。优化后数据见表2。

依据力矩波动理论得到方向盘转角与力矩波动的曲线入下图4所示：

根据图中曲线最大值与最小值的比值，可计算出该车型优化后力矩波动率为0.3%。

3.2 不同相位角的传动轴装车验证力矩波动影响

不同相位角的传动轴如下图5所示，实车主要测试静态转向力矩，数据测试过程如下图6所示。

按中间轴相位角改进前和改进后两种状态，分别将ψ=-38.5°和ψ=-16.11°转向传动轴装配在该纯电动微型轿

车进行转向力矩测试，该车辆转向盘匀速从左极限转到右极限位置约为3.53圈，取第2圈和第3圈的转向力矩最大值与最小值进行分析比较，测试结果如表3所示。

从试验数据来看，转向传动轴相位角更改后，转向盘力矩最大值与最小值的比值明显降低，相应的转向力矩波动由原来9.8%的降低到0.78%，实验数据与理论计算基本一致，验证了在转向硬点不变的情况下，改善该车型转向力矩波动可行性。

4 总结

方向盘力是汽车操作稳定性评价的重要指标^[4]，文章详细阐述了力矩波动理论，并依据该理论，在某微型纯电动车转向系统硬点不改变的情况下，通过改变中间轴相位角来减小转向力矩波动，并经过实物装车测试验证，实测结果与理论计算基本一致，改善了该车型的力矩波动，并为后续车型开发提供借鉴意义。

参考文献

[1] 陈家瑞.汽车构造：下册[M].3版.北京：人民交通出版社，1997.

[2] 高新华等.基于代理模型的轿车转向柱力矩波动关系研究与优化[J]数字化设计.2008.66-67.

[3] 王宵锋.汽车底盘设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

[4] 余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2000.