汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦分析與優(yōu)化摘要：汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)汽車的行駛安全至關(guān)重要，其功能就是按照駕駛員的意愿控制汽車的行駛方向。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中一個(gè)重要的參數(shù)，它影響著轉(zhuǎn)向盤力矩對(duì)駕駛員的操縱感覺(jué)，同時(shí)對(duì)車輛回正起到一定的影響。本文分析了汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦力對(duì)轉(zhuǎn)向力和回正力的影響，與此同時(shí)，對(duì)某一實(shí)車進(jìn)行了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；摩擦；轉(zhuǎn)向力；回正力

前言

隨著時(shí)代的進(jìn)步，汽車已成為現(xiàn)代生活必不可少的出行工具。汽車行業(yè)逐步發(fā)展的同時(shí)，人們對(duì)駕駛感覺(jué)要求越來(lái)越高。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為影響駕駛感覺(jué)的重要部分，得到了越來(lái)越多的重視。本文主要是對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中影響駕駛感覺(jué)的參數(shù)-轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦進(jìn)行分析和優(yōu)化。

1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)介紹

1.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的類型

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其中，完全靠駕駛員手力操縱的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)稱為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；借助動(dòng)力來(lái)操縱的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)稱為動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可分為液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

1.2機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡(jiǎn)介

機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由駕駛員的力量驅(qū)動(dòng)的，所有這些都是機(jī)械的。機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。

1.2.1轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)由方向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向管柱等組成。該功能是將駕駛員的力量由方向盤傳向轉(zhuǎn)向器。

1.2.2轉(zhuǎn)向器

轉(zhuǎn)向器是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)到直線（或近似直線）運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的減速裝置。目前，常見(jiàn)的有齒輪齒條式、圓球曲柄銷式、蝸桿曲柄銷式、圓球齒條式、蝸輪式等。

1.2.3轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是轉(zhuǎn)向器輸出的力和運(yùn)動(dòng)傳到轉(zhuǎn)向橋兩邊轉(zhuǎn)向節(jié)，使兩邊轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)，兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角按一定關(guān)系改變，以確保車輪在汽車方向盤和地面的相對(duì)滑動(dòng)盡可能小。

1.3動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡(jiǎn)介

當(dāng)轉(zhuǎn)向軸載荷較小時(shí)，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置可以實(shí)現(xiàn)順利轉(zhuǎn)向，當(dāng)轉(zhuǎn)向軸載荷較大時(shí)，僅僅依靠駕駛員的身體力量作為動(dòng)力就難以轉(zhuǎn)向。動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上形成的，即在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上增加了助力裝置。采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車轉(zhuǎn)向所需的能量，在正常情況下，只有小部分是駕駛員提供的體能，而大部分是發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的油泵所提供的液壓能或者助力電機(jī)提供的能量。在正常情況下，駕駛員可以很容易地控制方向盤。然而，當(dāng)轉(zhuǎn)向裝置失效時(shí)，它會(huì)返回到機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)狀態(tài)，通常由駕駛員獨(dú)立承擔(dān)。

1.3.1液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向液壓泵、轉(zhuǎn)向油管、油箱、轉(zhuǎn)向控制閥、轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸等組成。當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，轉(zhuǎn)向控制閥會(huì)發(fā)生變化，使得高壓油進(jìn)入轉(zhuǎn)向器的一側(cè)，推動(dòng)轉(zhuǎn)向器運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而改變汽車的行駛方向。由于轉(zhuǎn)向助力裝置的作用，只需比采用機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)小得多的轉(zhuǎn)向力矩，就能使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。

1.3.2電動(dòng)助力動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

電動(dòng)助力動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)簡(jiǎn)稱電動(dòng)式EPS或EPS，其在機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了信號(hào)傳感器、電子控制單元和轉(zhuǎn)向助力機(jī)構(gòu)。電動(dòng)式EPS是利用電動(dòng)機(jī)作為助力源，根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向參數(shù)等因素，由電子控制單元完成助力控制，其原理可概括如下：當(dāng)操縱轉(zhuǎn)向盤時(shí)，裝在轉(zhuǎn)向盤軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器不斷地測(cè)出轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)矩信號(hào)，該信號(hào)與車速信號(hào)同時(shí)輸入到電子控制單元。電控單元根據(jù)這些輸入信號(hào)，確定助力轉(zhuǎn)矩的大小和方向，即選定電動(dòng)機(jī)的電流和轉(zhuǎn)動(dòng)方向，調(diào)整轉(zhuǎn)向輔助動(dòng)力的大小。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩由電磁離合器通過(guò)減速機(jī)構(gòu)減速增矩后，加在汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，使之得到一個(gè)與汽車工況相適應(yīng)的轉(zhuǎn)向作用力。

2轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型如圖1所示，連桿2與汽車方向盤通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接，連桿2與連桿1之間是以一定的傳動(dòng)比i連接的齒輪齒條副，連桿1與連桿3之間靠轉(zhuǎn)動(dòng)副4連接，轉(zhuǎn)動(dòng)副5是連桿3與支架之間的運(yùn)動(dòng)副，可將轉(zhuǎn)動(dòng)副5看做是固定轉(zhuǎn)動(dòng)副。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)帶動(dòng)連桿2的轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿2的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連桿1平動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副4、5帶動(dòng)連桿3的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

1.連桿；2.連桿；3.連桿；

4.轉(zhuǎn)動(dòng)副；5.轉(zhuǎn)動(dòng)副

圖1轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型

3轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)車測(cè)試

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)根據(jù)扭桿的變形量由助力電機(jī)輸出助力，控制轉(zhuǎn)向盤扭矩可得到合適的助力。雖然助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使得駕駛員轉(zhuǎn)向省力，但轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的摩擦力帶來(lái)的主觀感受不可消除，不同的系統(tǒng)摩擦對(duì)于不同的車影響不同，所以可以在測(cè)試中獲取客觀數(shù)據(jù)，調(diào)整參數(shù)后，主觀評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向力感覺(jué)是否合適。同時(shí)較大的摩擦力也會(huì)降低轉(zhuǎn)向回正的能力。本車型轉(zhuǎn)向力需要有質(zhì)感、平滑感，回正殘余角15°以內(nèi)。

3.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)齒條力測(cè)試

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)齒條軸力測(cè)試，見(jiàn)圖2。

圖2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)齒條力測(cè)試圖

以上測(cè)試條件，見(jiàn)表1。

車輛最大齒條力5.6kN，符合設(shè)計(jì)狀態(tài)。

3.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦力矩測(cè)試

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦力是影響汽車轉(zhuǎn)向力感覺(jué)的原因之一，調(diào)整摩擦力大小，可以改善整個(gè)系統(tǒng)的主觀感受。調(diào)整摩擦前測(cè)試的轉(zhuǎn)向力矩（關(guān)閉EPS，轉(zhuǎn)向器外球頭與轉(zhuǎn)向節(jié)斷開(kāi)），見(jiàn)圖3。

圖3轉(zhuǎn)向力矩測(cè)試圖

該車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦測(cè)試結(jié)果為：

左打轉(zhuǎn)向平均力矩：3.8N.m。右打轉(zhuǎn)向平均力矩：3.6N.m

3.3改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦力矩后測(cè)試

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相對(duì)液壓助力轉(zhuǎn)向摩擦力主要體現(xiàn)在渦輪蝸桿處，經(jīng)過(guò)改善潤(rùn)滑脂、除塵及微調(diào)間隙后，再次測(cè)試系統(tǒng)摩擦，見(jiàn)圖4。該車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦測(cè)試結(jié)果為：左打轉(zhuǎn)向平均力矩：2.3N.m；右打轉(zhuǎn)向平均力矩：2.2N.m。

圖4改善后轉(zhuǎn)向力矩測(cè)試圖

4轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦分析

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦影響著轉(zhuǎn)向盤力矩對(duì)駕駛員的操縱感覺(jué)，同時(shí)對(duì)車輛回正起到一定的影響。

4.1摩擦力對(duì)于轉(zhuǎn)向力的影響分析

轉(zhuǎn)向力=齒條力+摩擦－助力

僅從力的角度分析，助力電機(jī)可以提供額外的助力消除系統(tǒng)摩擦，從而使轉(zhuǎn)向力達(dá)到所需的大小。但是，系統(tǒng)摩擦給駕駛員帶來(lái)的主觀感受是不可消除的。

當(dāng)系統(tǒng)摩擦過(guò)小時(shí)，駕駛員會(huì)感覺(jué)到轉(zhuǎn)向力過(guò)于空洞，沒(méi)有絲毫的阻尼感，同時(shí)路面的反饋會(huì)毫無(wú)保留地傳遞到轉(zhuǎn)向盤上，轉(zhuǎn)向盤頻繁的振動(dòng)抖動(dòng)令駕駛員感到難受且疲勞。

當(dāng)系統(tǒng)摩擦過(guò)大時(shí)，駕駛員會(huì)感覺(jué)轉(zhuǎn)向力有阻滯、發(fā)澀、不順暢，同時(shí)過(guò)多地吸收路面反饋會(huì)使車輛缺乏路感。

本車需求的轉(zhuǎn)向力需要有品質(zhì)感，摩擦帶來(lái)的反饋使轉(zhuǎn)向力既不空洞也沒(méi)阻滯感，這就需要調(diào)整轉(zhuǎn)向摩擦力后主觀評(píng)價(jià)了。

4.2摩擦力對(duì)于轉(zhuǎn)向回正力的影響分析

回正力矩減去回正阻力矩即為凈回正力矩TF為TF=Ta－M式中，Ta為總轉(zhuǎn)向回正力矩（包括定位回正力矩和側(cè)向力回正力矩）；M為總回正阻力矩（轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的摩擦阻力矩和路面與輪胎之間的摩擦阻力矩）。當(dāng)TF大于零時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可自動(dòng)回正。

在不考慮EPS系統(tǒng)影響的情況下，汽車中、低速行駛時(shí)，車輪的回正力矩一般都能使車輪回正，即TF>0。但安裝了EPS系統(tǒng)之后，電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)的引入增大了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的慣性、阻尼和摩擦（設(shè)EPS系統(tǒng)引入的阻力矩為M1），可能會(huì)造成汽車低速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向回正不足。因此要提高安裝EPS系統(tǒng)車輛的回正性能，就要設(shè)法消除M1的影響。

5效果驗(yàn)證

5.1改善摩擦后轉(zhuǎn)向力變化

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦力矩減小約1.5N·m后，轉(zhuǎn)向力阻滯感明顯下降，力矩表現(xiàn)為圓潤(rùn)，具有質(zhì)感，駕駛時(shí)轉(zhuǎn)向輕便舒適。

5.2改善摩擦后轉(zhuǎn)向回正變化

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦力矩減小后，左右轉(zhuǎn)向回正殘余角均有減小，同時(shí)，微調(diào)軟件回正控制后使回正殘余角小于15°，符合本車設(shè)計(jì)要求，見(jiàn)表2。

結(jié)語(yǔ)：

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦?xí)绊戅D(zhuǎn)向力的感覺(jué)及轉(zhuǎn)向回正性能，并嚴(yán)重影響駕駛員的駕駛心情和情緒，需加以控制和改善。對(duì)某車型采取優(yōu)化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)摩擦來(lái)改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能，通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后的轉(zhuǎn)向力感覺(jué)