基于扭矩变化提高汽车转向中心感研究

吴成伟 赖富刚 孙福禄 王华

摘 要：随着汽车工业的发展，客户对车辆的需求渐渐由功能向性能转变。横向控制是车辆必不可少的功能，其横向控制性能直接影响驾驶员的舒适度，方向盘中心感是车辆横向控制的主要性能。文章以方向盘扭矩反馈对中心感的影响为研究对象，阐述双十字万向节在传动过程中扭矩波动，基于扭矩波动对方向盘中心感的应用。利用CATIA模型模拟分析，找到合理的方向盘扭矩波动趋势、通过方向盘扭矩大小的波动与波动趋势提高汽车转向中心感。

关键词：方向盘中心感;力矩波动;转向传动系统

中图分类号：U463.4  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）10-67-04

Analysis on On-center Handling of Vehicle Based on Torque Fluctuation

Wu Chengwei， Lai Fugang， Sun Fulu， Wang Hua

（Geely Automobile Research Institute （Ningbo） Co.， Ltd.， Zhejiang Ningbo 315000 ）

Abstract： With the development of automotive industry， customer's needs on vehicle transfers from functions to performances. Lateral control is an essential function for a vehicle， the lateral control performance will directly influence on the comfort of the driver， the performance of steering wheel centrality is the main function of vehicle lateral control. We choose the influence on steering wheel centrality as the researched objects in this paper， which is brought by steering wheel's torque feedback， to expound the torque ripple theory of the torque value transmitted among double spiders， and the application using the relation between torque ripple  and steering wheel centrality. By simulation analysis with CAITA model， we can find the proper steering wheel torque variation trend， and then increase steering wheel center feeling according to the steering wheel torque variation amplitude and variation trend.

Keywords： On-center Handling; Torque fluctuation; Steering transmission system

CLC NO.： U463.4  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）10-67-04

1 前言

車辆转向系统的性能主要包含汽车转向的可靠性、响应性、精准性、平顺性以及转向力等。转向中心感主要体现在转向平顺性以及转向力的变化趋势。

本文以D-EPS（Dual pinion -Electric Power Steering）转向助力形式的转向系统为例，对转向系统扭矩传动结构的布置分析，应用空间向量方法，并借助CAITA 软件中的模型模拟，通过运动校核模型导出输入轴、输出轴的转速差，推算出方向盘的扭矩波动趋势，进行优化布置。结合通常驾驶员对方向盘扭矩大小及波动的敏感程度分析、通过模型对结构布置研究，达到提高车辆方向盘的中心感，并且兼顾方向盘扭矩波动的范围，从而提高车辆的感知质量，同时降低驾驶员驾驶车辆的疲劳程度。

2 乘用汽车转向中心感

2.1 汽车转向中心感

乘用车的转向中心感是指汽车在中、高速行驶的过程中，驾驶员小角度打方向盘、对车辆横向控制的的感知，主要体现在方向盘扭矩给驾驶员的反馈及汽车转向灵敏度。本文主要对于转向系统的扭矩传动结构设计作为研究对象，道路以中国高速公路、快速车道以及GB/T 6323-2014规范为参考。

2.2 转向传动刚度对转向敏感影响

乘用车辆转向传动机构刚度，是指汽车方向盘与转向助力单元之间的传动部分刚度，含机械转向管柱总成，中间轴总成。以某车型的案例分析，转向传动系统的刚度要求大于等于6Nm/°，常规乘用车在有助力的情况下，方向盘扭力小于4.0 Nm，根据转向传动系统刚度要求及设定的方向盘扭矩，计算因转向刚度产生的方向盘转角如 式（1）、（2）所示。

通过某车型的转向传动系统刚度测试验证曲线如图1 所示，测试值如表1所示。

根据表表1-某车型转向传动系统的刚度，计算转向系统的平均刚度如式（3）所示，由于刚度产生的方向盘转角如式（4）所示。

由式（2）、式（4），由于刚度产生的方向盘转角最大值为0.667°，平均值0.337°。根据此分析及验证数据体现，转向传动机构刚度对转向敏感影响小。

2.3 方向盘扭矩对汽车转向中心感分析

方向盘扭矩是指驾驶员直接作用在汽车方向盘上面的扭矩，根据牛顿第三定律，汽车方向盘反馈给驾驶员的扭矩与反作用力相等。驾驶员对方向盘的中心感，通常是以方向盘中间位置与附近位置随角度增加，根据扭矩变化趋势来判断及感知方向盘的中心位置。

方向盘中心感通常表现在驾驶汽车的过程中，小范围调整方向盘角度，方向盘中间位置扭力处于波谷状态，随着方向盘角度的增加，方向盘扭力值平滑逐渐增大，并且顺时針与逆时针基本对称。驾驶员能从调整方向盘角度的扭力反馈，感知方向盘中心位置。

3 转向系统扭矩传动分析

3.1 转向传动系统机构

乘用车常规的转向传动机构部件包括方向盘总成、机械转向管柱总成、中间轴总成，电动助力转向器总成，如图2所示。

3.2 常规乘用汽车转向扭矩传递波动

本课题以D-EPS（Dual pinion-Electric Power Steer -ing）为例，方向盘扭矩传递到转向助力转向器总成上，其扭力传递系统包括方向盘、机械转向管柱总成、中间轴总成。在转传递扭矩的结构部件中，方向盘、机械转向管柱、转向器输入轴为等速，中间轴中的十字万向节传递转速不是等速的。故方向盘的力矩传动波动主要来自中间轴的两个十字万向节。根据能量守恒定律，如果不计扭矩传递过程的摩擦力损失、方向盘和转向器传动的功率相等等，即式（5）所示。

T_方向盘·ω_方向盘=T_{转向器输入轴}·ω_{转向器输入轴}（5）

转向系统对车轮的扭矩，分别来自驾驶员转向产生的扭矩与电动助力转向单元提供的扭矩，如式（6）所示。

T_总= T_{转向器输入轴}+ T_{电动助力单元}（6）

D-EPS（Dual pinion-Electric Power Steering）是在转向器输入轴处设计扭矩传感器，助力单元控制系统设计助力模型，助力单元的基本助力模型如式（7）。

T_{电动转向助力}=T_输入轴· K_模型系数（7）

由式（5）得：

由式（6）、（7）、（8）得：

T_总= T_{转向器输入轴}+ T_{转向器输入轴}· K_模型系数（9）

由式（8）、式（10）得：

设定方向盘小角度转向范围内，转向系统受到的阻力（T_总）恒定的情况下，由式（11）得出，其转向系统扭矩传递的波动，在于方向盘与转向器输入轴的转速比。

3.3 十字万向节对扭矩传递波动

单个十字万向节力学模型如图3所示，十字轴万向节的主动轴与从动轴转角间的关系为：

tanφ₁=tanφ₂·cosα                              （12）

设万向节角度α保持不变、把式（12） 时间求导，并且把φ2用φ1表示，可得：

其中，ω₁、ω₂分别是轴1、轴2的转速、由于cosφ1是周期为180°的周期性函数，所以在α保持不变的条件下，转速比也是周期为180°周期性函数，如图4 所示：

根据单十字轴万向节转速比变化特性，其双十字轴万向节的位置设计应该成互补状态，使其中一个十字万向节传动波动的波峰与另外一个十字万向节传动波动的波谷值相对应。如图5所示，中间轴两十字轴万向节，两端的节叉布置应与中间轴轴线及相邻轴轴线构成一个平面。

4 CATIA建模

4.1 转向传动系统运动副

转向传动系统的自由度限制为机械转向管柱总成的两安装轴承、转向器输入轴两轴承、传动分别由中间轴总成中的两十字万向节叉连接。如图6所示。

4.2 转向传动模型建立

在某车型上根据式（13）原理进行初步优化，优化后布置的结构进行建立CATIA模拟模型。方向盘与转向上管柱为刚性连接，运动模型设计为一个Part₁。上下十字万向节中的十字轴，模型各设计为Part₂、Part₃。中间轴部分的模型设计为一个Part₄。中间轴总成的下轴与转向器输入轴为刚性连接，运动模型设计为一个Part₅。转向器壳体及固定轴承组件的运动模型设计为一个Part₆方向盘、上转向管柱组件通过轴承固定。运动关系设置为旋转接合，以方向盘和机械转向管柱输入轴作为驱动单元、上十字轴Part₂与方向盘与转向上管柱组件Part1设置为旋转接连、十字轴、方向盘及机械转向旋轉轴组件设置为旋转接连，设置CATIA的运动模型。

4.3 设置模型参数

设置方向盘转速、转向器输入轴转速为目标。首先建立函数关系。运用CAITA中“知识工程”工具栏中的“公式”模型。设置“公式”工具栏中的“编辑当前参数的名称或值”。导出CATIA模型模拟后数据，如图7所示。

4.4 方向盘力矩波动计算

应用模型模拟后，导出part 6（转向器输入轴）转速与转角数据。设定转向器输入轴阻力扭矩为T，结合式（8），计算出方向盘扭矩波动趋势与方向盘的转角关系曲线如图8所示。

根据图8 曲线体现，方向盘位置在中心位置，扭矩处于波谷值。方向盘在小角度转动的过程中，方向盘扭矩符合转向中心感需求的平滑叠增趋势。

5 方向中心感验证

试验根据某车型转向系统的空间结构进行布置。试验将输入轴上安装扭矩传感器及伺服驱动单元，转向器齿条输出位置加载设计的载荷进行试验，如图9所示。伺服驱动单元按设定的转速运行。试验台控制系统记录伺服驱动单元的扭矩与转角关系曲线如图10所示。

根据图9 试验曲线体现，方向盘位置在中心位置，扭矩接近波谷值。方向盘在小角度转动的过程中，方向盘扭矩符合转向中心感需求的平滑叠增趋势。

6 结束语

通过某车型根据目标扭矩波动趋势及波动值范围，优化转向传动机构布置。应用CAITA模型模拟及分析、能快速得到优化结构改善趋势。经模拟及试验数据曲线体现，方向盘扭矩值随方向盘转角的变化趋势，符合提高转向中心感的优化。

参考文献

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