商用车转向阻力因素分析

摘要：转向系统是车辆操控系统中的最重要的一部分，沉重的转向受力会给驾驶员带来较差的驾驶体验，也给应急转向带来风险。针对商用车转向系统低速转向产生阻力的部分开展分析，论述了转向系统中各个部分转向阻力产生的原理、影响程度和改善方向，为改善商用车转向操控性能提供指导思路，为今后商用汽车转向系统的研发提供有效借鉴。

1 前言

商用车作为生产劳动工具，用户操作车辆频繁转向，驾驶员期待更轻便的转向力，以降低工作强度。根据法规要求，在行驶中车辆动力源失效条件下，依然需要保持一定的转向能力，通过分析可知，在转向过程中有众多相关系统参与动作，各个系统均存在阻力。为了得到更轻的转向操作感觉，本文从转向系统设计、零部件制造公差以及装调工艺等方面，简要分析论述了商用车转向过程中的阻力来源和改善方向。

GB 17675《汽车转向系 基本要求》有以下要求：“除机械传动机构外的任何传动失效，应如第4.4条的规定提示驾驶员。当出现故障时，允许平均转向传动比出现变化，但不允许转向操纵力超出所规定的值”。

以上条款从法规方面限制了驾驶员操纵力，推动主机厂在降低转向阻力方面做出努力。

商用车前桥转向系统（图1）设计时，首先要保证转向手力满足国家法规条款要求，其次，要保证手力在用户可接受的范围内。由于转向系统正常工作状态下，可以调节转向助力系统达到减轻转向手力的目的，但一味地提高助力会造成不必要的能量损耗，增加了成本，同时也不满足“碳中和”理念。目前转向阻力问题，主要体现在方向盘手力发卡沉重，应急转向工况不同驱动形式车型、不同配置下法规通过一致性较差等方面。其实方向盘自由间隙大，也最终体现到方向盘不对中问题。如果清楚了转向阻力产生的原理和影响方式，就可以通过整车多个部分的调教提高驾驶舒适性、安全性等一系列问题。转向阻力产生的因素较多，有F方向盘手力、R方向盘半径、G轮荷、P轮胎气压、μ路面摩擦系数、Mmcf前 桥摩擦阻力、Mgear转 向器摩擦阻力、Mcolumn转向管柱摩擦阻力、n转向器传动比、k转向拉杆系统传动比、主销后倾角Tkp重力引起的阻力矩等影响因素。下面从这些方面展开分析并提出相应的改善方向。

图1 转向系统组成

2 车辆结构因素

2.1 驱动桥差速摩擦影响转向阻力

2.1.1 影响原理

首先，市面上主流商用车驱动形式包含4×2车型、6×4车型、6×2车型、8×4车型等，“×”前代表整车轮位数量，“×”后数字代表驱动轮轮位数量，即4×2代表一根转向桥（两个轮位）加一根驱动桥（两个轮位），6×4代表一根转向桥（两个轮位）加两根驱动桥（四个轮位）。由于存在左右轮差速设计，双驱动桥车辆比单驱动桥车辆转向时受到的阻力更大。

2.1.2 改善方向

a.驱动桥采用油润滑，减少温度较低时凝胶状润滑脂形成的阻力。

b.驱动桥半轴、轮毂及车轮采用轻量化方案，降低传动系统转动惯量。

c.降低驱动桥差速器的摩擦阻力。

2.2 轴距变化影响转向阻力

轴距变化的影响计算中，理论上随着轴距的增大，所需要的力矩越大，如图2所示。

图2 轴距变化影响计算

计算公式如下：

式中，J为转动惯量，kg·m2；m为整车质量，kg；a为汽车质心至前轴支撑点水平距离，m；b为汽车质心至后轴支撑点水平距离，m；L1为前后支撑点水平距离，m；L2为整车轮距，m。

根据公式可知，可以通过缩短轴距进行改善。

2.3 拉杆系统传动比影响转向阻力

2.3.1 拉杆系统构成

拉杆系统由转向垂臂、连接拉杆、中间过渡垂臂、直拉杆臂、桥总成转向节等主要零部件组成，其中垂臂和直拉杆臂的等效转动半径是拉杆系统传动比的主要影响因素。由于垂臂和直拉杆臂的摆动使硬点做圆周运动，所以硬点初始角是次要影响因素。

2.3.2 直拉杆臂尺寸分析

由于地面传递给车轮的阻力为直接影响，所以计算公式如下：

式中，F直拉杆为直拉杆受力，N·m；Mkp为主销受到的阻力矩，N·m2；L节臂为直拉杆臂等效转动半径，m。

2.3.3 改善方向

转向桥直拉杆臂设计在布置允许条件下尽可能增大对应硬点转动半径。转向器垂臂设计时，在满足转角要求情况下尽可能减少对应硬点转动半径，即增大直拉杆臂和垂臂有效长度的比值。

2.4 转向桥载荷及参数影响转向阻力

2.4.1 根据结构开展理论分析

转向桥载荷机构分析如图3所示。

图3 转向桥载荷机构分析

其中，轮胎转动摩擦计算如下：

式中，Mk为轮胎摩擦阻力矩，N·m；μ为轮胎与地面摩擦因数；NW为 轮荷（矢量），N；p为轮胎胎压，Pa。

改善方向主要包括两方面：a.降低转向轴载荷；b.提高轮胎胎压。

主销倾角带来的阻力矩计算如下：

式中，T kpg为 倾角引起的阻力矩，N·m；erim为接地点关于旋转中心的半径（矢量），m；kp为轮胎摩擦阻力矩（矢量），N·m。

主销转动过程中存在转动摩擦，直接叠加到Mkp上，可以采用轴承结构降低主销转动阻力进行改善。

2.5 转向器参数影响转向阻力

转向器传动比指的是输入轴转动角度和输出轴转动角度的比值。根据能量守恒，在理想状态下，摩擦力矩按照比例传递到输入端，若考虑效率，则需要增加传递效率系数。

改善方向主要有两点：a.选用大速比转向器，降低转向转向手力；b.采用磨齿工艺，降低转向器齿轮系的摩擦。

2.6 转向传动装置影响转向阻力

转向柱是由多段连接组成，每一段之间由万向节连接，由于多段转向柱形成空间夹角，在传动过程中存在相位差，形成波形力矩，超过部分即为阻力。

改善方向主要有两点：a.选用大速比转向器，降低输入端阻力矩；b.采用磨齿工艺，降低转向器齿轮系的摩擦。

方向盘是驾驶员操控车辆方向最直接的零件，根据转矩和手力的关系可知，输入端阻力矩一定的情况下，方向盘有效半径越大，转向手力越小，公式如下：

式中，Mh为方向盘转动力矩，N·m；F为方向盘手力，N；R为方向盘有效半径，m。

根据市场上主流的商用车主机厂方向盘设计（图4）来看，均考虑了人机交互和轻手力要求的平衡。

图4 市场上主流的商用车主机厂方向盘设计

在用户人机交互可以接受的前提下，增加方向盘有效半径可以有效改善。

3 结语

本文针对商用车转向阻力进行分析，通过市场调研和理论分析，从整车状态、系统匹配、零部件设计等方面，提出在低速或者原地转向条件下的转向阻力来源和改善方向，为转向特性研究提供帮助，尤其针对应急转向法规的实施有指导意义和参考价值。

文章作者：彭玺 杜喜阳 魏 超