汽车转向力波动与转向传动轴相位角间关系的理论分析
汽车转向力波动与转向传动轴相位角间关系的理论分析
张华中，张明旭，马世友 郑州日产汽车有限公司 450016
摘要：转向力是汽车操纵性评价中的重要指标，其波动直接影响驾驶感觉。本文对汽车转向力波动与转向传动轴相位角间的关系进行理论分析，并用此分析结果解决了某车型的转向力过大波动的问题。
关键词：转向力波动 相位角 转向传动轴
Theoretical Analysis of the relationship between Steering force and
Phace Angle of Steering Inner in V ehicle
Zhang Huazhong, Zhang Mingxv, Ma Shiyou Zhengzhou Nissan Automoble CO., L TD. 450016
Abstract: The steering force is a key indicator in the evaluation of vehicle handling and its fluctuation derectly affects the feeling of driving. The relationship between steering force and phace angle of steering inner in vehicle was theoretically analyized in this paper and the conclusion was used to solve the question that the fluctuation of steering force was big in a car.
Key words: fluctuation of steering force, phace angle, steering inner 0 引言
汽车转向操纵系统由方向盘、转向管柱（包含转向轴）和转向传动轴组成。由于转向传动轴两端有两个不等速万向节，转向力会出现时轻时重的现象，这一现象即转向力波动。转向力波动会影响到驾驶员的操纵感觉，导致驾驶员的不舒服和疲劳，给驾驶带来潜在的危险。因此，在汽车转向系统的设计过程中，必须考虑如何减少转向力波动。由于汽车空间布置的紧凑性，一旦转向系统硬点确定下来，再想通过改变转向系统硬点来减小转向力波动就变得非常困难，但改变转向传动轴相位角来减小转向力波动是比较容易的，所以本文将对转向力波动与转向传动轴相位角间关系进行理论分析。
1 转向力波动与转向传动轴相位角间关系的理论分析
转向传动机构等效夹角的计算公式如下：
)(2sin )](2cos [2
42222212
ψαβψα+++?=βββe （1-1）
其中：β1－转向轴与转向传动轴间的夹角，β1∈[0°,90°）
。 β2－转向传动轴与转向器输入轴间的夹角，β2∈[0°,90°）
。 α－转向轴和转向传动轴所在平面（定义为平面1）与转向传动轴与转向器输入轴所在
平面（定义为平面2）间的夹角，α∈（-90°,90°）。当平面1由平面2逆时针旋转而得，α为正；当平面1由平面2顺时针旋转而得，α为负。
ψ－转向传动轴相位角，ψ∈[-90°,90°]。当转向传动轴上端的十字叉由下端的十字叉
逆时针旋转而得，ψ为正；当顺时针旋转而得，ψ为负。
βe －等效夹角，βe ∈[0°,90°）。
根据瞬时功率相等的条件，转向器输入转矩为：
e e T T βθβcos /)2cos sin 1(212?= （1-2）
其中:θ－转向轴转角；T 1－转向轴输入转矩；T 2－转向器输入转矩。 由式（1-2）可得：
e T T βcos /1max 2= (1-3) e
e
e T T T βββcos cos sin 1121min
2=?= (1-4)
由式（1-3）和式（1-4）可知汽车转向力波动：
e
e e
e e T T T T T T F βββββcos cos 1cos cos )(1
11
1
min
2max 2?=?=?=
（1-5）
对式（1-5）求导：
0sin cos sin )(2>+=??e e
e e e F βββββ （1-6）
由式（1-6）可知F （βe ）在[0°,90°)上是个递增函数。即βe 越小，汽车转向力波动F （βe ）越小。
一旦转向系统硬点确定下来，β1、β2和α就确定下来。所以当转向系统的硬点确定后，βe 的大小只和中间轴的相位角ψ大小有关。
令x=α+ψ，则x∈(-180°，180°)。
令)(2
x A e =
β，则()
x x x A 2sin 2cos )(2422
2221βββ+?= （1-7）
对式（1-7）求导得：
x x
x A 2sin 4)
(2221ββ=?? （1-8）
当A(x)存在极点时，
02sin 4)
(2221==??x x
x A ββ，即x=-90°，0，90°。
当x=0时，A(x)取得最小值。即当2221min βββαψ?=?=e 时，，F （βe ）最小。如果
在ψ=-α时，转向力波动仍然不能满足需要，就必须通过调整转向系统硬点使β1或β2或21ββ?变小来减小转向力波动。当x=-90°或90°时A(x)取得最大值。即当
2221emax 090)0(90βββααααψ+=≥?≤??=）时，（或，F （βe ）最大。
2 应用实例
表1 某车型转向传动轴相位角改变前后转向力波动比较表
β1
β2 α ψ βe 转向力波动 改变前 31° 37.17° 45.8%
改变后 30.8° 24.6°31°
-31° 18.53°
10.7%
图1 某车型转向传动轴相位角改变前后转向力波动比较图
3 结论
在汽车转向系统硬点不变时，当2221min βββαψ?=
?=e 时，,转向力波动最小；当
2221emax 090)0(90βββααααψ+=≥?≤??=）时，（或，转向力波动最大。所以在
设计转向传动轴时，应尽可能使αψ?=，避免）（或090)0(90≥?≤??=ααααψ。如果在ψ=-α时，转向力波动仍然不能满足需要，就必须通过调整转向系统硬点使β1或β2或21ββ?变小来减小转向力波动。
参考文献：
[1] 刘涛．汽车设计[M]．北京：北京大学出版社，2008.1 [2] 华大年．机械原理[M]．北京：高等教育出版社，1994.12 [3] GB/T5179-1985《汽车转向系术语和定义》[S].
作者简介： 张华中，男，1979年2月生，河南巩义人，汉族，现从事汽车研发工作，136********，zhz_508@https://www.360docs.net/doc/0e13562914.html,。 张明旭，（1969,08）男，1992年07月毕业于重庆大学汽车系汽车设计专业，学士学位，工程师，现从事汽车底盘&传动系统方面的研发设计工作,zhangmingxu88@https://www.360docs.net/doc/0e13562914.html, 。