轮胎气压对转向横拉杆力影响的试验研究

韩加蓬，张瑞静，张亚新，谭德荣

(1.山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049；2.山东交通职业学院 车辆工程学院，山东 潍坊 261206)



轮胎气压对转向横拉杆力影响的试验研究

韩加蓬1，张瑞静2，张亚新1，谭德荣1

(1.山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255049；2.山东交通职业学院 车辆工程学院，山东 潍坊 261206)

介绍了胎压对转向横拉杆力的影响的试验原理和试验方法，设计了道路实车试验，得出了轮胎气压、汽车车速与转向横拉杆力之间的关系。研究表明：同一胎压下，车速对转向横拉杆力的影响比较小；研究表明：同一车速下，转向横拉杆力随着胎压的降低有着很明显的变化。

车辆工程；胎压；车速；转向横拉杆力；实车试验

转向横拉杆是汽车转向传动机构的一部分，起到转向传力的作用[1]。目前汽车转向系统都在机械转向系统基础上增加了助力系统，其中液压助力转向系统HPS(hydraulic power steering)是在驾驶员控制下,借助于汽车发动机带动液压泵产生的压力来实现车轮转向的装置，其应用最为广泛[2-3]。

但是，目前液压助力转向系统在汽车高速行驶中，如遇导向轮胎突然发生异常情况，特别是爆胎时，汽车将因爆胎一侧车轮摩擦力突然增大等原因，使两侧车轮打破力的平衡，所产生的不平衡力将通过转向横拉杆拉动助力油缸的活塞杆移动，使汽车行驶方向突然转向爆胎一侧，此时驾驶者如没有紧握方向盘就会滑脱，方向就会失去控制，导致重大交通事故发生。有研究表明，转向横拉杆的弹性与轿车操纵稳定性的不足有很大关系，增加横向稳定杆角刚度会使车辆的操纵稳定性得到改善[4-5]。笔者通过试验研究轮胎气压对汽车转向横拉杆力的影响，为汽车爆胎稳定性的研究提供了一定的理论基础。

1 试 验

1.1 试验原理

转向横拉杆是转向系统的一部分，当某个车轮发生爆胎时，该车轮势必带动其他车轮发生偏转，转向节会将产生的相应的线性力传递给转向横拉杆，在该线性力的作用下，齿轮的齿与齿条啮合，齿轮的运动继而引起方向盘的转动，直接造成转向轮角度的偏转。相关学者对轿车转向传动机构的运动进行了分析，得出了转向横拉杆移动距离和汽车两侧转向轮偏转角度关系(图1)[6]。

图1 转向横拉杆移动距离与转向角的关系

当转向横拉杆移动距离较小时，曲线平缓，转向横拉杆每移动较小的距离，可以获得较大转弯角度变化；随着转弯角度的增加，曲线变得越来越陡，此时，车轮要得到同样的转弯角度变化，转向横拉杆就需要移动较大的距离。

如果采用相应的设计阻止转向横拉杆移动的距离，就可以有效减少拉杆的转角，防止其跑偏，阻尼力大小可以随电流变化而变化[7]，而阻止其位移的阻尼力的大小取决于横拉杆受力的大小。基于这一思想，笔者对转向横拉杆力与轮胎气压的关系进行了实车试验研究。

1.2 试验设备

本次进行的是不同位置车轮不同车速下的胎压异常工况车辆直线行驶试验，试验车型为奇瑞QQ轿车，结合DEWE-2601数据采集仪、WFY-B转向盘测试仪、轮胎气压表、LBS-3微型拉压力传感器、VGPS-200速度位移传感器等仪器构建了试验平台(图2)。

图2 试验设备安装平台

1.3 试验方法

本试验中，汽车轮胎的标准胎压为210 kPa。设定胎压下降率约为20%，试验轮胎气压变化范围为210～60 kPa。即：试验轮胎胎压分别为210，168，135，105，80，60 kPa。出于安全考虑，车速变化范围设定为20～60 km/h。由拉压力传感器采集转向横拉杆力的变化数据；WFY-B转向盘测试仪主要用来测量试验过程中方向盘转动的角度。而试验数据的保存和导出通过DEWE-2610采集仪自带的DEWESoft数据处理软件来完成[8-9]。

以右前轮为例，其余3个车轮恒定为标准胎压。首先，使右前轮胎压保持为210 kPa，完成车速在20～60 km/h下的直线试验。每个车速保持匀速3 s以上，记录好数据，然后按168，135，105，60 kPa顺序依次改变右前轮胎压值，分别重复以上过程。右前轮胎压异常试验完成以后，依次对左前轮、右后轮、左后轮进行相同过程试验。试验安排如表1。

表1 直线行驶试验安排

Table 1 Trial arrangement of straight line running

2 试验结果

2.1 右前轮胎压变化对转向横拉杆力的影响

右前轮转向横拉杆力平均值与车速及胎压的关系如表2。

表2 右前轮转向横拉杆力平均值

由表2可以看出：

1)车速为20 km/h时，右前轮从标准胎压降低至60 kPa，即降低约72%时，转向横拉杆力平均值增加了193%；

2)车速为60 km/h时，右前轮从标准胎压降低至60 kPa(降低约72%)，转向横拉杆力平均值增加了约211%；

3)车速从20 km/h增大到60 km/h，右前轮恒定在标准胎压时，转向横拉杆力平均值增加比例仅为0.76%，当右前轮胎压降低至60 kPa时，横拉杆力平均值仅增加了7%。

由此可见，相对于胎压对横拉杆力的影响，车速对转向横拉杆力的影响很小。

2.2 左前轮胎压变化对转向横拉杆力的影响

表3为左前轮转向横拉杆力平均值与车速及胎压的关系。

表3 左前轮转向横拉杆力平均值

由表3可以看出：

1)车速为20 km/h时，左前轮胎压降低72%时，转向横拉杆力平均值增加了约180%；

2)车速为60 km/h时，左前轮从标准胎压降低至60 kPa(降低约72%)，转向横拉杆力平均值增加了约198%；

3)车速从20 km/h增大到60 km/h，左前轮恒定在标准胎压时，转向横拉杆力平均值增加比例为1.6%，当左前轮胎压降低至60 kPa时，横拉杆力平均值仅增加了约18%。

由此可见，相对于胎压对转向横拉杆力的影响，车速对转向横拉杆力的影响很小。

2.3 右后轮胎压变化对转向横拉杆力的影响

表4为右后轮转向横拉杆力平均值与车速及胎压的关系。

表4 右后轮转向横拉杆力平均值

由表4可以看出：

1)车速为20 km/h时，右后轮从标准胎压降低至60 kPa(降低约72%)，转向横拉杆力平均值增加了约87%；

2)车速为60 km/h时，右后轮从标准胎压降低至60 kPa(降低约72%)，转向横拉杆力平均值增加了约98%；

3)车速从20 km/h增大到60 km/h，右后轮恒定在标准胎压时，转向横拉杆力平均值增加比例为1.3%，当右后轮胎压降低至60 kPa时，横拉杆力平均值仅增加了约11%。

由此可见，相对于胎压对转向横拉杆力的影响，车速对转向横拉杆力的影响很小。

2.4 左后轮胎压变化对转向横拉杆力的影响

表5为左后轮转向横拉杆力平均值与车速及胎压的关系。

表5 左后轮转向横拉杆力平均值

由表5可以看出：

1)车速为20 km /h时，左后轮从标准胎压降低至60 kPa(降低约72%)，转向横拉杆力平均值增加了约87%；

2)车速为60 km/h时，左后轮从标准胎压降低至60 kPa(降低约72%)，转向横拉杆力平均值增加了约98%；

3)车速从20 km/h增大到60 km/h，左后轮恒定在标准胎压时，转向横拉杆力平均值增加比为0.7%，当左后轮胎压降低至60 kPa时，横拉杆力平均值仅增加了约6%。

由此可见，相对于胎压对转向横拉杆力的影响，车速对转向横拉杆力的影响很小。

3 讨 论

通过道路实车试验，得出了汽车胎压与车速对转向横拉杆力的影响。结果表明：在轮胎气压变化情况下，车速对转向横拉杆力的影响很小。车轮胎压降低，特别是两前轮胎压降低时，转向横拉杆力变化尤其明显。表6为车速为60 km/h时，汽车4个车轮在不同胎压下转向横拉杆力增加百分比。

表6 不同位置车轮转向横拉杆力变化百分比

通过同一试验，有横摆角速度、侧向加速度、侧倾角与转向横拉杆力的数据对比，如表7。

表7 不同参数增加比值

从试验结果可以看出：任何一个车轮气压降低，转向横拉杆力、侧向加速度、横摆角速度以及侧倾角均呈现出增大的趋势。由此可以预见，若车辆两个前轮爆胎时，转向横拉杆力受胎压变化影响比较大，此时，转向横拉杆力是影响汽车行驶稳定性的重要参数，而在车辆后轮发生爆胎时，侧向加速度与横摆角速度随胎压变化波动较大。

4 结 语

转向横拉杆值的变化可以很好地反映汽车爆胎情况，当轮胎气压降低70%后，两前轮产生的转向横拉杆力分别为83.321，86.683 N，后轮所产生的转向横拉杆力分别为54.897，58.361 N。所以，前轮爆胎产生的转向横拉杆力均大于后轮爆胎所产生的，说明前轮爆胎比后轮爆胎更易引起跑偏。如果在车辆前轮爆胎时能够对转向横拉杆这一部件进行控制，将减轻跑偏方向失控的趋势，这对于车辆的爆胎稳定性控制具有重要的参考价值。

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Experimental Study on Tire Pressure’s Influence on Steering Tie Rod

Han Jiapeng1, Zhang Ruijing2, Zhang Yaxin1, Tan Derong1

(1.School of Transport & Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, Shandong, China；2.School of Vehicle Engineering,Shandong Transport Vocational College,Weifang 261206,Shangdong,China)

The test principle and method of the tire pressure influencing on the tie rod force was introduced; the real vehicle road test was designed, and the relationship among tire pressure, vehicle speed and steering tie rod force was obtained. The test results show that with the same tire pressure, the impact of the vehicle speed on steering tie rod is relatively small; with the same vehicle speed, the tie rod force changes obviously with the reduce of the tire pressure.

vehicle engineering; tire pressure; vehicle speed; steering tie rod; vehicle test

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.32

2013-07-18；

2013-11-06

山东省自然科学基金项目(ZR2011EEM034)

韩加蓬(1965—)，男，山东青岛人，副教授，博士，主要从事汽车电子电器设备、汽车行驶安全性能监控及汽车动态性能测试等方面的研究。E-mail：hjpsdlgdx@sdu.edu.cn。

U463．3

A

1674-0696(2015)01-149-03