虚拟主销悬架系统的转向齿条力分析

王海峰，张雷

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

虚拟主销悬架系统的转向齿条力分析

王海峰，张雷

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章主要讲述采用虚拟主销设计的悬架结构对转向系统最大齿条力的影响及可行的降低齿条力方法。

齿条力；虚拟注销

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-34-02

前言

在转向系统设计时，助力匹配是一项至关重要的工作，其直接关系到后续转向系统的开发及性能达标。

在整车产品研发过程中，产品设计人员会根据整车前轴质量及悬架拉臂长度等信息对转向系统最大齿条力进行估算。并根据估算结果来对转向系统进行助力匹配工作。

文章将就实际发生在一款量产车型上的齿条力估算失真事宜进行详细论述，以便为其他转向系统开发人员的产品设计提供借鉴依据。

1 最大齿条力理论计算

原地转向时的阻力矩为轮胎与地面之间的静摩擦力矩，此时阻力矩为所有车况中的最大值，按照经验公式：

如果按照更为精确的积分公式，则有单个轮胎与地面之间的摩擦力矩：

按照此公式计算出来的原地转向阻力矩是左右拉杆上的拉力和压力分别对主销轴线力矩之和。

重力回正力矩计算：

在中间位置时，拉杆力对于主销轴线的力臂为Lmid（拉压两种状态），此时的原地转向齿条力为：

在从转向中间位置到转向极限位置的过程中，拉杆力臂L会逐渐减小，同时考虑到悬架衬套等橡胶件的弹性变形反作用力，齿条力Frack会持续增加，一直到转向极限位置(也叫做LOCK TO LOCK)，此时齿条力最大，转向系统油压也达到最大值。

在转向极限位置时，拉杆力对于主销轴线的力臂为Lend（拉压两种状态），此时的原地转向齿条力为：

实车原地转向时测得的拉杆力随转角的变化关系曲线如右图所示。从该图中可以总结出的规律是：

图1

（1）仅在方向盘从中位向极限位置转动的过程中时承受拉力的横拉杆力会逐渐增加，其余回位过程中的拉力和任何过程中的推力都维持不变；

（2）对于齿条力，在方向盘从中位向两侧转动的过程中齿条力都会增加，从极限位置向中位回位的过程中齿条力维持不变。

此种计算方法对于前悬采用麦弗逊式独立悬架的车辆而言，是较为准确的。但在其他悬架结构上却存在较大失真，特别是采用主销位置可以移动的虚拟主销悬架结构上，其最大误差可以达到30%以上。

可以移动位置的虚拟主销设计，其主销位置会随着车轮转角的变化而在一个范围内进行移动。这种主销位置的移动是通过摆臂胶套变形来实现的。

如下图所示的悬架结构就是一种主销位置可以移动的虚拟主销悬架结构。

图2

此种悬架结构的下方两个摆臂是通过橡胶结构柔性连接在副车架上的。在车轮转动过程中，悬架下方两个摆臂与副车架的连接点由于橡胶的弹性变形会发生一定的空间位移，由此导致悬架的虚拟主销在一定范围内进行空间移动。

此种悬架结构具有较好的KC特性，在提高整车操稳性能上存在较大优势。但由于其主销位置的不断变化，在前期进行转向系统最大齿条力估算的时候会产生较大困难，传统的齿条力估算公式计算结果失真严重。而造成这种情况的关键因素就是悬架衬套结构的运动阻尼，下面通过一个实例来分析虚拟注销悬架系统的最大齿条力估算。

2 实例分析

一款现有采用虚拟主销悬架设计的目标车辆，其满载最大齿条力在11.5kN左右（按照计算公式估算，其最大齿条力在9kN左右）。

图3

将车辆前轮停放在可以自由旋转的的转盘上（地面摩擦阻尼为0），对齿条力进行测量， 最大齿条力在5kN 左右。（此齿条力包含重力回正力矩及系统运动阻力）

图4

我们尝试对悬架下摆臂中一个衬套进行刚度调整，结果可以很大程度上降低最大齿条力。（可以降低2000N以上）

图5

图6

由上可知，采用可移动的虚拟主销设计的悬架结构，在降低其悬架系统软连接处的衬套刚度时，是可以有效降低其最大齿条力的。

采用此种悬架结构的车辆，在前期进行齿条力估算时不能仅仅依靠传统公式进行估算，还需要充分考虑到不同悬架结构对齿条力的影响。

3 总结

转向系统最大齿条力估算对于转向系统的开发至关重要，其直接关系到后续助力匹配、强度分析、结构设计的成败。对于不同的悬架结构，设计人员要充分考虑到悬架系统自身的运动阻尼影响，以避免估算数据的严重失真。

[1] 刘键.GB11557 转向机构对驾驶员伤害.

[2] 逯海.汽车工程手册[M].人民交通出版社,2000.479～484.

[3] 王望予.汽车设计[M].机械工程出版社,2000.166～193.

Analysis of steering rack force of virtual main pin suspension system

Wang Haifeng, Zhang Lei
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

This paper mainly describes the influence of suspension structure design on the maximum rack force of the steering system and the feasible method of reducing the rack force.

rack force; virtual logoff

U463.4 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)20-34-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.011

王海峰，就职于安徽江淮汽车股份有限公司。