前驱车型扭矩转向优化
2018-06-13王凯杜文明王森丁常伟于阳叶明
王凯 杜文明 王森 丁常伟 于阳 叶明
众泰汽车工程研究院 浙江省杭州市 310018
1 引言
扭矩转向是指车辆急加速时出现的加速跑偏现象。
伴随着汽车动力性的进步，大马力前驱车日渐普及。加上消费者日益增长的驾驶乐趣需求，扭矩转向问题越来越凸显。因此，提前规避和有效解决扭矩转向迫在眉睫。
图1 后视图
图2 俯视图——扭矩转向现象
2 扭矩转向原因
扭矩转向根本原因是左右传动半轴不对称。前驱车由于发动机横置，变速箱通常不在汽车中心平面，而是偏置在一侧，左、右半轴角度不同，使得扭矩分配到左、右侧时不相等，从而导致转向系统偏离中间位置而出现加速跑偏的现象。
假定差速器输出扭矩为T，左右扭矩平均分配。且轮胎与地面无打滑。
简化模型及计算公式如下所示：
注：不同公司计算公式存在差异，将传动扭矩分解到轮胎处绕Z轴旋转的扭矩，可以便于系统台架验证，且通过验证发现吻合较好。
左侧扭矩：MZL=T/2*COSαL*SINβL
右侧扭矩：MZR=T/2*COSαR*SINβR
式中：T为差速器输出扭矩总和，α为传动轴与输入端之间的夹角，β为传动轴与输入端之间夹角。MZ为分解到轮胎处绕Z轴旋转的扭矩。
因左、右半轴角度不对称，导致MZL与MZR不相等。若MZL与MZR差值大于转向系统的摩擦，将导致车轮偏转一定角度产生跑偏现象，严重时可以看到方向盘也会偏转一定角度。如图2所示：
3 目标设定
为了在开发前期有效规避扭转转向，需要对对传动系统开展目标设定及分解，通常要求：
（1）△MZ=/MZL-MZR/≤30Nm。然后根据发动机最大扭矩、速比等反推左右半轴夹角差值。
（2）左、右半轴总成扭转间隙≤1.5deg。
（3）左、右半轴总成等刚度。
4 扭矩转向优化措施
4.1 对称式半轴布置
采用对称式的两段或者三段式半轴。受限于布置空间，两段对称式半轴在发动机横置的前驱车上很难实现，部分电动车有采用。三段式半轴在成本较低的A级车上采用相对较少。
4.2 调整半轴刚度
采用对称式半轴时，通常要求左右半轴总成等刚度。而对于不对称布置且有扭矩转向现象时，可以通过增大两侧刚度差异反过去弥补扭矩转向现象。
弥补机理：刚度大，半轴扭转变形角度小，传递到轮胎的有效滚动角度大。如半轴刚度左侧100Nm/°，右侧120Nm/°，左右侧扭矩均为1200Nm，左侧半轴扭转变形12°，右侧10°，右侧有效传递到轮胎滚动方向的角度大，响应快。通俗的说是调整刚度让车辆朝扭矩转向跑偏的另外一侧跑偏，削弱甚至达到完全中和不跑偏的效果。
某A级轿车项目后期发现1.5T车型存在明显扭矩转向现象，采用其它措施难以满足上市节点且代价巨大，因此在满足强度的前提下降低左半轴刚度（直径），在左右侧簧下质量差异无明显导致舒适性差异前提下提高右半轴刚度（直径），最终通过半轴刚度调整实现扭矩转向的优化。
4.3 调整输出扭矩
通过降低输出扭矩大小，或者延长响应时间，可以缓解扭矩转向现象。通常自动挡比手动挡扭矩转向表现好。该方法会降低动力性和驾驶乐趣，不建议采用。扭矩过大轮胎打滑可以考虑适当降低。
4.4 调整动力总成布置
（1）动总旋转倾斜，俗称发动机歪置。部分车型如大众POLO、奇瑞艾瑞泽5等采用。
（2）动总平移，分为水平移动和垂直移动。某品牌SUV1.5T车型因调整动总姿态去调整半轴角度空间有限，不能完全通过消除扭矩转向，因此调整动总姿态的同时通过更改悬架弹簧降低车身姿态15mm，两个方案组合有效消除扭矩转向现象。
4.5 调整转向系统摩擦
（1）增大摩擦：滑柱转动摩擦、转向机摩擦和转向管柱等零部件的摩擦。其中增加齿轮齿条预紧力以增大转向机逆驱动摩擦力较容易实现。
（2）增大转向机轴线到轮心距离（调整转向梯形）。影响较大，后期调整空间小。
EPS往往比HPS逆向摩擦阻力大，抗扭矩转向能力更强。增大逆向摩擦往往会导致转向回正变差，HPS需要均衡考虑。
4.6 软件主动控制
（1）EPS主动控制
在监测到扭矩转向现象时，可以增加EPS主动回正和保持方向盘的能力。可能导致回正偏强，需要均衡考虑。
（2）ESC主动控制
在监测到扭矩转向现象时，可以考虑ESC主动介入对车速快的一侧额外施加制动力以抑制跑偏，甚至限扭。当前市面上ESC无此项功能。
（3）其它电子设备主动控制，如车道保持系统。
4.7 其它非对称调整措施
如某国产SUV采用不对称主销设计抑制扭矩转向。
图3 对称两段式半轴
图4 对称三段式半轴
表1
图5 初始布置
图6 动总旋转倾斜
图7 水平移动
图8 垂直移动
5 结语
（1）在开发前期通过对传动系统合理的目标设定和分解，可以有效的规避扭矩转向风险。
（2）对前期未有效规避已经存在扭矩转向现象，合理借鉴上述一种或者几种组合方案可以有效优化扭矩转向。
