汽车方向盘复原性影响因素探讨

赵守月 祝秀芬

摘 要：本文主要分析了方向盘复原性的机理，总结了影响方向盘复原性的各个系统的关键因素，并对各因素的影响原因作了简要说明，可以用于车辆方向盘复原性差的要因解析，也可以作为车辆开发初期复原性能的关联因素设计参考。

关键词：汽车;方向盘;复原性

1 引言

方向盘复原性，是指方向盘从一定角度回正到中位，使车辆恢复直线行驶的性能。方向盘的复原性在日常的驾驶场景中经常遇到，如车辆掉头，转弯等。良好的复原性使车辆更容易恢复直线行驶，可以减轻驾驶者的操作负担，提高驾驶者的驾驶乐趣。复原性不好，车辆在掉头或转弯后，驾驶者需要额外地操作方向盘使车辆恢复直线行驶，增加驾驶者操作负担，影响驾驶体验。因此对于车辆开发者来说，搞清楚方向盘复原性机理，并对影响方向盘复原的关联因素进行管控，具有重要意义。

2 复原性机理

车辆行驶过程中，驾驶员转动方向盘后，车轮转过一定角度，车辆沿一定半径做圆周运动，此时车轮会受到向心力以及重力的作用，具有回到起始位置的趋势，我们称这种力矩为回正力矩。与此同时，车轮在回正的过程中，会受到悬架、转向等各系统连接处的摩擦力，阻止车轮或者方向盤的回正，这种力产生的力矩为回正阻力矩。回正力矩和回正阻力矩同时作用，影响车辆的复原性能。图1为转向机构示意图。

3 影响复原性的因素

方向盘复原性，涉及不同速度下方向盘的复原速度以及复原角度。分析其影响因素，可以根据方向盘的入力传递路径上各个因素来分析复原性的影响因素。车辆转向时，轮胎受到的力会沿轮胎→悬架→转向机/柱→方向盘传递，我们这里就对传递路径上各个系统的回正力矩和回正阻力矩进行分析。

3.1 轮胎

轮胎是车辆实现各项性能的基础。作为传递路径上的第一部分，轮胎对方向盘回正性能的影响是非常大的，主要是轮胎回正特性的影响。轮胎的回正特性包括轮胎侧偏角引起的侧向力回正特性和外倾角引起的侧向力回正特性。

侧偏角是车辆在转向时轮胎的转动方向和前进方向之间的夹角，侧偏角产生的侧向力的合力在轮胎接地面积的后部，与轮胎中心到地面的投影距离为轮胎拖距，因此轮胎侧偏角引起的回正力矩可以用侧偏力与轮胎拖距的乘积来表示，即

Tt=CF×e （1）

式中：CF——侧偏力

e——轮胎拖距

因此轮胎侧偏角引起的侧向力回正特性与侧向力和轮胎拖距大小有关。侧向力与轮胎侧偏刚度以及侧偏角关系较大，轮胎拖距则与轮胎尺寸和轮胎气压关系较大。

车轮的外倾角会使车轮有沿着旋转轴线与路面的交点O滚动的趋势，如图4所示。但是由于车轮轴的约束，两个车轮只能向前行驶，车轮中心的约束力为F，相应的在地面处存在与F大小相等方向相反的力CFγ，即外倾角引起的侧向力，该力产生的回正力矩为外倾回正力矩。由于汽车左右轮外倾角产生的CFγ是方向相反的，产生的回正力矩也是方向相反的，而且对于子午线轮胎来说，外倾回正力矩很小，大约为侧偏角引起的回正力矩的3%，所以在计算中可以忽略不计。

3.2 悬架

在悬架系统上，也会产生使车轮回正的回正力矩和阻止车轮回正的阻力矩，回正力矩主要是通过对悬架四轮定位的设定产生的，包括主销后倾角和主销内倾角。

对于主销后倾角，现代汽车的设计一般为使其为正的角度，如图5所示，主销与地面的交点落在轮心到地面的投影的前面，这两者的距离称为后倾角拖距，它和轮胎拖距合在一起，增大了侧向力的作用力臂，进而增大了回正力矩，见图5。

对于主销内倾角，一般而言，其角度不会设定为0，而是设定为正的内倾角，即主销向车辆内侧倾斜。车轮在绕主销转动一定角度时，会相对于车身下降一定高度，如图6所示，因此车身相应的会被抬高一定高度，由于重力的作用，车身具有恢复到起始位置的趋势，因此车轮具有回正到直线行驶位置的趋势。

对于麦弗逊悬架来说，弹簧的荷重轴与其几何中心轴通常呈一定角度，以减小减震器所受的侧向力，提高悬架的耐久和整车舒适性。但由于荷重轴的存在，导致悬架系统上产生一个力矩，该力矩会使车轮绕主销向一个方向转动，这个力矩称为弹簧扭转力矩。如果左右悬架上的扭转力矩之不能相互抵消，它会使车轮有向一个方向转动的趋势，会影响车辆的回正力矩，其中一侧回正时，该力矩是正的回正力矩，另一个回正时，是负的回正力矩，即左右两侧回正力矩不一致，扭转力矩越大，不一致越明显。

悬架系统上的回正阻力矩，在车轮回正的过程中起抑制作用，包括悬架上端的轴承的摩擦力矩和悬架下端的球头的摩擦力矩，减震器活塞杆与套筒间的摩擦等。

3.3 转向系

在车辆低速、大角度转向行驶的情况下，转向系统的设计对车轮的回正影响很大，主要评价指标是方向盘开始回正时的车速及方向盘的复原角度。在影响复原性方面，转向系的设计主要考虑转向系的阿克曼特性，转向拉杆的效率及最大转角。

转弯时前轮内外转角满足式（1）的理想特性称为阿克曼特性，具有理想阿克曼特性的车辆转弯时内轮和外轮的转向中心点重合在一点，如图8所示。但是实际上车辆为了减小最小转弯半径，增加汽车的灵活性，通常使外轮的实际转角大于理论转角，如图8所示。

L×（COTθ2-COTθ1）=T （1）

外轮转角过大，内外轮的转向中心点不一致，转向时车轮会发生滑移，车轮的复原性会变差。

衡量内外轮转角的关系时使用阿克曼率来表示，阿克曼率是转弯时前轮内外轮实际转角差值与理论的内外轮转角差值的比值。如果阿克曼率等于100%，则转向特性为理论阿克曼特性;如果阿克曼率等于0%，即内外轮转角相等，此时在低速大转角的情况下，内轮的行驶方向相对于中心线偏转了一定角度，从而产生阻止车轮回正的力矩，抑制车轮回正。

在低速大角度转向时，转向拉杆与转向节之间的夹角θ的大小影响复原性，如图10所示，在进行悬架和转向几何设计时要避免设计值过小。

除此之外，转向系统上的摩擦力对车轮的复原性影响很大，因为在对转向系统进行设计时，要考虑车辆的跑偏性能，因此转向系统上具有一定的摩擦力，包括转向机摩擦力矩TR和转向柱摩擦力TC，以及转向拉杆球头上的摩擦力，因球头处摩擦力较小，在计算时通常忽略。在实际测量过程中，转向机的摩擦力矩通常用转向机上的摩擦力来表征，但是可以通过下式换算取得。

TR=fR*r0

式中

TR——转向机的摩擦力转换到转向柱上的摩擦力矩

fR——转向机上的摩擦力

r0——转向柱齿轮半径

EPS主动回正功能除此之外，转向系统上的摩擦力对车轮的复原性影响很大，因为在对转向系统进行设计时，要考虑车辆。

4 结语

横风稳定性计算模型考虑了悬架转向效应对轮胎侧偏刚度的影响，提升了计算精度。但是由于模型使用的线性二自由度计算模型，忽略因素较多，会导致精度有一定的欠缺。同时，空力系数是通过软件仿真获取，与实测结果也会有一定差异。如果需要更精确的计算，需要对模型进一步完善。但是此模型对于车辆开发前期的横风稳定性目标分析，并做出快速的性能预测，具有较强的实际应用价值。

参考文献：

[1]余志生.汽车理论.北京：机械工业出版社，2006.

[2]Thomas D. Gillespie著，赵六奇 金达锋译.车辆动力学基础.清华大学出版社，2006.