汽车加速跑偏的分析及优化

薛志祥 詹钰君

摘 要：本文介绍了汽车开发过程中，针对加速跑偏现象进行了理论分析研究和敏感度分析，在实际的案例中进行了验证。

关键词：加速跑偏;驱动轴角度;扭矩差校核

1 引言

对于大部分前驱车来说，汽车在低档位急加速情况下，行驶方向会转向一侧，当动力突然切断时，方向会反过来朝另一侧，这就是加速跑偏现象。对于驱动轴扭矩和转向几何结构的相互影响造成的跑偏问题，我们通常用Torque steer（扭矩转向）来描述[1]。早期的前驱车没有这个问题，因为自然吸气发动机扭矩变化速率没有涡轮增压发动机变化的快，随着涡轮增压、缸内直喷技术的兴起，发动机扭矩的增大，将导致加速跑偏问题越来越凸显。另一方面由于电动汽车的蓬勃发展，起步扭矩更大，将会放大加速跑偏问题，这不得不引起各大汽车制造厂商的關注。

2 加速跑偏的形成机理

汽车加速跑偏现象用动力学知识分析如下[2]：加速时发动机的扭矩通过变速箱传递到驱动轴上，一方面驱动力作用在轮心处产生了绕车轮半径的转向力矩，另一方面驱动扭矩的分量作用在主销轴线上，产生了绕主销的扭矩。两者叠加即是作用在车轮上的转向力矩。如果左前轮和右前轮受到的转向力矩不对称，这个力矩差值作用在转向横拉杆上，即推动车轮向一侧发生偏转，见图1。

3 影响加速跑偏的因素分析

假设在设计、生产过程中，能保证车辆的悬架、重量、动总布置是左右对称的，由前文分析可知，这将不会产生左右扭矩差。而对于实际生产的车辆很难做到左右对称。下面将从驱动轴角度、轮荷、主销内倾角、主销偏置距的不对称性对扭矩差的影响进行敏感度分析。

3.1 驱动轴角度对扭矩差的影响分析

对于前驱车来说，传动轴需要负责动力传递，而又因为变速箱位置的关系，左右传动轴常有左短右长的设计，这样就会导致驱动轴角度不等。对于设定初始参数，W=400kg，μ=1.0，R=320mm，θ=11°，rks=60mm，αL=5°，αR=（0～10）°，由公式（2）～（3）可得，扭矩差相对角度差的变化率为10.8Nm/deg，即左右驱动轴角度每相差1度，则产生的绕主销扭矩差为10.8Nm。如图2所示。

3.2 轮荷对扭矩差的影响分析

对于一般的前驱车来说很难做到左右轮荷的完全一致。设定初始参数如下：WL=400kg，WR=（380～420）kg，μ=1.0，R=320mm，θ=11°，rks=60mm，α=5°，由公式（2）～（3）可得，扭矩差相对轮荷差的变化率为0.23Nm/kg，即左右轮荷每相差10kg，则产生的绕主销扭矩差为2.3Nm。如图3所示。

3.3 主销内倾角对扭矩差的影响分析

考虑到生产制造的误差，主销内倾角公差一般为±1°左右。设定初始参数如下：W=400kg，μ=1.0，R=320mm，α=5°，θL=11°，θR=（10～12）°，rks=60mm。由公式（2）～（3）可得，扭矩差相对主销内倾角差的变化率为0.18Nm/°，即左右主销内倾角每相差1度，则产生的绕主销扭矩差为0.18Nm。如图4所示。

3.4 主销偏置距（轮心处）对扭矩差的影响分析

轮心处主销偏置距决定了驱动力作用在主销上的力臂大小。例如HiperStrut悬挂的设计[3]，相比常规的麦弗逊悬架，这种设计能够减小主销偏置距从而抑制扭矩转向。设定初始参数如下：W=400kg，μ=1.0，R=320mm，α=5°，θ=11°，rks_L=60mm，rks_R=（55～65）mm由公式（2）～（3）可得，扭矩差相对主销内倾角差的变化率为3.92Nm/°，即左右主销偏置距每相差1mm，则产生的绕主销扭矩差为3.92Nm。如图5所示。

3.5 纵向加速度对扭矩差的影响

当初始状态下布置下的驱动轴角度左右不对称，在汽车大扭矩起步时，由于轴荷转移引起的前悬架拉升，动总姿态上抬。由于左轴杆短于右轴杆，根据公式（4）～（6）可知，在动总姿态上抬过程中，则左驱动轴角度的变化必然大于右驱动轴角度，则驱动轴角度的不对称性将随之放大，扭矩差也将进一步增大。如图6所示。

3.6 小结

由前文分析可知，与扭矩差相关的几个重要因素中，左右驱动轴角度差的影响最大，依次是主销偏置距、左右驱动轮轮荷、主销内倾角。考虑到悬架的对称设计和轮荷的不可更改，驱动轴的优化布置是解决加速跑偏问题的一个关键思路。

4 案例应用

在某车型开发过程中，发现该样车在低档位急加速起步时，存在扭矩转向问题，即加速跑偏。第一步，检查车辆状态（包括轮胎气压、四轮定位、轮荷及车身姿态等），结果如表1所示：

接下来，在同一台车上通过加配载的方式，使得左右驱动轴角度产生差异，然后进行跑偏对比验证，如表2所示。

就如何减小驱动轴角度有两种方案，一是减短弹簧长度，二是通过动总姿态下降方案重新布置传动轴角度。由于弹簧长度更改影响整车通过性，最终采取动总姿态下降方案，使得空载下驱动轴角度降为左3.1°，右2.7°。此方案实施在该跑偏故障车上，通过主观评价对比，加速跑偏问题得到有效解决。

通过公式（2）～（6），可以初步计算原车的扭矩差为46.2Nm，采取动总姿态下降方案后的扭矩差降为28.5Nm，下降幅度为38%。

5 小结

本文通过理论分析加速跑偏问题产生的原因，并对关键影响因素进行了敏感度分析，据此解决了实际项目开发中遇到的问题。

在项目开发前期，输入车辆的基本参数如车辆重量、车轮滚动半径、主销内倾角、驱动轴角度、悬架刚度、轴距、质量等参数，可以校核急加速起步时的扭矩差，各厂家可根据实际情况制定相应的校核标准和优化方案来提前规避产生加速跑偏问题的风险。

参考文献：

[1]Donald Bastow，Geoffrey Howard，John P. Whitehead. Car Suspension and Handling [J].Wiley，No.2004-03-29：15.

[2]余志生.汽车理论（第5版）.北京：机械工业出版社，2009.183.

[3]凯迪拉克XTS底盘技术简介[J].汽车与驾驶维修（汽车版），2013（6）：140.