某中型4×2载货车方向盘自动偏转问题的分析与改进

史为成

摘 要：针对某中型4×2载货车空车到装满货物后方向盘自动偏转的问题，文章从转向传动系统与前悬架系统运动协调性的角度进行分析，分别借助作图法和ADAMS软件对转向传动系统与前悬架系统之间运动干涉量进行计算分析，并提出具体的优化改进措施，解决整车加载过程中方向盘偏转的问题。

关键词：转向系统;前悬架系统;运动干涉;分析;改进

中图分类号：U462  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）06-115-03

Abstract： Aiming at the problem that the steering wheel is automatically deflected when a medium-sized 4×2 truck is loaded with goods， this paper analyzes the coordination between the steering system and the front suspension system. By means of the mapping method and ADAMS software， Driving system and the front suspension system， and puts forward some concrete optimization and improvement measures to solve the problem of steering wheel deflection during vehicle loading.

Keywords： Steering system; Front suspension system; Motion interference; Analysis; Improvement

CLC NO.： U462  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）06-115-03

1 前言

某中型4×2载货车市场反馈空车到装满货物后方向盘发生自动偏转的问题，最大偏转角度达20°，方向盘自动偏转阻挡了驾驶员观察仪表盘的视野，影响了驾驶的舒适性。另一方面，当汽车经过颠簸路面时，方向盘产生异常摆动，甚至发生打手的现象，影响了驾驶的安全性。针对该问题，从理论设计的角度笔者采用作图法和ADMAS运动仿真的方法对前悬架系统和转向传动系统的运动过程进行了模拟，计算出了空车到装满货物后方向盘的偏转角度，并且提出了具体的优化改进措施，经过计算分析和加载试验，优化改进后该问题得以彻底解决。所涉及的车辆基本配置如下表1。

2 原因分析

汽车从空车到装满货物的过程中，前轴载荷逐渐增大，前悬架钢板弹簧弧高逐渐变小，而转向节弯臂与纵拉杆的铰接点（球销中心A1）一方面随着钢板弹簧主片中心C所决定的轨迹JJ'运动，同时又绕着纵拉杆另一端B1点摆动，其摆动轨迹KK'。由于转向传动系统零部件空间布置的限制，导致运动轨迹JJ'和运动轨迹KK'不一致，其两者运动的差值即为转向传动系统与前悬架系统的运动干涉量。汽车在空车到装满货物的过程中，如该干涉量过大，势必会导致转向垂臂摆动一个角度，直接会传递到方向盘上，使方向盘偏转一定的角度。如果其偏转的角度超出转向传动机构的自由间隙，方向盘就会发生偏转的现象。下图1为转向系统与悬架系统的运动模型。

3 现有转向传动系统与悬架系统干涉量校核

该车实际使用过程中，空车前轴轴荷3t，装满货物后（满载）前轴载荷6t，以下校核过程均以实际使用时的前轴载荷为依据。下表2、3为转向系统与前悬架系统的主要结构及性能参数。

3.1 根据汽车设计手册中的作图法计算

根据转向传动系统及前悬架系统各个元件在整车上的布置关系，在UG草图环境中确定出转向传动系统与悬架系统各个关键点坐标，并按汽车设计手册所描述的方法绘制出运动干涉量图，其校核结果如图2所示。

计算结果显示，从空载到满载悬架运动过程中，运动干涉量最大θ0为4.2mm，垂臂长度L1为195mm，导致垂臂的摆动角度  =1.23°，忽略转向传动机构传动间隙，方向盘转动的角度θ=θ1i=1.23°×20.48=25.2°。

由以上计算结果可以看出，车辆空车状态到装满货物（满载）的过程中，前悬架弧高变化35mm，方向盘偏转25.2°。

3.2 运用ADAMS运动仿真方法进行计算

在ADAMS环境中建立转向传动系—前悬架运动学模型，对其在前悬架跳动工况下进行运动仿真分析。空车（前轴负荷3t）到满载（前轴负荷6t）跳动工况转向轮偏转角度分析结果如下图3所示。

由以上分析结果可以看出，车辆从空车到满载过程中转向轮偏转角度最大为η=1.2°，其转向传动系统与悬架系统最大干涉量   =4.5mm，垂臂摆动角度   =1.33°，忽略转向传动机构传动间隙，方向盘转动的角度  =1.33°×20.48=27.2°。

由以上计算结果可以看出，车辆空车状态到装满货物（满载）的过程中，方向盘偏转27.2°。

3.3 现有转向传动系统与悬架系统干涉量校核结论

为了避免单独使用一种计算方法带来的计算误差，取两种计算方法所求得结果的平均值作为最终的计算结果，即该车辆从空载（前轴负荷3t）到满载（前轴负荷6t）工况的过程中，方向盘偏转角度   =26.2°

通过以上计算分析可以看出，转向传动系统与悬架系统干涉量过大是导致方向盘从空车到满载过程中自動偏转的主要原因。

4 转向传动系统与悬架系统干涉量优化改进

转向节弯臂与纵拉杆的铰接点A1与转向垂臂纵拉杆的铰接点B1两者的相对位置是影响系统干涉量的主要因素，本文在现有车型平台的基础上，对A1与B1两者之间的相对位置进行调整，以减小系统的干涉量，消除方向盘的偏转问题。

根据3.1中所述的作图法作图的结果可以看出，降低B1的位置有利于减小系统干涉量。为了解决现有问题，同时避免系统各个零部件之间运动过程总不会存在干涉问题。使B1点的位置降低60mm。

4.1 运用ADAMS运动仿真方法进行校核

根据以上优化改进方案，在ADAMS环境中建立转向传动系—前悬架运动学模型，对其在前悬架跳动工况下进行运动仿真分析。空车（前轴负荷3t）到满载（前轴负荷6t）跳动工况转向轮偏转角度优化改进前后分析结果如下图4所示。

由以上仿真分析结果可知，优化改进后，转向轮最大转角值明显降低，左前轮偏转角度即轉向与悬架系统的干涉量保持在一个相对较小的区域中，左前轮最大偏转角度η'为0.28°，其转向传动系统与悬架系统最大干涉量  = 1.1，垂臂摆动角度   =0.31°;忽略转向传动机构传动间隙，方向盘转动的角度 =0.31°×20.48=6.3°

4.2 优化改进后效果分析

通过以上计算分析可知，优化改进后车辆在空车到满载的过程中转向传动系统与悬架系统干涉量明显降低。优化前后在空车到满载的过程中方向盘偏转角度等各参数对比情况见表4所示：

由以上理论计算结果对比分析可知，优化改进后在空车到满载的过程中方向盘偏转角度为0°，方向盘自动偏转问题得以解决。

5 试验验证

在优化改进工作完成后，进行了样车的装车及加载试验，并对空载（前轴负荷3t）到满载（前轴负荷6t）加载过程中方向盘偏转情况进行了测量，在加载过程中对方向盘偏转角度进行测量，加载试验过程中方向盘未发生偏转现象。从而，优化后空车到满载过程中方向盘偏转问题得以彻底解决。

6 结束语

本文针对某中型载货车空车到装满货物后方向盘发生自动偏转的问题进行了详细的理论计算分析，提出了方向盘自动偏转问题的主要原因，制定了优化改进措施，通过优化转向传动系统与悬架系统的运动干涉量，使问题彻底解决，试验验证效果良好，消除了车辆行驶的安全隐患。该文所及方法和结论对类似问题的解决具有一定的借鉴作用。

参考文献

[1] 陈家瑞.汽车构造[下].人民交通出版社，2002.

[2] 王望予.汽车设计.机械工业出版社，2004.

[3]《汽车工程手册》编辑委员会.汽车工程手册设计篇[M] .人民交通出版社，2001.