基于转向回正性能的主销定位参数解析研究

王俊豪　陈炜　白鹏

摘 要：文章在分析前轮转向力学性能的基础上，建立并优化了关于力矩平衡的解析数学模型。以某重型卡车为例，求解获得主销定位参数的最优解，并结合实例验证模型的准确性。分析得出轮胎接地面垂向力是影响前轮回正力矩及方向盘转向力的主要因素。编制求解程序分析前轮主销定位角度对轮胎受力及驾驶员操纵轻便性的作用关系。结果为车辆跑偏问题的分析及主销参数的设计提供理论依据。关键词：重型卡车;主销定位;回正力矩;解析中图分类号：U461.6  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）08-149-04

Abstract： In this paper， the mathematical model of the moment balance principle was established and optimized based on steering returnability. For instance of the heavy truck， the optimal solutions of the kingpin alignment parameters were calculated， of which the accuracy was verified with experiments. The results show that the change of front wheel axle load mainly affects the self-aligning moment and steering force. The relationship of the kingpin alignment parameters and the force of the tire and the driver's handing performance was analyzed by programming calculation. The results proved that the theoretical basis for analyzing the vehicle deviation and designing the main sales parameters.Keywords： Heavy truck; kingpin alignment; Self-aligning moment; AnalysisCLC NO.： U461.6  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）08-149-04

1 前言

對于重型卡车而言，后轮为非转向轮，不存在转向节及上下转向球头等零部件，故不涉及关联主销的技术参数。而承担转向作用的前轮在主销的作用下实现车辆转向及回正，并通过主销倾角的作用对行车操纵性能产生影响[1-3]。为了研究主销定位参数对车辆行驶转向性能的影响，现以某重型卡车为例进行实车计算，定性分析了影响前轮受载及转向操纵性能的相关因素。

2 前轮转向力矩计算

2.1 前轮转向回正力矩计算

前轮回正力矩作用于转向轮，使得车辆发生跑偏后自行恢复为起始行驶状态。回正力矩的大小取决于路面对车胎的垂向反力Fz、侧向反力Fy、纵向反力Fx及各力臂长度，而力臂又由主销定位参数的大小决定[3]。回正力矩主要由轮胎所受垂向力Fz在主销内倾角β作用下引起的力矩Mz，车轮转向势能引起的正力矩MHz，侧向反作用力Fy对车轮产生绕主销轴线作用的力矩Msy，以及前轮转角差异、滚动阻力产生的力矩Mx组成。

2.1.1 垂向力引起的回正力矩Mz

在横向平面内，路面对车辆的垂直反作用力Fz分别通过左右转向轮作用于前桥，单侧前轮受地面的作用反力如图1a所示。在主销内倾作用下将Fz分解为垂直和平行于主销轴线的力Fzsinβ、Fzcosβ，分力Fzsinβ产生转向回正力矩。当车辆以转向角δ偏转时，可将垂直主销的力分解为Fzsinβsinδcosα，如图1b，1c所示。

由表1计算结果所得，轮胎接地面垂向力Fz对转向回正力矩和转向盘转向力的影响程度最大，占比62%;其次是转向势能，占比37%;纵向力的影响程度最小。随着Fz增加，回正力矩Ms和转向力F随之增大，但垂向力Fz过大则会产生方向盘加重现象，过小则会引产生方向盘“发漂”现象。

以样车为研究对象，在主销定位参数约束区间内，分别取转向回正力矩及转向盘转向力为求解变量，编制相应程序得出转向回正力矩及转向力随主销定位参数的变化情况，如图4所示。

由图4可见，当其他基本参数值保持恒定，随着α和β的增加，轮胎转向回正力矩Ms及转向力F成增长的趋势;主销内倾角β对转向回正力矩Ms及转向力F的影响更为显著，主销后倾角α次之。当主销定位参数为最优解时，转向轮总回正力矩为253.229N?m;转向盘的转向力为82.744 N，满足国标规定的“不带助力时转向力应小于245 N”的要求[7]。

6 结论

（1）通过对车辆前轮转向回正性能的分析，建立并优化车辆转向前轮回正力矩及转向盘转向力的数学计算模型，对比验证了数学模型的准确性。

（2）以某重型卡车为例，利用Matlab编制优化程序求解出样车主销内倾角和后倾角的最优解，并依据最优解计算转向前轮回正力矩及转向盘转向力;分析了主销倾角对车辆转向作用力矩及驾驶员操纵力的影响程度，相比后倾角而言主销内倾角对转向回正力矩及转向盘转向力影响更为突出。

（3）分析区分出影响车辆转向回正性能的主销定位参数的主次因素，为产品开发阶段主销技术参数的确定提供了理论依据。

参考文献

[1] 郭孔辉.汽车操纵稳定性[M].长春：吉林科学技术出版社，1991.

[2] 薛立军.前轮定位角对汽车转向回正作用的影响[J].汽车工程， 2003，25（ 2）：198～200.

[3] 余志生.汽车原理（第4版）.北京：机械工业出社，2006：130-135， 140- 144，147，16l-170.

[4] 庄继德.汽车轮胎学[M].北京：北京理工大学出版社，1995：127. 189.

[5] 周建立，王伯良，赵波，等.主销内倾设计计算方法[J].洛阳工学院学报，1997，18（4）：74-78.

[6] 居刚，周福庚，王九旭.重型卡车主销后倾角的设计研究[J].合肥工业大学学报（自然科学版）， 2009， 32（S1）： 5-7.

[7] GB17675-1999.汽车转向系基本要求[S].北京：国家质量技术监督局，1999.