某车型转向系统力矩波动优化设计

摘 要：转向手感是影响汽车舒适性评价的重要指标之一，而转向系统的力矩波动会对转向手感有较大影响。对于汽车转向系统而言，合理的硬点布置以及中间轴相位角能够有效减小转向系统的力矩波动，从而保证驾驶的转向手感。本文针对某车型的转向系统的力矩波动进行了深入研究，从硬点布置、中间轴相位角等影响因素进行分析，并运用理论计算和CATIA仿真两种方法进行优化设计验证，结果表明优化后的硬点布置能够将力矩波动值控制在设计范围内，并且针对方向盘零位的力矩波动进行匹配优化，能够有效提升驾驶员的转向手感。

关键词：转向系统 力矩波动 中间轴相位角 优化设计

1 前言

随着汽车开发技术的不断进步，越来越多的用户更加关注汽车的舒适性，操纵稳定性以及安全性。汽车在转向时，受到来自路面反馈的力并通过方向盘传递到驾驶员。转向手感会对用户的驾驶体验产生极大的影响，而转向手感是整车性能的综合表现，因此为了给用户一个更好的驾驶体验，需要不断提升整车的各项性能。其中影响最大的因素之一就是力矩波动，如果力矩波动设计不合理，在汽车转向时，就会让驾驶员感觉方向盘时轻时重，转向力不均匀，会导致驾驶舒适性下降并且会对驾驶的安全性产生一定影响。对于具有上下调节功能的转向管柱，理论上应该关注管柱上、中、下三个位置的力矩波动。目前国内主机厂大部分只关注在中间设计位置时的力矩波动满足设计要求。少部分主机厂也会关注转向管柱上下调节位置的力矩波动情况。但未对波动的相位分布情况进行分析。

针对以上不足，本文分析了转向系统力矩波动理论，其次通过理论计算和CATIA仿真两种方法，从硬点、中间轴相位角以及方向盘中间位置的波动相位情况进行优化，取得了一定的优化效果。可以为后续转向系统的力矩波动设计开发提供一定的借鉴意义。

2 转向系统力矩波动理论

转向系统结构中包含十字轴式万向节的中间轴，单十字轴万向节不等速性，经过推导可得出如下关系：

（1）

式中：为主动轴转速、为从动轴转速；为AO与BO的夹角，即输入轴和输出轴夹角；为主动轴节叉转角，以上公式适用于主动轴节叉初始角，即主动轴节位于叉初始位置：主动轴节叉中心平面（ADC平面）与输入轴和输出轴形成平面（AOB平面）重合。

目前针对C-EPS常采用的结构形式是三段式中间轴，可以推导出双十字轴万向节的不等速性如式（2）所示：

（2）

式中：为中间轴转速、为输出轴转速；为中间轴和输出轴夹角；为中间轴上节叉转角；为中间轴相位角；为平面角。现有关于力矩波动的计算公式对角度定义并不明确，因此首先定义方向盘转角，以对中标记线为参考，转角顺时针旋转为正，逆时针旋转为负。取值范围：-180。～180。。将整个转向系统结构进行简化，简化后的转向系统用硬点表示如图1所示：

转向系统的硬点A、B、C、D点形成轴线AB、BC、CD。输入轴和中间轴所在平面，即AB-BC平面记为p1，中间轴和输出轴所在平面，即BC-CD平面记为p2，由根据能量守恒定律，定义主、从动转矩分别为T1、T2，若忽略摩擦等损失，则存在：可以得到式（3）：

（3）

3 某车型转向系统力矩波动分析

转向系统力矩波动理论计算：

首先根据转向系统初步布置对力矩波动进行校核，如表1所示为某车型转向系统硬点坐标。

根据硬点坐标，可以计算得出夹角、、平面角，考虑管柱上下调节，经表格计算得到该硬点布置下的转向系统力矩波动情况如图6所示，力矩波动值：设计位置5.93%，上调节5.12%，下调节8.37%，相位角35deg。

图２中蓝色曲线代表管柱位于设计位置，绿色曲线代表管柱上调节位置，红色曲线代表管柱下调节。为了进一步提升转向性能，目前大部分主机厂都现目前要求<5%，从计算结果来看，管柱上调节位置的波动值达到了8.37%，会影响驾驶员的转向手感。经校核，在该硬点布置下，调整相位角无法满足要求，因此需要重新进行硬点布置进行优化。

4 某车型转向系统力矩优化设计

4.1 硬点布置与中间轴相位角优化

在转向系统的硬点布置中通常会考虑人机布置以及周边件的影响，若出现力矩波动不满足设计要求的情况，则需要进行力矩波动的优化。首先根据初步布置的硬点确定一个相位角，如果不满足力矩波动<5%的要求，则重新调整硬点，根据调整后的硬点再次确定新的相位角，再带入计算，直至满足要求。

结合整车开发范围和降低开发费用要求，在前期布置中，为保证前围板、前仪表横梁等周边件的沿用性，A、B点硬点位置保持不变，C点处中间轴的布置空间有限，初步的硬点布置不能满足力矩波动要求。综合考虑，为保证转向系统力矩波动性能满足要求，从C点优化，经调整后的硬点如表2所示。

为了得到更加准确的验证结果，本文从理论计算和DMU仿真两种方法进行对比验证，结果表明，重新布置后的硬点能够满足力矩波动<5%的要求，并且两种方法得出的力矩波动值非常接近，其中在设计位置为0.46%，上调节3.78%，下调节3.39%，如表3所示。

4.2 方向盘中位力矩波动优化

在转向手感主观评价中，对转向中位感的关注度额外高，其中力矩波动的波峰和波谷值分布情况对转向中位感影响很大。通过分析力矩波动相位分布的几种情况可知，若在方向盘处于零位时，力矩波动为0，或者处于波峰和波谷之间，则力矩波动会出现左右不对称的情况，驾驶员在转动方向盘会感觉到左右手感不一致，影响驾驶体验。

若方向盘零位时位于波谷，则T3<T1，输出力小于输入力，驾驶员在方向盘中位附近会感到阻力较大，有利于保持转向中位感，随着方向盘转角增大，输出力增大趋势，有利于转向轻便性，若方向盘零位时位于波峰，则T3>T1，输出力大于输入力，随着方向盘转角增大，输出力呈现减小趋势，不利于转向轻便性。因此，我们将力矩波动峰值优化到波谷位置，即方向盘转角零位时，力矩波动处于波谷位置。对影响波动相位的因素进行分析：一个是中间轴相位角，一个是初始节叉角，最终经调整得到的中间轴相位角为36.6deg，初始节叉相位角为-124deg，可以满足方向盘零位力矩波动处于波谷位置，如图5所示，即完成对转向系统力矩波动的优化。

5 结论

本文对力矩波动的理论计算方法进行了详细推导，修正了理论计算公式的不足，并运用理论计算和DMU仿真两种方法进行对比验证，结果表明，优化后的硬点布置能够满足力矩波动<5%的要求，验证了修正之后的理论计算公式的正确性。

本文还对力矩波动的相位分布情况进行了优化，在方向盘零位时，力矩波动处于波谷，使得转向手感左右对称，有利于力矩建立以及保持较好的中位感，有助于提升转向手感，获得更好的驾驶体验。

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