汽车转向系统力矩波动的匹配研究.pdf

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汽车科技第3期2010年5月转向操纵机构包括转向盘、转向轴、转向管柱。

有时为了布置方便，减少由于装置位置误差及部件相对运动所引起的附加载荷，提高汽车正面碰撞的安全性以及便于拆装，在转向轴与转向器的输入端之间安装转向万向节1，如图1所示。

由于转向操纵机构包含了不等速万向节，不可避免存在转向力矩波动问题，转向力矩波动会导致产生转向力时轻时重的现象，影响到驾驶员对转向系统的感觉，从而引起驾驶员的不舒服和疲劳，给驾驶带来潜在的危险。

因此，在转向系统布置过程中，必须考虑如何减少转向系统力矩波动。

图1转向操纵机构1转向力矩波动原理1.1力矩波动介绍一般地，转向管柱与中间轴的连接为不等速万向节，当对方向盘输入力矩时必然引起力矩的不等，为了避免力矩波动，需要满足2个条件：

（1）转向管柱、中间轴和转向器输入轴中心线在一个平面内；

（2）转向轴和中间轴的夹角与中间轴和转向器输入轴的夹角相等。

由于驾驶舱内空间布置有限，转向系统零部件同其它的零部件一样空间布置关系相互制约，只能在有限的位置上来综合考虑零部件的布置设计，所以上述两个条件难以满足。

需要对转向管柱以及各个连接的铰接点进行优化设计。

转向传动部分是由2个万向节联结而成，并且各段传动轴的布置并不在同一平面内，因此需要考虑第2个万向节的主动叉的相位角问题，对于由1个十字叉万向节连接两段传动轴的传动结构来说，两段轴的夹角（指所夹锐角）越小传动效率越高，也越平顺。

因此对于多段传动轴形式的转向管柱，我们收稿日期：

2009-10-25汽车转向系统力矩波动的匹配研究裴锦华，李明（上海同济同捷科技股份有限公司，上海201206）摘要：

转向力是汽车操纵稳定性评价中重要指标，其力矩波动直接影响着驾驶感觉，匹配正确的相位角能够有效地减少力矩波动。

本文详细地阐明了汽车转向系统力矩波动原理。

对某车型转向系统力矩波动情况进行匹配研究。

关键词：

汽车；转向系统；力矩波动；匹配中图分类号：

U463.4文献标志码：

A文章编号：

1005-2550（2010）03-0048-04AResearchontheTorqueFluctuationMatchingwiththeSteeringSystemofVehiclePEIJin-hua，LIMing（TJInnovaEngineering&TechnologyCo.，Ltd，Shanghai201206，China）Abstract：

Thesteeringforceisthekeyindicatorintheevaluationofthehandingandstabilityofvehicle.Thetorquefluc-tuationdirectlyinfluencethefeelingduringdriving.butwithamatchingphaseangle，Itcaneffectivelyreducethetorquefluctuation.Thetheoryoftorquefluctuationofvehiclesteeringsystemiselaboratedindetail.Thetorquefluctuationisre-searchedthroughonthedevelopmentofthesteeringsystemofavehiclecorrespondently.Keywords：

venicle；steeringsystem；torquefluctuation；matching123451.转向万向节；2.转向传动轴；3.转向管柱；4.转向轴；5.转向盘设计研究48按照“其等效夹角越小传动性能越好”的方式进行评价，而等效夹角与转向管柱的布置形式密切相关，要得到最佳传动性能，在转向管柱的空间轴交点确定以后可以通过调整相位角来进行进一步的优化。

1.2相位角定义2转向轴中心线（line）和中间轴中心线（line）形成的平面（Plane）与转向器输入轴中心线（line）和中间轴中心线（line）形成的平面（Plane）之间交角为（见图2）。

定义为假设Plane固定不动，Plane绕line顺时针旋转与Plane重合的角度。

设计中间轴的相位角为中间段下端的十字叉相对中间段上端的十字叉顺时针转过角度（见图3）。

观察方向从驾驶室端至转向器顺时针为正。

目的是将不等速转动所引起的力矩波动降到最小。

图2相位角示意一图3相位角示意二1.3力矩波动分析定义转向轴中心线与中间轴中心线形成的角度为1，中间轴中心线与转向器输入轴中心线形成的角度为2。

对于转向轴中心线、中间轴中心线、转向器输入轴中心线的布置，要求1、2差值尽量小，差值最好小于6。

转向系统布置需满足公式

（1）。

e=21-22cos2（2（+）?

）2+42sin4（2（+）姨

（1）式中，为输入轴和中间轴所在平面与中间轴所在平面的夹角；为相位角；e为等效夹角。

为了达到最佳的传动性能，则希望等效夹角e尽可能小，从上式可以看出，当+=180时，等效夹角e取得最小值|12-22|姨，即=180-为最小相位角，可以简化为e=|12-22|姨，波动值=tanesin4。

为了达到一个较好的方向盘手感，对的波动目标要求为5%，也就是的允许范围为0.951.05。

相位角要保证正确，公差越小越好。

2某车型转向力矩波动匹配研究2.1某车型转向系统概述某车型为国内自主品牌设计车型，底盘为全新开发，转向系统是依据驾驶室和发动机舱的布置，以及汽车高速行驶的安全性，使得转向轻便、灵活及减轻司机的疲劳的需求，参考同类型车的布置型式对转向管柱、方向盘和转向器等作相应调整与优化设计。

转向系统为整体式齿轮齿条液压助力转向器，其助力缸、转向分配阀与转向器组合在一起。

为了满足不同人群的操纵要求，转向管柱为上下方向可调，转向器根据参考同类车型进行开发，转向盘、油泵进行选型。

某车型转向系统结构如图4所示。

图4某车型转向系统结构2.2某车型转向力矩波动校核2.2.1不同相位角对力矩波动的影响分析某车型转向管柱为上下角度可调型，中间位置向下可调1，向上可调3；用转向管柱在中间位置状态对相位角取值合理性进行验证。

根据对转向系统中间位置（M）的数模测量：

1=30.9，2=26.8，=91。

根据+=180时，即=89时，等效夹角e取得最小值，力矩波动为最小。

为了验证不同相位角的对力矩波动的影响，分别取59、72、89、104、119五个相位角，在转向管柱输入端输入360/s的转速，分析力矩波动情况，如图5所示：

图5不同相位角力矩波动情况42040038036034032030000.20.40.60.81输出速度/（/s）时间/s597211910489linePlanelinelinePlane4561231.转向油壶；2.转向助力泵；3.转向管路；4.转向盘；5.转向管柱；6.转向器汽车转向系统力矩波动的匹配研究/裴锦华，李明设计研究49汽车科技第3期2010年5月从图中可以看出，其中波动最小时相位角89，波动范围为3.92%，满足的波动目标要求小于5%；相位角72、119波动范围为分别是8.1%、8.0%；相位角59、104波动范围为分别是14.7%、14.5%。

当转向系统布置各硬点确定后，选取合适的相位角是减小力矩波动的最佳办法，从59、72、89、104、119的波动情况来看，与最佳相位角89差值越大，波动情况越严重，所以相位角的选取对操纵稳定性影响非常大。

2.2.2转向管柱不同位置相位角优化分析根据对转向系统在上极限位置（U）的数模测量：

1=28.7，2=28.5，=84。

即=96时，等效夹角e取得最小值，力矩波动为最小。

根据对转向系统在下极限位置（D）的数模测量：

1=31.7，2=26.3，=93。

即=87时，等效夹角e取得最小值，力矩波动为最小。

为了协调最佳相位角能够满足转向管柱各个调节状态的不同要求，使得各个状态的力矩波动最小，初定相位角选取范围在87到96之间，分别对87、88、89、90、91、92、93、94、95、96时各个状态的力矩波动情况综合对比，以找出最佳相位角。

87、89、96三个相位角力矩波动情况，见图6图8。

其它各个相位角的波动情况见表1。

图6相位角为87时转向管柱三种状态下力矩波动情况图7相位角为89时转向管柱三种状态下力矩波动情况图8相位角为96时转向管柱三种状态下力矩波动情况表1各个相位角力矩波动最大值及力矩波动范围对比表2.3分析结论通过分析以上各个相位角对应的力矩波动曲线和各个相位角对应的力矩波动最大值及力矩波动范围对比表，得出结论：

1、转向管柱在下极限位置力矩波动范围稍大，略微超出5%的范围；2、转向管柱在中间位置，除了96的相位角，略微超出5%的范围，其他在8795之间的相位角在中间位置均能满足5%的力矩波动范围；3、在8796之间的相位角，转向管柱在上极限位置均能满足5%的力矩波动范围；4、经过综合考虑，新车型相位角定为90，公差为2。

位置DMU87力矩波动最大值/（/s）19.11614.5814.472力矩波动范围5.31%4.05%4.02%88力矩波动最大值/（/s）19.36814.29212.78力矩波动范围5.38%3.97%3.55%89力矩波动最大值/（/s）19.65614.11211.124力矩波动范围5.46%3.92%3.09%90力矩波动最大值/（/s）19.9814.1129.468力矩波动范围5.55%3.92%2.63%91力矩波动最大值/（/s）20.3414.5447.812力矩波动范围5.65%4.04%2.17%92力矩波动最大值/（/s）20.77214.9766.228力矩波动范围5.77%4.16%1.73%93力矩波动最大值/（/s）21.67215.5164.608力矩波动范围6.02%4.31%1.28%94力矩波动最大值/（/s）22.64416.2723.024力矩波动范围6.29%4.52%0.84%95力矩波动最大值/（/s）23.61617.3521.512力矩波动范围6.56%4.82%0.42%96力矩波动最大值/（/s）24.6618.4320.864力矩波动范围6.85%5.12%0.24%40039038037036035034033032000.20.40.60.81时间/sUDM输出速度/（/s）40039038037036035034033032000.20.40.60.81时间/sUDM输出速度/（/s）38538037537036536035535034534033500.20.40.60.81时间/sDUM输出速度/（/s）设计研究503结束语转向力是汽车操纵稳定性评价中重要指标，其力矩波动直接影响着驾驶感觉。

本文对转向系统力矩波动原理进行了详细的阐述，从转向系统开发实例中论证了某车型转向系统力矩波动匹配分析方法。

对于新车型开发，转向系统力矩波动分析要引起总布置和底盘设计人员足够的重视，避免后期带来设计隐患。

参考文献：

1刘惟信.汽车设计M.北京：

清华大学出版社，2001.2高新华等.基于代理模型的轿车转向柱力矩波动关系研究与优化J.数字化设计，2008，（2-3）：

6667.3刘大勇.某车型转向系统匹配工作J.实用汽车技术，2006，（3）：

2425.自动机械式变速器（AMT-AutomatedMechani-calTransmission），是在有级式机械固定轴式传动系统（MT）基础上增加自动变速操纵系统ASCS（Auto-maticShiftControlSystem）组成的。

由电子控制驱动机构2来代替人力完成换挡、离合器和油门的操纵，从而实现对变速器的自动变速操纵。

评价AMT系统的好坏，其中一个非常重要的指标就是换挡品质，具体是指在保证动力传动系统寿命的前提下，能够迅速、平稳换挡的程度。

在造成换挡品质低下的众多因素中，车辆起步及换挡时的冲击又是重中之重。

一般装有手动变速器的车辆，其换挡平顺性完全取决于司机，在AMT车辆上，换挡品质则取决于电控单元中的控制算法及响应速度。

本文重点讨论车辆在起步及换挡过程中的控制策略。

1扭矩变化对换挡品质的影响从换挡品质众多量化评价指标中以冲击度做为基于扭矩控制的AMT换挡控制策略研究倪洪飞，钟军斌，孙玉刚（东风商用车技术中心，武汉430056）摘要：

提出在车辆起步和换挡过程中通过CAN动力网络控制发动机的输出扭矩来改善AMT换挡品质的新方法，制定扭矩控制与离合器接合控制策略，并在装有AMT的某重型商用车上进行试验。

试验结果表明，换挡过程中通过控制发动机的输出扭矩并与离合器的接合过程相协调，可显著提高AMT的换挡品质。

关键词：

AMT；扭矩控制；换挡品质中图分类号：

U463.212文献标志码：

A文章编号：

1005-2550（2010）03-0051-04AResearchofShiftStrategyforImprovingShiftQualityofAMTVehicleBaseonEngineTorqueControlNIHongfei，ZHONGJunbin，SUNYugang（DFLCommercialVechicalTechnicalCenter，Wuhan430056，China）Abstract：

ThisstudyputsforwardanewcontrolstrategybasedonenginetorquecontrolviaCANinestimatingtheenginetorquecontrolandclutchcontrol.Experimentsofdifferentoperatingconditionsarecarriedouttoprovethevalidityoftheproposedshiftcontrolalgorithmonaheavy-dutycommercialvehicleprovidedwithAMT.TheexperimentsresultshowsthatcoordinatedcontrolofEnginetorqueandclutchinshiftprocesscanenhancetheshiftqualityobservably.Keywords：

AMT；torquecontrol，shiftcuality收稿日期：

2009-11-10基于扭矩控制的AMT换挡控制策略研究/倪洪飞，钟军斌，孙玉刚设计研究51