转向系统设计计算匹配

1 转向系统的功能1.1 驾驶者通过方向盘控制转向轮绕主销的转角而实现控制汽车运动方向。

对方向盘的输入有两种方式：对方向盘的角度输入和对方向盘的力输入。

装有动力转向系统的汽车低速行驶时，操作方向盘的力很轻，却要产生很大的方向盘转角输入，汽车的运动方向纯粹是由转向系统各杆件的几何关系所确定。

这时，基本上是角输入。

而在高速行驶时，可能出现方向盘转角很小，汽车上仍作用有一定的侧向惯性力，这时，主要是通过力输入来操纵汽车。

1.2 将整车及轮胎的运动、受力状况反馈给驾驶者。

这种反馈，通常称为路感。

驾驶者可以通过手—---感知方向盘的震动及运转情况、眼睛—---观察汽车运动、身体—---承受到的惯性、耳朵—---听到轮胎在地面滚动的声音来感觉、检测汽车的运动状态，但最重要的的信息来自方向盘反馈给驾驶者的路感，因此良好的路感是优良的操稳性中不可缺少的部分。

反馈分为力反馈和角反馈从转向系统的功能可以得知：人、车通过转向系统组成了人车闭环系统，是驾驶者对汽车操纵控制的一个关键系统。

2 转向系统设计的基本要求转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。

转向系的基本要求如下：2．1 汽车转弯时，全部车轮应绕瞬时回转中心（瞬心）旋转，任何车轮不应有侧滑。

不满足这项要求会加剧轮胎磨损，并降低汽车的操作稳定性。

实际上，没有哪一款汽车能完全满足这项要求，只能对转向梯形杆系进行优化，一般在常用转向角内（内轮15°～25°范围）使转向内外轮运动关系逼近上述要求。

2．2 良好的回正性能汽车转向动作完成后，在驾驶者松开方向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并稳定行驶。

转向轮的回正力矩的大小主要由悬架系统所决定的前轮定位参数确定，一般来说，影响汽车回正的因素有：轮胎侧偏特性、主销内倾角、主销后倾角、前轮外倾、转向节上下球节的摩擦损失、转向节臂长、转向系统的逆效率等。

2．3汽车在任何行驶状态下，转向轮不得产生自振，方向盘没有摆动。

2．4 转向机构与悬架机构的运动不协调所造成的运动干涉应尽可能小，由于运动干涉使转向轮产生的摆动应最小。

汽车转弯行驶时，作用在汽车质心处的离心力的作用，内轮载荷减小，外轮载荷增加，使悬架上的载荷发生相应变化。

若转向桥采用非独立悬架、钢板弹簧机构时，则内侧板簧因载荷减小而长度缩短，外侧板簧因载荷增加而长度增加，导致车轴在水平面内相对车身转过一个角度，产生轴转向效应。

转向直拉杆和纵拉杆的运动关系必须与之适应，使轴转向效应趋于不足转向。

当转向桥为独立悬架、螺旋弹簧机构时，内侧弹簧因载荷减小而长度增加，车轮相对车身下跳，外侧弹簧因载荷增加而长度减小，车轮相对车身上跳，因转向横拉杆外球头从运动学上来说，是转向轮的一部分，内球头属于车身的一部分，外球头随车轮上下跳动所形成的轨迹必须与内球头所在中心点相适应。

这就是传统转向理论中所说的断开点校核。

实际上，现代汽车设计中，合理利用这个运动轨迹的干涉，使得运动干涉造成的车轮偏转方向（侧倾转向）与转向方向相反，有助于实现不足转向。

2．5 良好的机动性为了使汽车具有良好的机动性能，必须使转向轮有尽可能大的转角，并要达到按前外轮轨迹计算，使其最小转弯半径能达到汽车轴距的2～2.5倍。

最小转弯直径是汽车机动性的评价指标。

影响最小转弯直径的因素有：汽车轮距、轴距、轮胎侧偏刚度、有效转向节臂长，转向器行程（齿轮齿条式转向器）、转向摇臂摆角（循环球式转向器）、转向摇臂长（循环球式转向器）、转向梯形的布置形式等。

2．6 转向操纵轻便性转向操纵轻便性的评价指标通常有两项：驾驶者作用在方向盘上的切向力大小和方向盘总圈数。

机械转向系统的轿车，在行驶中转向时的切向力应为50～100N.有助力转向系统的轿车，此力为20～50N。

K1哈弗为27N±3N。

轿车方向盘总圈数不得大于4圈，货车不得大于6圈。

M11机械转向系统方向盘总圈数3.825,液压助力转向系统方向盘总圈数3.083。

对于无助力系统，方向盘上的切向力大小由转向系力传动比决定，方向盘总圈数等于转向器总圈数。

方向盘总圈数多和切向力越大都容易使驾驶者疲劳。

根据机械原理，方向盘总圈数越多，切向力就越小，两者成反比。

只有合理对方向盘总圈数和切向力取值，才能有一个好的转向操纵轻便性。

对于有助力转向系统，可以实现少的方向盘总圈数和小的方向盘切向力。

但需要注意助力特性，虽然实现了好的转向操纵轻便性，却容易出现转向高速发飘、转向发贼现象，破坏操纵稳定性。

2．7直线行驶稳定性转向系统和悬架系统密切相关，必须使转向系统与悬架系统合理匹配，使汽车具有良好的直线行驶稳定性，良好路面不得出现的行驶跑偏。

行驶跑偏与车辆的制造装配有很大关系。

当转向轮遇到一个小的障碍物时，车轮发生偏转，这时汽车应具有快速回到直线行驶位置的能力。

循环球式转向器设计成变传动比，摇臂轴扇齿的中间齿（转向器的中位）齿厚比两边的大，与螺母齿条啮合时，转向器中间位置有相当于锁紧的功能。

以达到维持直线行驶稳定的目的。

齿轮齿条式转向器将齿条中间常用几齿的齿间设计得比较小，与小齿轮啮合时，转向器中间位置有相当于锁紧的功能。

以达到维持直线行驶稳定的目的，同时也达到间隙补偿的目的。

2．8 转向轮碰到障碍物后，传递给方向盘的反冲力要尽可能小。

转向轮碰到障碍物后，传递给方向盘的反冲力要尽可能小，否则会出现“打手”现象。

避免“打手”现象的有效措施有：在转向操纵机构中增加挠性万向节，加装转向阻尼器（减振器），提高转向系统逆效率等手段。

2．9 应当有汽车碰撞时对驾驶者的防伤机构当发生车祸时，一方面，车辆前端被压溃，使得转向管柱和转向轴向上向后移动（也就是向窜向驾驶者头胸部）。

另一方面，驾驶者紧急制动或则被撞时汽车骤然停止，驾驶者在强大惯性力作用下，上半身冲向方向盘，伤害驾驶者。

为避免这种危害，就要求转向管柱在轴向不能是刚性的，在转向管柱两个方向应具有溃缩和吸能功能，缓冲车身前部的冲击和驾驶者的冲击。

顺便提一下，系安全带是非常有效的一个措施。

2．10 转向轮与方向盘偏转方向一致转向系统必须做运动分析，最起码要保证的是：汽车在前进时，往左转动方向盘时，汽车应向左转，右打右转。

2．11适宜的不足转向度（了解）汽车等速行驶时，迅速给方向盘一个角度输入，使转向轮迅速发生偏转，汽车进入一个稳态响应---等速圆周行驶。

这时，汽车产生一个绕Z轴线的横摆角速度，横摆角速度与转向轮转角的（或者方向盘的转角）的比值称为转向灵敏度。

横摆角速度增益---横摆加速度与车速成线性关系时，即它们函数关系为一直线，斜率为定值，称汽车具有中性转向特性。

表现为：保持相同的方向盘转角，提高车速，汽车的转弯半径维持在一个恒定值。

横摆加速度与车速成非线性关系，其斜率呈减小趋势，称汽车具有不足转向特性。

表现为：保持相同的方向盘转角，提高车速，汽车的转弯半径越来越大。

横摆加速度与车速成非线性关系，其斜率呈增加趋势，当车速度超过临界车速时，横摆角速度趋于无穷大，称汽车具有过多转向特性。

表现为：保持相同的方向盘转角，提高车速，汽车的转弯半径越来越小。

中性转向很容易转化为过多转向，过多转向汽车达到临界车速时将失去稳定性，由于其转弯半径越来越小，横摆加速度越来越大，汽车将发生激转而侧滑摔尾或者翻车，因此汽车都应具有适宜的不足转向特性。

转向灵敏度和转向特性主要影响因素：悬挂系统、转向系统以及整车的质心位置、轴距、轮距等参数。

3 转向轮定位参数主销的概念：转向节绕车身（或车架）转动的轴线。

对于大多数货车客车的非独立悬挂，其主销是转向节与转向桥拳部连接的实实在在的主销。

对于独立悬挂的轿车，双摆臂结构的主销是下摆臂外球心与上摆臂球心的连线。

麦弗逊悬挂的主销是下摆臂外球心与前滑柱与车身铰接点的连线。

3．1 主销后倾角当汽车水平停放时，在汽车的纵向垂面内，主销上部向后倾斜一个角度r,称为主销后倾角。

当主销具有后倾角时，主销轴线与路面交点A 将位于车轮与路面接触点的前面。

当汽车直线行驶时，若转向轮偶然受到外力作用而稍有偏转（例如向右偏转，如图中箭头所示），能产生回正作用。

也就是说，因为主销后倾角，汽车具有了维持直线行驶的能力。

轮胎接地点B向主销作垂线，B点与垂足点的距离L是车轮产生回正力矩的力臂，因主销后倾角一般不大，如K1为3°±30’，M11为2.5°±30’，在三维模拟技术尚不成熟的传统设计理论中，便于计算，一般以主销穿地点A与B点距离作为评价回正力矩的主参数。

这个距离叫做后倾拖距ξ。

回正力矩M=ξ* Fy 附加转角δ= Fy/CsFy----汽车受到的侧向力，与汽车质量、侧向加速度成正比。

Cs----转向系统刚度，包括转向节、转向器、转向管柱的刚度。

回正力矩M，附加转角δ就是转向系统的力反馈和角反馈。

ξ越大回正力矩越大，同时，车辆转向时，这个力矩就成了转向需要克服的阻力矩，转向也变得困难。

回正力矩与后倾拖距ξ和车速v的平方都成正比例关系。

汽车中高速的回正力矩主要来自于后倾拖距ξ。

3．2 主销内倾角当汽车水平停放时，在汽车的横向垂面内，主销轴线与地面垂线的夹角为主销内倾角。

主销内倾角的作用是使车轮自动回正。

通常车轮轴线不在水平面，为了方便说明，这里假设直线行驶时车轮轴线在水平面上。

对于车轮轴线不在水平面的情况，只要把下图的水平面改为锥面。

如下图所示，考虑该水平面上和主销有交点的直线，主销与这些直线的夹角有一个最大值。

而汽车直线行驶时，车轮轴线与主销的交角恰为这个最大值。

车轮轴线与主销夹角在转向过程中是不变的，当车轮转过一个角度，车轮轴线就离开水平面往下倾斜，致使车身上抬，势能增加。

这样汽车本身的重力就有使转向轮回复到原来中间位置的效果。

由于主销内倾，前轮转向时将使车身有抬高的倾向，这种系统位能的提高产生回正力矩M＇。

假设Q为轮荷，δ为前轮转角，有如下关系：M＇=(Q*C*sin(2β)*sinδ)/2无关，有：M比M＇在高速时大得多，低速时，M＇可以看出，M＇与侧向力Fy比M大得多。

所以说：汽车低速时回正主要由主销内倾角决定。

同样主销内倾角β越大，转向越困难。

3．3 车轮外倾角当汽车水平停放时，在汽车的横向垂面内，车轮平面与地面垂线的夹角为前轮外倾角。

如果空车时车轮的安装正好垂直于路面，则满载时车桥因承载变形而可能出现车轮内倾，这样将加速车轮胎的磨损。

另外，路面对车轮的垂直反力沿轮毂的轴向分力将使轮毂压向外端的小轴承，加重了外端小轴承及轮毂紧固螺母的负荷，降低它们的寿命。

因此，为了前轮有一个外倾角。

但是外倾角也不宜过大，否则也会使轮胎产生偏磨损。

现代汽车设计中也有将车轮外倾角α取为负值，比如M11的车轮外倾角α为-1°±30’，其目的是使转向轮在转向时，车轮上下跳动引起的车轮偏转方向与车身在离心力作用下的偏转方向一致，提高操作稳定性。