汽车转向系统力矩波动的匹配研究
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（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。
β1= 28.7°，β2=28.5°，α=84°。 即 ψ=96°时，等效夹角 βe 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： β1= 31.7°，β2=26.3°，α=93°。 即 ψ=87°时，等效夹角 βe 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。
D
19.116 5.31% 19.368 5.38% 19.656 5.46% 19.98 5.55% 20.34 5.65% 20.772 5.77% 21.672 6.02% 22.644 6.29% 23.616 6.56% 24.66 6.85%
M
14.58 4.05% 14.292 3.97% 14.112 3.92% 14.112 3.92% 14.544 4.04% 14.976 4.16% 15.516 4.31% 16.272 4.52% 17.352 4.82% 18.432 5.12%
PEI Jin-hua，LI Ming （TJ Innova Engineering & Technology Co.，Ltd，Shanghai 201206，China） Abstract：The steering force is the key indicator in the evaluation of the handing and stability of vehicle.The torque fluctuation directly influence the feeling during driving. but with a matching phase angle，It can effectively reduce the torque fluctuation. The theory of torque fluctuation of vehicle steering system is elaborated in detail. The torque fluctuation is researched through on the development of the steering system of a vehicle correspondently. Key words：venicle；steering system；torque fluctuation；matching
输 出 速 度/ （°/s）
420
400 59°
119°
380
104°
360
340 320 300
0
72° 89°
0.2 0.4 0.6 0.8 1
时 间/s
图 5 不同相位角力矩波动情况
·49·
设 计·研 究
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 δ 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%。
根据对转向系统中间位置（M）的数模测量： β1= 30.9°，β2=26.8°，α=91°。
根据 α+ψ=180°时，即 ψ=89°时，等效夹角 βe 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：
lineⅢ
PlaneⅡ
PlaneⅠ
lineⅡ
α lineⅠ
图 2 相位角示意一 ψ
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 β1， 中间轴中心线与转向器输入轴中心线形成的 角度为 β2。 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 β1、β2 差值尽量小，差 值最好小于 6°。 转向系统布置需满足公式（1）。
U
14.472 4.02% 12.78 3.55% 11.124 3.09% 9.468 2.63% 7.812 2.17% 6.228 1.73% 4.608 1.28% 3.024 0.84% 1.512 0.42% 0.864 0.24%
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：
输出速度/（°/s）
400
390
D
UM
380
370
360
350
340
330
320
0
0.2 0.4 0.6 0.8 1
时 间 /s
图 6 相位角为 87°时转向管柱三种状态下力矩波动情况
输出速度/（°/s）
400
390
U
D
M
380
370
360
350
340
330
320
0
0.2 0.4 0.6 0.8 1
1
2
345
1.转向万向节；2.转 向 传 动 轴 ；3.转 向 管 柱 ； 4.转 向 轴 ；5.转 向 盘
图 1 转向操纵机构 收 稿 日 期 ：2009-10-25
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：
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。
位置
ψ
力 矩 波 动 最 大 值 / （°/s ） 87°
力矩波动范围 力 矩 波 动 最 大 值 / （°/s ） 88° 力矩波动范围 力 矩 波 动 最 大 值 / （°/s ） 89° 力矩波动范围 力 矩 波 动 最 大 值 / （°/s ） 90° 力矩波动范围 力 矩 波 动 最 大 值 / （°/s ） 91° 力矩波动范围 力 矩 波 动 最 大 值 / （°/s ） 92° 力矩波动范围 力 矩 波 动 最 大 值 / （°/s ） 93° 力矩波动范围 力 矩 波 动 最 大 值 / （°/s ） 94° 力矩波动范围 力 矩 波 动 最 大 值 / （°/s ） 95° 力矩波动范围 力 矩 波 动 最 大 值 / （°/s ） 96° 力矩波动范围
βe= 姨
β2 1
-β22
cos2（2（α+ψ））
2+β42 sin4（2（α+ψ））
（1）
式中，α 为输入轴和中间轴所在平面与中间轴所在
平面的夹角；ψ 为相位角；βe 为等效夹角。
为了达到最佳的传动性能， 则希望等效夹角
βe 尽 可 能 小 ， 从 上 式 可 以 看 出 ， 当 α +ψ =180° 时 ，
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
·48·
源自文库
汽车转向系统力矩波动的匹配研究 / 裴锦华，李 明
设 计·研 究
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（lineⅠ）和中间轴中心线（lineⅡ） 形成的平面 （PlaneⅠ）与 转 向 器 输 入 轴 中 心 线 （line Ⅲ）和中间轴中心线（line Ⅱ）形成的平面（PlaneⅡ） 之间交角为 α（见图 2）。 定义 α 为假设 PlaneⅠ固定 不动，PlaneⅡ绕 lineⅡ顺时针旋转与 PlaneⅠ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 ψ （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。
设 计·研 究
汽车科技第 3 期 2010 年 5 月
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。
等 效 夹 角 βe 取 得 最 小 值 姨| β12-β22 | ， 即 ψ=180°-
α 为 最 小 相 位 角 ， 可 以 简 化 为 βe= 姨| β12-β22 | ， 波 动 值 δ=tan βe sin β4。
为了达到一个较好的方向盘手感， 对δ 的波动 目 标 要 求 为 5%， 也 就 是δ 的 允 许 范 围 为 0.95＜δ＜
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）03-0048-04
A Research on the Torque Fluctuation Matching with the Steering System of Vehicle
时 间 /s
图 7 相位角为 89°时转向管柱三种状态下力矩波动情况
输出速度/（°/s）
385
380
375
370 365 U
360
355
350
345
340
3350
0.2
D
0.4 0.6 时 间 /s
M 0.8 1
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
1.05。 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。
4 1
2 5
6
3
1.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
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。
（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。
β1= 28.7°，β2=28.5°，α=84°。 即 ψ=96°时，等效夹角 βe 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： β1= 31.7°，β2=26.3°，α=93°。 即 ψ=87°时，等效夹角 βe 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。
D
19.116 5.31% 19.368 5.38% 19.656 5.46% 19.98 5.55% 20.34 5.65% 20.772 5.77% 21.672 6.02% 22.644 6.29% 23.616 6.56% 24.66 6.85%
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14.58 4.05% 14.292 3.97% 14.112 3.92% 14.112 3.92% 14.544 4.04% 14.976 4.16% 15.516 4.31% 16.272 4.52% 17.352 4.82% 18.432 5.12%
PEI Jin-hua，LI Ming （TJ Innova Engineering & Technology Co.，Ltd，Shanghai 201206，China） Abstract：The steering force is the key indicator in the evaluation of the handing and stability of vehicle.The torque fluctuation directly influence the feeling during driving. but with a matching phase angle，It can effectively reduce the torque fluctuation. The theory of torque fluctuation of vehicle steering system is elaborated in detail. The torque fluctuation is researched through on the development of the steering system of a vehicle correspondently. Key words：venicle；steering system；torque fluctuation；matching
输 出 速 度/ （°/s）
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图 5 不同相位角力矩波动情况
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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 δ 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%。
根据对转向系统中间位置（M）的数模测量： β1= 30.9°，β2=26.8°，α=91°。
根据 α+ψ=180°时，即 ψ=89°时，等效夹角 βe 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：
lineⅢ
PlaneⅡ
PlaneⅠ
lineⅡ
α lineⅠ
图 2 相位角示意一 ψ
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 β1， 中间轴中心线与转向器输入轴中心线形成的 角度为 β2。 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 β1、β2 差值尽量小，差 值最好小于 6°。 转向系统布置需满足公式（1）。
U
14.472 4.02% 12.78 3.55% 11.124 3.09% 9.468 2.63% 7.812 2.17% 6.228 1.73% 4.608 1.28% 3.024 0.84% 1.512 0.42% 0.864 0.24%
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：
输出速度/（°/s）
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图 6 相位角为 87°时转向管柱三种状态下力矩波动情况
输出速度/（°/s）
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1.转向万向节；2.转 向 传 动 轴 ；3.转 向 管 柱 ； 4.转 向 轴 ；5.转 向 盘
图 1 转向操纵机构 收 稿 日 期 ：2009-10-25
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：
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。
位置
ψ
力 矩 波 动 最 大 值 / （°/s ） 87°
力矩波动范围 力 矩 波 动 最 大 值 / （°/s ） 88° 力矩波动范围 力 矩 波 动 最 大 值 / （°/s ） 89° 力矩波动范围 力 矩 波 动 最 大 值 / （°/s ） 90° 力矩波动范围 力 矩 波 动 最 大 值 / （°/s ） 91° 力矩波动范围 力 矩 波 动 最 大 值 / （°/s ） 92° 力矩波动范围 力 矩 波 动 最 大 值 / （°/s ） 93° 力矩波动范围 力 矩 波 动 最 大 值 / （°/s ） 94° 力矩波动范围 力 矩 波 动 最 大 值 / （°/s ） 95° 力矩波动范围 力 矩 波 动 最 大 值 / （°/s ） 96° 力矩波动范围
βe= 姨
β2 1
-β22
cos2（2（α+ψ））
2+β42 sin4（2（α+ψ））
（1）
式中，α 为输入轴和中间轴所在平面与中间轴所在
平面的夹角；ψ 为相位角；βe 为等效夹角。
为了达到最佳的传动性能， 则希望等效夹角
βe 尽 可 能 小 ， 从 上 式 可 以 看 出 ， 当 α +ψ =180° 时 ，
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
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汽车转向系统力矩波动的匹配研究 / 裴锦华，李 明
设 计·研 究
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（lineⅠ）和中间轴中心线（lineⅡ） 形成的平面 （PlaneⅠ）与 转 向 器 输 入 轴 中 心 线 （line Ⅲ）和中间轴中心线（line Ⅱ）形成的平面（PlaneⅡ） 之间交角为 α（见图 2）。 定义 α 为假设 PlaneⅠ固定 不动，PlaneⅡ绕 lineⅡ顺时针旋转与 PlaneⅠ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 ψ （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。
设 计·研 究
汽车科技第 3 期 2010 年 5 月
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。
等 效 夹 角 βe 取 得 最 小 值 姨| β12-β22 | ， 即 ψ=180°-
α 为 最 小 相 位 角 ， 可 以 简 化 为 βe= 姨| β12-β22 | ， 波 动 值 δ=tan βe sin β4。
为了达到一个较好的方向盘手感， 对δ 的波动 目 标 要 求 为 5%， 也 就 是δ 的 允 许 范 围 为 0.95＜δ＜
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）03-0048-04
A Research on the Torque Fluctuation Matching with the Steering System of Vehicle
时 间 /s
图 7 相位角为 89°时转向管柱三种状态下力矩波动情况
输出速度/（°/s）
385
380
375
370 365 U
360
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350
345
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0.2
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0.4 0.6 时 间 /s
M 0.8 1
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
1.05。 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。
4 1
2 5
6
3
1.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
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。