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摘要：转向系统作为车辆底盘的重要组成部分，它的制动抖动会严重影响车辆的舒适性和安全性，故该问题一直是当前各大车企和高校研究的热点。为解决转向系统制动抖动问题，本文对转向管柱进行中空的轻量化设计以及变截面设计，且变截面的方向为向方向盘方向截面逐渐减小，以此来减少悬架梁结构的质量分布；在方向盘骨架上布置减振块，能够吸收方向盘的垂向振动和横向振动；最后基于ADAMS软件建立了传统转向系统与改进系统的动力学仿真模型，并在悬架转向虚拟试验台上进行仿真分析，对制动过程中影响抖动的各项指标进行分析对比，得出改进后的转向系统模型的效果要优于传统的模型。
关键词：转向系统；控制系统；制动抖动；结构设计
伴随着我国汽车工业的迅速发展，人们对车辆舒适性的要求越来越高，其中车辆在不同工况下的抖动已成为影响车辆舒适性的重要因素。转向系统的制动抖动问题也是车辆制动系统的重要故障之一，它严重影响车辆的舒适性与安全性。本文主要针对转向系统在制动工况下的抖动情况展开进行设计与探讨。
1.电动助力转向系统概述
转向系统的功用是保证车辆按驾驶员意图进行转向行驶，保证各转向轮之间具有协调的转角关系，作为人车交互界面的转向系统，它的特性会影响车辆的操纵性与稳定性。从车辆诞生以来，其使用性能一直处在不停地改善当中，其转向装置也一直处于不断发展完善当中。转向系统总共经历了四个发展阶段：从最初的无助力纯机械式转向系统发展为液压助力转向系统、然后又出现了随车速改变助力大小的电控液压助力转向系统，以及到最后单纯的仅靠电机提供助力的电动助力转向系统。
电动助力转向系统完全没有采用液压助力转向系统中的助力执行装置，而是在原来机械转向系统的基础上增加了扭矩传感器、助力电机和电控单元等装置构成的一套新的系统。电动助力转向系统将最新的电力电子技术与高性能的电机控制技术应用在转向系统上，显著的改善了车辆动态性能与静态性能。与液压助力转向相比，转动方向盘时电动助力转向只是需要转向器的摩擦阻力，不存在回位弹簧的阻力和反映路感的油压阻力。电动助力转向还有整体结构紧凑、部件少、占用空间尺寸小、质量比液压式动力转向约轻20%—25%以及在车上易于布置等优点。在将来的转向系统中，电动助力转向将成为转向系统的主流，该系统突出的优势在于降低燃油消耗、增强转向跟随性、改善转向回正特性、提高操纵稳定性、提供可变转向助力、采用“绿色能源”以适应现代车辆要求等。
按助力部位不同电动助力转向系统可分为三大类：转向轴助力式，齿轮助力式和齿条助力式。不同的助力布置方式各有其优缺点。三种助力的具体布置方式如图1所示：
图2 转向系统总体结构图
如图2所示，变截面转向轴一般由两段组成，转向轴空心轴分布在转向管柱的前部靠近转向盘一段，如果对于质量分布有限制的话也可以将图2结构设计成前后通透的空心轴。在本设计中采用转向轴前后设计为通透的空心轴的方案。根据经验，花键越靠近变截面转向轴的端头，其转向管柱本体模态越高，越能很好的避开制动频率，这一点是防止制动抖动的关键因素。根据经验，空心轴花键位置越靠近转向管柱的端面距离在500mm左右时，转向盘避开制动抖动频率的效果越显著，故本设计选取变截面转向轴的轴端的花键端距离转向外管柱的端部为500mm。
为防止制动过程中发生抖动，空心轴是一种不错的选择，通过空心轴的设计既可以进行转向管柱本体的轻量化，也可以实现转向管柱的模态频率提升，避开抖动频率。将变截面转向空心外管柱和变截面转向空心内管柱也设计成空心的，且轴本身刚度满足设计需求。在转向管柱总成中，变截面转向空心外管柱在靠近方向盘一端具有变截面收口段，远离方向盘一端的表面具有管柱过盈配合卡槽，管柱过盈配合卡槽通过接触和限位来控制管柱内部变截面转向轴的安装。其中，变截面空心外管柱通过滚动轴承与内部变截面转向轴连接，管柱轴承一般为球滚动轴承，两者只允许相对转动，即管柱轴承为变截面转向空心外管柱与变截面转向轴之间的连接部件。变截面空心转向内管柱与变截面转向轴之间是通过花键连接，只允许两者之间的相对滑动。变截面转向轴的管柱轴端部外表面具有螺纹，用来安装螺母来对转向盘进行限位防止转向盘向上窜动。
2.2方向盘减振设计
一般情况下用方向盘垂向和横向抖动来衡量制动过程中抖动的大小，要减小方向盘的抖动就要求方向盘的垂向和横向振动模态要分别低于或者高于制动4-5Hz。本设计采用带动力吸振块的转向盘骨架，能够吸收方向盘垂向及横向振动，从而使汽车在制动状态下运转时最大限度的减少方向盘的抖动。
方向盘总成一般由方向盘骨架、方向盘外蒙皮、组合开关、安全气囊等总成组成。方向盘骨架采用镁铝合金结构，在转向盘的三个腹板上分别设置有吸振块A、B及C，其一块用于吸收转向盘垂向振动频率，吸收频率一般做成77-80Hz频率的吸振块。另外两块用于吸收转向盘横向振动。应用组合方式可以根据两个金属块的频率组成不同的吸收频率，吸收振动效果更佳。吸振块结构不应过大，且不影响转向盘骨架与外蒙皮的装配，通过带锥度的细花键可以实现转向盘与转向轴的连接，通过螺母进行端部轴向压紧固定。因为转向系统各传动件之间难免存在装配间隙，这些间隙反映到转向盘上来就变成转动转向盘的空转角度，对于缓和路面的冲击和避免驾驶员过度紧张来说，转向盘的自由行程起到一定作用。
3.汽车转向控制系统优化仿真分析
为了减轻路面对车辆的振动与冲击，需要弹簧把对车辆乘坐舒适性和操纵稳定性不利的能量消耗掉，把这些振动和冲击的能量吸收掉，这时就用到减振器了。当车架和车桥作往复相对运动，而活塞在缸筒内往复运动时，减振器壳体内的油液便反复的从一个内腔通过一些窄小孔隙流入另一内腔，此时孔壁与油液间的摩擦及液体分子内摩擦便形成对振动的阻尼力，使车身和车架的振动能量转化为热能而被油液和减振器壳体所吸收并散到大气中，这就是液压式减振器的工作原理。它的压缩拉伸曲线如图3所示。
图6 前束角变化曲线
前束角是车身前进方向与车轮平面之间的夹角。车轮前端向内侧倾斜会提升直线行驶的稳定性；车轮前端向外倾则会造成转向过度。束角在车辆中具有重要的作用，它可以补偿轮胎因外倾角及路面阻力所导致向内或向外滚动的趋势，确保车子的直进性。从图5仿真结果可以看到，在整个转向工况试验中，改进后模型的前束角的变化要小于传统模型，故这种模型的抖动性更小，直进性要更好。
图7转弯半径变化曲线
转弯半径是指越野车行驶过程中，由转向中心到前外转向轮与地面接触点的距离。从图7仿真结果看出，在整个转向工况试验中，改进后的的模型的转弯半径要大于传统的转向系统模型的转弯半径。
经过上述分析可知，改进后的转向管柱的转向系统的各项性能要好于传统的转向系统的性能。
结语
制动抖动是一个复杂的系统问题，至今尚未有统一的解决方法，由于时间精力有限，本文主要针对转向管柱部分进行了改进设计。本文虽然建立了转向系统的多体动力学仿真模型，分析了相关指标，但还可以在此基础上考虑更多的系统参数来分析转向系统的转向性能。
参考文献
[1] 濮良贵，纪名刚. 机械设计（第八版).北京：高等教育出版社，2006，360～412.
[2] 刘振成. 中型载货汽车转向系统的分析研究与改进设计[J]. 吉林大学，2011.
[3] 任济生，唐道武.机械设计课程设计.徐州：中国矿业大学出版社，2008，68～127.
[4] 王望予. 汽车设计（第4版）[J]. 北京：机械工业出版社，2003，12.
[5] 张燕，刘世豪. 机械优化设计方法及应用[M]. 北京：化学工业出版社，2015.
[6] 孙靖民. 机械优化设计（第3版）[M]. 北京：机械工业出版社，1989，2.
[7] 黄康. 汽车空气悬架—转向系统的运动学分析及优化[J]. 哈工大学报，2005，12.
[8] 赵波. 基于虚拟现实技术的汽车转向系统设计与分析[J]. 机械设计与制造，2006.
[9]B.C. Besselink.Computer controlled steering system for vehicles having two independently driven wheels. Computers and Electronics in Agriculture 39 (2003) 209-226.
[10] Sugiyama A.An EPS Control Strategy to Reduce Steering Vibration Associated with Disturbance from Road Wheels[C].SAE Paper 2006-01-1178.
[11] Blair，D.B. Computer controlled integrated steering system for vehicles. ASME Computers in Engineering Conference， California， USA.
论文作者:魏东琦,,高钰超, 孙中泉
论文发表刊物:《科技新时代》2018年11期
论文发表时间:2019/1/10
标签：管柱论文; 助力论文; 转向系统论文; 截面论文; 方向盘论文; 车辆论文; 心轴论文; 《科技新时代》2018年11期论文;