汽车转向轮偏距与底盘转向力关系的研究

汽车转向轮偏距与底盘转向力关系的研究

为了让汽车美观，许多用户将狭窄的轮子改为宽的轮子。为了增加销售，一些国产汽车的设计将狭窄的轮子改为宽的轮子。轮胎宽度加大,势必使车轮偏距加大,导致轮辋、轮胎、前轮参数及转向机构匹配不合理,加大方向盘转向力,增大转向系统的负荷,降低转向系统寿命。如果车辆没有助力转向装置,则会导致在停车状态、低速倒车或行驶状态转向很费力。本文通过建立数学计算模型,对此问题进行分析和研究,提出一种估算汽车液压助力转向系统压力的方法。1转向轮运行轨迹分析前轮(转向轮)的安装位置由主销内倾角、主销后倾角、前轮外倾角和前轮前束等确定。转向轮的主销存在内倾角及后倾角,决定了在转动方向盘实现转向轮转向时所有点(包含忽略轮胎变形时轮胎与地面的接触点)的运行轨迹均为三维连续曲线。通过算式计算转向轮轮胎与地面接触点的运行轨迹存在一定难度,可以采用三维图形法求出轮胎与地面接触点的运行轨迹(见图1):1)根据车型前轮基本参数建立三维数学模型。2)沿左、右转向轮轮胎中心纵剖面与地面接触点分别画一条铅垂线和一条与铅垂线垂直且平行于前桥轴心线的直线,得到2条直线的交点。3)分别将左、右转向轮2条相交的垂直线沿主销中心线按等角度旋转(每2°旋转1次),则左、右前轮分别得到与旋转次数相等的2条垂线交点。4)分别连接左、右转向轮每次旋转的交点,得到左、右转向轮轮胎与地面接触点的运行轨迹。从图1可得出以下结论:1)左、右转向轮转向时,车轮上所有点的运行轨迹均为一空间连续曲线。2)左、右转向轮对称的轮胎与地面接触点的旋转半径在俯视面内相等且以整车中心纵剖面对称。3)考虑主销后倾角时,在转向角范围内,左、右转向轮轮胎与地面接触点的旋转中心点是一条圆弧,可以取圆弧中点作为旋转中心点。左、右转向轮在转向角范围内转向时,与地面接触点相对于通过此点的地面铅垂线做旋转运动。4)不考虑主销后倾角时,在转向角范围内,左、右转向轮与地面接触点的旋转中心点为一个点,左、右转向轮在转向角范围内转向时,与地面接触点相对于通过此点的地面铅垂线做旋转运动。与考虑主销后倾角时的旋转半径相比变化不大。5)实现转向时,考虑或不考虑主销后倾角,车身左、右侧均被抬高,且抬高数量相差不大。6)左、右转向轮在转向角范围内转向时,车轮与地面接触点相对于地面做旋转滑移,与主销内倾角及车轮偏距有关。2车轮偏距和转向盘转向力根据以上结论,可简化计算模型,忽略主销后倾角对转向阻力矩的影响,计算不同车轮偏距时车轮的转向阻力矩和转向盘转向力(见图2)。本文以一款国产SUV车型为例进行计算。该车前后轴重为:G前左=411kg,G前右=414kg;G后左=379kg,G后右=376kg。2.1在转向过程中，计算转向电机的旋转阻力2.1.1的农村水泥路面进行的动力系统,有以下几种根据GB7258-2004关于制动实验在摩擦系数ζ≥0.75的水泥路面上进行的要求,取ζ=0.75,则地面作用于轮胎的摩擦力F摩擦F摩擦(前左)=ζG前左F摩擦(前右)=ζG前右2.1.2前转向轮滑移阻风力轮胎沿着主销旋转时,地面作用于轮胎的摩擦力F摩擦所产生的阻力矩为M摩擦。车辆实现转向过程中,转向系统克服地面作用于轮胎的摩擦力所产生的滑移阻力矩M摩擦(前左)1=∫L10L10F摩擦(前左)-平均L1dL1(1)M摩擦(前左)2=∫L20L20F摩擦(前左)-平均L2dL2(2)M摩擦(前左)=M摩擦(前左)1+M摩擦(前左)2(3)右前转向轮总滑移阻力矩M摩擦(前右)的计算方法与M摩擦(前左)相同。前转向轮总滑移阻力矩M摩擦(前)=M摩擦(前左)+M摩擦(前右)(4)2.2转向盘平衡施加假设没有加装助力转向装置,则根据转矩平衡原理,得到需要施加到转向盘上的转向力F转向力=M摩擦(前)/R式中:R为转向盘的半径,R=190mm。2.3助力转向装置的稳定性忽略其他摩擦因素的影响,转向机构在转向轮转向臂处拉动车轮实现转向所需的力由轮胎与地面摩擦力所产生的阻力和主销抬高车身所产生的阻力组成。通过图形法得到转向时车身抬高的最大高度小于2mm,因而忽略车身抬高所产生的转向阻力。假设没有加装助力转向装置,已知轮胎与地面接触部分的宽度L0=170mm,按照以上步骤,计算一款国产SUV车型的M滑移(前)和F转向力(见图3)。根据计算结果,得到以下结论:1)如果该车型不加装转向助力装置,则停车时必须在方向盘上施加1.986kN的力才能实现转向轮转向。所以停车时不可能打动方向盘。2)在车辆行驶过程中,因为车轮与地面已产生滚动相对运动,滚动摩擦系数比静摩擦系数小很多。假设滚动摩擦系数为0.15倍静摩擦系数,则转动车轮所需的转向力为0.15×1.986=0.2979kN,可以实现转向。3)要实现该车型转向轻便,必须加装助力转向装置。3主缸的最小压力计算建立该车型的数学计算模型(见图4),计算该车型实现转向轻便所需的液压助力转向系统压力。3.1前转向轮运动角度根据该车型前轮转向机构的实际尺寸及平面几何原理,得到角度α1、β1、γ1、α2、β2、γ2的计算公式,通过计算得到前转向轮运动时各角度的变化规律。本文只计算车辆右转弯时的角度(左转弯时相同)。3.1.1s3s4根据余弦定理:s变1=√s20+(h2+s2)-2s0√h2+s2cosθ1s变1=√s23+s24-2s3s4cos(180°-α1)α1=180°-arccos[(s23+s24-s2变1)/(2s3s4)]s变1=s20+(h2+s2)−2s0h2+s2−−−−−−√cosθ1−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√s变1=s23+s24−2s3s4cos(180°−α1)−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√α1=180°−arccos[(s23+s24−s2变1)/(2s3s4)]式中:h=s1(1-cosθ);s=s1sinθ;s0、s1、s2、s3为实际测量值;s4、b1、h1由图形法测得。根据平面几何原理:根据余弦定理:γ1=arccos[(s2变12变1+s2323-s2424)/(2s变1s3)]-θ1-1(6)3.1.2余弦定理、arccos3s3s3s4的s3s3s3s4的2s3s3s3s3θ2=arctg(h1/b1)+arctg[(1-cosθ)/sinθ](7)根据余弦定理:s变2=√s20+(h2+s2)-2s0√h2+s2cosθ2s变2=√s23+s24-2s3s4cosα2α2=arccos[(s23+s24-s2变2)/(2s3s4)]根据平面几何原理:根据余弦定理:γ2=arccos[(s2变2+s23-s24)/(2s变2s3)]-θ2-2(8)3.2通过悬挂车轮，获得所需的行驶力3.2.1特征点的旋转中心与车轮摆臂细胞连接点距离根据图形法得到特征点的旋转半径在俯视面内均为56.075mm,特征点的旋转中心与车轮摆臂头部-转向拉杆连接点之间的距离为s4(见图4)。则踩刹车后拉动转向轮实现转向所需的法向力F左(摩擦)=M滑移(前左)/s4F右(摩擦)=M滑移(前右)/s43.2.2防止所消耗的功根据能量守衡定律,转向轮转向时,主销抬高车身所做的功等于车身抬高所消耗的功。踩刹车后拉动转向轮实现转向从而抬高车身所需的法向力F左(抬高)=G前左h抬高/L滑移弧长F右(抬高)=G前右h抬高/L滑移弧长式中:h抬高、L滑移弧长由图形法求得。3.2.3启动机构将动态车辆调整驱动以实现向轴所需的力3.3向机转化孔口传导,通过齿轮传动推动转向机输出轴旋转,以保证转向助力转向助力泵在发动机的带动下输出液压油,液压油作用于转向机阀体上表面而使阀体产生推力,通过齿轮传动带动转向机输出轴旋转,从而实现转向助力。按力学原理及力的大小、传递方向等,得到转向机转向助力泵输出压力计算公式。3.3.1左撇子的力学计算3.3.2横臂总体阻力的计算F转向横拉杆(总)=F转向横拉杆(左)+F转向横拉杆(右)(13)3.3.3计算轴臂端部总阻力的计算F输出轴(总)=F转向横拉杆(总)/cosθ(14)3.3.4转向机叶轮d0/2根据能量守衡定律:F输出轴(总)s1=F阀体(法向)D0/2(15)式中:D0为转向机阀体齿轮分度圆直径。式中:η=22.5°。3.3.5主销倾角下的下载荷根据《机械设计手册》,低精度齿轮的传动效率ε=95%。计算中只计算主销内倾角的影响,而2°～3°主销后倾角对车身抬高力及作用于转向臂的拉力都有放大作用。考虑球头部位及其他摩擦阻力,放大系数σ=1.06。阀体横截面面积A=πD22/4式中:D2为转向机阀体上表面直径。转向助力泵实际需要的高低压压差ΔP实际需要的助力泵高低压压差=(F阀体(轴向)/A)σ/ε(17)3.4与地面点重合的助力不同转向角度时,该车型实际需要的转向助力系统液压计算结果见图5。剖面与地面交点重合时,转向机构需要实现转向的助力最小,转向助力泵油压最小。设计前轮转向机构时,要综合考虑车轮偏距和主销内倾角之间的关系,尽量减小主销中心线的延长线与地面的交点、轮胎中心纵剖面与地面交点之间的距离。4转向机构设计因素1)前轮实现转向时,随着转向角度的增加,转向机构实现转向所需的助力泵压力增大。2)前轮转向过程中,右转弯时,左转向轮转向机构承受的力逐步增大,最大增量超过20%,而右转向轮转向机构承受的力基本不变。反之亦然。3)主销中心线的延长线与地面的交点、轮胎中心纵剖面与地面交点之间的距离越大,转向机构实现转向需要的助力越大,转