商用車轉向系統與整車操縱穩定性的相關性研究

王耀一

摘要：轉向系統是汽車底盤的重要部件，對汽車的行駛安全至關重要，目前商用車普遍采用助力特性單一的液壓助力轉向系統（HPS），在車速較高時，轉向系統反饋給駕駛員的路感明顯減弱，駕駛員會感到車輛“發飄”，導致精神緊張和誤操作，直接影響車輛的操縱穩定性和行駛安全性。

關鍵詞：商用車轉向系統；整車操縱；穩定性

近年來，隨著汽車技術的不斷發展，汽車上廣泛使用各類助力轉向系統。乘用車負載較小，對速度性能要求較高，通常采用齒輪齒條式EPS 以及EHPS 轉向系統；而由于前輪載荷較大、電機功率以及加工工藝方面的因素制約，商用車通常采用循環球式HPS系統提供助力。一、助力轉向系統與整車操縱穩定性具有重要意義。

一、商用車轉向系統概述

汽車的轉向系統是汽車改變或保持方向的控制裝置，組成部分有轉向控制裝置、轉向輪、轉向傳動機關和專用裝置。轉向性能是汽車的基本功能之一，是汽車正常行駛的基本條件。轉向性能對保護駕駛員的安全、保障行車安全和減少交通事故等方面具有重要作用。轉向性能的內部結構參數和駕駛員的操作對汽車的轉向行駛特點具有直接的影響。因此轉向系統對汽車的整車操縱穩定性具有重要的作用。常規的機械轉向系用無法兼顧靈敏性和協調輕便性，商用車全部使用助力系統輔助轉向系統，以機械轉向系統為基礎，增設助力裝置。在正常條件下，汽車轉向時消耗的能量大部分是助力轉向裝置供給的，駕駛員只提供了一小部分。為保證商用車的行車安全，助力轉向系統在助力裝置發生故障時，仍可以通過駕駛員的操作完成轉向。目前，根據轉向能源可以分為液壓助力系統（HPS）、電動液壓助力系統（EHPS）及電動助力系統（EPS）。其中，商用車應用的最多的是液壓助力系統、液壓助力轉向系統的工作原理是通過發動機工作，帶動轉向油泵，駕駛員轉動方向盤時，液壓油會流到助力缸中的一個腔內，另一個腔內的部分液壓油就會回流，在兩腔之間就會產生壓力差，推動轉向齒輪和活塞運轉。

二、商用車轉向系統與整車操縱穩定性的相關性

1.整車操縱穩定性的研究。汽車的操縱穩定性指的是：一是汽車響應駕駛員的轉向操作；二是行駛在彎路時，汽車加減速和對外界干擾的響應。操縱穩定性是決定汽車在高速行駛時安全程度的主要性能。和操縱穩定性相關的研究，在上世紀六十年代以前就已展開，最初是把汽車看作開環系統，研究重點是汽車在曲線行駛時的響應頻率與特征。早在1956 年，就有學者提出了“線性二自由度”的汽車轉向模型，逐漸發展到現在已達到17 自由度甚至更高的數學模型。精確的數字模型，對車輛設計、性能評價等方面具有重要意義。隨著科技的進步，人們對空氣動力學及側偏特征的研究逐步深入，對汽車的響應仿真度越來越高。進行仿真前，第一步要建立整車的動力學模型，包括輪胎、轉向系統等元件。另外，駕駛員對整車操縱穩定性也有很大的影響。建立仿真模型時，必須將“人車路”進行閉環系統的研究。仿真技術中新技術層出不窮，如最優控制技術、神經網絡技術等，使整車模型越來越逼真，在操縱穩定性進行研究時，對仿真結果和性能分析等方面的作用越來越大。

2.操控性與能耗分析。液壓助力轉向系統（HPS）分為中位開式和中位閉式。中位開式HPS 系統的轉向油泵由發動機直接驅動，無論是否有轉向要求，轉向油泵一直處于工作狀態，液壓油經過轉閥直接流回油箱，這無疑是一種能源的浪費。研究人員測試得到的汽車在典型市郊道路行駛時轉向器齒條的位移- 時間曲線，出現尖峰的時間段表示汽車有轉向動作，其余較平坦或近似直線的時間段表示轉向盤不動或小幅調整，即汽車處于或保持直線行駛狀態。汽車在80%以上的運行里程（時間）中都處于直線行駛狀態。因此，采用HPS 的車輛在行駛過程中無論是否需要轉向動作，轉向泵一直在運轉，其所消耗的大部分能源為無用功。中位閉式HPS系統使用蓄能器維持系統壓力，系統壓力低于某個值時，轉向泵輸出液壓油；高于某個值時，轉向泵停轉或卸荷，幾乎不消耗能量，但由于系統始終處于高壓狀態，對部件的密封要求高，并且影響部件的壽命，同時還增加蓄能器使系統的布置更加復雜，因此現代商用車上很少應用中位閉式HPS。商用車HPS 的轉向泵由定量泵、溢流閥和安全閥組成。定量泵的輸出流量隨發動機轉速的升高而增大，當轉速高于溢流轉速時，多余的油液從溢流口溢出，轉速越高，溢流量越多，能量損失越大，多余流量造成的能量損失約占HPS 總能耗的46%；采用變量泵取代定量泵可以有效避免溢流損失，變量泵內部有一個油缸，通過與油缸相連的連桿推動變量機構，改變轉向泵的排量，從而改變轉向泵的輸出流量。例如轉向泵的轉速升高時，流量增大，節流孔兩端的壓差變大，這個壓差作用于油缸的活塞兩端，推動變量機構，使排量減少。這種方案采用容積調速方式控制流量，不存在溢流損失，節能效果較好，但是轉向泵的輸出流量只隨轉速的變化而變化，不能適應行駛工況的變化，且轉向泵高轉速下輸出的小流量不能滿足快速轉向對流量的要求。由于溢流閥的存在，轉向泵的輸出流量基本恒定，該流量要保證原地或低速轉向時的助力需求，那么在高速時轉向，車輛就會“發飄”，操縱穩定性變差。也就是說，HPS 的助力轉向特性設計完成后，其助力的大小不會隨車速的變化而變化，通過調整扭桿的剛度和閥的靈敏度可以獲得不同助力特性，折中了輕便性和操縱穩定性。

3.液壓助力轉向車輛的操縱穩定性仿真分析?，F階段對汽車的許多研究都是通過建立仿真模型，商用車的轉向系統和整車操縱穩定性的關系也可以通過建立動力學模型進行描述。通過對仿真模型進行研究，可以得出以下結論：第一，扭桿剛度可以提高轉向的靈敏性。剛度越大，車輛的橫擺角度和側向加速峰值也越大，對液壓助力系統沒有影響，但會影響操縱穩定性和安全性。第二，擴大活塞的有效工作范圍，可以提高商用車的輕便性和靈敏性，但會降低商用車在轉彎時的穩定性和安全性。第三，減小前懸架側傾角度，橫擺角速度的超調量增加明顯，穩態值降低；側傾角的曲線到達最高值和穩態值會明顯延時，車身的側傾角的穩態值上升明顯；提高側傾角速度的峰值，其達到穩態的時間會增加。因此，增加前懸架的側傾角度，可以提高商用車轉彎的安全性、舒適性和靈敏性，并提高整車操縱的穩定性。第四，減少小齒輪基圓的半徑，有助于提高商用車轉向時的靈敏性，對助力效果幾乎沒有影響，會降低車輛的穩定性和安全性。第五，提高轉閥供油量，可以縮短響應時間，能有效提高轉向的輕便性與靈敏性，但在轉彎時會降低安全性和舒適性。

本次分析，得出了以下結論：提升扭桿剛度可以提高轉向的靈敏性；大活塞的有效工作范圍，可以提高商用車的輕便性和靈敏性；增加前懸架的側傾角度，可以提高商用車轉彎的安全性、舒適性和靈敏性，并提高整車操縱的穩定性；減少小齒輪基圓的半徑，有助于提高商用車轉向時的靈敏性；提高轉閥供油量，可以縮短響應時間，能有效提高轉向的輕便性與靈敏性。希望以上結論有助于提高我國商用車的轉向性能和整車操縱穩定性，全面提升商用車的安全操作性能。

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