汽车前轮定位及回正力矩和转向力的计算

第25卷第 1期 湖南科技大学学报(自然科学版) 20 1 0年 3月 Journal of Hunan University of Science&Technology(Natural Science Edition) Vo1．25 No．1 Mar． 2010 汽车前轮定位及回正力矩和转向力的计算 王润琪，周永军，尹鹏 (中南林业科技大学 物流学院，湖南 长沙 410004) 摘 要：为了正确设计汽车转向轮定位参数，分析了转向轮各定位参数的作用，提出了各定位参数使转向轮形成自动回正力矩和使 转向盘需要转向力的计算方法及公式．以东风EQ140和EQ140—1型中型汽油货车为例，按国标设定的条件，定量地计算了各定位参数 形成转向轮 自动回正力矩和需要转向盘转向力的具体数值．计算结果表明：主销的后倾角7与内倾角卢是形成转向轮回正力矩和需要转 向盘转向力的主要因素，而主销偏距c及其他参数对其影响不大；该型货车转向轮总回正力矩65．680N·m偏小，转向盘总转向力22．039 N远小于国家标准规定的245 N．研究认为：该型货车主销的后倾角y和内倾角卢设计保守偏小，空载时转向轮回正能力和转向盘手感 不足 ． 关键词：汽车；前轮定位；回正力矩；转向力；计算 中图分类号：U441．2 文献标识码：A 文章编号：1672—9102(2O1O)01—0042一O5 我国国家标准对汽车转向系提出的基本要求规 定：“汽车转向车轮应有自动回正能力，以保持汽车稳 定的直线行驶”【l-3】．即转向轮在转向力或偶遇外力作用 下发生偏转后 ，一旦转向力或外力消失，应能立即自 动回到中央或原来直线行驶的位置．这种自动回正能 力是由主销后倾角 主销内倾角 、前轮外倾角 、前 轮前束A—B和主销偏距 C等转向轮定位参数共同来 保证实现的 ．转向轮定位参数既可使转向轮形成回 正力矩，保障其自动回正能力，又会使转向盘的转向 力增加，使转向操作“吃力”．故国家标准同时规定：汽 车“以10 km／h车速、24 ITI转弯直径前行转弯时，不带 助力时转向力应小于245 N”【 ．所以，转向轮定位参 数既要保障转向轮的自动回正能力，又要使转向操作 轻便而有“手感”．其数值的确定历来是汽车理论及汽 车设计中的难题，以往主要是通过经验、半经验、统计 和试验方法获得，尚未建立理论计算方法．表 l是东 风EQ140和EQ140—1型中型汽油货车转向轮定位参 数及其他基本技术参数 ，为了正确设计汽车转向轮 定位参数，满足国家标准对转向车轮自动回正能力和 42 对转向盘转向力的要求，现以此为例，试对转向轮各 定位参数的作用及其形成的转向轮自动回正力矩和 需要的转向盘转向力进行定性分析与定量计算． 表1 东风EQ140和EQ140-1型货车基本技术参数值 Tab．1 Dong Feng EQ140 and EQ140—1 main technical parameters 收稿日期：2009—12-08 基金项目：湖南省 自然科学基金资助项目(07JJ6024；07JJ6125) 通信作者：王润琪(1955一)，男，湖南长沙人，硕士，副教授，主要从事道路运输和汽车工程研究．E—mail：wanrun888@163．com 1 主销后倾角的作用及其回正力矩和 转向力的计算 如图 1所示，在纵向平面内，汽车转向桥主销上 端向后倾斜一个 角，称为主销后倾角[41．主销后倾角 是在转向桥设计中保证的，其主要作用是使转向轮形 成自动回正力矩，保持汽车行驶的稳定性翻．因为，主 销具有后倾角 时，其轴线与路面的交点a将位于转 向轮与路面接触点b的前面．当汽车向右转弯时，离心 力向左作用，在转向轮与路面接触点 b处 ，路面对车 轮作用着一个向右的侧向反作用力 使转向轮绕 主销轴线形成一个向左的回转力矩 ，其方向正好与 转向轮偏转的方向相反．图中b点至主销轴线O5的距 离为e，e=r·sin y·COS 0，与转向轮的偏转角0有关：当 汽车刚转弯，偏转角0=0时，e-----／"·sin 最大，回转力矩 眠 也最大；当偏转角0=~r／2时，则 e=0，Mr=0．因转向 轮偏转角0不可能达到v／2，故回转力矩眠 总是存在． 对于逆传动效率’7：高的机械可逆式转向系，当驾驶员 施加的或偶然的转向力矩消失或小于力矩 眠 时，此 回转力矩 除一部分用于克服转向系摩擦力外，剩 余部分称为回正力矩 ，将使转向轮回到原来的中 间位置，保证汽车稳定的直线行驶．主销后倾角 既可 使转向轮偏转后形成回正力矩，使转向盘具有 “手 感”，也使转向盘需要转向力才能转向．汽车转向时， 转向轮的侧向反作用力 、主销后倾角 使转向轮形 成的回正力矩 以及使转向盘需要的转向力 。的 计算公式如下： Fo= m’ 彘 m鲁=争 ． (1) 2 叼2。Fo·e 叼2 L r·siny·cos0． (2) g n = — ·e= — 盟 r·siny*COS0． (3) rh’0。 r』l。0’ g 式中：Z。，汽车重心至前轴的距离，m；汽车转弯半径 R=12 m时，转向轮偏转角 0w=arcsin(L／R)=arcsin (3．95／12)=19。13 ；汽车速度 v=10 km／h=2．78 m／s；其 余技术参数如表 1所示． 由式(2)和式(3)可知，在其他条件不变时，汽车 主销后倾角 车轮直径r和汽车行驶速度 愈大，转 向轮所形成的回正力矩 和转向盘上所需要的转向 力 愈大．故主销后倾角 不宜过大，一般不超过 2o 30,过大会造成转向盘沉重，特别是总质量和车轮直径 大、车速高的汽车． ● 图 1 主销后倾角及其形成转向轮 自动回正力矩示意图 Fig．1 Sketch map ofkingpin caster angle and steering wheel align．mg torque 2 主销内倾角的作用及其回正力矩和 转向力的计算 如图2所示，在横向平面内，汽车转向桥主销上 端向内倾斜一个 角，称为主销内倾角闱．主销内倾角 是在前轴设计中保证的，由机械加工来实现．其主要 作用也是使转向轮形成自动回正力矩，保持汽车行驶 的稳定性．因为主销具有内倾角 ，当转向轮在转向外 力作用下由中间位置向右偏转一个角度0时，转向轮 连同整个汽车前部将向上抬起一个相应的高度，即转 向外力通过转向系对汽车做了功，使汽车势能增加． 对于逆传动效率 高的机械可逆式转向系，当转向外 力消失后，转向轮偏转过程中积蓄的汽车势能会通过 回正力矩形式释放出来，使转向轮向中间位置回正．为 了便于分析，假设转向轮向右偏转 180。，转向轮连同 整个汽车前部将向上抬起高度h=b·sin ，积蓄的汽 车势能 ·h可使转向轮绕主销轴线形成一个向左的 回转力矩 ．对于逆传动效率，7：高的机械可逆式转 向系，当转向力矩消失或小于力矩 时，此回转力矩 ％ 除克服转向系摩擦阻力外，剩下的可形成回正力矩 ％ ，使转向轮回到原来的中间位置，保证汽车稳定的 直线行驶．此外，主销内倾还使主销偏距C减小，从而 减小驾驶员的转向操纵力及转向轮传到方向盘的冲 击力．同前，主销内倾角既可使转向轮偏转后形成回 正力矩，使转向盘具有“手感”，也使转向盘需要转向 力才能转向．汽车转向时，主销内倾角 使转向轮形 成的回正力矩go以及使转向盘需要的转向力 的 计算公式如下： 凸 Mm=r／2 ，_FI’b‘sin23， (4) 上OU ，’ ％= _．FI‘b‘sin 23． (5) ， ～ · ) 43 式中技术参数如表 1所示．由式(4)和式(5)可知，在 其他条件不变时，汽车主销内倾角 愈大，转向轮回 正力矩愈大．但主销内倾角不宜过大，一般不超过 8。，过大会使转向节偏距C值减少太多，有损转向节 的作用，导致增加轮胎与路面间的摩擦阻力和加速 轮胎摩损． ／ 、 、 8{ | ／ — — ●_ 一 r ＼ L、 ( ，／／／／／ 一 ，2 图 2 主销内倾角及其形成转向轮 自动回正力矩示意图 Fig．2 Sketch map of kingpin inclination angle and steering wheel aligning torque 3 前轮外倾角的作用及其轴向分力的 计算 如图3所示，汽车前轮中心平面并非垂直于路 面，而是略向外倾斜一个 角，称为前轮外倾角 其 主要作用是考虑汽车载荷后，车桥会向下弯屈变形， 所以预先使前轮有一定的外倾角，以防止前轮内倾．夕 倾角 是在转向节设计中确定的，设计时使转向节轴 颈的轴线与水平面成 角度． 但是，前轮外倾角 不宜过大(一般 为 l。左 右[21)，汽车满载时前轮中心平面正好垂直于路面为好． 否则：会使轮胎产生偏摩损；会使c值减少太多，有损 转向节的作用；会使每个前轮的垂直载荷R／2产生一 个轴向分力 ( ·sin a)／2，对轮胎和转向节形成附 加力矩，有损轮胎的稳定性和增加轮胎外端小轴承、 轮毂紧固螺母的额外负荷． 4 前轮前束的作用及其内倾力的计算 如图4所示，汽车两前轮中心面并不平行，两轮 前边缘距离 B略小于后边缘距离A，A—B之差称为前 轮前束【4】_前轮前束可通过调整转向系中的转向横拉杆 长度改变．其测量位置除图4所示位置外，也可用前束 角表示阎，如图4中的 角．一般前柬值为0 12mm． ： c f一 图 3 前轮外倾角及其受力示意图 Fig．3 Sketch map offront wheel camber and force analysis 前轮前束的作用是为了消除前轮外倾所带来的 不良外滚后果．如前所述，前轮有了外倾角后，在滚动 时就类似如滚锥，导至两侧前轮向外滚开．由于转向 横拉杆和车桥的约束使前轮不可能向外滚开，但在路 面上会产生边滚边滑现象，从而增加轮胎磨损．前轮 前束的作用就是为了消除这种不良后果【3I8】． 前轮前束不宜过大，否则：轮胎外侧会磨损过多， 胎纹会磨损形成羽毛状；路面对转向轮的滚动阻力F 会使每个前轮产生横向的附加内倾力 =(F·sin )， 2=(El 厂．sin )，2】，有损轮胎的稳定性和增加轮胎安装 轴承和紧固装置额外负荷． ，● ． B 1．，f_ _ 、 川 f ¨_v { — ] 【、 ．Il 『／_l A 图4 前轮前束及其受力示意图 Fig．4 Sketch map offront wheel toe—in angle and force analysis 5 主销偏距的作用及其回正力矩和转 向力的计算 如图5所示，主销偏距C是指前轮轮胎触地印迹 的中心和主销轴线(无后倾角 时)与地面交点之间 的距离，与转向节的长度、前轮外倾角及、主销内倾角 有关，主要作用是汽车转向时转向轮可绕主销滚动 偏转，减小轮胎与路面间的滑动磨损．它对汽车转向 轮的回正力矩和方向盘的转向力有直接影响．因为， 当汽车前进中向右转弯时，地面对转向轮的滚动阻力 ·厂与地面对汽车躯动力方向相反．由于转弯时内 轮转角 与外轮转角 不相等，且 ，故滚动阻力 F在内、外转向轮各自的滚动平面内的分力 和 也 不相等，且Fl‘I> ．分力 和 对各自转向主销形成 的转矩 和 分别为 ： ·c=÷ 厂．c·cos0．． (6) ． 1 ·c=÷F1 c·cos0w． (7) 二 和 的大小和方向都不相等，且 ．两 者之差即为转向轮的回转力矩 ． 除克服转向系 摩擦力外，剩下的也形成回正力矩肛：．在良好和一般 的沥青或水泥混凝土路面上以中、低速行驶时，汽车 滚动阻力系数f=o．010—0．020[7，取f=o．020．汽车转向 时，主销偏距c使转向轮形成的回正力矩 及使转 向盘需要的转向力 。的计算公式如下： mc2='72( )= 1 rlzFlf"c·(c0s 0~cos )． (8) 厶 1 Fol=—— _ · ． c·(cos 0~-cos )． (9) 771’0 式中： ，前外轮转角，0~=arcsin(L／R)=arcsin(3．95112)= 19。13 ； ，前内轮转角，0．=aretg[Ltg ／(L—Btg )]= 22。32 或0．=arctg{L／[(R )沈-B]}=22。32 ；其它技术参 数如表 1所示． 图5 主销偏距及其形成转向轮 自动回正力矩示意图 Fig．5 Sketch map ofscrub radius and steering wheel aligning torque 6 汽车转向滚动阻力及其转向力的计算 如图6所示，汽车行进中向右转向时，在驾驶员 的转向操纵下，两前轮除了由后轮驱动着正常滚动 外，还存在一个附加的转向运动：左侧前轮绕主销向 前滚动；右侧前轮绕主销向后滚动；两前轮遇到的转 向滚动阻力 大小相同，方向相反．而 绕主销形成 的转向力矩 方向相同，~／I,N尬=2 。c= 。c．为 了克服该转向力矩尬，转向盘上需要的转向力 的计 算公式如下(式中技术参数如表1所示)： ^ _ · c． (10) 卵l‘d。 。 图6 前轮转向滚动阻力示意图 Fig．6 Sketch map ofllont wheel steering rolling resistance 7 总回正力矩和总转向力的分析和计算 由以上分析可知，主销后倾角 主销内倾角 、主销偏距 c等汽车转向轮定位参数和转向滚动阻 力 都能独立地形成转向轮的回正力矩和增加转 向盘的转向力．将以上各种因素迭加，可得汽车转 向轮总回正力矩 和汽车转向盘总转向力 的计 算公式如下： M M M M ： F,E~ k -- in 。s 6．sin l - ， - f．c(cos 0~-cos )]． (11) 耻 + + 1+ = [ i cos 6．sin 2B+ c(COs c08 )铲 c】． (12) 将表 1中定位参数和其它技术参数值代入式 (2)一式(5)及式(8)一式(12)可得表2计算结果． 表2 东风VQ14O和~Q14O一1型货车回正力矩及转向力计算 结果表 Tab．2 Dong Feng EQ140 and rQ14O一1 aligning torque and steering force calculating results 45 8 结论 1)当其他基本技术参数不变，转向轮偏转角0增 大时：主销后倾角 形成的回正力矩和需要的转向力 减小；而主销内倾角 形成的回正力矩和需要的转向 力增加；但总回正力矩 和总转向力 变化不大．这 说明主销7角和 角对回正力矩及转向力的作用和 影响既具独立性，又有互补性，设计时应兼有，不可忽 视其一． 2)由主销后倾角 形成的回正力矩和需要的转 向力直接随车速 的增大和转弯半径 的减小而急 剧增加；由主销内倾角口形成的回正力矩和需要的转 向力间接随转弯半径尺变化，不随车速 变化；主销 偏距c和转向滚动阻力对回正力矩和转向力的作用和 影响甚微，且不随转弯半径尺和车速 变化．这说明 在定位参数中，主销后倾角 对转向轮回正力矩和转 向盘转向力的作用和影响最大，其次是主销内倾角 3)转向轮轴荷 对回正力矩和转向力有直接影 响，轴荷 增大，则回正力矩和转向力增大．但轴荷 过大则转向盘“沉重”，过小则转向盘“漂浮”． 4)东风 EQ140和 EQ140—1型货车以 10 km／h车 速、12 m转弯半径前行转弯时，主销内倾角 形成的 转向轮回正力矩和增加的转向盘转向力最大；其次是 主销后倾角 ；主销偏距c的影响极小，考虑到汽车机 械转向系梯形臂能减少前轮转向时内、外轮转角差 异 ，则其形成的回正力矩和增加的转向力可忽略不 计；转向滚动阻力 不形成转向轮回正力矩，需要的 转向盘转向力也很小；转向轮总回正力矩M~=65．680 N·m不大；转向盘总转向力厅=22．039 N远小于国标 “不带助力时转向力应小于 245 N”的要求． 参考文献： [1】 张全成，马军．汽车制造与维修实用标准汇编(中)[M】．北京：中国盲 文出版社，2002． Zhang Q C。Ma J．Practical standard compilation of automobile manufactureandmaintenance(II)[M]．Bering：ChineseBraillePubHshing house，2002． 【2】 GB17675—1999．汽车转向系基本要求【s】．北京：国家质量技术监督 局，1999． GB17675—1999．Automotive steering systemessential requirements【S】． Beijing：State Bureau ofQuality and Technical 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Front wheel positioning of automobiles and the calculating 0f its aligning torque and steering force WANG Run-qi，ZHOU Yong-jun，YIN Peng (College ofLogistics，Central South University ofForestry and Technology，Changsha 410004，China) Abstract：In order to design steering wheel positioning parameters of automobiles correctly，the functions were analyzed that of the steering wheel positioning parameters，the calculation methods and formulas were presented which of the serf align ing torque of steering wheels and the steering force of steering wheel，which was affected by positioning parameters．Taking Dong-Feng EQ140 and EQ140-1 medium gasoline trucks as examples，according to the international standards，the detailing values were quantificationally calculated that of serf aligning torque and steering force which was affected by positioning parameters．The calculated results indicate that the kingpin caster angle and the kingpin inclination angle口are the main factors affecting the values，and the kingpin offset c and the other parameters had little itrfluenee．The value 65．680 N m of the total aligning torque of the experiment truck is rather little and the value 22．039 N of total steering wheel force is rather less than the nation’s standard of 245 N．The research concluded that the design of the kingpin caster angle y and the kingpin inclination angle IB are rather litde，which caused inadequate steering self returnability and light hand holding when the truck is empty． Key words：automobile；front wheel positioning；aligning torque；steering power；calculating