维普资讯 http://www.cqvip.com 数字化设计 Ｄｉｇｉｔａｌ Ｄｅｓｉｇｎ 转向力是汽车操纵稳定性中一项重要评价指标，其力矩波动直接影响着驾驶感觉。本文分析了轿车转向柱布 置与转向力力矩波动的定性关系，并在代理模型基础上进行优化设计，降低由于零部件实际存在的尺寸误差、 安装误差和累计误差所带来的由于空间角度的变化而引起的力矩波动现象。 基于代理模型的轿车转向柱 力矩波动关系研究与优化 口奇瑞汽车有限公司乘用车工程研究三院 高新华黄巨成 为了提高轿车的转向操纵性能， 轿车上广泛采用各类助力转向系统。 转向柱则是不可缺少的传动机构，转 向柱由转向芯轴、中间轴、不等速万 向节等组成，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。因此在转向系统的设计 中，力矩波动越小越好。 ２．波动龠析 一般地，转向柱与中间轴的连接 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 卜转向芯轴２一上转向轴支架３一下转 一、简介 力矩波动，需要满足下面２个条件： 转向柱是连接转向盘与转向机的 向轴支架４一上万向节５－中间轴６一下乃向 （１）转向柱、中间轴和转向机输入 轴中心线在一个平面内； （２）转向芯轴和中间轴的夹角与中 间轴和转向机输入轴的夹角相等。 传动机构，它的作用是将作用在转向盘 节７～转向器 上的力传递给转向器，并将转向轮受到 的力和＞中击反馈到转向盘，使驾驶员 二、设计分析 １．相位角定义 能够感知路面情况，对车进行正确的操 控。如图ｌ所示为转向机构的示意图。 但驾驶舱内布置空间有限，转向 引起力矩波动的因素有以下两种。 １．中间轴形成的空间夹角 转向芯轴中心线（Ｌｉｎｅ Ｉ）和中间轴 系统零部件同其他的零部件一样受到 中心线（Ｌｉｎｅ ｎ）形成的平面（Ｐｌａｎｅ Ｉ）与 相互之间空间布置关系的制约，只能 转向器输入轴中心线（Ｌ１ｆｌｅＩｌ１）和中间轴 是在有限的位置上来具体综合考虑零 整车布置时为避免中间轴与油 中心线（Ｌ１ｎｅｎ）形成的平面之间交角为 部件的布置设计，所以上述两个条件 门、离合踏板及其他件的干涉等，中 Ｏｆ．，如图２所示。设计中间轴的相位角 难以满足，需要对管柱以及中间轴空 间轴走向不易控制，为了满足人机 为ｔｌｌ，其大小等于Ｏｆ．的绝对值。目的 间各个连接的铰点位置进行优化。 工程学的需要，转向芯轴轴线往往 是将不等速转动所引起的力矩波动降 与转向机输入轴在整车｝，方向有一定 到最小。定义转向芯轴中心线与中间轴中心 线形成的角度为１３ ，中间轴中心线与转 的偏移０ ２．中间轴相位角设计理论值与制 造过程中的实际偏差 根据周围空间不同车型的相位 向机输入轴中心线形成的角度为Ｂ 。转 角一般是不同的，将转向芯轴中心 向系统布置需满足下面的公式： 线Ｌ１ｎｅ Ｉ固定，中间轴中心线Ｌ１ ｎｅⅡ 其中 为输入轴和中间轴所在 转向柱、转向器以及连接二者的 围绕Ｐ１ａｎｅ Ｉ与Ｐ１ａｎｅⅡ交线旋转，使 ｐ。周围零部件，包括仪表横梁、副车架 ＬｉｍｅⅡ落到Ｐ１ａｍｅⅡ内，所形成的锐角 ｆＪ，正方向为旋转方向（以 平面与中间轴和输出轴所在平面的夹 和白车身的工艺制造误差、安装误差 即为相位角ｌ角， 为相位角， 为等效夹角。 以及累计误差。 形成锐角的办法旋转），如图３所示。 ６６ ＣＡＤ／ＣＡＭ与制造业信息化・ｗｗｗ ｉｃａｄ．∞ｍ．ｃ 维普资讯 http://www.cqvip.com Ｄｉｇｉｔａｌ Ｄｅｓｉｇ 数字化设计 为了达到最佳的传动性能，则希 看出，当 ＋ 一０时，等效夹角 取 （３）同时通过测力方向盘来测量力 小，得出六组试验数据，例如第一 组试验数据， ＝０．２５，ｐ １＝２４。， ｐ ＝１８。，波动变化见图４。 望等效夹角 尽可能小，从上式可以 矩值，绘出力矩曲线。４误差控制 得最小值、 一岛 Ｉ，即 ＝～ 为最佳相 值８＝＝ｔａｎ ｐ．ｓｉｎｐ．ｏ 误差控制参考费希尔三原则进 １２，角，可以简化成 ＝ 属 一 Ｉ，波动 行，主要采取以下措施。（１）增加同样工况下的测量次数以 减少误差； （２）保证数据采集仪器和传感器稳定 为了达到一个较好的方向盘手感， 对 的波动目标要求为５％，也就是 的 允许范围为０．９５＜ ＜１．０５。相位角要确 工作，各次试验在相同的环境下进行； 保正确，且相位角的公差越小越好，考 （３）测量随机进行，尽量消除或减 虑到工艺的实现，推荐值为±２。。 轻各种变化给试验结果带来的影响。 ｊ 数据处理与表达 用数学方法求出各常数，建议 用Ｍ ａｔ １ ａ ｂ软件求值。得出各常数值为 ａ＝一０．０４６６，ｂ－＝０．３９ｌｌ，ｃ＝０．０００３， ｄ＝一０．０１２２，ｅ＝０．００２２，ｆ＝一２．８３３３。 按照上述方法进行随机、重复性 三、代理模型的建立与优 试验。数据采集仪器记录每次试验的 化设计 Ｉ．原因分析 试验数据，同时对每个重复性试验得 这样，可得出： ・ ＝一ｎＯ４６ ＋０．３９１ｌ ＋０．０００ 一０．０１２２岛 转向器往往固定在白车身或副 到的力矩波动值与ｐ 、ｐ 进行处理， 车架上，转向柱固定在仪表横梁总成 求出其平均值。ｐ 、ｐ 表达转向柱空 ＋０．００２２￣ 一Ｚ８３３３ 上，但限于国内目前的工艺和制造水 间角度的实际变化，力矩曲线表达转 施加约束为０。≤ｐ ≤３０。， 平，零部件本身的尺寸误差往往很难 向力的大小。 ０。≤ｐ ２≤３０。。用数学方法求出 ｐ １＝ｌ ７。，ｐ ２＝２ｌ。，ｐ有最小值 控制，再加上安装误差及零部件间的 建立多项式代理模型，对ｐ 、ｐ 累计误差，导致按照理论相位角试制 进行拟合，设置二者为变量，这两个 ０．０８。根据ｐ 、ｐ 的值，调整中间轴 的转向柱样件，在实车试验时出现力 变量与力矩波动的关系可以用下面含 长度，使得空间角度满足实际值ｐ 、 矩波动的现象，为解决此力矩波动问 叉项二阶基函数多项式表示，其中ａ、 题，可以采用下面的优化办法。 ｐ ，得出新的相位角５０。。 按照优化之后的相位角调整两队万 再次用仪器测量转向力，结果试制的转向 柱装在实车上验证结果比较理想，波峰集 ｂ、Ｃ、ｄ、ｅ、ｆ为多项式待定常数。 下面以某一试制开发车型出现力 矩波动为例，建立代理模型多项式， 找出实际的最佳相位角。 ２．试验工况 ｂ＇－ａ・属＋６・＝－ ＋ｃ・ ＋ｄ・ ＋ 向节的相对关系，进行试制及装车验证，ｅ－｛Ｂ －零 ＋ｆ 以某一试验车型为例，设计相位角 中在４Ｎ・ｍ，波谷集中在３．９Ｎ・ｍ，力矩 ５４。，Ｂ １为２７。，Ｂ ２为２７。，理论波 在车辆坐标系，白车身、副车 波动值 ＝Ｏ．０８，如图５所示。 动值为Ｏ％。但驾驶时专业测试能感到 架、仪表横梁、转向器、转向柱的实 转向力时轻时重现象，经过转向力仪器 车状态下。 ３．测点布置 测量得出力矩波动曲线，如图４所示， 对同一车型转向柱结构，测点的 Ｘ轴表示从中间位置向左转到极限，再 位置是固定的。试验测点位置的选择直 回转右极限，最后回到中间位置时转向 由表示转动力矩，波峰与波 接影响试验结果，合理的测试为转向柱 的角度，优化计算提高准确数据；不合理的测点 谷表示转向过程中转向力的最大值与最 布置会导致试验数据失真，影响后续的 小值。可以明显看出最大力矩达到了 优化验证。测点布置位置如下。 ４．１Ｎ・ｍ，最小力矩为３．２Ｎ・ｍ，变化值 （１）在转向芯轴表面同一径向上随 达到了２５％，远远大于目标值１０％。机抽取两个点，再在中间轴表面同一径 线与中间轴中心线之间的夹角Ｂ ； 针对此波动问题，排查了转向器 向上随机抽取两点，得到转向芯轴中心 输入轴、转向柱带中间轴总成及其相 四、结束语 本文基于代理模型的设计方法是 在试验基础上进行的，该模型具有存 在性和唯一性，对整车设计中的其他 方面具有指导意义。 位角、固定转向器的车架、连接转向 （２）在中间轴表面同一径向上随机抽 柱的仪表横梁、白车身的尺寸以及安 取两点，在转向器输入轴表面同一径向 装要求，基本都在误差范围之内。上随机抽取两个点，得到中间轴中心线 从试制车型中随机抽取六台样 车，测量力矩变化值与Ｂ Ｂ 大 与转向器输入轴中心线支架的夹角Ｂ ； ＣＡＤＩＣＡＭ与制造业信息化・２００８年第２－３期 ６７