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轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)思路

2021-12-01 21:19:37·  來源：汽車底盤之家  
　
液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見1.1，包括動(dòng)力轉(zhuǎn)向器帶橫拉桿總成，動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵，動(dòng)力轉(zhuǎn)向油壺，動(dòng)力轉(zhuǎn)向高低壓油管，轉(zhuǎn)向管柱及中間軸總成等。 圖
液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
結(jié)構(gòu)
液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見1.1，包括動(dòng)力轉(zhuǎn)向器帶橫拉桿總成，動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵，動(dòng)力轉(zhuǎn)向油壺，動(dòng)力轉(zhuǎn)向高低壓油管，轉(zhuǎn)向管柱及中間軸總成等。


圖1.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

工作原理
發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵運(yùn)轉(zhuǎn)，油泵從油壺中吸取轉(zhuǎn)向液并在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中排入動(dòng)力轉(zhuǎn)向高壓油管，從而進(jìn)入轉(zhuǎn)向器閥體。當(dāng)方向盤不轉(zhuǎn)動(dòng)，油液將直接流出轉(zhuǎn)向器閥體，流入動(dòng)力轉(zhuǎn)向低壓油管，最后進(jìn)入動(dòng)力轉(zhuǎn)向油壺，從而形成循環(huán)。當(dāng)方向盤向右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)閥打開，油液從轉(zhuǎn)向器的左側(cè)油管進(jìn)入油缸推動(dòng)活塞向右側(cè)運(yùn)動(dòng)，右側(cè)油缸的油液右側(cè)油缸流出從右側(cè)油管流入轉(zhuǎn)閥，經(jīng)由動(dòng)力轉(zhuǎn)向低壓油管進(jìn)入轉(zhuǎn)向油壺。

系統(tǒng)目標(biāo)定義
1、轉(zhuǎn)向梯形斷開點(diǎn)定義
在汽車轉(zhuǎn)向桿系與懸架的匹配設(shè)計(jì)中主要考慮：
1）使內(nèi)外輪有足夠大的轉(zhuǎn)角來達(dá)到整車最小轉(zhuǎn)彎半徑的要求；
2）當(dāng)車輪上，下跳動(dòng)（懸架壓縮，伸張）時(shí)由轉(zhuǎn)向桿系與懸架的運(yùn)動(dòng)干涉所引起的車輪前束角變化盡可能?。?/span>
3）汽車轉(zhuǎn)向行駛、車身發(fā)生側(cè)傾是，由上述兩種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)干涉所引起的側(cè)傾轉(zhuǎn)向角（車輪前束角變化）盡可能小或有利于不足轉(zhuǎn)向；
4）有懸架中橡膠元件的受力變形所引起的車輪前后移動(dòng)要盡可能不引起前束角的變化。
所以，整車轉(zhuǎn)向器橫拉桿斷開點(diǎn)的設(shè)計(jì)，需要考慮的幾個(gè)主要因素：
1）懸架垂直載荷與車輪跳動(dòng)之間的關(guān)系；
2）輪跳動(dòng)與彈簧的壓縮比之間的關(guān)系；
3)輪跳動(dòng)與減震器的行程比（實(shí)際行程與總行程的比例）之間的關(guān)系；
4）車輪跳動(dòng)與前束角的變化之間的關(guān)系；
5）車輪跳動(dòng)與前輪距的變化之間的關(guān)系；
6）車輪跳動(dòng)與外傾角的變化之間的關(guān)系；
7）車輪跳動(dòng)與整車翻滾中心高度之間的關(guān)系；
8）橫向載荷與外傾角變化之間的關(guān)系；
9）橫向載荷與輪距（接地點(diǎn)）變化之間的關(guān)系；
10）驅(qū)動(dòng)力與前束角變化之間的關(guān)系；
11）驅(qū)動(dòng)力與輪距（車輪中心）變化之間的關(guān)系；
12）制動(dòng)力與前束角變化之間的關(guān)系，
1、平面畫圖法
在汽車采用麥弗遜獨(dú)立懸架情況下，，前輪上下輪跳時(shí)，E和G點(diǎn)之間的距離要發(fā)生變化。因此，要采用不同的方法確定轉(zhuǎn)向連桿斷開點(diǎn)的位置。
在轉(zhuǎn)向節(jié)臂鉸點(diǎn)U點(diǎn)在主銷軸線外側(cè)、并且略高于懸架下擺臂與轉(zhuǎn)向節(jié)的鉸點(diǎn)G。在這個(gè)系統(tǒng)中確定斷開點(diǎn)T的步驟如下，見圖1.2。
1）確定轉(zhuǎn)向節(jié)的運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)中心P1。轉(zhuǎn)向節(jié)在E點(diǎn)的絕對速度就是沿著減振器軸線的相對速度，因?yàn)樵谶@一點(diǎn)的牽連速度（由減振器軸線繞E點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)引起）為零，所以轉(zhuǎn)向節(jié)在E點(diǎn)的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)中心位于過E點(diǎn)所做的與減振器軸線相垂直的直線EP1上。懸架控制臂軸線GD的延長線與EP1相交于P1點(diǎn)，其就是轉(zhuǎn)向節(jié)的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)中心。
2）確定P2點(diǎn)。過G點(diǎn)做直線EP1的平行線GP2，與其與E，D連線的延長線交于P2點(diǎn)。
3）去定角alpha。U點(diǎn)式轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向橫拉桿的鉸點(diǎn)。轉(zhuǎn)向橫拉桿應(yīng)該位于U，P1點(diǎn)的連線上。直線EP1與直線UP1之間的夾角為alpha。
4）確定P3點(diǎn)。過P1做一條直線P1P3，使其余直線P1P2的夾角為alpha；P1P3與U、G連線的延長線交于P3。
5）確定斷開點(diǎn)T，P3、D點(diǎn)連線的延長線與直線P1U交于T，它就是轉(zhuǎn)向拉桿的斷開點(diǎn)。


圖1.2 轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)斷開點(diǎn)確定方式
如果轉(zhuǎn)向節(jié)鉸點(diǎn)U在主銷軸線內(nèi)側(cè)，并且比較高。而U點(diǎn)位置越高并且其越靠近內(nèi)側(cè)，則將獲得越長的轉(zhuǎn)向連桿UT，這將導(dǎo)致采用中央輸出式齒輪齒條轉(zhuǎn)向器。
前束角隨前輪上下跳動(dòng)的變化特性曲線
圖1.3中給出三輛前輪驅(qū)動(dòng)汽車的左前輪的前束角隨車輪上下跳動(dòng)的變化曲線（測量結(jié)果）。其中具有特性曲線1,2的汽車采用的基本上是按照前束方法確定的轉(zhuǎn)向連桿斷開點(diǎn)，其特點(diǎn)是在設(shè)計(jì)位置附近前束角隨車輪上下跳動(dòng)而變化的斜率基本上是零，而且在整個(gè)車輪跳動(dòng)范圍內(nèi)前束角的變化比較?。ㄗ畲笞兓恳话悴怀^1°）。特性曲線3不同，在其設(shè)計(jì)位置的前束角變化斜率為一個(gè)負(fù)值，即隨著車輪上跳前束角減小。而在汽車向右轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，左前輪為外側(cè)車輪，由于車身側(cè)傾，其相對于車身向上跳動(dòng)，前束角減小有利于不足轉(zhuǎn)向。如圖1.4，需要把斷開點(diǎn)T2布置在理想斷開點(diǎn)T以上就可以獲得曲線3那樣的前束變化特性，及當(dāng)車輪上跳時(shí)，U點(diǎn)就會(huì)被推向外側(cè)，引起車輪的前束角變化。當(dāng)然，如果定量評(píng)價(jià)側(cè)傾不足轉(zhuǎn)向
圖1.4 趨于不足轉(zhuǎn)向的斷開點(diǎn)設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)向梯形的確定較為復(fù)雜，主要和懸架的動(dòng)態(tài)特性連接非常緊密，所以在進(jìn)行轉(zhuǎn)向梯形分析的時(shí)候需要借助與懸架的動(dòng)態(tài)分析，并運(yùn)用專門的CAE動(dòng)態(tài)分析軟件進(jìn)行處理。在改進(jìn)和確定轉(zhuǎn)向梯形時(shí)需要重點(diǎn)考慮以下因素，特別是前懸架的跳動(dòng)及各種路況下的姿態(tài)對前輪定位參數(shù)的影響。特別是不足轉(zhuǎn)向特性的變化需要特別地關(guān)注。
車輪前后移動(dòng)時(shí)前束角的控制
前懸架設(shè)計(jì)要求車輪能夠相對車身前后移動(dòng)一定距離。為達(dá)到這個(gè)目的而采用的懸架和轉(zhuǎn)向桿系設(shè)計(jì)，其中采用麥弗遜式懸架和齒輪齒條轉(zhuǎn)向器。在圖1.5所示系統(tǒng)中，懸架下擺臂的前安裝點(diǎn)A相當(dāng)于一個(gè)鉸點(diǎn)，后安裝點(diǎn)B是一個(gè)具有一定剛度的橡膠件。在驅(qū)動(dòng)力Fa、制動(dòng)力FR的作用下，下擺臂在B點(diǎn)處將發(fā)生一定的橫向位移。轉(zhuǎn)向連桿和懸架下擺臂的設(shè)計(jì)應(yīng)該保證車輪在縱向力作用下只做平動(dòng)，而不發(fā)生前束角變化。


圖1.5 車輪前后移動(dòng)時(shí)前束角的控制
2、最小轉(zhuǎn)彎半徑
汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑汽車回轉(zhuǎn)時(shí)汽車的前輪外側(cè)循圓曲線行走軌跡的半徑，見圖1.6。
圖1.6 轉(zhuǎn)向內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)彎半徑


當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)到極限位置，汽車以最低穩(wěn)定車速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的中心平面在支承平面上滾過的軌跡園半徑。它在很大程度上表征了汽車能夠通過狹窄彎曲地帶或繞過不可越過的障礙物的能力。轉(zhuǎn)彎半徑越小，汽車的機(jī)動(dòng)性能越好。
最小轉(zhuǎn)彎半徑由整車級(jí)進(jìn)行定義，而轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計(jì)，內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角和齒條行程設(shè)計(jì)時(shí)需要保證實(shí)現(xiàn)最小轉(zhuǎn)彎半徑的目標(biāo)。
3、最大內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的定義
當(dāng)最小轉(zhuǎn)彎半徑確定后，外輪轉(zhuǎn)角就隨之確定下來。而如何通過設(shè)計(jì)合理的轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計(jì)內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系是至關(guān)重要的，也是轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)。內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的大小可以盡可能的大，提高車輛的機(jī)動(dòng)能力，但是，受到造型和腳部布置的影響，內(nèi)輪轉(zhuǎn)角受到限制。內(nèi)輪轉(zhuǎn)角一定是大于外輪轉(zhuǎn)角。
內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的大小，取決于轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)外點(diǎn)的設(shè)計(jì)和齒條行程，如果轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)外確定的條件下，內(nèi)輪轉(zhuǎn)角至于齒條行程相關(guān)。在齒條行程的定義中可以同時(shí)考慮。
4、齒條行程的定義
齒條行程基于齒輪齒條轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)，是為實(shí)現(xiàn)內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)向橫拉桿長度及平面布置角，轉(zhuǎn)向節(jié)臂長度及平面布置角確定，懸架四輪參數(shù)確定后，即可設(shè)計(jì)齒條行程和內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系。主要的設(shè)計(jì)輸入輸出和車型對比見表1.2。齒條行程和內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系見圖1.7
表1.2 齒條行程計(jì)算設(shè)計(jì)輸入




圖1.7 齒條行程和內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系圖
5、有效轉(zhuǎn)向節(jié)臂長度
轉(zhuǎn)向節(jié)臂長度是轉(zhuǎn)向橫拉桿外球頭中心點(diǎn)到懸架主銷軸線的垂直距離，是懸架系統(tǒng)力矩作用到轉(zhuǎn)向梯形上的力臂。車輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，由于轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向橫拉桿角度的變化，力臂會(huì)發(fā)生變化，變化的力臂成為有效轉(zhuǎn)向節(jié)臂長度，見圖1.8。
轉(zhuǎn)向節(jié)臂長度的相關(guān)參數(shù)包括轉(zhuǎn)向拉桿的長度，平面布置角度，轉(zhuǎn)向節(jié)臂的長度和布置角度，以及轉(zhuǎn)向器內(nèi)球頭點(diǎn)的距離，齒條行程。具體計(jì)算結(jié)果見表1.3。有效轉(zhuǎn)向節(jié)臂與齒條行程的關(guān)系見圖1.9，轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向橫拉桿的夾角見圖1.10。


圖1.8 轉(zhuǎn)向拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂變化平面圖
表1.3 轉(zhuǎn)向節(jié)臂與拉桿計(jì)算結(jié)果




圖1.9 有效轉(zhuǎn)向節(jié)臂長度與齒條行程的關(guān)系


圖1.10 轉(zhuǎn)向節(jié)臂與轉(zhuǎn)向橫拉桿夾角和齒條行程的關(guān)系
6、駐車狀態(tài)下橫拉桿和齒條力的定義
駐車齒條力是指車輛在干燥瀝青或水泥路面駐車，轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤過程中，由于車輪與地面摩擦以及懸架自回正特性產(chǎn)生的力矩左右到齒條上的結(jié)果。齒條力是用于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向器和助力系統(tǒng)的重要前提條件。
在車輛轉(zhuǎn)向過程中，車輛會(huì)受到側(cè)向力和垂向力矩的作用，見圖1.11，在駐車情況下側(cè)向力為零。所以，原地駐車力矩就可以通過公式計(jì)算出來。


圖1.11 車輪受力分析




1.12 齒條行程與齒條力的關(guān)系


圖1.13 齒條行程與轉(zhuǎn)向橫拉桿力的關(guān)系 
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