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扭矩转向与驱动轴设计规避要求

焉知焉知·焉能不知

作者:HYZY

文章源自“焉知自动驾驶”


扭矩转向(Torque steer)为汽车跑偏的一种类型,属于操稳性能开发中的常见问题。扭矩转向问题影响因素较多,本文将聚焦于驱动轴设计对于扭矩转向的影响及相关设计要求。


一、扭矩转向介绍

对于一般前置前驱车,在行驶过程中发动机扭矩对转向的影响,称之为“扭矩转向”(Torque steer),俗称“加速跑偏”,尤其是在急加速时,车辆会直接向一边偏转。

扭矩转向在前驱车设计过程中是最困难的挑战之一,而且其困难程度会随着发动机动力水平(输出扭矩)的提升而成倍增加。如图1所示,发动机传递到驱动轴上的扭矩以及作用于驱动轮的切向反作用力会产生一个绕主销轴线的扭矩。左右扭矩的差异,即会产生一个多余的扭矩差,直接带动车轮转向以及牵连着转向横拉杆向一侧拉动,影响转向的表现。


图1  驱动轴上的驱动扭矩以及作用于车轮的切向反作用力

如图2,造成两边绕主销的扭矩差异的原因有很多,其中主要原因就是在于两侧驱动轴相关角度(驱动轴轴杆与转向轴线的角度)的差异。单从静态地分析,是由左右驱动轴不等长设计造成(这类驱动轴通常应用于小马力车辆),或者两侧车身姿态(比如乘客和司机坐在同侧)的不同;动态的去分析,即使应用了左右等长驱动轴,当车辆两侧姿态不一样高时,两侧的角度也会不同,例如加减速时,穿越不平路面时,或者转弯时候。

驱动力作用在主销上的扭矩

其他原因会是驱动轴的不等刚度(或由不等长引起),以及悬架和/或转向系统,其两侧刚度的不对称。关于驱动轴左右刚度对扭矩转向的影响及设计时的要求,本文不予涉及。


二、扭矩转向与驱动轴的关系

为了计算左右轴在扭矩传递时,作用在固定端等速万向节连接处产生的扭矩,必须要知道万向节内部的机械结构,万向节的有效作用半径,以及工作角度情况。等速万向节简化的等效模型如下图3所示,动力输入轴绕A-A轴线转动,动力输出轴绕B-B轴线运转,传递扭矩大小为T,两个轴线夹角是α,万向节的有效作用半径为r。

图 3  球笼式等速万向节在夹角状态下的受力分析


在垂直面上,两根轴相交的两个点的位置,传递的力的大小按下式计算:

而力F也会对垂直轴线X-X(垂直于输出轴线)产生一个力偶C=3Fe,其中e是轴线上的瞬时运动点在输出轴垂直轴线上的偏置距,其值为r·tan(α/2) 。因此作用在X-X轴线上的转向力矩为:

以上两式中:T —— 传到驱动轴上的驱动转矩(Nm);

                     F —— 两根轴交点处传递力的大小(N),详见图3;

                     r—— 万向节钢球的有效作用半径(m);

                     C—— 作用于X-X轴线上的转向力矩(Nm);

                     e—— 两轴相交瞬间运动点在输出垂直轴线上的偏置距(m);

                     α —— 输入输出轴线的夹角(deg)。

如果从扭矩输入端的视图观察,扭矩方向是顺时针的,那对X-X轴线产生的扭矩转向的方向从底部看也是顺时针方向。


三、驱动轴扭矩转向设计规避要求

在整车设计开发过程中,扭矩转向这个特性必须在整车研发初期就需要被关注。扭住转向涉及到整车前舱动总布置、底盘悬架及动力传动系统,还包括整车载荷等等。主要考虑因素有:驱动轴轴杆布置角度,车辆动态运行时的质量分布和悬架参数(主销偏置距、主销内倾角)。

对于前驱车辆,由上文分析可得,发动机扭矩经传动系统传递至车轮过程中,将会产生一个绕主销的力矩,并且最终拉动转向机横拉杆,导致方向盘跑偏。左右侧绕注销上的力矩可按下式计算:



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