汽车后轮随动转向的功能分析

汽车后轮随动转向的功能分析 吴社强1 , 吴燕南2 ( 1.汽车管理学院, 安徽 蚌埠 � 233011; 2.蚌埠慕远学校, 安徽 蚌埠 � 233001) 摘 � 要: 介绍了富康雪铁龙轿车后轮随动转向结构的特点, 说明了实现汽车后轮随动转向的 原理 ;分析了后轮偏角和后轮随动转向的功能以及该结构所具有的提高汽车操控稳定性、乘坐舒 适性和行驶安全性的性能。 关键词: 汽车; 后轮; 随动转向; 操纵稳定性; 舒适性 中图分类号: U463. 33 � � � � � � � 文献标志码: A � � � � � � � 文章编号: 1671- 2668( 2010) 05- 0009- 03 � � 汽车后轮随动转向有二种不同概念, 即控制的 后轮随动转向和非控制的后轮随动转向。前者具有 一套完整的转向操纵系统,随动转向量通常由计算 机控制;后者无需控制,后轮随动转向量的大小随转 向侧向力的变化而变化。 1 � 后轮随动转向的基本原理 后轮随动转向技术通过后轮的前展和前束来实 现,其原理: ( 1) 转向时后轮前展[如图 1( a)所示]。如果悬 挂系统的设计使地面给轮胎的反作用力诱导后轮的 转动方向和前轮的方向相反, 也就是在负荷下使后 轮前展, 使瞬态转弯半径变小。这样将产生一个力 矩,加强转动角度,增加汽车的过度转向。这在低速 时表现尤为明显。 图 1 � 后轮转向对转弯半径的影响 ( 2) 转向时后轮前束[如图 1( b)所示]。如果 悬挂系统的设计使地面给轮胎的反作用力诱导后轮 的转动方向同前轮方向一样, 也就是在负荷下使后 轮前束,使瞬态转弯半径变大,增加不足转向。这样 可以保障方向稳定,在高速转弯时特别稳。 东风雪铁龙轿车(包括赛纳、毕加索、爱丽舍、富 康等车型)采用了这种非控制的后轮随动转向系统。 德国宝马汽车公司也向雪铁龙公司购买了�后轮随 动转向 专利,将用于宝马豪华轿车。 2 � 后轮随动转向的特点 图 2为富康轿车后悬架, 弹性元件为扭杆弹簧, 使悬架非簧载质量减小, 只有 48 kg。由于采用扭 杆弹簧,除能有效衰减路面不平产生的振动, 保证优 秀的行驶稳定性能外, 也使车辆在转弯时能根据当 前车速决定车辆的过度转向或不足转向, 这也是人 们普遍认为富康轿车在转弯时的抓地性好、不易侧 倾或甩尾的主要原因。 图 2 � 富康轿车单纵臂式后独立悬架 这种结构与一般单纵臂式独立悬架的结构不 同,其两侧车轮不是各自独立地直接与车身弹性连 接,而是通过一个后桥总成(包括左、右扭杆弹簧支 9 � � � � � 公 � 路 � 与 � 汽 � 运 � � � �� 总第 140期 � � � � � � � H ighway s & Automotiv e A p p l ications � � � � � � � � � � 承架,横置的左、右扭杆弹簧及横向稳定杆套管等) , 用前、后自偏转弹性垫块与车身作弹性连接。 后轴总成与车身之间采用弹性连接, 在后轮与 悬挂、悬挂与车身之间布置一些橡胶软垫, 通过橡胶 把悬挂与车身柔性连接。由于橡胶存在一定弹性, 而在弹性限度内又有相当高的强度, 因此不仅可以 减轻悬架对车身的冲击,而且当汽车转向行驶时,在 路面对车轮的侧向反力作用下, 前后自偏转弹性垫 块产生弹性变形, 纵摆臂绕与汽车纵轴线成一定交 角的轴线摆动,使整个后轴总成随着前轮相同方向 偏转一个小的角度(前束角)。 由于前、后自偏转弹性垫块的变形不同,两后轮 产生与两前轮转向相同的不太大的偏转角,从而减 小了后轮的侧偏角,增强了不足转向特性, 大大改善 了汽车的行驶稳定性和转向操纵性能。转弯行驶速 度越高,不足转向特性越好。富康轿车在 80 km / h 速度行驶时能轻松自如地转弯, 而没有不安全感觉, 这是富康轿车最具独创性的特点。 后轮的微小偏转角度取决于橡胶软垫的软硬 度。橡胶垫越软, 后轮可变转向角度越大, 但悬挂刚 度降低,稳定性差;橡胶软垫越硬, 后轮转向角度越 小,但悬挂刚度大, 稳定性高。因此,设计时需权衡 其优缺点,根据汽车的实际用途的侧重点调整橡胶 垫的软硬度。 上述随动转向机构仅仅是一个被动的转向机 构,这种结构十分紧凑且简单可靠,维修保养非常方 便,成本低,通用性高。这也是其能在一些经济型轿 车上普及的原因。 3 � 后轮随动转向功能分析 后轮随动转向技术赋予了车辆极佳的地面附着 性能,可以大大减少车内后排乘坐人员的侧倾力,即 使在急转弯时也非常平顺, 不易甩尾或侧倾,可确保 车内乘客的舒适和安全,也使驾驶者在很多情况下 泰然自若, 显示了优越的操控性能和安全舒适性。 在紧急躲闪、高速转弯等情况下它都能发挥作用,而 对于没有这种悬挂系统的车辆来说, 若以相同的速 度行驶,车的后部很可能已经撞到山崖上了。 后轮随动转向技术使汽车在转向过程中其后轮 产生随动转向角, 其独到之处在于提高车辆抗击失 控的极限。 3. 1 � 汽车只受侧向力作用 图 3是富康轿车右转向行驶时后轴总成的受力 及运动简图。 图 3 � 汽车右转时后悬架受力示意图 为分析方便,假设 Fy是汽车单纯受侧向力作用 悬架不发生变形时地面作用在后轮上的侧向力, FB 和F A分别是由 F y引起的车身对前、后自偏转弹性 软垫的反作用力,则根据力平衡原理, FB和 F A可由 下式求得: FB= aFy a+ b , FA= bFy a+ b ( 1) 设前、后自偏转弹性块的刚度分别为 kB和 kA , 在 FB和F A的作用下,前、后自偏转垫块的侧向变形 f B和 f A分别为: f B= FB k B = aFy k B ( a+ b) , f A= FA k A = bFy k A ( a+ b) ( 2) 通常此时的 f B和 f A应相等, 这是确定前、后自 偏转弹性垫块刚度的原则。于是可求出前、后自偏 转弹性块刚度比 kB / kA = a/ b。 3. 2 � 汽车转弯行驶 当汽车转向行驶时(设汽车右转向行驶, 见图 3) ,由于侧向力的作用, 外侧悬架被压缩, 车轮中心 由原来的 O点移到 O!点(内侧悬架伸长, 车轮中心 由原来的 O点移到O∀点)。悬架的变形使左侧后轮 的接地中心前移 e,即地面对车轮的侧向反力 Fy!至 F B的距离缩短了 e, Fy!至F A的距离增长了 e。Fy!引 起的车身对前、后自偏转弹性垫块的反力 FB!和 F A! 分别为: FB!= a+ e a+ b F y!, FA!= b- e a+ b F y! ( 3) 前、后自偏转弹性块的侧向变形 f B!、f A!分别为: f B!= FB! k B = ( a+ e) Fy! ( a+ b) kB , f A!= FA! k A = ( b- e) Fy! ( a+ b) kA ( 4) 10 � � � � � 公 � 路 � 与 � 汽 � 运 � � �� � H ighw ay s & Automotiv e A p p l ications � � � � � � 第 5期2010年 9月 � 若令 Fy!= Fy ,则式( 4)可改写为: f B!= aFy k B ( a+ b) + eFy k B ( a+ b) = f B+ �f B (5) f A!= bFy k A ( a+ b) - eF y kA ( a+ b) = f A- �f A (6) 式中: �f B= eFy k B ( a+ b) , �f A= eFy kA ( a+ b) = �f B a b 。 由式(5)和式(6)可知: 汽车转弯行驶时,前自偏 转弹性块的侧向变形增大 �f B , 而后自偏转弹性块 的侧向变形减小 �f A = �f B ( a/ b)。这时图 3上的 B、A 两点分别移到B!和 A!点,直线 A B 与 A!B!的 夹角�就是后轮随动转向量。�的方向和后轴侧偏 角的方向相反 (见图 4) ,使汽车后轮与前轮同步转 向,起到减小后轴侧偏角的作用,从而增大了汽车的 不足转向量。 图 4 � 后轮随动转向使整车趋于不足转向 所以,汽车转向行驶时,在作用在质心上的侧向 力 F j y 的作用下, 汽车后轴自动朝着轮胎侧偏角相 反的方向转动一个角度 �。 由式(5)和式(6)可知:后轮的变形转向角随着 车速的增大( Fy!增大)而增大, 因而汽车的不足转向 量也随着车速的增大而增大(富康轿车 �最大可达 1. 5#) ,由于 �随着汽车横摆角速度的增大而增大, 故汽车的不足转向量也随横摆角速度的增大而增 大。由此可见,只要汽车前、后轴侧偏刚度及质心位 置设计合理, 就可使汽车同时具有良好的行驶稳定 性和转向操纵性能。这样, 汽车行驶(尤其是高速行 驶)中其后轮变形转向量自动随动转向。 4 � 结 � 语 后轮随动转向是改善汽车操纵稳定性和舒适性 的客观需要。理论和实践都表明, 汽车具有一定的 不足转向量是保证汽车行驶安全的最基本也是最重 要的条件之一,这在各国的汽车中得到了充分 体现。GB/ T13047- 91∃汽车操纵稳定性指标限值 与评价%将汽车是否具有不足转向量列为汽车操纵 稳定性的一个否决项, 即不具有不足转向量的汽车 被判为操纵稳定性不合格。 后轮随动转向技术的独到之处在于提高车辆抗 击失控的极限, 但它并不能杜绝失控。另外, 这种结 构由于采用扭杆弹簧, 除能有效衰减路面不平产生 的振动,保证优秀的行驶稳定性能外,也使车辆在转 弯时能根据当前车速决定车辆的过度转向或不足转 向。这是该类车辆在转弯时抓地性好、不易侧倾或 甩尾的主要原因。 后轮自动随动转向无需操作, 所以结构简单, 可 以改善汽车的操纵稳定性和舒适性,在轿车上具有 广阔的应用前景。 参考文献: [ 1] � 东风汽车公司. 富康轿车使用说明书[ Z] .十堰: 东风汽 车公司, 2007. 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