韓加蓬，張瑞靜，張亞新，譚德榮

(1.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.山東交通職業(yè)學(xué)院 車輛工程學(xué)院，山東 濰坊 261206)

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輪胎氣壓對(duì)轉(zhuǎn)向橫拉桿力影響的試驗(yàn)研究

韓加蓬1，張瑞靜2，張亞新1，譚德榮1

(1.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.山東交通職業(yè)學(xué)院 車輛工程學(xué)院，山東 濰坊 261206)

介紹了胎壓對(duì)轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響的試驗(yàn)原理和試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)了道路實(shí)車試驗(yàn)，得出了輪胎氣壓、汽車車速與轉(zhuǎn)向橫拉桿力之間的關(guān)系。研究表明：同一胎壓下，車速對(duì)轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響比較?。谎芯勘砻鳎和卉囁傧?，轉(zhuǎn)向橫拉桿力隨著胎壓的降低有著很明顯的變化。

車輛工程；胎壓；車速；轉(zhuǎn)向橫拉桿力；實(shí)車試驗(yàn)

轉(zhuǎn)向橫拉桿是汽車轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一部分，起到轉(zhuǎn)向傳力的作用[1]。目前汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都在機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了助力系統(tǒng)，其中液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)HPS(hydraulic power steering)是在駕駛員控制下,借助于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵產(chǎn)生的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向的裝置，其應(yīng)用最為廣泛[2-3]。

但是，目前液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在汽車高速行駛中，如遇導(dǎo)向輪胎突然發(fā)生異常情況，特別是爆胎時(shí)，汽車將因爆胎一側(cè)車輪摩擦力突然增大等原因，使兩側(cè)車輪打破力的平衡，所產(chǎn)生的不平衡力將通過(guò)轉(zhuǎn)向橫拉桿拉動(dòng)助力油缸的活塞桿移動(dòng)，使汽車行駛方向突然轉(zhuǎn)向爆胎一側(cè)，此時(shí)駕駛者如沒(méi)有緊握方向盤就會(huì)滑脫，方向就會(huì)失去控制，導(dǎo)致重大交通事故發(fā)生。有研究表明，轉(zhuǎn)向橫拉桿的彈性與轎車操縱穩(wěn)定性的不足有很大關(guān)系，增加橫向穩(wěn)定桿角剛度會(huì)使車輛的操縱穩(wěn)定性得到改善[4-5]。筆者通過(guò)試驗(yàn)研究輪胎氣壓對(duì)汽車轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響，為汽車爆胎穩(wěn)定性的研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

轉(zhuǎn)向橫拉桿是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一部分，當(dāng)某個(gè)車輪發(fā)生爆胎時(shí)，該車輪勢(shì)必帶動(dòng)其他車輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向節(jié)會(huì)將產(chǎn)生的相應(yīng)的線性力傳遞給轉(zhuǎn)向橫拉桿，在該線性力的作用下，齒輪的齒與齒條嚙合，齒輪的運(yùn)動(dòng)繼而引起方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，直接造成轉(zhuǎn)向輪角度的偏轉(zhuǎn)。相關(guān)學(xué)者對(duì)轎車轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，得出了轉(zhuǎn)向橫拉桿移動(dòng)距離和汽車兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度關(guān)系(圖1)[6]。

圖1 轉(zhuǎn)向橫拉桿移動(dòng)距離與轉(zhuǎn)向角的關(guān)系

當(dāng)轉(zhuǎn)向橫拉桿移動(dòng)距離較小時(shí)，曲線平緩，轉(zhuǎn)向橫拉桿每移動(dòng)較小的距離，可以獲得較大轉(zhuǎn)彎角度變化；隨著轉(zhuǎn)彎角度的增加，曲線變得越來(lái)越陡，此時(shí)，車輪要得到同樣的轉(zhuǎn)彎角度變化，轉(zhuǎn)向橫拉桿就需要移動(dòng)較大的距離。

如果采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)阻止轉(zhuǎn)向橫拉桿移動(dòng)的距離，就可以有效減少拉桿的轉(zhuǎn)角，防止其跑偏，阻尼力大小可以隨電流變化而變化[7]，而阻止其位移的阻尼力的大小取決于橫拉桿受力的大小。基于這一思想，筆者對(duì)轉(zhuǎn)向橫拉桿力與輪胎氣壓的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)研究。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次進(jìn)行的是不同位置車輪不同車速下的胎壓異常工況車輛直線行駛試驗(yàn)，試驗(yàn)車型為奇瑞QQ轎車，結(jié)合DEWE-2601數(shù)據(jù)采集儀、WFY-B轉(zhuǎn)向盤測(cè)試儀、輪胎氣壓表、LBS-3微型拉壓力傳感器、VGPS-200速度位移傳感器等儀器構(gòu)建了試驗(yàn)平臺(tái)(圖2)。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備安裝平臺(tái)

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)中，汽車輪胎的標(biāo)準(zhǔn)胎壓為210 kPa。設(shè)定胎壓下降率約為20%，試驗(yàn)輪胎氣壓變化范圍為210～60 kPa。即：試驗(yàn)輪胎胎壓分別為210，168，135，105，80，60 kPa。出于安全考慮，車速變化范圍設(shè)定為20～60 km/h。由拉壓力傳感器采集轉(zhuǎn)向橫拉桿力的變化數(shù)據(jù)；WFY-B轉(zhuǎn)向盤測(cè)試儀主要用來(lái)測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。而試驗(yàn)數(shù)據(jù)的保存和導(dǎo)出通過(guò)DEWE-2610采集儀自帶的DEWESoft數(shù)據(jù)處理軟件來(lái)完成[8-9]。

以右前輪為例，其余3個(gè)車輪恒定為標(biāo)準(zhǔn)胎壓。首先，使右前輪胎壓保持為210 kPa，完成車速在20～60 km/h下的直線試驗(yàn)。每個(gè)車速保持勻速3 s以上，記錄好數(shù)據(jù)，然后按168，135，105，60 kPa順序依次改變右前輪胎壓值，分別重復(fù)以上過(guò)程。右前輪胎壓異常試驗(yàn)完成以后，依次對(duì)左前輪、右后輪、左后輪進(jìn)行相同過(guò)程試驗(yàn)。試驗(yàn)安排如表1。

表1 直線行駛試驗(yàn)安排

Table 1 Trial arrangement of straight line running

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 右前輪胎壓變化對(duì)轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響

右前輪轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值與車速及胎壓的關(guān)系如表2。

表2 右前輪轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值

由表2可以看出：

1)車速為20 km/h時(shí)，右前輪從標(biāo)準(zhǔn)胎壓降低至60 kPa，即降低約72%時(shí)，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加了193%；

2)車速為60 km/h時(shí)，右前輪從標(biāo)準(zhǔn)胎壓降低至60 kPa(降低約72%)，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加了約211%；

3)車速?gòu)?0 km/h增大到60 km/h，右前輪恒定在標(biāo)準(zhǔn)胎壓時(shí)，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加比例僅為0.76%，當(dāng)右前輪胎壓降低至60 kPa時(shí)，橫拉桿力平均值僅增加了7%。

由此可見，相對(duì)于胎壓對(duì)橫拉桿力的影響，車速對(duì)轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響很小。

2.2 左前輪胎壓變化對(duì)轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響

表3為左前輪轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值與車速及胎壓的關(guān)系。

表3 左前輪轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值

由表3可以看出：

1)車速為20 km/h時(shí)，左前輪胎壓降低72%時(shí)，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加了約180%；

2)車速為60 km/h時(shí)，左前輪從標(biāo)準(zhǔn)胎壓降低至60 kPa(降低約72%)，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加了約198%；

3)車速?gòu)?0 km/h增大到60 km/h，左前輪恒定在標(biāo)準(zhǔn)胎壓時(shí)，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加比例為1.6%，當(dāng)左前輪胎壓降低至60 kPa時(shí)，橫拉桿力平均值僅增加了約18%。

由此可見，相對(duì)于胎壓對(duì)轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響，車速對(duì)轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響很小。

2.3 右后輪胎壓變化對(duì)轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響

表4為右后輪轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值與車速及胎壓的關(guān)系。

表4 右后輪轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值

由表4可以看出：

1)車速為20 km/h時(shí)，右后輪從標(biāo)準(zhǔn)胎壓降低至60 kPa(降低約72%)，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加了約87%；

2)車速為60 km/h時(shí)，右后輪從標(biāo)準(zhǔn)胎壓降低至60 kPa(降低約72%)，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加了約98%；

3)車速?gòu)?0 km/h增大到60 km/h，右后輪恒定在標(biāo)準(zhǔn)胎壓時(shí)，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加比例為1.3%，當(dāng)右后輪胎壓降低至60 kPa時(shí)，橫拉桿力平均值僅增加了約11%。

由此可見，相對(duì)于胎壓對(duì)轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響，車速對(duì)轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響很小。

2.4 左后輪胎壓變化對(duì)轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響

表5為左后輪轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值與車速及胎壓的關(guān)系。

表5 左后輪轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值

由表5可以看出：

1)車速為20 km /h時(shí)，左后輪從標(biāo)準(zhǔn)胎壓降低至60 kPa(降低約72%)，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加了約87%；

2)車速為60 km/h時(shí)，左后輪從標(biāo)準(zhǔn)胎壓降低至60 kPa(降低約72%)，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加了約98%；

3)車速?gòu)?0 km/h增大到60 km/h，左后輪恒定在標(biāo)準(zhǔn)胎壓時(shí)，轉(zhuǎn)向橫拉桿力平均值增加比為0.7%，當(dāng)左后輪胎壓降低至60 kPa時(shí)，橫拉桿力平均值僅增加了約6%。

由此可見，相對(duì)于胎壓對(duì)轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響，車速對(duì)轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響很小。

3 討 論

通過(guò)道路實(shí)車試驗(yàn)，得出了汽車胎壓與車速對(duì)轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響。結(jié)果表明：在輪胎氣壓變化情況下，車速對(duì)轉(zhuǎn)向橫拉桿力的影響很小。車輪胎壓降低，特別是兩前輪胎壓降低時(shí)，轉(zhuǎn)向橫拉桿力變化尤其明顯。表6為車速為60 km/h時(shí)，汽車4個(gè)車輪在不同胎壓下轉(zhuǎn)向橫拉桿力增加百分比。

表6 不同位置車輪轉(zhuǎn)向橫拉桿力變化百分比

通過(guò)同一試驗(yàn)，有橫擺角速度、側(cè)向加速度、側(cè)傾角與轉(zhuǎn)向橫拉桿力的數(shù)據(jù)對(duì)比，如表7。

表7 不同參數(shù)增加比值

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：任何一個(gè)車輪氣壓降低，轉(zhuǎn)向橫拉桿力、側(cè)向加速度、橫擺角速度以及側(cè)傾角均呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。由此可以預(yù)見，若車輛兩個(gè)前輪爆胎時(shí)，轉(zhuǎn)向橫拉桿力受胎壓變化影響比較大，此時(shí)，轉(zhuǎn)向橫拉桿力是影響汽車行駛穩(wěn)定性的重要參數(shù)，而在車輛后輪發(fā)生爆胎時(shí)，側(cè)向加速度與橫擺角速度隨胎壓變化波動(dòng)較大。

4 結(jié) 語(yǔ)

轉(zhuǎn)向橫拉桿值的變化可以很好地反映汽車爆胎情況，當(dāng)輪胎氣壓降低70%后，兩前輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向橫拉桿力分別為83.321，86.683 N，后輪所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向橫拉桿力分別為54.897，58.361 N。所以，前輪爆胎產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向橫拉桿力均大于后輪爆胎所產(chǎn)生的，說(shuō)明前輪爆胎比后輪爆胎更易引起跑偏。如果在車輛前輪爆胎時(shí)能夠?qū)D(zhuǎn)向橫拉桿這一部件進(jìn)行控制，將減輕跑偏方向失控的趨勢(shì)，這對(duì)于車輛的爆胎穩(wěn)定性控制具有重要的參考價(jià)值。

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Experimental Study on Tire Pressure’s Influence on Steering Tie Rod

Han Jiapeng1, Zhang Ruijing2, Zhang Yaxin1, Tan Derong1

(1.School of Transport & Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, Shandong, China；2.School of Vehicle Engineering,Shandong Transport Vocational College,Weifang 261206,Shangdong,China)

The test principle and method of the tire pressure influencing on the tie rod force was introduced; the real vehicle road test was designed, and the relationship among tire pressure, vehicle speed and steering tie rod force was obtained. The test results show that with the same tire pressure, the impact of the vehicle speed on steering tie rod is relatively small; with the same vehicle speed, the tie rod force changes obviously with the reduce of the tire pressure.

vehicle engineering; tire pressure; vehicle speed; steering tie rod; vehicle test

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.32

2013-07-18；

2013-11-06

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2011EEM034)

韓加蓬(1965—)，男，山東青島人，副教授，博士，主要從事汽車電子電器設(shè)備、汽車行駛安全性能監(jiān)控及汽車動(dòng)態(tài)性能測(cè)試等方面的研究。E-mail：hjpsdlgdx@sdu.edu.cn。

U463．3

A

1674-0696(2015)01-149-03