造、Ａ…ｔｄｎ ａａ ｌ ７Ｊ＊ ｌｚａｏｇｏＯｅｔ ｎｇ ｙｔｚｌ￣ｕａｎｇ荨装夤●ｌ ２ 年第 期 ’ 。扭力转向对麦弗逊悬架前驱车的影响分析 李锦灿 （上海汽车集团股份有限公司技术中心 变速箱部，上海摘２０１８０４） 要：扭力转向是麦弗逊悬架前轮驱动车的一种常见现象。本文介绍了扭力转向对麦弗逊悬架前轮驱动车的影 响，对扭力转向产生的机理和各种原因逐一进行了说明，并分析了降低扭力转向的办法，最后进行了实例验证。其 结论对解决车辆的实际扭力转向问题及在整车开发前期设计优化都具有借鉴意义。 关键词：扭力转向 麦弗逊悬架前轮驱动 中图分类号：Ｕ４６３．２１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—６８８６（２０１４）０４—００２１—０４ Ａｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｏｒｑｕｅ ｓｔｅｅｒ ｏｎ ＭｃＰｈｅｒｓｏｎ ｆｒｏｎｔ・—ｗｈｅｅｌ ｄｒｉｖｅ ｃａｒｓ ＬＩ Ｊｉｎｃａｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｒｑｕｅ ｓｔｅｅｒ ｉｓ ａ ｃｏｍｍｏｎ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｏｎ ＭｃＰｈｅｒｓｏｎ ｆｒｏｎｔ—ｗｈｅｅｌ ｄｒｉｖｅ ｃａｒｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｏｒｑｕｅ ｓｔｅｅｒ ｏｎ ＭｃＰｈｅｒｓｏｎ ｆｒｏｎｔ—ｗｈｅｅｌ ｄｒｉｖｅ ｃａｒｓ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｃａｕｓｅｓ ｏｆ ｔｏｒｑｕｅ ｓｔｅｅｒ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｏｒｑｕｅ ｓｔｅｅｒ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｘａｍｐｌｅ ｆｏｒ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｖａｌｕａ— ｂｌｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｏｒｑｕｅ ｓｔｅｅｒ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｖｅｈｉｃｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ａｎ ｅａｒｌｙ ｐｈａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｏｒｑｕｅ ｓｔｅｅｒ；ＭａｃＰｈｅｒｓｏｎ；ｆｒｏｎｔ ｗｈｅｅｌ ０ 引言 扭力转向是发动机扭矩对转向的影响，在大扭 矩的麦弗逊悬架前轮驱动的车辆中尤为明显。当车 辆急加速或全油门加速时，突然有较大的扭矩通过 变速箱输出轴传递到左右两根传动轴，因为力矩的 Ｆ （ＦＤＴＲｔａｎ－￣ｃｏｓＯＲ＋ｒ ） Ｆ： ＋『ＴＲ ｒＥＬ ｒ ＥＲ （２） （３） 式中， 为转向节主销轴线上的力矩， 为车轮与路面 间的摩擦系数，Ｆ 为轮胎的动载荷，ｒ。 为轮胎的动态 不同而使方向被拉向一侧，造成车辆行进方向的跑 偏，使车辆偏离既定的路线。当车辆发生跑偏时，驾 驶员需要对方向盘施加一个矫正力，时间一长会增 加驾驶员的操作负担，容易造成驾驶疲劳，影响行车 安全。而近年来随着人们生活水平的提高，大功率 大扭矩的前驱车越来越普及，扭力转向问题也越来 越突 。因此，有必要对扭力转向产生的原因和解 半径， 为传动轴输入端和输出端轴线之间的夹角，０ 为主销轴线和铅垂线问的夹角，ｒ 。为主销的偏置距 离，Ｆ为作用在转向机上的力，ｒ 为有效力臂。 从上面的公式可知，如果分布在左右侧的所有参 数都是对称的，那么作用在左右侧主销轴线上的力矩 绝对值是相等的，即 ＝一 。此时，作用在转向机上 的力即为０，也就不存在扭力转向。但是，在实车上大 部分参数都是不对称的。其结果就是产生扭力转向。 决方法进行研究。 １ 扭力转向的数学模型 对前驱车来说，发动机扭矩产生的扭力转向可 ２ 扭力转向的影响因素分析 扭力转向的产生是由整车上左右侧参数的不对 称造成的，这是一个系统性的问题。从扭力转向的 数学模型可知，扭力转向的主要影响因素有：１）左 （１） 以由下面的公式计算得到 ： ，ｒ ＝一 Ｆ （ｒ。化ｔａｎ ｃ。ｓ ＋ｒ 。 ） 右侧传动轴角度差异，主要由左右侧传动轴不等长 观 弋 Ｍｏｄｅ ｒｎ删Ｍａｃ ｈ 和发动机瞬时翻转等导致；２）左右侧传动轴扭矩差 异，主要由左右侧传动轴的刚度差异和整车质量分 布不均等导致。下面主要针对这两点对引起扭力转 向的影响因素进行说明和分析。 ２．１传动轴角度差异 前驱车由于发动机横置，变速箱通常是偏置在 一侧（图１），而不是布置在车辆的中心轴线上，这样 就使左右传动轴的长度和角度不同，从而引起扭力 转向。从公式（１）（２）（３）可知，若要减小扭力转 向，可以减小 值，或者使 ．＝ 。以下对几种可 行方案进行分析。 图１传动系布局（后视） （１）降低变速箱的布置高度 通过降低变速箱的布置高度，可以减小左右侧 传动轴的角度，理想的情况下角度为０（图２）。 图２ 降低变速箱的布置高度 （２）调整动力总成安装角度 通过调整动力总成的安装角度，消除左右侧传 动轴角度的差异（图３），使左右侧传动轴角度相等。 （３）采用左右等长传动轴结构 采用左右等长传动轴结构，即右侧传动轴带中间轴， 左右侧传动轴长度相等，使左右传动轴角度相等（图４）。 图３调整动力总成安装角度 图４采用左右等长传动轴结构 （４）发动机瞬时翻转对传动轴角度的影响 发动机瞬时翻转时，其解耦后的扭矩轴通常不 与曲轴中心线重合，常常发生一定角度的偏离，因此 发动机的翻转轴线通过悬置刚度和位置的选择设计 成与扭矩轴方向相似，与曲轴中心线成一定的角度。 下面以左右等长传动轴为例（图５）。 图５发动机瞬时翻转（顶视图） 因此，当发动机因突然加速等原因产生瞬时翻 转时，传动轴内节将随着发动机的翻转角度 （ＯＬｐＴ ）而下降一定的高度（／／），可以由下面公式 计算得到： ＨＬ＝ｒＬｓｉｎ（Ｏ／ｐＴ Ｒ。ｌ１） （４） ＝ＦＲｓｉｎ（ ｌｙｒ－ＲＩＩＩ１） （５） 由图５和公式（４）、（５）可知，由于ｒ 比ｒ 大，所 以右侧传动轴内节下降的高度大于左侧传动轴，导 致右侧传动轴的角度要比左侧小，从而发生扭力转 向。因此，即使左右侧半轴初始布置角度相同，也会 由于发动机的瞬时翻转而导致角度不同。这种情况 可以结合上述的调整动力总成安装角度的方法进行 补偿。 ２．２传动轴扭矩差异 当左右侧传动轴存在刚度差异，或者整车左右 侧质量分布不均时，会造成左右侧传动轴扭矩的差 异，进而引起扭力转向。下面对这两种情况进行分 析。 （１）左右侧传动轴刚度差异Ｈ 变速箱横置前驱车由于变速箱总是布置在整车 的左侧或右侧，左右侧传动轴不等长必然导致左右 侧传动轴刚度的差异。理想情况下，差速器内部不 存在摩擦力，这种刚度差异不会影响到差速器的扭 矩分配，其分配给左有侧传动轴的扭矩是相等的。 但实际上差速器是一定存在摩擦力的，左右侧传动 轴刚度的差异必然导致转速的差异，从而使差速器 分配给左右侧传动轴的扭矩不一样（图６），进而引 起扭力转向。 Ｗｈ ｌ Ｉ＇ｏｒｑｕｅ ＶＳ Ｔｉｍｅ ｌ ｎ ］＼ ＼ ｌ｛ ／ ｝ ， ｝ ｆ ｆ ， 。 。＼ ｝ ｜ ｌ 图６ 由左右侧传动轴刚度差异引起的扭矩差异 这种情况下为降低扭力转向，可以尽量减小刚 度差异，或者尽量减低差速器内部的摩擦力，都可以 减小传动轴扭矩差异。还有一种方法是减小主销偏 置，从而减小主销轴线上的力矩。 （２）整车质量分配不均 一般整车左右车轮承载的载荷不完全相等。同 样的，在理想情况下，差速器内部不存在摩擦力，其 分配给左右侧传动轴的扭矩是相等的。但实际上差 速器是一定存在摩擦力的，左右车轮承载的载荷差 异必然导致转速的差异，从而使差速器分配给左右 侧传动轴的扭矩不一样（图７），进而引起扭力转向。 ＷｈｅｅｌＴｏｒｑｕｅＶＳＴｉｍｅ Ｌｅｆｔ ｝ 、。 ／ ｌ 。［Ｒｉｇｈｔ ，｜ ／一 ＼ ｝ ； 图７整车质量分配不均引起的扭矩差异 装／ａ．ｎ王ｔ／ａｔ见造、 ｚ￣ ｔｚａｏｇｏｎｇ ｙｔｚｔｔｕａ荨ｎｇ算ｂｅｔ －ｌ ２ Ｄ 年第 期 这种情况下为降低扭力转向，可以尽量减小 左右车轮承载的载荷差异，或者尽量减低差速器 内部的摩擦力，从而减小传动轴扭矩差异。还有 一种方法是减小主销偏置，从而减小主销轴线上 的力矩。 ３ 实例验证 在某新轿车的开发过程中，对上述分析的机理 进行了验证。 经过测试和仿真计算，发现该车的扭力转向较 大。因此根据上面的分析结果，在综合考虑整车的 布置、ＮＶＨ性能、碰撞、成本等因素的前提下，采用 了以下措施来降低整车的扭力转向。 １）降低变速箱的布置高度。在不影响整车离 地间隙、布置要求、碰撞要求等性能的情况下，通过 适当降低变速箱在前舱的布置高度和调整变速箱的 Ｄｉｆ—Ｄｒｏｐ，以减小传动轴的角度，从而减小扭力转 向。 ２）采用左右等长传动轴结构。右侧传动轴带 中间轴，中间轴通过支架固定在发动机上，左右侧传 动轴的角度接近相等，以此降低扭力转向。 ３）平衡差速器两端左右传动轴刚度。在不影 响强度的前提下，适当减小左侧传动轴的直径以降 低其刚度；同时，在不影响与周边零件间隙的前提 下，适当增加右侧传动轴和中间轴的直径以提升右 侧传动轴的刚度。如此左右侧传动轴刚度接近一 致，从而减小扭力转向。 通过计算机仿真，可以分别得到以上措施对 扭力转向的改善效果（图８和表１）。仿真结果显 示，半轴刚度的变化对改善扭力转向有很好的效 果，等长轴结构对扭力转向也有很大好处。所有 措施都实施后，扭力转向的影响得到了较大幅度 的抑制。 表１ 不同措施对应的扭力转向改善 转向力下降／％ ・２３・ 观 弋甜 Ｍｏｄｅ ｒ ｎ删Ｍａ。ｃｈｉｎｅｒ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ Ｔｏｒｑｕｅ ＶＳ Ｔｉｍｅ ２）通过实例分析，在综合考虑整车布置、ＮＶＨ性能、 碰撞性能、成本等因素的情况下，采取了降低变速箱 Ｌ布置位置、使用左右等长传动轴结构、平衡左右侧传 动轴刚度的措施，可以有效降低扭力转向的影响，从 而验证了前面分析的正确性。 参考文献 Ｄｏｎａｌｄ Ｂａｓｔｏｗ，Ｇｅｏｆｆｅｒｙ Ｈｏｗａｒｄ．Ｃａｒ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ：：－－一 ｛ 一 ＼ ＼ ｊ Ｖ、 ’ ／ Ｉ ～一 ￥绺 ｌ黜 Ｊ—— ＿～ ㈣ ￥蜮ｂ ｈａｎｄｌｉｎｇ．Ｔｈｉｒｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｐｅｎｔｅｃｈ Ｐｒｅｓｓ，Ｌｏｎｄｏｎ，１ ９９３ ［２］ 余志生．汽车理论（第三版）．北京：机械工业出版社， ２０００ ［３］ 图８不同措施对应的扭力转向改善 Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｅｎｇｉｎｅ ｔｏｒｑｕｅ ｒｏｌｌ ａｘｉｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｎｄ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，２０００， ２３４（１）：８５—１１４ ４ 结论 １）扭力转向的产生不仅与传动轴角度和刚度 的不对称有关，也与差速器的摩擦力矩整车质量的 分配、悬置位置、动力总成翻转角度、车轮定位参数 如主销外倾角和偏置距离等相关。 ［４］ 林秉华．最新汽车设计实用手册．黑龙江：黑龙江人民 出版社。２００５ 作者简介：李锦灿（１９８２一），福建莆田市人，硕士研究生，工 程师，主要研究方向为汽车传动系统。 收稿日期：２０１４—４—１３ （上接第２０页） 业出版社．２０１０．５：２３ 进一步的研究还可以发现瞬心一速度矢量法对于分 析所有采用单行星轮行星排的行星齿轮式自动变速 器动力传递过程均适用。从而为今后分析或设计其 它自动变速器提供了很好的启示。 参考文献 ［４］ 黄宗益．现代轿车自动变速器原理和设计［Ｍ］．上海：同济大学出版社，２００６，９：５８ ［５］ 肖敏，曾小兰，等．三种计算行星齿轮机构传动比的方 法及比较［Ｊ］．机械工程师，２００６（¨）：ｌ１３—１１４ ［６］ 杨桂香，郭志强，王明海，等．行星齿轮传动速比的计 算方法综述［Ｊ］．拖拉机与农用运输车，２０１３（１）：４—６ 作者简介：侯国强（１９８８一），男，陕西省安康市人，硕士在 读，载／ｇ＿ｖ＿具运用工程专业，研究方向：汽车电子 控制技术，自动变速器电液控制技术。 收稿日期：２０１４—０４—３０ 李欣，过学迅，等．拉维娜式齿轮机构传动比的图解法 计算［Ｊ］．汽车科技，２００５（６）：３０ ［２］ 张玉书，岳东鹏，等．基于速度图解法的辛普森式行星 齿轮机构传动方案分析［Ｊ］．天津职业枝术师范大学 学报，２３（４）：１５ ［３］ 谭本忠．看图学修汽车自动变速器［Ｍ］．北京：机械工 ・２４・
