礦用汽車雙橋轉向轉角匹配淺談

張恩，屈亞洲，李英杰，孫靜娟，張瀟

引言

汽車雙橋轉向由于要同時匹配四個轉向輪的轉角，所以比單橋轉向設計復雜。汽車轉向總是有一個瞬時轉向中心（見圖1中O點），在不同時刻轉向輪的轉角都各不相同，若各輪轉角匹配不好，就容易造成輪胎的異常磨損，降低汽車的行駛穩(wěn)定性，給用戶和生產(chǎn)廠家造成不必要的損失，為此本文論述一種礦用汽車雙橋轉向轉角匹配關系和設計經(jīng)驗。

圖1是汽車雙橋轉向理想的內(nèi)、外輪轉角關系的分析模型，整機設計時會確定整機軸距、最小轉彎直徑、最大轉角（第一轉向橋的最大內(nèi)轉角，見圖1中α）等參數(shù)。雙橋轉向設計時，根據(jù)阿克曼轉向幾何關系，可以通過最大轉角這個參數(shù)確定第一轉向橋的理論最大外轉角（見圖1中β）、第二轉向橋的理論最大內(nèi)轉角（見圖1中γ）、第二轉向橋的理論最大外轉角（見圖1中δ）。

雙橋轉向匹配桿系設計時需要重點考慮以下三個方面：

a.轉向橋左、右輪轉角的匹配，也就是轉向梯形的設計；

b.第一、第二轉向橋左側輪內(nèi)、外轉角的匹配（假定第一、第二轉向橋的轉角匹配桿系在左側）；

c.運動干涉分析（如助力油缸與輪胎，直拉桿與輪胎等）。

上述三個方面也是匹配桿系設計的步驟，下面對這三個方面的設計思路和方法逐步加以論述。

1、轉向梯形設計

設計轉向梯形時，我們可以將第一、第二轉向橋分成兩個單橋轉向來考慮，這樣較為簡單，根據(jù)圖1的分析模型，由阿克曼轉向幾何關系知：

其中，

K——轉向橋兩主銷中心延長線到地面交點之間的距離；

La——第一轉向橋軸線到第三、四橋軸中心線的距離；

Lb——第二轉向橋軸線到第三、四橋軸中心線的距離。

式（1）是第一轉向橋左右輪轉角的匹配關系，式（2）是第二轉向橋左右輪轉角的匹配關系。

根據(jù)上述關系，我們可以分別畫出第一、第二轉向橋的轉向理想特性曲線。通過轉向梯形設計和調(diào)整，總可以找到比較合適的實際特性曲線。因汽車設計上有詳細的汽車轉向梯形設計，此處不再深入論述。

2、第一、第二轉向橋左側輪內(nèi)、外轉角的匹配

匹配第一、第二轉向橋內(nèi)轉角的關系，也就是圖1中α和γ的對應關系；匹配第一、第二轉向橋外輪轉角的關系，也就是圖2中β′和δ′的對應關系。

說明：因為第一、第二轉向橋轉向匹配桿系在左側，所以只能以左側轉向輪為分析對象，故匹配第一、第二轉向橋外輪轉角的關系，是β′和δ′的對應關系。

設圖1中瞬時轉向中心O到N點的距離為Ln，則有如下關系：

由公式（3）和（4）可以得出：

公式(5)是第一、第二轉向橋左側輪內(nèi)轉角的關系。

同理，圖2中可以得出：

公式（6）是第一、第二轉向橋左側輪外轉角的關系。

根據(jù)上述關系，令AP=Lb，BP= La，然后我們找出幾組第一轉向橋左輪內(nèi)轉角 α1、α2、……αi，找出對應的第二轉向橋左輪內(nèi)轉角γ1、γ2、……γi，分別以A和B為原點，把α1、γ1畫在圖上，得到一組射線，同理，可以得到i組射線，每組射線有一個交點；同樣，找出幾組第一轉向橋左輪外轉角β1′、β2′、……βi′，找出對應的第二轉向橋左輪外轉角 δ1′、δ2′、……δi′，分別以 A 和 B 為原點，把 βi′、δ1′畫在圖上，得到一組射線，同理，可以得到i組射線，每組射線有一個交點。把上述交點連接起來有第一、第二轉向橋左輪轉角理想特性曲線（見圖 3）。易知這些交點的連線是一條豎直線MQ，MQ經(jīng)過P點，豎直線MQ就是理想特性曲線：

圖3 中理想特性曲線是假定有理想的轉角匹配桿系的情況下得出的，理論上這套桿系要根據(jù)不同的轉角需要進行自動調(diào)整，實際上目前是不存在的。跟轉向梯形的設計類似，實際的匹配桿系匹配的第一、第二轉向橋左輪轉角也會有一組實際特性曲線。

圖4 是一種典型的雙橋轉向匹配桿系，在此桿系的匹配下，每一個一橋轉向輪的轉角都會有一個二橋轉向輪的轉角與之對應，按照上述方法，將實際轉角對應關系畫在下圖中，將交點用平滑的曲線連接起來就得到第一、第二轉向橋左輪轉角實際特性曲線（見圖5）。

一般要求：

a.在實際特性曲線中，第一轉向橋左輪最大內(nèi)轉角與第二轉向橋左輪最大內(nèi)轉角實際與理論點盡量接近，也就是圖5中Q點，第一轉向橋左輪最大外轉角與第二轉向橋左輪最大外轉角實際與理論點盡量接近，也就是圖5中M點；

b.考慮到匹配桿系的拉桿球頭間隙、轉向主銷配合間隙等因素，要求第二轉向橋的實際轉角比理論轉角大一些，但最大差值Δθmax要小于0.5°。

如果不能滿足上述要求，在允許的條件下，需要調(diào)整圖4中拉桿、垂臂、節(jié)臂等尺寸及位置，使之盡量符合。

3、運動干涉分析

在完成轉向梯形設計和第一、第二轉向橋匹配桿系設計之后，需要對轉向運動件進行干涉驗證（最好能建立三維模型，進行動態(tài)模擬加以驗證），以保證裝配和使用。根據(jù)設計經(jīng)驗，轉向需要有下列的間隙：

a.一橋垂臂和轉向器支架的極限間隙，一般應大于35mm；

b.一橋直拉桿和一橋轉向輪的極限間隙，一般應大于50mm；

c.二橋直拉桿和二橋轉向輪的極限間隙，一般應大于50mm；

d.轉向助力油缸與對應的轉向輪的極限間隙（助力油缸支座在車架上），一般應大于50mm；

e.轉向助力油缸與轉向橋的極限間隙（助力油缸支座在車橋上），一般應大于20mm。

如驗證不能達到要求，需要進行調(diào)整，如將拉桿做彎以保證與輪胎的極限間隙。

經(jīng)過上述三步，汽車雙橋轉向轉角匹配系統(tǒng)基本完成。

4、結語

本文主要研究了汽車雙橋轉向轉角匹配關系，并闡述了一些實際設計經(jīng)驗，根據(jù)上述見解設計的礦用自卸車經(jīng)過試驗，汽車轉向符合使用要求。

[1] 王霄鋒.汽車底盤設計.北京：清華大學出版社,2010.

[2] 中國機械工程學會,中國機械設計大典編委會.第三卷機械零部件設計[M].江西科學技術出版社,2002.

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