某軍用多軸特種汽車轉(zhuǎn)向模式淺析

南海峰，陰元罡，郭 帥

（泰安航天特種車有限公司，山東 泰安 271000）

前言

在新時期“興國強(qiáng)軍”的新形勢下對軍用特種汽車提出了高要求，尤其體現(xiàn)在特種汽車整車通過性及安全性等方面。目前軍用特種汽車正朝著大承載能力、 高通過能力、高操縱穩(wěn)定性方向發(fā)展。大承載能力的特種汽車底盤一般使用多軸以提高特種車輛的承載能力，為全面提高特種汽車的通過能力，部分特種汽車需要設(shè)計成后橋轉(zhuǎn)向甚至是全輪轉(zhuǎn)向。對于多軸轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向瞬心的確定對整車操縱穩(wěn)定性有決定性影響。本文就某多軸轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向瞬心確定進(jìn)行優(yōu)化分析，以保證車輛在行駛過程中有較好的操縱穩(wěn)定性[1-2]。

1 轉(zhuǎn)向瞬心確定原則

轉(zhuǎn)彎瞬心位置的設(shè)定需最大限度地保證最多的轉(zhuǎn)向車輪繞同一瞬時轉(zhuǎn)向中心轉(zhuǎn)動，以最大限度減少輪胎磨損；若存在多個非轉(zhuǎn)向橋時，轉(zhuǎn)向瞬心設(shè)定時需保證非轉(zhuǎn)向橋軸線距轉(zhuǎn)向瞬心距離設(shè)為最小。

多軸轉(zhuǎn)向車輛或多模式轉(zhuǎn)向車輛轉(zhuǎn)彎瞬心位置設(shè)定需同時考慮整車質(zhì)心位置因素，一般將轉(zhuǎn)彎瞬心設(shè)定在整車質(zhì)心位置附近軸線上或整車質(zhì)心后部的軸線上，以利于車輛具有良好的操縱穩(wěn)定性及不足轉(zhuǎn)向度[3]。

多軸轉(zhuǎn)向車輛轉(zhuǎn)向橋布置數(shù)量一般為：轉(zhuǎn)彎瞬時運(yùn)動中心前部的轉(zhuǎn)向橋個數(shù)要大于轉(zhuǎn)彎瞬時運(yùn)動中心后部的轉(zhuǎn)向橋個數(shù)，使轉(zhuǎn)彎瞬時運(yùn)動中心可設(shè)定在整車質(zhì)心之后；另外由于轉(zhuǎn)彎瞬時中心后部的轉(zhuǎn)向橋在轉(zhuǎn)向后無回正力矩，轉(zhuǎn)彎瞬心之后的轉(zhuǎn)向橋數(shù)量越多，車輛轉(zhuǎn)向回正效果越差[4]。

2 某軍用多軸特種汽車轉(zhuǎn)向瞬心位置對比分析

某軍用多軸特種汽車為八軸全輪驅(qū)動特種汽車，整車質(zhì)心位于第四軸與第五軸之間，轉(zhuǎn)向型式可做成為一、二、三、四、七、八橋轉(zhuǎn)向模式即四加二模式如圖1所示，也可做成一、二、三、七八轉(zhuǎn)向模式，即三加二轉(zhuǎn)向模式，如圖2所示。

圖1 四加二轉(zhuǎn)向模式

圖2 三加二轉(zhuǎn)向模式

2.1 瞬心位置對輪胎磨損的影響

多軸轉(zhuǎn)向汽車在轉(zhuǎn)向瞬心位置需考慮輪胎磨損的影響。多軸轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向橋左右轉(zhuǎn)向輪胎應(yīng)滿足阿克曼幾何學(xué)運(yùn)動關(guān)系，同時需要保證汽車轉(zhuǎn)彎行駛時所有的車輪都繞一個共同的瞬時轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，各個車輪的側(cè)偏角趨于一致，并且盡可能小，以延長輪胎壽命，減少輪胎磨損。

對于多軸轉(zhuǎn)向汽車，四加二轉(zhuǎn)向模式與三加二轉(zhuǎn)向模式均比較常用，現(xiàn)就對兩種轉(zhuǎn)向模式從輪胎磨損方面進(jìn)行分析。

四加二轉(zhuǎn)向模式中非轉(zhuǎn)向橋?yàn)槲鍢蚝土鶚?，轉(zhuǎn)彎瞬心設(shè)置在五橋和六橋之間。在車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向的過程中，由于五橋和六橋?yàn)榉寝D(zhuǎn)向橋，轉(zhuǎn)彎過程中，五橋輪胎和六橋輪胎會發(fā)生偏磨。

三加二轉(zhuǎn)向模式中非轉(zhuǎn)向橋?yàn)樗臉颉⑽鍢蚝土鶚?，轉(zhuǎn)彎瞬心設(shè)置在五橋延長線上。在車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向的過程中，由于四橋、五橋和六橋均為非轉(zhuǎn)向橋，但由于轉(zhuǎn)彎瞬心設(shè)置在五橋延長線上，五橋輪胎磨損量較小，但四橋及五橋輪胎會發(fā)生偏磨。

由于三加二轉(zhuǎn)向模式中，非轉(zhuǎn)向橋中的四橋及六橋距轉(zhuǎn)向瞬心距離較四加二轉(zhuǎn)向模式中的四橋及五橋距轉(zhuǎn)向瞬心距離大，同時由于五橋輪胎在轉(zhuǎn)向的過程中有輕微偏磨，故三加二轉(zhuǎn)向模式較四加二轉(zhuǎn)向模式輪胎磨損嚴(yán)重。

2.2 瞬心位置對車輛不足轉(zhuǎn)向性的影響

在車速一定而改變橫向加速度，若名義轉(zhuǎn)向角的斜率大于阿克曼轉(zhuǎn)角的斜率，該汽車的轉(zhuǎn)向特性為不足轉(zhuǎn)向特性。在操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)中，若汽車的回轉(zhuǎn)半徑隨車速的升高而減小，或者轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角隨側(cè)向加速度的增大而增大，則被試汽車的轉(zhuǎn)向特性為不足轉(zhuǎn)向特性[5]。實(shí)際中的不足轉(zhuǎn)向的車輛經(jīng)常描述為轉(zhuǎn)向時“向外跑”，或者是轉(zhuǎn)彎時需要比預(yù)期更多的轉(zhuǎn)向角輸入保證一個預(yù)期的轉(zhuǎn)向半徑（如圖3所示）。過多轉(zhuǎn)向與不足轉(zhuǎn)向正好相反，也就是說，轉(zhuǎn)彎時實(shí)際車輪轉(zhuǎn)角超出了駕駛員轉(zhuǎn)彎的預(yù)期，在這種情況下，駕駛員在操縱過程中需要不斷地減少轉(zhuǎn)向盤的輸入來保證車輛沿著駕駛員預(yù)期的路徑行駛。

圖3 不足轉(zhuǎn)向度與過多轉(zhuǎn)向示意圖

對于一般車輛在設(shè)計過程中，車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有一定的不足轉(zhuǎn)向度以獲得較好的車輛操縱穩(wěn)定性。而過多轉(zhuǎn)向在一般車輛設(shè)計過后才能中是不允許的。

多軸轉(zhuǎn)向汽車在轉(zhuǎn)向的中，轉(zhuǎn)向瞬心之前的轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向瞬心之后的轉(zhuǎn)向輪都存在輪胎側(cè)偏角，輪胎的側(cè)偏角會影響到整車的轉(zhuǎn)向效果。但轉(zhuǎn)向瞬心之前的轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向瞬心之后的轉(zhuǎn)向輪在轉(zhuǎn)彎過程中產(chǎn)生的側(cè)偏角對于整車轉(zhuǎn)向效果剛好相反。

轉(zhuǎn)向瞬心之前的轉(zhuǎn)向輪在轉(zhuǎn)向過程中產(chǎn)生的側(cè)偏角隨離心加速度的增加而增大，從而使汽車轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)向效果受到抑制，從而提高車輛的不足轉(zhuǎn)向度；轉(zhuǎn)向瞬心之后的轉(zhuǎn)向輪在轉(zhuǎn)向過程中產(chǎn)生的側(cè)偏角隨離心加速度的增加而減小，從而使汽車轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)向效果加強(qiáng)，從而提高了車輛的過多轉(zhuǎn)向度。

四加二轉(zhuǎn)向模式中，轉(zhuǎn)向瞬心之前存在四個轉(zhuǎn)向橋，而三加二轉(zhuǎn)向模式中，轉(zhuǎn)向瞬心之前存在三個轉(zhuǎn)向橋，轉(zhuǎn)向瞬心之后的轉(zhuǎn)向橋個數(shù)均為兩個，但四加二轉(zhuǎn)向模式相比于三加二轉(zhuǎn)向模式對于整車操縱穩(wěn)定性來說具有更好的不足轉(zhuǎn)向特性。

2.3 瞬心位置對車輛轉(zhuǎn)向回正特性的影響

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中設(shè)計需考慮轉(zhuǎn)向回正特性，也就是在車輛完成轉(zhuǎn)向功能后，在松開方向盤情況下，轉(zhuǎn)向盤能夠?qū)崿F(xiàn)自動回正，并且可以保證在穩(wěn)定的直線行駛狀態(tài)。

由于轉(zhuǎn)向橋中設(shè)置有主銷拖距、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角、車輪前束的車橋定位參數(shù)存在，在車輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向后，地面會對轉(zhuǎn)向輪形成一個回正力矩，以保證車輛具有回正功能。多軸轉(zhuǎn)向汽車中，轉(zhuǎn)向瞬心之前的轉(zhuǎn)向輪在轉(zhuǎn)向后地面對車輪的反作用力使車輛轉(zhuǎn)向輪具有回正力矩，但轉(zhuǎn)向瞬心之后的轉(zhuǎn)向輪由于輪胎轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)向瞬心之前的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動方向相反，轉(zhuǎn)向瞬心之后的轉(zhuǎn)向輪在轉(zhuǎn)向后地面對車輪的反作用力相比轉(zhuǎn)向瞬心之前轉(zhuǎn)向輪的回正效果要差。故轉(zhuǎn)向瞬心之后的轉(zhuǎn)向橋越多，轉(zhuǎn)向回正能力越差，即四加二轉(zhuǎn)向模式的轉(zhuǎn)向回正效果比三加二轉(zhuǎn)向模式效果更好[6]。

2.4 整車質(zhì)心的影響

一般特種汽車車輛整車質(zhì)心位置位于車輛中部或靠后位置，車輛質(zhì)心相對于車輛越靠后，車輛操縱穩(wěn)定裕度減小，車輛將趨于過多轉(zhuǎn)向[7]。

某軍用特種汽車整車質(zhì)心位于四橋后，四加二轉(zhuǎn)向模式轉(zhuǎn)向瞬心設(shè)置在五橋與六橋之間，而三加二轉(zhuǎn)向模式轉(zhuǎn)向瞬心設(shè)置在五橋延長線上。四加二轉(zhuǎn)向模式轉(zhuǎn)向瞬心離整車質(zhì)心位置相對于三加二轉(zhuǎn)向模式中轉(zhuǎn)向瞬心位置離整車質(zhì)心位置更遠(yuǎn)，所以四加二轉(zhuǎn)向模式不足轉(zhuǎn)向度更好。

3 總結(jié)

通過對某特種汽車轉(zhuǎn)向瞬心位置及其影響進(jìn)行分析，四加二轉(zhuǎn)向模式相對于三加二轉(zhuǎn)向模式具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

（1）四加二轉(zhuǎn)向模式相對于三加二轉(zhuǎn)向模式輪胎磨損量?。?/p>

（2）四加二轉(zhuǎn)向模式相對于三加二轉(zhuǎn)向模式不足轉(zhuǎn)向特性更好；

（3）四加二轉(zhuǎn)向模式相對于三加二轉(zhuǎn)向模式轉(zhuǎn)向回正特性更好。

在某八軸轉(zhuǎn)向汽車設(shè)計過程中，可將轉(zhuǎn)向模式設(shè)置成四加二型式，轉(zhuǎn)向瞬心放置在五橋及六橋之間，可適當(dāng)提高車輛的操縱穩(wěn)定性。