行星齒輪轉(zhuǎn)向橋的設(shè)計(jì)與分析

郝慧榮， 周冬， 王海鑌， 李玉龍， 張慧杰

(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 呼和浩特 010000； 2. 長(zhǎng)城汽車股份有限公司保定技術(shù)研發(fā)分公司， 保定 071000； 3.中國(guó)人民解放軍96901部隊(duì)22分隊(duì)， 北京 100000)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，汽車保有量逐年上升，道路擁堵、停車空間狹窄等對(duì)交通通行造成不便的問(wèn)題日益嚴(yán)峻。文獻(xiàn)[1]表明，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功用是保證車輛按駕駛員意圖而進(jìn)行轉(zhuǎn)向行駛，保證各轉(zhuǎn)向輪之間具有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為人與汽車交互的媒介，它的轉(zhuǎn)向性能不僅關(guān)系到交通的便利性，而且也關(guān)系到汽車駕駛的安全。特別是在車輛高速化、駕駛?cè)藛T非職業(yè)化、車流密集化的今天,針對(duì)更多不同水平的駕駛?cè)巳?汽車的轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)尤為重要。

如文獻(xiàn)[2]所述，自從汽車發(fā)明以來(lái),轉(zhuǎn)向系統(tǒng)經(jīng)歷了純機(jī)械式、液壓助力式、電動(dòng)液壓助力式、電動(dòng)助力式以及處在研制階段的線控助力轉(zhuǎn)向式。各種類型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都有著自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流不斷創(chuàng)新，是社會(huì)發(fā)展需要和客戶使用需求綜合要求的結(jié)果。

文獻(xiàn)[3]表明，汽車在轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，為了避免車輪相對(duì)地面滑動(dòng)而產(chǎn)生附加阻力，減輕輪胎磨損，要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)保證所有車輪盡可能作純滾動(dòng)行駛，避免拖滑。而傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)兩轉(zhuǎn)向輪均作純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，相對(duì)模式化的汽車轉(zhuǎn)向半徑也使得其行駛便捷性沒(méi)有得到有效的改善。

為了使得車輛在行駛時(shí)有更好的轉(zhuǎn)向性能，并提升其能量的利用率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)其做了大量研究, 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也在不斷地發(fā)展和創(chuàng)新。陳利東[4]提出一種電控液壓多輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能夠減小車輛轉(zhuǎn)彎半徑。王麗威[5]提出了基于單橫拉桿的四軸機(jī)械聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu), 實(shí)現(xiàn)了精確的全輪八字轉(zhuǎn)向能力。Ying等[6]為解決叉車不能原地轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向過(guò)大的問(wèn)題，在現(xiàn)有叉車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研制了一種新型空間轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。王若超等[7]針對(duì)貨物裝載轉(zhuǎn)運(yùn)的牽引車輛設(shè)計(jì)了一種基于阿克曼原理的梯形牽引轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)克服了汽車轉(zhuǎn)向時(shí)滑動(dòng)摩擦力大的缺點(diǎn)，使其轉(zhuǎn)向更為平滑。張北平[8]根據(jù)小車自動(dòng)變距繞樁行走要求,采用空間四連桿機(jī)構(gòu)控制小車轉(zhuǎn)向。馬凱[9]針對(duì)梭車設(shè)計(jì)了新型轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其摒棄了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向梯形連桿機(jī)構(gòu),采用了反平行四連桿機(jī)構(gòu)以及同步缸驅(qū)動(dòng)技術(shù)。結(jié)果表明,該新型轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)精度高,適用于獨(dú)立懸架車輛轉(zhuǎn)向。王娜[10]采用多連桿轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及液壓聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)“八字”轉(zhuǎn)向模式,存在高速行駛時(shí)橫擺穩(wěn)定性差以及轉(zhuǎn)向模式單一的問(wèn)題。李葉松等[11]針對(duì)卡丁車提出一種全新的前梯交叉臂幾字勾轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),減小了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)占用體積。Li等[12]提出的動(dòng)力總成由連接到一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的三組行星齒輪、左右履帶輸出和三臺(tái)電機(jī)組成。通過(guò)控制每側(cè)的輸出扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)向,而無(wú)需額外的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。

盡管汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)不斷成熟，但主要仍處于利用車輪轉(zhuǎn)向的輪轉(zhuǎn)向階段。然而迄今為止，所有家用汽車的轉(zhuǎn)向梯形實(shí)際上都只能設(shè)計(jì)得在一定的車輪偏轉(zhuǎn)角關(guān)系大體上接近理想關(guān)系(兩轉(zhuǎn)角符合阿克曼原理)，沒(méi)有真正達(dá)到理想的轉(zhuǎn)向效果。

針對(duì)現(xiàn)有轉(zhuǎn)向系統(tǒng)這一缺陷，提出在家用汽車上利用前車架整體轉(zhuǎn)向(軸轉(zhuǎn)向)來(lái)代替輪轉(zhuǎn)向。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向橋的設(shè)計(jì)和分析，探究采用軸轉(zhuǎn)向的行星齒輪轉(zhuǎn)向橋是否能有效減小家用汽車轉(zhuǎn)向半徑，提升其轉(zhuǎn)向性能。

1 軸轉(zhuǎn)向的優(yōu)勢(shì)分析與實(shí)現(xiàn)裝置

1.1 軸轉(zhuǎn)向優(yōu)勢(shì)分析

如圖1(a)所示，文獻(xiàn)[13]表明由阿克曼原理而確定的內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系為

(1)

式(1)中：α為汽車前外輪轉(zhuǎn)角；β為汽車前內(nèi)輪轉(zhuǎn)角；B為兩主銷中心線延長(zhǎng)線到地面交點(diǎn)之間的距離；L為軸距。

使用輪轉(zhuǎn)向時(shí)，轎車的前內(nèi)輪轉(zhuǎn)角普遍為37°左右。由現(xiàn)有轎車普遍軸距等尺寸數(shù)據(jù)及公式計(jì)算得前外輪轉(zhuǎn)角為29°左右。

如圖1(b)所示，當(dāng)前橋轉(zhuǎn)過(guò)的角度約為37°時(shí)，即轉(zhuǎn)向角為37°。由于懸架整體轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向特性，可知汽車前內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角保持一致且都為37°。

輪轉(zhuǎn)向時(shí)汽車的最小轉(zhuǎn)向半徑Rmin為

(2)

(3)

(4)

式中：αmax為外轉(zhuǎn)向輪最大理論轉(zhuǎn)角；βmax為轉(zhuǎn)向橋最大理論轉(zhuǎn)角；d為軸距增加長(zhǎng)度。

與傳統(tǒng)的輪轉(zhuǎn)向不同，軸轉(zhuǎn)向的前車橋的運(yùn)動(dòng)形式為整體移動(dòng)，因此兩個(gè)前轉(zhuǎn)向輪具有同軸且平行的特點(diǎn)；并且后軸兩車輪固定且具有同樣特點(diǎn)。根據(jù)以上特點(diǎn)可以將前后兩車橋的運(yùn)動(dòng)形式簡(jiǎn)化到前后兩車橋的中心點(diǎn)上。從而可看作“兩輪轉(zhuǎn)向簡(jiǎn)化模型”來(lái)分析這種轉(zhuǎn)向方式的轉(zhuǎn)向半徑。如圖1(b)所示，軸轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向半徑應(yīng)根據(jù)外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的中心點(diǎn)為準(zhǔn)，因此轉(zhuǎn)向半徑即為R2。

如表1、表2所示，通過(guò)控制變量可得輪轉(zhuǎn)向與軸轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向參數(shù)差異。

圖1 轉(zhuǎn)向示意圖Fig.1 Turning diagram

表1 輪轉(zhuǎn)向與軸轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向半徑參數(shù)Table 1 Turning radius parameters of wheel steering and axle steering

表2 輪轉(zhuǎn)向與軸轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向角參數(shù)Table 2 Steering angle parameters of wheel steering and axle steering

顯然可知，當(dāng)汽車前內(nèi)輪轉(zhuǎn)角一定時(shí)，軸轉(zhuǎn)向的最小轉(zhuǎn)向半徑小于輪轉(zhuǎn)向且隨著汽車體型的增大其差值增加；另外，當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向半徑一定時(shí)，軸轉(zhuǎn)向所需轉(zhuǎn)動(dòng)的角度小于輪轉(zhuǎn)向。由此可知，行星齒輪轉(zhuǎn)向橋?yàn)榇笮土悴考撵`活運(yùn)輸提供可能性。

1.2 實(shí)現(xiàn)軸轉(zhuǎn)向的新型裝置

為實(shí)現(xiàn)懸架的整體轉(zhuǎn)向(軸轉(zhuǎn)向)來(lái)代替輪轉(zhuǎn)向，采用了一種新型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，文獻(xiàn)[14]表明，通過(guò)縮小汽車轉(zhuǎn)向半徑以及使汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)兩轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角度一致可提升汽車的行駛便捷性，這種新型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)命名為行星齒輪轉(zhuǎn)向橋。作為一種新型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，具體構(gòu)造如文獻(xiàn)[15]所示。行星齒輪轉(zhuǎn)向橋?qū)⑿行驱X輪機(jī)構(gòu)作為轉(zhuǎn)向機(jī)，齒圈與車架剛性連接，轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力通過(guò)太陽(yáng)輪輸入，前車橋作為行星架與行星齒輪結(jié)構(gòu)相連接，在轉(zhuǎn)向時(shí)整體轉(zhuǎn)動(dòng)，其主要零部件及其編號(hào)和名稱如圖2所示。行星齒輪轉(zhuǎn)向橋的動(dòng)力傳遞路線如圖3所示。

在行星齒輪的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)中有兩級(jí)傳動(dòng)：第一級(jí)傳動(dòng)比為r5/r3,其中r3為轉(zhuǎn)向減速器主動(dòng)齒輪3分度圓半徑,r5轉(zhuǎn)向減速器齒扇(被動(dòng))5分度圓半徑；第二級(jí)傳動(dòng)比為1+η,η為齒圈9與太陽(yáng)輪11的齒數(shù)比；總的傳動(dòng)比i為兩級(jí)傳動(dòng)乘積，即

1為轉(zhuǎn)向盤；2為傳動(dòng)軸；3為轉(zhuǎn)向減速器主動(dòng)齒輪；4為轉(zhuǎn)向減 速器惰輪；5為轉(zhuǎn)向減速器齒扇；6為右側(cè)懸架結(jié)構(gòu)； 7為行星架；8為齒圈；9為右側(cè)行星齒輪；10為太陽(yáng)輪； 11為左側(cè)行星齒輪；12為左側(cè)懸架結(jié)構(gòu) 圖2 行星齒輪轉(zhuǎn)向橋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure diagram of planetary gear steering axle

圖3 行星齒輪轉(zhuǎn)向橋動(dòng)力傳遞圖Fig.3 Power transmission diagram of planetary gear steering axle

(5)

由于此機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)組件采用了轉(zhuǎn)向傳動(dòng)齒扇5結(jié)構(gòu)，因此，可根據(jù)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)齒扇(被動(dòng))5的所轉(zhuǎn)過(guò)角度大小，對(duì)行星架8所轉(zhuǎn)過(guò)角度進(jìn)行限位。

2 行星齒輪轉(zhuǎn)向橋設(shè)計(jì)

本章的設(shè)計(jì)依據(jù)將依據(jù)某款常見(jiàn)家用轎車結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)作為參考進(jìn)行，參數(shù)信息如表3所示。對(duì)于行星齒輪轉(zhuǎn)向橋的設(shè)計(jì)整體最大結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)將參考上述參數(shù)進(jìn)行。

表3 某轎車尺寸及質(zhì)量Table 3 Dimensions and quality of a certain car

2.1 行星輪系結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)于行星齒輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，因?yàn)檗D(zhuǎn)向橋直接由行星齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，所以所需的結(jié)構(gòu)體積較大但同時(shí)也應(yīng)為懸架結(jié)構(gòu)保留足夠的空間。因此選取轉(zhuǎn)向齒圈的最大直徑為620 mm。為保證齒圈的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，選取齒圈的分度圓直徑為540 mm。為降低加工難度節(jié)約成本，因此選取太陽(yáng)輪與行星輪的分度圓直徑相同且為180 mm，選取齒輪的模數(shù)為4，壓力角20°，因此齒圈的齒數(shù)為135齒，太陽(yáng)輪及行星齒輪的齒數(shù)為45齒。

根據(jù)已獲得的參數(shù)，可以得出太陽(yáng)輪與行星齒輪由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中位點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)到單側(cè)極限位置所需的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為222°，沒(méi)有存在不工作的部位。而對(duì)于齒圈因由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中位點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)到單側(cè)極限位置所需工作角度為148°，因此存在不工作的部位，為保證行星齒輪可以正確嚙合到極限位置，因此齒圈保留的角度應(yīng)略大于148°。最后，將不參與轉(zhuǎn)向工作的部分去除以達(dá)到輕量化與降低加工難度的目的。

另一方面，為了滿足整體結(jié)構(gòu)性要求，對(duì)行星齒輪進(jìn)行齒廓和齒向的修形。以促進(jìn)齒輪傳動(dòng)過(guò)程中的平順性，同時(shí)消除太陽(yáng)輪和行星輪在嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的基節(jié)誤差，從而減少齒輪嚙入、嚙出沖擊并降低動(dòng)載荷。

2.2 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)行星齒輪轉(zhuǎn)向橋旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力由行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)輪輸入，但汽車駕駛者施加給方向盤的手力不能直接輸入給太陽(yáng)輪，因此需要減速裝置。減速裝置將轉(zhuǎn)向盤所需的從中位點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)到左或右極限位置的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)調(diào)整為主流的1.25圈。已知行星齒輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由中位轉(zhuǎn)動(dòng)到極限位置太陽(yáng)輪所需轉(zhuǎn)過(guò)的角度為111°?？芍璧膫鲃?dòng)比為i=4.05。

根據(jù)傳動(dòng)比可以選定減速機(jī)構(gòu)的齒數(shù)以及其他參數(shù)，選取齒輪的模數(shù)為2，壓力角20°，主動(dòng)齒輪為20齒；從動(dòng)齒輪為81齒。因從動(dòng)齒輪與太陽(yáng)輪同軸連接因此可以將從動(dòng)輪進(jìn)行部分的截取。并增加一個(gè)惰輪以改變動(dòng)力傳動(dòng)方向，使轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)向橋的旋轉(zhuǎn)方向一致。

2.3 轉(zhuǎn)向橋安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向橋同樣需要可靠的安裝結(jié)構(gòu)，在整個(gè)行星齒輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，齒圈為與車身相固定連接且結(jié)構(gòu)較大的部件，因此考慮將其作為轉(zhuǎn)向橋的安裝基礎(chǔ)。

如文獻(xiàn)[16]所述，行駛穩(wěn)定性是汽車的重要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。為了解決汽車正常著地行駛時(shí)車橋可能向上脫離的問(wèn)題，增加下限位塊4，保證轉(zhuǎn)向橋在行駛工況下的穩(wěn)定性以及轉(zhuǎn)向橋中心和行星齒輪機(jī)構(gòu)的同心性。 為了解決汽車被架起或出現(xiàn)車輪懸空時(shí)車橋可能向下脫離的問(wèn)題，在轉(zhuǎn)向橋上增加了上限位塊1、2。兩限位塊之間安裝有彈簧結(jié)構(gòu)，加載于限位塊2的推力使得其擠壓齒圈，實(shí)現(xiàn)齒圈與下限位塊始終緊密接觸。保證車輪在行駛途中出現(xiàn)短暫的車輪離地時(shí)齒圈與下限位塊仍能保證轉(zhuǎn)向橋的穩(wěn)定性，如圖4局部放大圖所示。

1為固定上限位塊；2為活動(dòng)上限位塊；3為齒圈；4為固定下限位塊 圖4 行星齒輪轉(zhuǎn)向橋三維模型Fig.4 Three-dimensional model of planetary gear steering bridge

根據(jù)以上設(shè)計(jì)過(guò)程繪制出行星齒輪轉(zhuǎn)向橋的三維模型，其中包括了前文設(shè)計(jì)過(guò)程中提到的行星齒輪結(jié)構(gòu)、減速器結(jié)構(gòu)、安裝結(jié)構(gòu)等，如圖4所示。

2.4 轉(zhuǎn)向橋主銷后傾角結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

原有的轉(zhuǎn)向拉桿結(jié)構(gòu)將兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪獨(dú)立地繞主銷旋轉(zhuǎn)并通過(guò)外傾推力、車輪負(fù)荷及車體抬高力矩綜合作用進(jìn)行回正。而轉(zhuǎn)向橋在進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)其整體繞行星輪系的太陽(yáng)輪中心轉(zhuǎn)動(dòng)，其主銷則位于車橋的中心。因此，為在使用行星齒輪轉(zhuǎn)向橋的車型上實(shí)現(xiàn)主銷后傾角的回正效果，可將轉(zhuǎn)向橋整體向后傾斜安裝，但角度不宜過(guò)大。

如圖5所示，汽車前輪主銷后傾角用γ表示，規(guī)定后傾角向后為正值。γ為正值可以在汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)形成轉(zhuǎn)向輪的回正力矩。回正力矩可以提升汽車直線行駛的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在一般采用的γ角不超過(guò)2°～3°。

圖5 主銷后傾角示意圖Fig.5 Schematic diagram of caster angle of kingpin

3 轉(zhuǎn)向橋有限元靜態(tài)分析

在汽車的重要結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，可靠性是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。為確定行星齒輪轉(zhuǎn)向橋在家用汽車上運(yùn)用的可行性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮家用汽車物性參數(shù)，并盡可能的正確反映部件的強(qiáng)度與受載情況，但行星齒輪轉(zhuǎn)向橋是一種全新形式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，因此難免有局限性。

3.1 行星齒輪轉(zhuǎn)向橋應(yīng)力校核

(1)當(dāng)轉(zhuǎn)向橋處于最大牽引力和制動(dòng)力的環(huán)境下，其危險(xiǎn)斷面彎曲應(yīng)力σ和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力τ分別為

(6)

(7)

MV=FVb/2

(8)

Mh=Fx2b

(9)

TT=Fx2rr

(10)

式中：MV為地面對(duì)車輪垂直反力在轉(zhuǎn)向橋的危險(xiǎn)斷面引起的垂直平面上的彎曲力矩；FV為垂直反力在危險(xiǎn)斷面引起的垂直平面上的作用力；b為轉(zhuǎn)向橋的下擺臂鉸接點(diǎn)到避震器上鉸接點(diǎn)的距離；Mh為一側(cè)車輪的牽引力或制動(dòng)力Fx2在水平面內(nèi)引起的彎矩；TT為牽引或制動(dòng)時(shí)，危險(xiǎn)斷面受到的轉(zhuǎn)矩；WV、Wh、WT分別為轉(zhuǎn)向橋危險(xiǎn)斷面處的垂直水平面和水平面抗彎截面系數(shù)以及抗扭截面系數(shù)；rr為車輪半徑。

(2)對(duì)于行星齒輪轉(zhuǎn)向橋在最大側(cè)向力情況下，內(nèi)外側(cè)轉(zhuǎn)向橋受到的彎曲應(yīng)力σi、σ0分別為

(11)

(12)

式中：Fz2i、Fz20為內(nèi)外側(cè)車輪與地面的垂直反力；rr為車輪的半徑；φ1為側(cè)滑時(shí)的附著系數(shù)。

(3)對(duì)于行星齒輪轉(zhuǎn)向橋在通過(guò)不平路面的情況下，危險(xiǎn)斷面的彎曲應(yīng)力σ為

(13)

式中：G2為承載重量；k為應(yīng)力集中系數(shù)。

轉(zhuǎn)向橋的許用彎曲應(yīng)力為300～500 MPa，許用切應(yīng)力為150～400 MPa。

3.2 基于ANSYS的靜態(tài)分析

為正確反應(yīng)行星齒輪轉(zhuǎn)向橋主要結(jié)構(gòu)件的受載情況，利用ANSYS對(duì)主要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行有限元分析，使其更加具象化，表征其可靠性。

根據(jù)前文所述可知，齒圈結(jié)構(gòu)是前橋結(jié)構(gòu)的重要支撐點(diǎn)，因此對(duì)齒圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真[圖6(a)]。對(duì)于齒圈的有限元仿真首先將齒圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化只保留主要的齒圈的兩個(gè)圓弧部分，并將圓弧齒圈的四個(gè)端面作為固定點(diǎn)(A點(diǎn))，施加3 000 N的載荷在距離固定面最遠(yuǎn)的齒圈的中部(B點(diǎn))以分析受力情況。齒圈的壓力分布云圖如圖6(b)所示，最大變形約為0.083 mm，在彈性形變范圍內(nèi)，滿足使用要求。

根據(jù)前文所述可知，轉(zhuǎn)向橋作為大型的運(yùn)動(dòng)與承力部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此轉(zhuǎn)向橋的制作工藝與對(duì)強(qiáng)度的要求相比于現(xiàn)有汽車的前副車架結(jié)構(gòu)有較大提升。又行星架結(jié)構(gòu)是懸架結(jié)構(gòu)的重要連接部件，因此對(duì)行星架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真，[圖7(a)]。在汽車正常行駛時(shí)，由于路面的不平整性以及車輛自身的重量，隔振器與彈簧會(huì)承受大量的載荷，所以對(duì)隔振器安裝點(diǎn)進(jìn)行分析。將行星架與齒圈接觸的面作為固定點(diǎn)(A點(diǎn))，將2 000 N的載荷施加在避震器安裝處(B點(diǎn))以分析受力情況。行星架的變形分布云圖如圖7(b)所示，最大變形量約為0.018 mm，在彈性形變范圍內(nèi)，滿足使用要求。

圖6 齒圈有限元分析Fig.6 Finite element analysis of ring gear

圖7 行星架有限元分析Fig.7 Finite element analysis of planet carrier

4 轉(zhuǎn)向橋動(dòng)態(tài)分析

車輪是汽車的重要組成部分，也是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的最終響應(yīng)部件，其轉(zhuǎn)向角度是評(píng)判轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能好壞的物理量之一。另一方面，行星齒輪轉(zhuǎn)向橋所使用的行星輪系通過(guò)齒數(shù)的不同能夠有效增大駕駛者作用于方向盤的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩，最終作用于汽車轉(zhuǎn)向輪。作為汽車轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力，對(duì)其值的測(cè)定也至關(guān)重要。

基于MATLAB/Simulink對(duì)行星齒輪轉(zhuǎn)向橋轉(zhuǎn)向時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真(圖8)，對(duì)行星齒輪轉(zhuǎn)向橋運(yùn)行時(shí)作用于車輪的轉(zhuǎn)矩以及其轉(zhuǎn)向角度隨時(shí)間的變化關(guān)系進(jìn)行分析。

由框圖以及圖9(a)可知，當(dāng)汽車駕駛者對(duì)汽車方向盤施加3 N·m的轉(zhuǎn)矩時(shí)，通過(guò)行星齒輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向動(dòng)力傳遞以及路面的影響，最終得到作用于左右兩車輪上的轉(zhuǎn)矩值接近45 N·m。

同樣，車輪轉(zhuǎn)向角度隨時(shí)間的變化關(guān)系由圖9(b)所示，當(dāng)轉(zhuǎn)向橋轉(zhuǎn)動(dòng)到最大允許位置(此時(shí)轉(zhuǎn)向時(shí)間為4 s)時(shí)，兩輪胎轉(zhuǎn)過(guò)的角度為0.65 rad(約等于37°)。解決了傳統(tǒng)輪轉(zhuǎn)向達(dá)不到理想轉(zhuǎn)向效果的缺陷。由于在起始位置車輪軸與車體之間有一個(gè)與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的小角度，因此轉(zhuǎn)向角度變化曲線的起始點(diǎn)不在原點(diǎn)。

圖8 行星齒輪轉(zhuǎn)向橋動(dòng)態(tài)仿真分析Fig.8 Dynamic simulation analysis of planetary gear steering bridge

圖9 基于Simulink模型仿真曲線Fig.9 Simulation curve based on Simulink model

5 行星齒輪轉(zhuǎn)向橋的應(yīng)用

基于行星輪系可使得車輪朝多個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的特性，且其安裝方式較為靈活。因而行星齒輪轉(zhuǎn)向橋這種全新結(jié)構(gòu)具有較大的發(fā)展前景。

隨著社會(huì)的逐步發(fā)展，對(duì)于大型特殊貨物如大型橋梁結(jié)構(gòu)部件，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，以及其他不能在安裝場(chǎng)地就近生產(chǎn)的大型零部件的運(yùn)輸?shù)男枨蟛粩嗵岣摺Ｒ虼诵枰粋€(gè)可以實(shí)現(xiàn)靈活的運(yùn)輸設(shè)備的底盤，行星齒輪轉(zhuǎn)向橋可提供一個(gè)較為可行的方案。

如圖10所示即為一個(gè)簡(jiǎn)易的采用行星齒輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的移動(dòng)平臺(tái)，在移動(dòng)平臺(tái)的下部安裝有四個(gè)行星齒輪轉(zhuǎn)向橋，通過(guò)控制各行星齒輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度，則可實(shí)現(xiàn)不同的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方式，以滿足各種移動(dòng)要求。

(1)前進(jìn)與后退移動(dòng)。如圖10(a)所示當(dāng)行星齒輪轉(zhuǎn)向橋處于圖示的位置時(shí)，控制輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)的可實(shí)現(xiàn)整個(gè)平臺(tái)前后移動(dòng)。

(2)左右橫向移動(dòng)。如圖10(b)所示當(dāng)行星齒

圖10 平臺(tái)的多種移動(dòng)方式Fig.10 Multiple mobile modes of the platform

輪轉(zhuǎn)向橋旋轉(zhuǎn)90°處于圖示的位置時(shí)，控制輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)的可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)平臺(tái)的左右移動(dòng)。

(3)多角度斜向直線移動(dòng)。如圖10(c)所示當(dāng)行星齒輪轉(zhuǎn)向橋旋轉(zhuǎn)相同的角度時(shí)，控制輪胎旋轉(zhuǎn)則可實(shí)現(xiàn)整體的斜向移動(dòng)。

(4)360°旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。如圖10(d)所示當(dāng)轉(zhuǎn)向橋旋轉(zhuǎn)到圖示位置時(shí)，則可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平臺(tái)的整體360°旋轉(zhuǎn)。

(5)多種半徑的轉(zhuǎn)向移動(dòng)。如圖10(e)所示，當(dāng)各轉(zhuǎn)向橋的橫向延長(zhǎng)線相交于一點(diǎn)時(shí)則可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)整體繞一點(diǎn)的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)以上所列出的5種移動(dòng)方式，可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)在各種情況下的移動(dòng)能力，并可對(duì)平臺(tái)位置進(jìn)行精確的調(diào)整。因此，使用行星齒輪轉(zhuǎn)向橋的移動(dòng)平臺(tái)可以滿足，如港口，工廠等地區(qū)移動(dòng)的需求，并可作為在大型部件安裝時(shí)輔助對(duì)接的平臺(tái)。

6 結(jié)論

(1) 通過(guò)對(duì)比分析軸轉(zhuǎn)向與輪轉(zhuǎn)向，得出軸轉(zhuǎn)向能夠有效減小汽車的轉(zhuǎn)向半徑，提升汽車的行駛便捷性。同時(shí)也克服了原有汽車兩側(cè)轉(zhuǎn)向輪在轉(zhuǎn)向時(shí)難以實(shí)現(xiàn)均作純滾動(dòng)的缺陷。提升汽車的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。

(2) 基于行星輪系對(duì)汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)以及參數(shù)設(shè)計(jì)，提出的行星齒輪轉(zhuǎn)向橋能夠?qū)崿F(xiàn)汽車的軸轉(zhuǎn)向。

(3) 通過(guò)對(duì)行星齒輪轉(zhuǎn)向橋進(jìn)行靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)分析，確定其能夠有效提升轉(zhuǎn)向性能以及在家用汽車上運(yùn)用的可能性。

(4) 通過(guò)對(duì)行星齒輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的特殊結(jié)構(gòu)形式的研究，得出行星齒輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)可用于大型特種運(yùn)輸平臺(tái)的底盤結(jié)構(gòu)，為大型結(jié)構(gòu)件在運(yùn)輸方面提供多種移動(dòng)方式的結(jié)論。