商用車前橋總成轉(zhuǎn)向阻滯力的研究

劉新榮，孔德利

（1.262200 山東省 諸城市 諸城市義和車橋有限公司；2.262200 山東省 諸城市 上海理工大學(xué)-諸城市義和車橋有限公司 汽車先進(jìn)底盤系統(tǒng)開發(fā)聯(lián)合研究所）

0 引言

商用車前橋總成（以下簡稱前橋總成）是商用車傳統(tǒng)四大總成之一，隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和市場消費(fèi)水平的轉(zhuǎn)變，商用車不再僅是單純滿足貨運(yùn)需求，更多用戶追求良好的駕駛舒適性和操控穩(wěn)定性。鑒于前橋總成轉(zhuǎn)向阻滯力直接影響車輛操控平順性[1]，本文首先分析了產(chǎn)生前橋總成轉(zhuǎn)向阻滯力的機(jī)理，然后建立力學(xué)模型推導(dǎo)前橋總成轉(zhuǎn)向阻滯力計算公式，最后搭建檢測試驗(yàn)臺進(jìn)行對比試驗(yàn)。

1 前橋總成轉(zhuǎn)向阻滯力產(chǎn)生機(jī)理

前橋總成主要由前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)銷、制動器、輪轂、直拉桿臂、橫拉桿臂和橫拉桿等組成，如圖1 所示。在直拉桿臂球銷處沿直拉桿前后運(yùn)動方向的力驅(qū)動左右轉(zhuǎn)向節(jié)繞轉(zhuǎn)向節(jié)銷運(yùn)動，該驅(qū)動力即前橋總成轉(zhuǎn)向阻滯力。

圖1 前橋總成Fig.1 Front axle assembly

按前橋總成放置姿態(tài)不同轉(zhuǎn)向阻滯力分為2種：

（1）空載轉(zhuǎn)向阻滯力

圖2（a）所示為前橋總成為運(yùn)輸架放置狀態(tài)。空載轉(zhuǎn)向阻滯力由轉(zhuǎn)向節(jié)襯套部位摩擦力矩、橫拉桿球頭轉(zhuǎn)動力矩和推力軸承轉(zhuǎn)動力矩3 部分組成，其中轉(zhuǎn)向節(jié)襯套部位摩擦力矩和推力軸承轉(zhuǎn)動力矩均與前橋總成兩輪端的重量相關(guān)。

（2）靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力

圖2（b）所示為前橋總成正常行車狀態(tài)放置，在前輪距處施加垂直方向的前橋總成靜滿載荷，此時不考慮輪胎的影響。

圖2 前橋總成放置姿態(tài)Fig.2 Front axle assembly placement

靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力由轉(zhuǎn)向節(jié)襯套部位摩擦力矩、橫拉桿球頭轉(zhuǎn)動力矩、推力軸承轉(zhuǎn)動力矩和內(nèi)傾角回正力矩4 部分組成，其中轉(zhuǎn)向節(jié)襯套部位摩擦力矩、推力軸承轉(zhuǎn)動力矩均和內(nèi)傾角回正力矩[2]與前橋總成靜滿載荷相關(guān)。

2 前橋總成轉(zhuǎn)向阻滯力的計算

2.1 空載轉(zhuǎn)向阻滯力

按式（1）計算：

式中：Fk——前橋總成空載轉(zhuǎn)向阻滯力，N；MkL——前橋總成空載左輪端產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩，N·m；MkR——前橋總成空載右輪端產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩，N·m；MB——橫拉桿球頭轉(zhuǎn)動力矩，N·m；La——直拉桿臂球銷旋轉(zhuǎn)半徑，mm；α——內(nèi)輪轉(zhuǎn)角，°。

2.1.1 前橋總成空載左輪端產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩

式中：MGk——前橋總成輪端質(zhì)量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩，N·m；MkBup——前橋總成輪端質(zhì)量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向節(jié)上襯套轉(zhuǎn)動力矩，N·m；MkBdown——前橋總成輪端重量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向節(jié)下襯套轉(zhuǎn)動力矩，N·m；MkT——前橋總成輪端質(zhì)量產(chǎn)生的推力軸承轉(zhuǎn)動力矩，N·m。

2.1.2 前橋總成輪端質(zhì)量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向節(jié)上下襯套轉(zhuǎn)動力矩

根據(jù)圖3 可得各轉(zhuǎn)動力矩為：

圖3 空載轉(zhuǎn)向阻滯力的計算Fig.3 Calculation of blocking force for no-load steering

其中：

式中：Fkup——前橋總成輪端重量產(chǎn)生的在轉(zhuǎn)向節(jié)上襯套處的壓力，N；Fkdown——前橋總成輪端重量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向節(jié)下襯套處的壓力，N；μB——轉(zhuǎn)向節(jié)襯套相對轉(zhuǎn)向節(jié)銷的摩擦系數(shù)；d——轉(zhuǎn)向節(jié)銷直徑，mm；Gk——前橋總成兩側(cè)輪端的質(zhì)量載荷，N；L——輪胎中心至主銷中心點(diǎn)距離，mm；a ——上轉(zhuǎn)向節(jié)襯套中心至主銷中心點(diǎn)距離，mm；b ——下轉(zhuǎn)向節(jié)襯套中心至主銷中心點(diǎn)距離，mm；γ——主銷內(nèi)傾角，°。

2.1.3 推力軸承產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩

式中：μT——推力軸承的摩擦系數(shù)；rT——推力軸承的摩擦半徑，按推力軸承中徑計算，mm。

2.1.4 前橋總成空載右輪端產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩

前橋總成右側(cè)輪端重量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩通過轉(zhuǎn)向梯形傳遞到左側(cè)輪端，如圖4 所示。

圖4 轉(zhuǎn)向梯形角度和力臂的計算Fig.4 Calculation of steering trapezoidal angle and moment arm

前橋總成右輪端按式（8）、式（9）計算：

根據(jù)轉(zhuǎn)向梯形計算各梯形角度[3]及力臂：

式中：Fks——前橋總成空載轉(zhuǎn)動時橫拉桿上的推力，N；lR——前橋總成轉(zhuǎn)動時橫拉桿右球頭力臂，mm；lL——前橋總成轉(zhuǎn)動時橫拉桿左球頭力臂，mm；θ——轉(zhuǎn)向梯形底角，°；β——外輪轉(zhuǎn)角，°；lh——橫拉桿球頭至前軸的前后距離（擺正狀態(tài)），mm；lH——橫拉桿球頭中心至主銷中心的高度（直行狀態(tài)），mm；S——主銷中心距，mm；lb——橫拉桿球頭中心距離，mm；la——轉(zhuǎn)向梯形腰長，mm。

2.2 靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力

根據(jù)圖5，按式（18）計算。

圖5 靜滿載荷轉(zhuǎn)向阻滯力的計算Fig.5 Calculation of steering blocking force in static full load

式中：Fm——前橋總成靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力，N；MmL——前橋總成靜滿載左輪端產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩，N·m；MmR——前橋總成靜滿載右輪端產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩，N·m；Mγ——前橋總成靜滿載內(nèi)傾角回正力矩，N·m；

其中，MmL和MmR根據(jù)式（2）—式（9）計算，將前橋總成輪端質(zhì)量載荷Gk替換為靜滿載荷Gm。

2.2.1 內(nèi)傾角回正力矩[4-5]

3 某前橋總成轉(zhuǎn)向阻滯力的計算

3.1 前橋總成相關(guān)設(shè)計參數(shù)（見表1）

表1 設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters

該前橋總成的轉(zhuǎn)向節(jié)襯套采用雙金屬襯套，推力軸承結(jié)構(gòu)為推力滾子軸承。

3.2 空載轉(zhuǎn)向阻滯力

空載轉(zhuǎn)向阻滯力計算結(jié)果見圖6（a），右轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向阻滯力大于左轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向阻滯力[6]。其中，空載條件下橫拉桿球頭轉(zhuǎn)動力矩為影響空載轉(zhuǎn)向阻滯力的主要因素，約占70%，如圖6（b）所示。

圖6 空載轉(zhuǎn)向阻滯力計算結(jié)果Fig.6 No-load steering blocking force calculation results

3.3 靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力

靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力計算結(jié)果見圖7（a）。靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力明顯高于空載轉(zhuǎn)向阻滯力。其中，內(nèi)傾角產(chǎn)生的回正力矩和轉(zhuǎn)向節(jié)襯套產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩為影響靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力的主要因素，且隨轉(zhuǎn)角改變發(fā)生較大變化，兩者約占靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力的85%，如圖7（b）所示。

圖7 靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力計算結(jié)果Fig.7 Static full load steering blocking force calculation results

4 某前橋總成轉(zhuǎn)向阻滯力的試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)前橋總成的裝車狀態(tài)搭建轉(zhuǎn)向阻滯力試驗(yàn)臺如圖8 所示。通過加載裝置模擬前橋總成垂向靜滿載荷，通過前軸板簧托上的壓力傳感器控制加載力值，輪端模擬工裝與加載裝置之間采用滑動支撐以盡量減小摩擦系數(shù)，作動器上安裝拉壓力傳感器和位移傳感器，一端與直拉桿臂錐孔鉸接，作動器模擬直拉桿前后方向的運(yùn)動。

圖8 轉(zhuǎn)向阻滯力試驗(yàn)臺Fig.8 Steering blocking force test device

對前橋總成在靜滿載荷下的轉(zhuǎn)向阻滯力進(jìn)行了檢測，并對不同的產(chǎn)品配置進(jìn)行了對比，結(jié)果見圖9。靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力的實(shí)測結(jié)果與理論分析結(jié)果趨勢相同。不同的組合配置對靜滿載荷下的轉(zhuǎn)向阻滯力影響較大，同等條件下轉(zhuǎn)向阻滯力雙金屬襯套＞PEEK 襯套＞滾針軸承。

圖9 靜滿載荷轉(zhuǎn)向阻滯力實(shí)測結(jié)果Fig.9 Measured results of static full-load steering blocking force

5 結(jié)論

本文通過建立前橋總成轉(zhuǎn)向阻滯力的力學(xué)分析模型，對轉(zhuǎn)向阻滯力進(jìn)行了公式推導(dǎo)，并根據(jù)計算實(shí)例分析了不同位置對轉(zhuǎn)向阻滯力的影響大小。同時建立了試驗(yàn)驗(yàn)證臺架，分析了不同產(chǎn)品組合對轉(zhuǎn)向阻滯力的影響，為后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)和性能提升奠定了基礎(chǔ)，主要結(jié)論如下：

（1）根據(jù)前橋總成的放置姿態(tài)不同，分為空載轉(zhuǎn)向阻滯力和靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力；（2）右轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向阻滯力要大于左轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向阻滯力；（3）靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力明顯大于空載轉(zhuǎn)向阻滯力；（4）橫拉桿球頭的轉(zhuǎn)動力矩是影響空載轉(zhuǎn)向阻滯力的主要因素，約占空載轉(zhuǎn)向阻滯力的70%；（5）轉(zhuǎn)向節(jié)襯套的摩擦力矩和內(nèi)傾角回正力矩是影響靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力的主要因素，且隨轉(zhuǎn)角的變化而變化，兩者約占靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力的85%；（6）同等條件下靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力雙金屬襯套＞PEEK 襯套＞滾針軸承；（7）在車輪定位參數(shù)一定的條件下，可以通過改變轉(zhuǎn)向節(jié)襯套結(jié)構(gòu)、推力軸承結(jié)構(gòu)和橫拉桿球頭轉(zhuǎn)動力矩來對前橋總成的轉(zhuǎn)向阻滯力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。