雙前橋載貨汽車(chē)第二前橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊萬(wàn)杰　孫艷　孔德利　王海澎

摘 要：理論分析雙前橋載貨汽車(chē)第一前橋總成、第二前橋總成轉(zhuǎn)向關(guān)系，確定雙前橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的總傳動(dòng)比的定義，然后計(jì)算各轉(zhuǎn)向角理論狀態(tài)下的總傳動(dòng)比，與車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總傳動(dòng)比進(jìn)行比對(duì)，明確在各轉(zhuǎn)向狀態(tài)下的最優(yōu)傳動(dòng)比。達(dá)到在任一轉(zhuǎn)向狀態(tài)下，第一前橋、第二前橋可最大限度繞同一旋轉(zhuǎn)中心協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向，避免了前橋總成拖磨吃胎，降低了油耗。

關(guān)鍵詞：雙前橋總成 內(nèi)輪轉(zhuǎn)角 優(yōu)化設(shè)計(jì) 傳動(dòng)比

1 引言

雙前橋載貨汽車(chē)因具有良好的行駛操作穩(wěn)定性和制動(dòng)穩(wěn)定性，在快寄物流業(yè)大力發(fā)展的當(dāng)下，成本低適宜拉飄貨的雙前橋載貨汽車(chē)越來(lái)越被用戶(hù)青睞。

為避免拖磨吃胎、降低油耗，尋求一種方法來(lái)提高雙前橋載貨汽車(chē)第一前橋總成和第二前橋總成同步協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向，成為車(chē)橋研發(fā)工程師和整車(chē)設(shè)計(jì)工程師持續(xù)改善的課題。

本文首先對(duì)雙前橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)向角關(guān)系進(jìn)行了分析、說(shuō)明，然后通過(guò)分析各輪轉(zhuǎn)向角影響因素，確定第二前橋總成轉(zhuǎn)向角精度的保證措施，并予以說(shuō)明。最后通過(guò)實(shí)例對(duì)6X2載貨汽車(chē)匹配的雙前橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角與保證措施的最優(yōu)匹配進(jìn)行計(jì)算說(shuō)明，達(dá)到減小第二前橋?qū)嶋H內(nèi)輪轉(zhuǎn)向角與理論轉(zhuǎn)向角誤差的目的。

2 雙前橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角關(guān)系

根據(jù)雙前橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角與整車(chē)結(jié)構(gòu)關(guān)系圖1可知。

如不考慮彈性輪胎側(cè)偏，四輪理論轉(zhuǎn)向角每一瞬時(shí)都應(yīng)繞同一中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，且存在如下關(guān)系：

（1）

（2）

式中：β1—第一橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角；

β2—第二橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角；

a—第一橋轉(zhuǎn)β1至?xí)r，轉(zhuǎn)向臂球頭中心到前橋中心線距離；

b—第二橋轉(zhuǎn)β2至?xí)r，轉(zhuǎn)向臂球頭中心到前橋中心線距離；

β1的每個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向角都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的a；β2的每個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向角都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的b。

將（1）式、（2）式合并，得：

（3）

定義（3）式為前一、前二前橋總成內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的總傳動(dòng)比i。

∵ ∴；

確定i值，來(lái)滿(mǎn)足成立，即雙前橋兩前橋內(nèi)輪每一瞬時(shí)都繞同一中心旋轉(zhuǎn)。

3 雙前橋轉(zhuǎn)向時(shí)車(chē)輪轉(zhuǎn)向角精度保證措施

雙前橋汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)，第一輪內(nèi)輪轉(zhuǎn)角β1由方向盤(pán)控制，第一橋外輪轉(zhuǎn)角α1由第一橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角β1及第一橋轉(zhuǎn)向梯形共同控制；第二橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角β2由第一橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角β1及雙前橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角總傳動(dòng)比i共同控制，第二橋外輪轉(zhuǎn)角α2由第二橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角β2和第二橋轉(zhuǎn)向梯形共同控制。

可見(jiàn)，雙前橋汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)，只有第一橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角β1由司機(jī)控制，是主動(dòng)的。其余三個(gè)車(chē)輪都要跟隨第一橋內(nèi)輪做被動(dòng)地轉(zhuǎn)動(dòng)，剛性的繞著一個(gè)共同的轉(zhuǎn)向中心做不拖滑、純滾動(dòng)地轉(zhuǎn)彎，達(dá)到減少輪胎磨損，減少汽車(chē)油耗的目的。

第二橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角β2的精確度直接影響第二橋兩個(gè)輪的轉(zhuǎn)向效果。提高第二橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角β2精度的保證措施就是精確地選擇雙前橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的總傳動(dòng)比i。

目前，國(guó)內(nèi)外采用的雙前橋設(shè)計(jì)軟件可以實(shí)現(xiàn)第二橋內(nèi)輪實(shí)際轉(zhuǎn)向角與理論轉(zhuǎn)向角誤差保證在2°以?xún)?nèi)，但受車(chē)輛其它因素影響，仍存在第二橋拖磨吃胎的問(wèn)題。為優(yōu)化前橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，需要盡可能小的減小第二橋內(nèi)輪實(shí)際轉(zhuǎn)向角與理論轉(zhuǎn)向角誤差。用此方法可以將實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角誤差控制在0.6°以?xún)?nèi)。

4 雙前橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角總傳動(dòng)比影響因素及初選原則

根據(jù)汽車(chē)構(gòu)造及轉(zhuǎn)向原理，雙前橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角總傳動(dòng)比i有i1、i2、i3三部分組成，如圖2所示。

雙前橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角總傳動(dòng)比i分配、初選有以下原則：

分配原則： （4）

其中：；；；

增大i1，可降低中間縱拉桿受力；

初選原則：

當(dāng)時(shí)，

i約初選在位置；

當(dāng)時(shí)，

約初選在位置。

imin—第一橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角1°時(shí)轉(zhuǎn)角總傳動(dòng)比；

imax—第一橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角最大時(shí)轉(zhuǎn)角總傳動(dòng)比。

5 某6X2載貨汽車(chē)內(nèi)輪轉(zhuǎn)角校驗(yàn)、優(yōu)化

已知某品牌6X2載貨汽車(chē)，軸距L=5600mm，L1=3800mm，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總傳動(dòng)比，；校驗(yàn)二橋?qū)嶋H內(nèi)輪轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角的誤差，評(píng)估i值并優(yōu)化。

通過(guò)公式可求得第二前橋理論內(nèi)轉(zhuǎn)角：

（5）

式中：β2T—第二橋理論內(nèi)輪轉(zhuǎn)角；

將前一橋不同轉(zhuǎn)角帶入（5）式，得出第二前橋理論內(nèi)轉(zhuǎn)角及對(duì)應(yīng)的雙前橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角理論總傳動(dòng)比iT。如表（1）所示。

已知車(chē)輛設(shè)計(jì)i=0.78863，驗(yàn)證此傳動(dòng)比狀態(tài)下一橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)向后對(duì)應(yīng)的二橋?qū)嶋H內(nèi)輪轉(zhuǎn)角（為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，對(duì)β1=1°、β1=10°、β1=25°、β1=35°四種轉(zhuǎn)角情況進(jìn)行校驗(yàn)）。

∵sinβ2R=i·sinβ1 （6）

式中：β2R—第二橋?qū)嶋H內(nèi)輪轉(zhuǎn)角

通過(guò)（6）式可求得：

當(dāng)β1=1°時(shí)，；

當(dāng)β1=10°時(shí)，；

當(dāng)β1=25°時(shí)，；

當(dāng)β1=35°時(shí)，；

將以上計(jì)算結(jié)果與表（1）對(duì)比可知，在一橋大轉(zhuǎn)角狀態(tài)下二橋理論內(nèi)轉(zhuǎn)角與實(shí)際內(nèi)轉(zhuǎn)角差較大，約為2°，需要重新選擇內(nèi)輪轉(zhuǎn)角總傳動(dòng)比i。

根據(jù)雙前橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角總傳動(dòng)比i的初選原則及表（1）。初選β1=26°狀態(tài)下的i值為優(yōu)化后的內(nèi)輪轉(zhuǎn)角總傳動(dòng)比，即i=0.7167451，通過(guò)公式（6）計(jì)算四種轉(zhuǎn)角情況下的二橋?qū)嶋H內(nèi)輪轉(zhuǎn)角。

當(dāng)β1=1°時(shí)，；

當(dāng)β1=10°時(shí)，；

當(dāng)β1=25°時(shí)，；

當(dāng)β1=35°時(shí)，；

與表（1）對(duì)比，在一橋大轉(zhuǎn)角狀態(tài)下二橋理論內(nèi)轉(zhuǎn)角與實(shí)際內(nèi)轉(zhuǎn)角仍存在偏差，約為1.2°，可進(jìn)一步重新選擇內(nèi)輪轉(zhuǎn)角總傳動(dòng)比i。

通過(guò)多次校驗(yàn)，選β1=31°狀態(tài)下的i值為優(yōu)化后的內(nèi)輪轉(zhuǎn)角總傳動(dòng)比，即i=0.7330536，通過(guò)公式（6）計(jì)算四種轉(zhuǎn)角情況下的二橋?qū)嶋H內(nèi)輪轉(zhuǎn)角。

當(dāng)β1=1°時(shí)，；

當(dāng)β1=10°時(shí)，；

當(dāng)β1=25°時(shí)，；

當(dāng)β1=35°時(shí)，。

統(tǒng)計(jì)三種內(nèi)輪轉(zhuǎn)角總傳動(dòng)比值i選擇結(jié)果列入表（2），為便于計(jì)算，β2T、β2R統(tǒng)計(jì)時(shí)取計(jì)算結(jié)果的小數(shù)點(diǎn)后兩位。

經(jīng)校驗(yàn)，雙前橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角總傳動(dòng)比i=0.7330536狀態(tài)下，一橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)向時(shí)二橋理論內(nèi)轉(zhuǎn)角與實(shí)際內(nèi)轉(zhuǎn)角誤差最小，可保證在以?xún)?nèi)。

通過(guò)以上方法可知，選取合適的值，第二橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角誤差的絕對(duì)值可保證≤0.6?？勺畲笙薅鹊谋ＷC雙前橋車(chē)輛在轉(zhuǎn)向全過(guò)程中，雙前橋能基本繞同一瞬時(shí)中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。

6 結(jié)論

通過(guò)分析雙前橋總成轉(zhuǎn)向關(guān)系，可以得出前一、前二前橋總成內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的總傳動(dòng)比i，通過(guò)與車(chē)輛設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總傳動(dòng)比進(jìn)行比對(duì)，可以評(píng)估、確定最優(yōu)內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的總傳動(dòng)比，以保證雙前橋在任意轉(zhuǎn)向狀態(tài)下前一、前二前橋總成可基本繞同一中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，以減少拖磨、降低油耗。

改過(guò)該方法，將批產(chǎn)的某品牌6X2載貨汽車(chē)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了一橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)向時(shí)二橋理論內(nèi)轉(zhuǎn)角與實(shí)際內(nèi)轉(zhuǎn)角誤差0.55°的最優(yōu)匹配。該技術(shù)可推廣至其它需具備同步轉(zhuǎn)向的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，同時(shí)可作為解決輪胎拖磨吃胎、降低商用車(chē)油耗的一種解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳家瑞，馬天飛.汽車(chē)構(gòu)造（第五版）[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]代汝泉.汽車(chē)運(yùn)行性能[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

[3]蔡世芳．汽車(chē)操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)和參數(shù)匹配的工程分析方法[J]．汽車(chē)工程，1985.

[4]劉惟信.汽車(chē)車(chē)橋設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004 .

[5]陸正煜，倫景光，倪佑民.汽車(chē)轉(zhuǎn)向特性模擬計(jì)算的初步研究[J].汽車(chē)工程師.1982.

[6]肖悅.汽車(chē)雙前橋轉(zhuǎn)向系與動(dòng)力傳動(dòng)系的優(yōu)化設(shè)計(jì)及相似性研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

[7]牟向東，唐新蓬，陶建民.汽車(chē)轉(zhuǎn)向器變速比特性對(duì)操縱輕便性的影響[J].汽車(chē)研究與開(kāi)發(fā)，2000.

[8]王望予.汽車(chē)設(shè)計(jì)（第4版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[9]王宵鋒.汽車(chē)底盤(pán)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.