礦用汽車雙橋轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向由于要同時(shí)匹配四個(gè)轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角，所以比單橋轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)復(fù)雜。汽車轉(zhuǎn)向總是有一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心（見圖1中O點(diǎn)），在不同時(shí)刻轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角都各不相同，若各輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角匹配關(guān)系和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

圖1是汽車雙橋轉(zhuǎn)向理想的內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系的分析模型，整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)確定整機(jī)軸距、最小轉(zhuǎn)彎直徑、最大轉(zhuǎn)角（第一轉(zhuǎn)向橋的最大內(nèi)轉(zhuǎn)角，見圖1中α）等參數(shù)。雙橋轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系，可以通過最大轉(zhuǎn)角這個(gè)參數(shù)確定第一轉(zhuǎn)向橋的理論最大外轉(zhuǎn)角（見圖1中β）、第二轉(zhuǎn)向橋的理論最大內(nèi)轉(zhuǎn)角（見圖1中γ）、第二轉(zhuǎn)向橋的理論最大外轉(zhuǎn)角（見圖1中δ）。

雙橋轉(zhuǎn)向匹配桿系設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮以下三個(gè)方面：

a.轉(zhuǎn)向橋左、右輪轉(zhuǎn)角的匹配，也就是轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計(jì)；

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

c.運(yùn)動(dòng)干涉分析（如助力油缸與輪胎，直拉桿與輪胎等）。

上述三個(gè)方面也是匹配桿系設(shè)計(jì)的步驟，下面對(duì)這三個(gè)方面的設(shè)計(jì)思路和方法逐步加以論述。

1、轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向梯形時(shí)，我們可以將第一、第二轉(zhuǎn)向橋分成兩個(gè)單橋轉(zhuǎn)向來考慮，這樣較為簡(jiǎn)單，根據(jù)圖1的分析模型，由阿克曼轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系知：

其中，

K——轉(zhuǎn)向橋兩主銷中心延長(zhǎng)線到地面交點(diǎn)之間的距離；

La——第一轉(zhuǎn)向橋軸線到第三、四橋軸中心線的距離；

Lb——第二轉(zhuǎn)向橋軸線到第三、四橋軸中心線的距離。

式（1）是第一轉(zhuǎn)向橋左右輪轉(zhuǎn)角的匹配關(guān)系，式（2）是第二轉(zhuǎn)向橋左右輪轉(zhuǎn)角的匹配關(guān)系。

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

2、第一、第二轉(zhuǎn)向橋左側(cè)輪內(nèi)、外轉(zhuǎn)角的匹配

匹配第一、第二轉(zhuǎn)向橋內(nèi)轉(zhuǎn)角的關(guān)系，也就是圖1中α和γ的對(duì)應(yīng)關(guān)系；匹配第一、第二轉(zhuǎn)向橋外輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系，也就是圖2中β′和δ′的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

說明：因?yàn)榈谝弧⒌诙D(zhuǎn)向橋轉(zhuǎn)向匹配桿系在左側(cè)，所以只能以左側(cè)轉(zhuǎn)向輪為分析對(duì)象，故匹配第一、第二轉(zhuǎn)向橋外輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系，是β′和δ′的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

設(shè)圖1中瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心O到N點(diǎn)的距離為L(zhǎng)n，則有如下關(guān)系：

由公式（3）和（4）可以得出：

公式(5)是第一、第二轉(zhuǎn)向橋左側(cè)輪內(nèi)轉(zhuǎn)角的關(guān)系。

同理，圖2中可以得出：

公式（6）是第一、第二轉(zhuǎn)向橋左側(cè)輪外轉(zhuǎn)角的關(guān)系。

根據(jù)上述關(guān)系，令A(yù)P=Lb，BP= La，然后我們找出幾組第一轉(zhuǎn)向橋左輪內(nèi)轉(zhuǎn)角 α1、α2、……αi，找出對(duì)應(yīng)的第二轉(zhuǎn)向橋左輪內(nèi)轉(zhuǎn)角γ1、γ2、……γi，分別以A和B為原點(diǎn)，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(gè)交點(diǎn)；同樣，找出幾組第一轉(zhuǎn)向橋左輪外轉(zhuǎn)角β1′、β2′、……βi′，找出對(duì)應(yīng)的第二轉(zhuǎn)向橋左輪外轉(zhuǎn)角 δ1′、δ2′、……δi′，分別以 A 和 B 為原點(diǎn)，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(gè)交點(diǎn)。把上述交點(diǎn)連接起來有第一、第二轉(zhuǎn)向橋左輪轉(zhuǎn)角理想特性曲線（見圖 3）。易知這些交點(diǎn)的連線是一條豎直線MQ，MQ經(jīng)過P點(diǎn)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)角需要進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，實(shí)際上目前是不存在的。跟轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計(jì)類似，實(shí)際的匹配桿系匹配的第一、第二轉(zhuǎn)向橋左輪轉(zhuǎn)角也會(huì)有一組實(shí)際特性曲線。

圖4 是一種典型的雙橋轉(zhuǎn)向匹配桿系，在此桿系的匹配下，每一個(gè)一橋轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角都會(huì)有一個(gè)二橋轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角與之對(duì)應(yīng)，按照上述方法，將實(shí)際轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)關(guān)系畫在下圖中，將交點(diǎn)用平滑的曲線連接起來就得到第一、第二轉(zhuǎn)向橋左輪轉(zhuǎn)角實(shí)際特性曲線（見圖5）。

一般要求：

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

b.考慮到匹配桿系的拉桿球頭間隙、轉(zhuǎn)向主銷配合間隙等因素，要求第二轉(zhuǎn)向橋的實(shí)際轉(zhuǎn)角比理論轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)干涉分析

在完成轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計(jì)和第一、第二轉(zhuǎn)向橋匹配桿系設(shè)計(jì)之后，需要對(duì)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)件進(jìn)行干涉驗(yàn)證（最好能建立三維模型，進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬加以驗(yàn)證），以保證裝配和使用。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)向需要有下列的間隙：

a.一橋垂臂和轉(zhuǎn)向器支架的極限間隙，一般應(yīng)大于35mm；

b.一橋直拉桿和一橋轉(zhuǎn)向輪的極限間隙，一般應(yīng)大于50mm；

c.二橋直拉桿和二橋轉(zhuǎn)向輪的極限間隙，一般應(yīng)大于50mm；

d.轉(zhuǎn)向助力油缸與對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向輪的極限間隙（助力油缸支座在車架上），一般應(yīng)大于50mm；

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

如驗(yàn)證不能達(dá)到要求，需要進(jìn)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(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角匹配系統(tǒng)基本完成。

4、結(jié)語(yǔ)

本文主要研究了汽車雙橋轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角匹配關(guān)系，并闡述了一些實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)上述見解設(shè)計(jì)的礦用自卸車經(jīng)過試驗(yàn)，汽車轉(zhuǎn)向符合使用要求。

[1] 王霄鋒.汽車底盤設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社,2010.

[2] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì),中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)大典編委會(huì).第三卷機(jī)械零部件設(shè)計(jì)[M].江西科學(xué)技術(shù)出版社,2002.

[3] 濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)(第七版)[M].北京:高等教育出版社,2001.

[4] 陳耀明.汽車懸架論文集.蘇州:蘇州大學(xué)出版社,2012.