雙前橋載貨汽車第二前橋內輪轉角優(yōu)化設計

楊萬杰　孫艷　孔德利　王海澎

摘 要：理論分析雙前橋載貨汽車第一前橋總成、第二前橋總成轉向關系，確定雙前橋內輪轉角的總傳動比的定義，然后計算各轉向角理論狀態(tài)下的總傳動比，與車輛轉向系統(tǒng)設計的總傳動比進行比對，明確在各轉向狀態(tài)下的最優(yōu)傳動比。達到在任一轉向狀態(tài)下，第一前橋、第二前橋可最大限度繞同一旋轉中心協(xié)調轉向，避免了前橋總成拖磨吃胎，降低了油耗。

關鍵詞：雙前橋總成 內輪轉角 優(yōu)化設計 傳動比

1 引言

雙前橋載貨汽車因具有良好的行駛操作穩(wěn)定性和制動穩(wěn)定性，在快寄物流業(yè)大力發(fā)展的當下，成本低適宜拉飄貨的雙前橋載貨汽車越來越被用戶青睞。

為避免拖磨吃胎、降低油耗，尋求一種方法來提高雙前橋載貨汽車第一前橋總成和第二前橋總成同步協(xié)調轉向，成為車橋研發(fā)工程師和整車設計工程師持續(xù)改善的課題。

本文首先對雙前橋內輪轉向角關系進行了分析、說明，然后通過分析各輪轉向角影響因素，確定第二前橋總成轉向角精度的保證措施，并予以說明。最后通過實例對6X2載貨汽車匹配的雙前橋內輪轉角與保證措施的最優(yōu)匹配進行計算說明，達到減小第二前橋實際內輪轉向角與理論轉向角誤差的目的。

2 雙前橋內輪轉角關系

根據雙前橋內輪轉角與整車結構關系圖1可知。

如不考慮彈性輪胎側偏，四輪理論轉向角每一瞬時都應繞同一中心點旋轉，且存在如下關系：

（1）

（2）

式中：β1—第一橋內輪轉角；

β2—第二橋內輪轉角；

a—第一橋轉β1至時，轉向臂球頭中心到前橋中心線距離；

b—第二橋轉β2至時，轉向臂球頭中心到前橋中心線距離；

β1的每個瞬時轉向角都有一個對應的a；β2的每個瞬時轉向角都有一個對應的b。

將（1）式、（2）式合并，得：

（3）

定義（3）式為前一、前二前橋總成內輪轉角的總傳動比i。

∵ ∴；

確定i值，來滿足成立，即雙前橋兩前橋內輪每一瞬時都繞同一中心旋轉。

3 雙前橋轉向時車輪轉向角精度保證措施

雙前橋汽車轉向時，第一輪內輪轉角β1由方向盤控制，第一橋外輪轉角α1由第一橋內輪轉角β1及第一橋轉向梯形共同控制；第二橋內輪轉角β2由第一橋內輪轉角β1及雙前橋內輪轉角總傳動比i共同控制，第二橋外輪轉角α2由第二橋內輪轉角β2和第二橋轉向梯形共同控制。

可見，雙前橋汽車轉向時，只有第一橋內輪轉角β1由司機控制，是主動的。其余三個車輪都要跟隨第一橋內輪做被動地轉動，剛性的繞著一個共同的轉向中心做不拖滑、純滾動地轉彎，達到減少輪胎磨損，減少汽車油耗的目的。

第二橋內輪轉角β2的精確度直接影響第二橋兩個輪的轉向效果。提高第二橋內輪轉角β2精度的保證措施就是精確地選擇雙前橋內輪轉角的總傳動比i。

目前，國內外采用的雙前橋設計軟件可以實現第二橋內輪實際轉向角與理論轉向角誤差保證在2°以內，但受車輛其它因素影響，仍存在第二橋拖磨吃胎的問題。為優(yōu)化前橋轉向機構，需要盡可能小的減小第二橋內輪實際轉向角與理論轉向角誤差。用此方法可以將實際轉角與理論轉角誤差控制在0.6°以內。

4 雙前橋內輪轉角總傳動比影響因素及初選原則

根據汽車構造及轉向原理，雙前橋內輪轉角總傳動比i有i1、i2、i3三部分組成，如圖2所示。

雙前橋內輪轉角總傳動比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：

當時，

i約初選在位置；

當時，

約初選在位置。

imin—第一橋內輪轉角1°時轉角總傳動比；

imax—第一橋內輪轉角最大時轉角總傳動比。

5 某6X2載貨汽車內輪轉角校驗、優(yōu)化

已知某品牌6X2載貨汽車，軸距L=5600mm，L1=3800mm，轉向系統(tǒng)總傳動比，；校驗二橋實際內輪轉角與理論轉角的誤差，評估i值并優(yōu)化。

通過公式可求得第二前橋理論內轉角：

（5）

式中：β2T—第二橋理論內輪轉角；

將前一橋不同轉角帶入（5）式，得出第二前橋理論內轉角及對應的雙前橋內輪轉角理論總傳動比iT。如表（1）所示。

已知車輛設計i=0.78863，驗證此傳動比狀態(tài)下一橋內輪轉向后對應的二橋實際內輪轉角（為簡化計算過程，對β1=1°、β1=10°、β1=25°、β1=35°四種轉角情況進行校驗）。

∵sinβ2R=i·sinβ1 （6）

式中：β2R—第二橋實際內輪轉角

通過（6）式可求得：

當β1=1°時，；

當β1=10°時，；

當β1=25°時，；

當β1=35°時，；

將以上計算結果與表（1）對比可知，在一橋大轉角狀態(tài)下二橋理論內轉角與實際內轉角差較大，約為2°，需要重新選擇內輪轉角總傳動比i。

根據雙前橋內輪轉角總傳動比i的初選原則及表（1）。初選β1=26°狀態(tài)下的i值為優(yōu)化后的內輪轉角總傳動比，即i=0.7167451，通過公式（6）計算四種轉角情況下的二橋實際內輪轉角。

當β1=1°時，；

當β1=10°時，；

當β1=25°時，；

當β1=35°時，；

與表（1）對比，在一橋大轉角狀態(tài)下二橋理論內轉角與實際內轉角仍存在偏差，約為1.2°，可進一步重新選擇內輪轉角總傳動比i。

通過多次校驗，選β1=31°狀態(tài)下的i值為優(yōu)化后的內輪轉角總傳動比，即i=0.7330536，通過公式（6）計算四種轉角情況下的二橋實際內輪轉角。

當β1=1°時，；

當β1=10°時，；

當β1=25°時，；

當β1=35°時，。

統(tǒng)計三種內輪轉角總傳動比值i選擇結果列入表（2），為便于計算，β2T、β2R統(tǒng)計時取計算結果的小數點后兩位。

經校驗，雙前橋內輪轉角總傳動比i=0.7330536狀態(tài)下，一橋內輪轉向時二橋理論內轉角與實際內轉角誤差最小，可保證在以內。

通過以上方法可知，選取合適的值，第二橋內輪轉角誤差的絕對值可保證≤0.6。可最大限度的保證雙前橋車輛在轉向全過程中，雙前橋能基本繞同一瞬時中心點旋轉。

6 結論

通過分析雙前橋總成轉向關系，可以得出前一、前二前橋總成內輪轉角的總傳動比i，通過與車輛設計的轉向系統(tǒng)總傳動比進行比對，可以評估、確定最優(yōu)內輪轉角的總傳動比，以保證雙前橋在任意轉向狀態(tài)下前一、前二前橋總成可基本繞同一中心點旋轉，以減少拖磨、降低油耗。

改過該方法，將批產的某品牌6X2載貨汽車轉向機構進行了結構優(yōu)化，實現了一橋內輪轉向時二橋理論內轉角與實際內轉角誤差0.55°的最優(yōu)匹配。該技術可推廣至其它需具備同步轉向的機構設計中，同時可作為解決輪胎拖磨吃胎、降低商用車油耗的一種解決方案。

參考文獻：

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

[2]代汝泉.汽車運行性能[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

[3]蔡世芳．汽車操縱穩(wěn)定性評價指標和參數匹配的工程分析方法[J]．汽車工程，1985.

[4]劉惟信.汽車車橋設計[M].北京：清華大學出版社，2004 .

[5]陸正煜，倫景光，倪佑民.汽車轉向特性模擬計算的初步研究[J].汽車工程師.1982.

[6]肖悅.汽車雙前橋轉向系與動力傳動系的優(yōu)化設計及相似性研究[D].合肥工業(yè)大學，2006.

[7]牟向東，唐新蓬，陶建民.汽車轉向器變速比特性對操縱輕便性的影響[J].汽車研究與開發(fā)，2000.

[8]王望予.汽車設計（第4版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[9]王宵鋒.汽車底盤設計[M].北京：清華大學出版社，2010.