重卡轉(zhuǎn)向直拉桿的設(shè)計(jì)方法研究

姚 英

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

重卡轉(zhuǎn)向直拉桿的設(shè)計(jì)方法研究

姚 英

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

針對(duì)重卡轉(zhuǎn)向直拉桿設(shè)計(jì)，提出一種考慮到前軸主銷內(nèi)傾角及后傾角情況下的轉(zhuǎn)向直拉桿長(zhǎng)度計(jì)算方法，并與傳統(tǒng)的作圖法作比較，為進(jìn)一步準(zhǔn)確計(jì)算轉(zhuǎn)向直拉桿的長(zhǎng)度提供參考。

轉(zhuǎn)向器搖臂；擺角；轉(zhuǎn)向直拉桿；長(zhǎng)度

CLC NO.:U462.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-128-03

引言

轉(zhuǎn)向直拉桿是汽車轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)元件，它連接轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向橋，傳遞轉(zhuǎn)向器的輸出扭矩，實(shí)現(xiàn)整車的轉(zhuǎn)向。進(jìn)行轉(zhuǎn)向直拉桿的設(shè)計(jì)，要求在轉(zhuǎn)向輪直行時(shí)，保證轉(zhuǎn)向器的搖臂軸處于中位狀態(tài)，同時(shí)汽車在左轉(zhuǎn)向及右轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度相當(dāng)。而傳統(tǒng)的圖解法在進(jìn)行轉(zhuǎn)向直拉桿的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)時(shí)，一般是忽略轉(zhuǎn)向橋的主銷內(nèi)傾角及后傾角，這樣就會(huì)造成設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向直拉桿長(zhǎng)度與實(shí)際需要的長(zhǎng)度有偏差，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向器搖臂左右極限擺角的偏差，可能會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向器搖臂已達(dá)到極限位置而轉(zhuǎn)向輪未限位的情況，這會(huì)影響轉(zhuǎn)向器的使用壽命及整車的安全性。因此，關(guān)于轉(zhuǎn)向直拉桿的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)方法的研究，仍具有重要的實(shí)際意義。

1、圖解法計(jì)算轉(zhuǎn)向直拉桿的長(zhǎng)度

首先根據(jù)總布置要求確定轉(zhuǎn)向器搖臂中心o1、彎臂繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)中心o2及經(jīng)過(guò)直拉桿前球銷中心的垂直平面XX'的相對(duì)位置，已知轉(zhuǎn)向垂臂及前軸彎臂的初始位置，忽略轉(zhuǎn)向橋的主銷內(nèi)傾角及后傾角，由作圖法可計(jì)算出直拉桿的長(zhǎng)度及轉(zhuǎn)向垂臂相對(duì)與彎臂的轉(zhuǎn)角。步驟如下：如圖一所示，過(guò)B點(diǎn)作BB'垂直于XX'，以B'為圓心，B'A為半徑畫圓弧與XX'交于C點(diǎn)，則BC即為轉(zhuǎn)向直拉桿的長(zhǎng)度。因?yàn)棣B‘A ?ΔBB’C ，則BA=BC ，BA為直拉桿的實(shí)際長(zhǎng)度。當(dāng)彎臂轉(zhuǎn)過(guò)角度∠BO2D 時(shí)，過(guò)D點(diǎn)作DD‘垂直于XX'，以D點(diǎn)為圓心，BC長(zhǎng)為半徑畫圓弧與XX'交于F點(diǎn)。再以D'點(diǎn)為圓心，D'F為半徑畫圓弧，以o1為圓心，O1A為半徑畫圓弧，兩圓弧交于E點(diǎn)，則ΔDD'F ?ΔDD'E ，DE=DF = BC=BA ，BA為直拉桿的實(shí)際長(zhǎng)度，∠AO1E 為垂臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

圖1

2、通過(guò)空間機(jī)構(gòu)計(jì)算轉(zhuǎn)向直拉桿的長(zhǎng)度

在圖解法的基礎(chǔ)上，考慮主銷內(nèi)傾角及后傾角，通過(guò)空間兩點(diǎn)間坐標(biāo)計(jì)算轉(zhuǎn)向直拉桿的長(zhǎng)度。

已知如下參數(shù)：

轉(zhuǎn)向器輸出軸坐標(biāo)：(x1,y1,z1)

轉(zhuǎn)向器搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)半徑：r

轉(zhuǎn)向器搖臂初始角度（搖臂與Z軸的夾角，逆時(shí)針為正）：α0

左主銷中心坐標(biāo)：(x2,y2,z2)

前軸彎臂轉(zhuǎn)動(dòng)半徑：R

前軸彎臂初始角度（彎臂與Y軸的夾角，逆時(shí)針為正）：β0

直拉桿后球銷中心與主銷中心距離（沿Z軸方向）：h

前輪最大內(nèi)轉(zhuǎn)角：β內(nèi)

前輪最大外轉(zhuǎn)角：β外

主銷內(nèi)傾角：γ

主銷后傾角：θ

圖2

如圖2所示，O點(diǎn)為左輪主銷中心（車輪中心線與主銷軸線的交點(diǎn)），O1為直拉桿后球銷中心（前軸彎臂初始角度為0時(shí)），O'點(diǎn)為O1到主銷軸線的垂足，則O1O'的長(zhǎng)度為R。根據(jù)幾何關(guān)系，計(jì)算出O'點(diǎn)的坐標(biāo)為：

當(dāng)O1繞主銷軸線OO'旋轉(zhuǎn)角度β時(shí)，根據(jù)幾何關(guān)系，計(jì)算出O1的坐標(biāo)為：

如圖3所示，O0為轉(zhuǎn)向器輸出軸，O2'為轉(zhuǎn)向直拉桿的前球銷中心，當(dāng)轉(zhuǎn)向搖臂繞轉(zhuǎn)向器輸出軸旋轉(zhuǎn)角度α?xí)r，根據(jù)幾何關(guān)系，計(jì)算出O2的坐標(biāo)為：

圖3

當(dāng)轉(zhuǎn)向器初始角度為α0，前軸彎臂初始角度為β0時(shí)，由式（1）、（2）、（3）直拉桿前、后球銷中心的坐標(biāo)為：

前球銷中心坐標(biāo)：

由于轉(zhuǎn)向直拉桿的剛度很大，可認(rèn)為其在工作過(guò)程中長(zhǎng)度保持不變，根據(jù)空間兩點(diǎn)間的距離公式，由（4）、（5），初步算出直拉桿的長(zhǎng)度L。

轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)時(shí)，要求轉(zhuǎn)向盤左右兩邊轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)相當(dāng)，即要求轉(zhuǎn)向搖臂左右擺動(dòng)角度相差不大，一般不超過(guò)3°；同時(shí)要求在右轉(zhuǎn)向輪限位時(shí)轉(zhuǎn)向搖臂與轉(zhuǎn)向直拉桿的夾角要不大于150°；轉(zhuǎn)向傳動(dòng)比R/r的比值為0.85～1.1。

下面根據(jù)轉(zhuǎn)向直拉桿的長(zhǎng)度L計(jì)算搖臂的左右極限擺角及右轉(zhuǎn)向輪限位時(shí)轉(zhuǎn)向搖臂與轉(zhuǎn)向直拉桿的夾角。

轉(zhuǎn)向盤左轉(zhuǎn)極限時(shí)，左輪內(nèi)轉(zhuǎn)角達(dá)到最大為β內(nèi)，轉(zhuǎn)向盤右轉(zhuǎn)極限時(shí)，左輪外轉(zhuǎn)角達(dá)到最大為：β外，則直拉桿前球銷左右轉(zhuǎn)向極限時(shí)的坐標(biāo)為：

直拉桿后球銷左右轉(zhuǎn)向極限時(shí)的坐標(biāo)為：

直拉桿長(zhǎng)度保持不變，則有：

由式（7）、（8）、（9）、（10），求解三角函數(shù)，分別求出α左、α右，再根據(jù)余玄定理，計(jì)算出右轉(zhuǎn)向極限時(shí)轉(zhuǎn)向搖臂與轉(zhuǎn)向直拉桿的夾角δ。分別滿足如下要求：

再根據(jù)以上限定條件，通過(guò)調(diào)整α0及r，計(jì)算出合適的直拉桿長(zhǎng)度。

3、兩種方法對(duì)比

以某重卡轉(zhuǎn)向直拉桿的設(shè)計(jì)為例：

已知轉(zhuǎn)向器輸出軸坐標(biāo)：(-938.5,-721,-370)

轉(zhuǎn)向器搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)半徑：230mm

轉(zhuǎn)向器搖臂初始角度（搖臂與Z軸的夾角，逆時(shí)針為正）：13°

左主銷中心坐標(biāo)：（0，-937，-836.5）

前軸彎臂轉(zhuǎn)動(dòng)半徑：245mm

前軸彎臂初始角度（彎臂與Y軸的夾角，逆時(shí)針為正）：2.8°

前輪最大內(nèi)轉(zhuǎn)角：39°

前輪最大外轉(zhuǎn)角：32°

主銷內(nèi)傾角：7°

主銷后傾角：2°

（1）通過(guò)圖解法計(jì)算出相關(guān)參數(shù)如下：

表1

（2）通過(guò)本方法計(jì)算出的相關(guān)參數(shù)如下：

表2

（3）設(shè)計(jì)直拉桿長(zhǎng)度為907mm，裝車后進(jìn)行測(cè)量，相關(guān)參數(shù)如下：

表3

通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)圖解法計(jì)算的轉(zhuǎn)向直拉桿的長(zhǎng)度偏小，設(shè)計(jì)誤差較大。而本方法考慮了主銷內(nèi)傾角及后傾角的影響，因此設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果更準(zhǔn)確。該車經(jīng)過(guò)試驗(yàn)場(chǎng)10000km的驗(yàn)證，前橋限位后轉(zhuǎn)向搖臂未到極限位置，驗(yàn)證效果良好。

4、結(jié)論

本文根據(jù)重型4×2重卡車使用工況，充分考慮了主銷內(nèi)傾角及后傾角的影響，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向直拉桿長(zhǎng)度計(jì)算方法的研究，最終準(zhǔn)確設(shè)計(jì)4×2重卡車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的直拉桿。理論與實(shí)際相結(jié)合，完成了一種4×2重卡車轉(zhuǎn)向直拉桿的設(shè)計(jì)工作。本文所涉及的內(nèi)容對(duì)今后轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作具有一定的借鑒意義，有興趣的讀者可將此理論應(yīng)用到雙前橋轉(zhuǎn)向的直拉桿設(shè)計(jì)中。

[1] 王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

[2] 劉惟信.汽車設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社.

[3] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[上].人民交通出版社,2002.

[4] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[下].人民交通出版社,2002.

The research on the design method of heavy truck steering drag link

Yao Ying
( Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Specific to the steering drag link design of heavy truck steering system,this paper puts forward one calculationg method about the length of steering drag link under the consideration of kingpin inclination angle and caster angle on the front axle,compared with the traditional drawing method,this method can provide a reference for calcuating the length of steering drag link more accurately.

Steering arm; Pivot angle; Steering drag link; Length

U462.2

A

1671-7988(2016)07-128-03

姚英，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.040