客車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)跳動(dòng)干涉解析法研究與應(yīng)用

孟秀成

摘 要：剖析客車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法，使用現(xiàn)代科學(xué)計(jì)算優(yōu)勢(shì)運(yùn)用解析法進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析，運(yùn)用數(shù)學(xué)建模，圖解驗(yàn)證，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的跳動(dòng)干涉進(jìn)行解析設(shè)計(jì)，為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)提供運(yùn)算參考，提高設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)能力。

關(guān)鍵詞：解析法 客車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 跳動(dòng)干涉 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置

客車(chē)以及商用車(chē)在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置與設(shè)計(jì)中，目前行業(yè)內(nèi)使用的方法都為圖解法[1]-[5]，關(guān)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的跳動(dòng)干涉，對(duì)車(chē)輛整體性能而言至關(guān)重要，跳動(dòng)干涉量布置的不合理會(huì)導(dǎo)致跑偏現(xiàn)象的發(fā)生，傳統(tǒng)的圖解設(shè)計(jì)方法，從設(shè)計(jì)角度看，可以滿足設(shè)計(jì)要求，但是在最優(yōu)解，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中略顯乏力，想要知道整個(gè)轉(zhuǎn)向跳動(dòng)中心最優(yōu)解的位置，使用圖解法基本不能實(shí)現(xiàn)，本文通過(guò)數(shù)學(xué)建模的方式解析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的跳動(dòng)干涉，預(yù)測(cè)滿足跳動(dòng)設(shè)計(jì)要求的坐標(biāo)落點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)提高設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)精度以及管理設(shè)計(jì)技術(shù)狀態(tài)的目的。

1 跳動(dòng)干涉對(duì)客車(chē)轉(zhuǎn)向的影響

在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，跳動(dòng)干涉量對(duì)于車(chē)輛的影響在于車(chē)輛操縱穩(wěn)定性和安全性，當(dāng)實(shí)際設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置中出現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)的跳動(dòng)干涉量超過(guò)了安全限定范圍，直觀的會(huì)在車(chē)輛運(yùn)行中出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致輪胎出現(xiàn)偏磨，減少輪胎的使用壽命，當(dāng)干涉量超出安全界限，會(huì)降低車(chē)輛的轉(zhuǎn)向特性，使得車(chē)輛的安全性得不到保證。

2 解析法基本設(shè)計(jì)原理

2.1 連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)相對(duì)不變性

客車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)校核基本原理都是基于連桿的運(yùn)動(dòng)特性，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)相對(duì)不變性[7]的原理對(duì)懸架的跳動(dòng)中心進(jìn)行擬合推演，推演分析如圖1所示：

1）A點(diǎn)為上推力桿的固定端球頭中心點(diǎn)在YZ平面的投影位置，A1為上推力桿的活動(dòng)端球頭中心點(diǎn)在YZ平面的投影位置。在懸架跳動(dòng)過(guò)程中，上推力桿是在以A為圓心，AA1為半徑，作圓周運(yùn)動(dòng)，因此，以A點(diǎn)為圓心、AA1為半徑擬合上推力桿運(yùn)動(dòng)軌跡得圓弧A2A1A3;

2）B點(diǎn)為下推力桿的固定端球頭中心點(diǎn)在YZ平面的投影位置，B1為下推力桿的活動(dòng)端球頭中心點(diǎn)在YZ平面的投影位置。同理，在懸架跳動(dòng)過(guò)程中，下推力桿是在以B為圓心，BB1為半徑，作圓周運(yùn)動(dòng)，因此，以B點(diǎn)為圓心、BB1為半徑擬合下推力桿運(yùn)動(dòng)軌跡得圓弧B2B1B3;

3）C1點(diǎn)為轉(zhuǎn)向節(jié)臂端直拉桿球頭銷(xiāo)球頭中心點(diǎn)在YZ平面的投影位置。連接A1B1C1構(gòu)成三角形。

4）過(guò)A1點(diǎn)作水平線l1；同時(shí)向上偏置懸架上跳高度尺寸作出水平線l2；向下偏置懸架下跳高度作出水平線l3；通過(guò)l2和l3兩條直線構(gòu)成跳動(dòng)干涉的安全評(píng)判依據(jù)界限。

5）水平線2與圓弧A2A1A3相交求得A2點(diǎn)；水平線l3與圓弧A2A1A3相交求得A3點(diǎn)；

6）以A2點(diǎn)為圓心、以A1B1為半徑作圓弧與圓弧

B2B1B3相交求得B2點(diǎn)；同樣以A3為圓心、以A1B1為半徑作圓弧與圓弧B2B1B3相交求得B3點(diǎn)；

7）以A2為圓心、以A1C1為半徑作圓弧與以B2點(diǎn)為圓心、以B1C1為半徑作圓弧相交求得C2點(diǎn);以A3為圓心、以A1C1為半徑作圓弧與以B3點(diǎn)為圓心、以B1C1為半徑作圓弧相交求得C3點(diǎn);

8）過(guò)C2、C1、C3三點(diǎn)作圓弧并求得該圓弧的圓心C點(diǎn)，則C點(diǎn)即為轉(zhuǎn)向節(jié)臂上的直拉桿球銷(xiāo)中心的跳動(dòng)點(diǎn)，即轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的懸架跳動(dòng)中心。

2.2 坐標(biāo)系的建立及其參數(shù)設(shè)置

利用解析法研究轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的跳動(dòng)干涉旨在解決實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題，能夠在各種車(chē)型上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的原理通用，所以坐標(biāo)系的選取需要具備車(chē)輛布置圖的通用特征，如公式、模塊一般改變客車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，提高設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性和設(shè)計(jì)的高效性。如圖1所示，以輪胎接地點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，以坐標(biāo)系為基礎(chǔ)需要給出以下參數(shù)表，作為解析法分析設(shè)計(jì)的初始條件。具體內(nèi)容如表1所示。

3 建立數(shù)學(xué)模型及運(yùn)算求解

3.1 數(shù)學(xué)模型

解析法的分析，需要是方程式為基礎(chǔ)，跳動(dòng)干涉的數(shù)學(xué)模型需要使用表1中的參量進(jìn)行建模，以上跳干涉量為例分析如下：

同理計(jì)算下跳干涉量：

其中（1）式為圓標(biāo)準(zhǔn)方程，用來(lái)推演轉(zhuǎn)向跳動(dòng)軌跡，（2）式為后續(xù)轉(zhuǎn)向跳動(dòng)干涉評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)中干涉量需的直線方程。（3）為兩點(diǎn)間的距離公式用于計(jì)算干涉量。以上公式中的參數(shù)均已在表1中說(shuō)明。其中由（1）～（3）算得上跳干涉量，由（4）～（6）算得下調(diào)干涉量。圖2中A2位置的上跳干涉量為（1）～（3）式計(jì)算得出，靠近C2的下跳干涉量由（4）～（6）式計(jì)算得出。

3.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)整體運(yùn)算求解

求解（1）、（2）方程組會(huì)獲得轉(zhuǎn)向跳動(dòng)中心的橫坐標(biāo)，將計(jì)算得出的橫坐標(biāo)利用（2）式進(jìn)行求解，獲得轉(zhuǎn)向跳動(dòng)中心的完整坐標(biāo)，帶入（3）式計(jì)算上跳干涉量，同理，下跳干涉量使用（4）～（6）式計(jì)算。至于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)整體運(yùn)算，借助excel進(jìn)行分析計(jì)算，以轉(zhuǎn)向系統(tǒng)跳動(dòng)中心坐標(biāo)為變量，如表1所示x坐標(biāo)的取值范圍從-1000以1mm不斷遞增到-1399，y坐標(biāo)的取值范圍從501以1mm不斷遞增到900。

干涉量計(jì)算表基本邏輯如圖3所示，如果AND（上跳干涉量<4，下跳干涉量<5）則該位置滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，對(duì)應(yīng)的顯示相應(yīng)的坐標(biāo)值。如果結(jié)果超出了安全范圍，則以0為結(jié)果顯示，實(shí)現(xiàn)運(yùn)算結(jié)果可視化，直觀的得出設(shè)計(jì)成果。以某6120出口底盤(pán)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例，截取滿足設(shè)計(jì)要求的某一區(qū)段，上跳干涉量運(yùn)算結(jié)果如表2所示：隨著坐標(biāo)值的遞增，到某一數(shù)值時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)符合要求的轉(zhuǎn)向跳動(dòng)中心坐標(biāo)。根據(jù)布置圖和設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)現(xiàn)快速相應(yīng)，得出更為優(yōu)秀的設(shè)計(jì)結(jié)果。

4 引入PDCA和SDCA管理對(duì)成果進(jìn)行封裝

引入PDCA和SDCA管理對(duì)成果進(jìn)行封裝的基本思想是，站在巨人的肩膀上永遠(yuǎn)不能成為新的巨人，實(shí)際的設(shè)計(jì)優(yōu)化，成果的進(jìn)步需要把原有的成果傳承好，保證原有質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上再做創(chuàng)新和優(yōu)化成為新巨人。PDCA（Plan Do Chack Action）PDCA循環(huán)是全面質(zhì)量管理所應(yīng)遵循的科學(xué)程序，應(yīng)用于質(zhì)量管理活動(dòng)當(dāng)中，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)同樣適用，結(jié)合 SDCA（Steady Do Chack Action）如圖4所示，初始設(shè)計(jì)成果在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中有了改進(jìn)優(yōu)化的空間而產(chǎn)生的波動(dòng)，是一個(gè)PDCA過(guò)程，當(dāng)新一輪設(shè)計(jì)優(yōu)化完成時(shí)會(huì)由臺(tái)階①進(jìn)入臺(tái)階②，臺(tái)階②會(huì)穩(wěn)定運(yùn)行一個(gè)過(guò)程，當(dāng)可以優(yōu)化的因素產(chǎn)生或者產(chǎn)品在實(shí)際驗(yàn)證中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，SDCA后段會(huì)進(jìn)入波動(dòng)，重新進(jìn)入PDCA循環(huán)進(jìn)行運(yùn)作。當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)數(shù)學(xué)建模，解析設(shè)計(jì)之后，就會(huì)如同程序一般對(duì)外的接口固定不變，臺(tái)階①到臺(tái)階②的過(guò)程只會(huì)存在于內(nèi)部，這對(duì)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，產(chǎn)品質(zhì)量不會(huì)受到人員變動(dòng)而發(fā)生影響，對(duì)于產(chǎn)品升級(jí)會(huì)保持原有的成果不斷迭代提升。

5 結(jié)論

在解析法的研究及應(yīng)用過(guò)程中，總結(jié)如下：

1）提升設(shè)計(jì)效率，工程師可以直接使用解析法判斷出滿足要求的大概位置，進(jìn)行性驗(yàn)證設(shè)計(jì)。

2）提升產(chǎn)品質(zhì)量和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，通過(guò)解析法直觀求解易于生產(chǎn)加工的安裝位置，減少制造誤差。

3）統(tǒng)一企業(yè)零部件技術(shù)狀態(tài)，通過(guò)解析法在相似車(chē)型中從設(shè)計(jì)角度保證零部件的技術(shù)狀態(tài)統(tǒng)一，例如轉(zhuǎn)向直拉桿或者轉(zhuǎn)向垂臂，便于管理統(tǒng)計(jì)。

4）便于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)資料的管理，結(jié)合轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，形成規(guī)范化的設(shè)計(jì)文件，形成組織記憶便于管理，引入PDCA和SDCA管理對(duì)成果進(jìn)行封裝使得系統(tǒng)迭代提升更加有效，消除人員變動(dòng)帶來(lái)的影響。

結(jié)合行業(yè)內(nèi)的干涉量判斷標(biāo)準(zhǔn)，各家車(chē)企要求不太一樣，相比較于單純的圖解法通過(guò)數(shù)學(xué)解析很輕松將干涉量做到4mm以內(nèi)乃至于3mm，應(yīng)用數(shù)學(xué)運(yùn)算解析的方法進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)成果做成相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)文件，使得在人才培養(yǎng)方面，初入行業(yè)的設(shè)計(jì)人員能夠做到相同的設(shè)計(jì)結(jié)果，保證產(chǎn)品的質(zhì)量不會(huì)隨人員變動(dòng)出現(xiàn)差異。所以從技術(shù)方法分析，在結(jié)合當(dāng)下各種強(qiáng)大的運(yùn)算軟件作為設(shè)計(jì)支撐，解析法是很有必要的。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪威，林安，莊振京.CATIA DMU模塊在商用車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].重型汽車(chē)，2017（04）：25-27.

[2]勞孟瀟，張渤，郝新剛，侯嘉暉，張瀚文，陳澤宇.半掛牽引車(chē)懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干涉模型及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].公路與汽運(yùn)，2021（01）：1-4.

[3]胡濤. 輕型貨車(chē)轉(zhuǎn)向桿系優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[D].清華大學(xué)，2005.

[4][5]汪隨，袁葭杰.低地板城市客車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2021，46（11）：38-40.DOI：10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.011.013.

[6]孟慶石，肖俊濤，洪安陽(yáng)，李敏，孟慶川.客車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向器定位方法研究[J].客車(chē)技術(shù)與研究，2016，38（03）：4-6.DOI：10.15917/j.cnki.1006-3331.2016.03.002.

[7]余志生主編. 汽車(chē)?yán)碚? 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2009.03.

[8]安子軍主編. 機(jī)械原理. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2020.02.