孟紅芹

(中國(guó)公路車輛機(jī)械有限公司， 北京 100160)

1 斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)調(diào)整困難的原因

在獨(dú)立懸架的應(yīng)用過(guò)程中，為了使雙側(cè)輪胎上下跳時(shí)互不影響，需要將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)做成斷開(kāi)式[1-2]。斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有多種形式，本文為三段式，主要由中間橫拉桿和左、右轉(zhuǎn)向橫拉桿組成。該種布置形式可實(shí)現(xiàn)車輛的低地板，寬通道，短前懸，門可開(kāi)在前軸前端。該結(jié)構(gòu)適用于多種車型。

車輛的內(nèi)、外轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)輪胎的磨損影響很大。理論的內(nèi)、外轉(zhuǎn)角應(yīng)滿足式(1)所示的阿克曼轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系[3]，這一理論為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整提供了依據(jù)。

cotθo-cotθi=K/L

(1)

式中：θo、θi分別是車輪外、內(nèi)轉(zhuǎn)角；K是左右主銷中心線延長(zhǎng)線與地面的交點(diǎn)間距；L為車輛軸距。

當(dāng)車型改變時(shí)，K和L可能會(huì)隨之變化，導(dǎo)致原有的內(nèi)外轉(zhuǎn)角關(guān)系無(wú)法滿足新車型需求，因此需要調(diào)整轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)桿件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜[4-6]，調(diào)整難度大。設(shè)計(jì)斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)，常采用的方法有圖解法、網(wǎng)絡(luò)法，同時(shí)結(jié)合Matlab和ADMAS虛擬樣機(jī)進(jìn)行分析[7-10]，能夠較為精準(zhǔn)地進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是耗時(shí)長(zhǎng)，一般適用于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)階段。對(duì)于已成型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)品，其桿件和節(jié)臂多為開(kāi)模件，重新開(kāi)發(fā)制造成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)。在市場(chǎng)應(yīng)用中，要求動(dòng)作快、時(shí)間短、成本低，因此需要最大限度借用現(xiàn)有產(chǎn)品，結(jié)合常用軟件，快速調(diào)整參數(shù)，達(dá)到設(shè)定目標(biāo)。

為使同一斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)快速、低成本地滿足不同車型需求，本文提供一種快速調(diào)整轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)初始狀態(tài)

我司的035CFD3系列懸架承載3.5 t，采用雙橫臂獨(dú)立懸架+氣囊的結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于7 m左右高端商務(wù)車，該獨(dú)立懸架所用轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖1所示。

1—左轉(zhuǎn)向節(jié)臂； 2—左轉(zhuǎn)向橫拉桿； 3—左搖臂； 4—中間橫拉桿；5—右搖臂； 6—右轉(zhuǎn)向橫拉桿； 7—右轉(zhuǎn)向節(jié)臂。圖1 斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成

拉桿兩端均采用球鉸，球頭可在一定角度內(nèi)擺動(dòng)，桿件之間通過(guò)錐孔連接。其中左、右轉(zhuǎn)向橫拉桿為相同產(chǎn)品，左、右搖臂對(duì)稱安裝。

左、右轉(zhuǎn)向橫拉桿用于調(diào)整前束，保證輪胎姿態(tài)。以方向機(jī)在左側(cè)為例，左搖臂繞中心軸旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)中間橫拉桿，中間橫拉桿帶動(dòng)右搖臂和左、右轉(zhuǎn)向橫拉桿運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)左、右轉(zhuǎn)向節(jié)臂帶輪胎偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

其中，中間橫拉桿和左、右轉(zhuǎn)向節(jié)臂為鍛件已開(kāi)模，不建議更改；左、右轉(zhuǎn)向橫拉桿可調(diào)節(jié)長(zhǎng)短；左、右搖臂及其支架可在X方向移動(dòng)(車輛前進(jìn)方向)。

原來(lái)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用于比亞迪C6車型，本次項(xiàng)目應(yīng)用于宇通某6.9 m商用車，兩車型的軸距、車寬不同，導(dǎo)致原內(nèi)外轉(zhuǎn)角無(wú)法滿足新車型需求。

實(shí)際工作中，用阿克曼校正率RA來(lái)評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)角關(guān)系：當(dāng)RA在73%～93%時(shí)，內(nèi)、外前輪側(cè)偏角趨于一致，輪胎的磨損最小。其中，阿克曼校正率RA的定義為[11]：

RA=(θia-θo)/(θi-θo)

(2)

式中：θia是外輪轉(zhuǎn)角為θo時(shí)車型的實(shí)測(cè)內(nèi)轉(zhuǎn)角。

原車型主銷接地點(diǎn)間距1 586 mm,軸距3 935 mm，新車型對(duì)應(yīng)的參數(shù)分別為1 685 mm、3 100 mm。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，前束應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)保證輪胎的姿態(tài)正確，測(cè)量的內(nèi)、外轉(zhuǎn)角才有意義。將原轉(zhuǎn)向系統(tǒng)直接應(yīng)用于新車型，僅通過(guò)調(diào)整左、右轉(zhuǎn)向橫拉桿的長(zhǎng)度約束前束后，在三維模型上測(cè)量輪胎空間轉(zhuǎn)角θia，根據(jù)式(1)和式(2)，RA在20%～40%之間。新項(xiàng)目的RA目標(biāo)是80%以上，相差太遠(yuǎn)，需要重新調(diào)整轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，調(diào)整的方向是將新結(jié)構(gòu)內(nèi)轉(zhuǎn)角θia變大。

3 快速調(diào)整設(shè)計(jì)方法及效果

3.1 建立硬點(diǎn)投影模型

過(guò)主銷點(diǎn)，構(gòu)建一水平面，將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬點(diǎn)投影到該平面上，如圖2所示。

1—左轉(zhuǎn)向節(jié)臂； 2—左轉(zhuǎn)向橫拉桿； 3—左搖臂； 4—中間橫拉桿；5—右搖臂； 6—右轉(zhuǎn)向橫拉桿； 7—右轉(zhuǎn)向節(jié)臂。圖2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)投影示意圖

3.2 調(diào)整參數(shù)及效果分析

左、右轉(zhuǎn)向節(jié)臂、中間橫拉桿是鍛件，無(wú)法更改。可調(diào)整的有：左、右轉(zhuǎn)向橫拉桿長(zhǎng)度，左、右搖臂前后方向的位置。按照這一思路，暫定改變左、右搖臂在車架上的位置，看能否得到更好的轉(zhuǎn)角匹配結(jié)果。左、右搖臂位置改變后，要調(diào)整左、右轉(zhuǎn)向橫拉桿長(zhǎng)度，以保證前束在規(guī)定范圍內(nèi)。

以現(xiàn)搖臂在車架上位置為原始點(diǎn)，分別在X方向上，左、右搖臂同時(shí)向前移動(dòng)20 mm(+)、50 mm(+)，向后移動(dòng)20 mm(-)、50 mm(-)，當(dāng)左搖臂順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，左側(cè)為內(nèi)轉(zhuǎn)角，右側(cè)為外轉(zhuǎn)角。讓左搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)25°，各位置轉(zhuǎn)角示意如圖3所示。

1—左轉(zhuǎn)向節(jié)臂； 2—左轉(zhuǎn)向橫拉桿； 3—左搖臂； 4—中間橫拉桿；5—右搖臂； 6—右轉(zhuǎn)向橫拉桿； 7—右轉(zhuǎn)向節(jié)臂。圖3 搖臂各位置轉(zhuǎn)角示意圖

分析圖3可知，當(dāng)以左搖臂為輸入端，左、右搖臂同時(shí)向前、后移動(dòng)時(shí)，右側(cè)輪胎轉(zhuǎn)角(外轉(zhuǎn)角)變化不大，而左側(cè)輪胎轉(zhuǎn)角(內(nèi)轉(zhuǎn)角)變化明顯，會(huì)隨著左、右搖臂向后移動(dòng)而增大。即當(dāng)左、右搖臂同時(shí)向后移動(dòng)時(shí)，相同外轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的內(nèi)轉(zhuǎn)角增大，有接近理想的阿克曼曲線的趨勢(shì)。

由于投影是平面示意圖，測(cè)量的角度不能完全反應(yīng)空間角，因此在三維模型中尋找更為合適的位置。

3.3 三維模型調(diào)整

直接用三維模型校核轉(zhuǎn)向時(shí)，要調(diào)整左、右搖臂位置，前束，左、右轉(zhuǎn)向拉桿長(zhǎng)度，還需考慮實(shí)際空間，過(guò)程較為復(fù)雜。通過(guò)平面轉(zhuǎn)角調(diào)整，獲得調(diào)整趨勢(shì)，能夠指導(dǎo)三維模型調(diào)整方向，提高工作效率。

結(jié)合平面轉(zhuǎn)角調(diào)整結(jié)論和實(shí)際安裝空間，三維模型中需將左、右搖臂同時(shí)向后移動(dòng)。具體調(diào)整步驟如下：

1) 在圖1的上視圖繪制2條線，與輪胎中心線重合，如圖4所示，通過(guò)測(cè)量輪胎中心線與中性面的夾角，可得到輪胎的空間轉(zhuǎn)角。

1—左輪胎中心線； 2—中性面； 3—右輪胎中心線。圖4 輪胎中心線與中性面

2) 確定車架上可用空間，在空間范圍內(nèi)，同時(shí)移動(dòng)左、右搖臂。

3) 調(diào)整前束，前束在0～2 mm之間，該數(shù)值可以通過(guò)測(cè)量步驟1)中輪胎中心線前后點(diǎn)得到，即圖4中0

4) 改變左、右轉(zhuǎn)向搖臂夾角，測(cè)量輪胎內(nèi)、外轉(zhuǎn)角。

經(jīng)過(guò)三維模型調(diào)整，在左、右搖臂同時(shí)向后移動(dòng)49 mm時(shí),得到較為理想的轉(zhuǎn)角關(guān)系。

經(jīng)計(jì)算，調(diào)整后的RA在88%～90%之間，滿足新車型的需求。

3.4 測(cè)試效果

調(diào)整后的懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝車后在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是汽車操穩(wěn)性的國(guó)標(biāo)和測(cè)評(píng)方法[12-13]。測(cè)試結(jié)果良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)投影到二維平面，簡(jiǎn)化模型，調(diào)整可變參數(shù)，尋找理想的轉(zhuǎn)角關(guān)系趨勢(shì)，并結(jié)合三維模型和實(shí)際空間，找到合適的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝位置，從而簡(jiǎn)單、快速地調(diào)整斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，獲得良好的轉(zhuǎn)向性能。本文將二維平面圖和三維模型相結(jié)合的方法，也可應(yīng)用到其他類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)中。