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客车转向系统分析.doc

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客车 转向 系统分析
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客车转向 系统分 析 介绍 程杰 (东风 扬子 江汽 车( 武汉 ) 有限责 任公 司城 市客 车研 究院) 转向系统, 即用来改变或恢复汽车行驶方向的机构, 是汽车, 也是公交客车 的重要组成部分。 转向系统的布置、 设计、 装 配直接影响着公交车的 驾驶稳定性、 安全性、 操纵灵活性及乘座舒适性 。 下面对客车 转向系统基础知识、 常见几种布 置形式、运动 干涉校核 及转向拉杆强度校核办法 等方面进行简单介绍,分析。 一、 客车转向系统的类型和组成 转向系统主要由转向操纵机构、 转向器和转向传动机构组成。 其中, 转向器 是转向系统最重要的组成部分, 它是转向系统中的减速传动装置。 目 前汽车上广 泛采用的有齿轮条式、 循环球式及蜗杆风柄指销式几种, 我厂生产的公交客车一 般使用循 环球 式转向 器 ,它有正 确效 率很高 ( 可达 90%-95%) 、使 用 寿命长、操 纵轻便、 工作平稳可靠等优点。 但其逆效率也高, 容易将路面冲击力传动转向盘。 客车转向系统按转向能源的不同分为机械转向和动力转向系统两类。 机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源,其中所有传力件都是机械的 。 动力转向系统是兼用驾驶员体力和发动机 (或电机) 的动力作为转向能源的 转向系统。 在正常情况下, 汽车转向所需的能量只有一小部分由驾驶员提供, 而 大部分能量由发动 机 (或电动机) 通过转向加力装置提供。 但在转向加力装置失 效时, 一般还应当能由驾驶员独立承担汽车转向任务。 因此, 动力转向系统是在 机械转向系统的基础上加设的一套转向加力装置而形成的。 在我厂出 产的 公交车 中 ,10 米及 以下 的车辆 机械转向 与动 力转向 均 为常见 配置,10 米以上的公交车则多配置动力转向以减轻驾驶员的疲劳强度。 二、 常见客车转向布置形式和特点 1、 传统转向系统布置形式 及特点分析 传统转向系统布置形式如下图所示。 C:弹簧 主片中 心;O1 :C 点的 摆动中 心;A1 :转向节 臂球销 中心;B1:转 向摇臂下端球销中心;O2:A1 点随悬架的摆动中心;K:A1 点随 B1 点跳动的轨 迹;J:A1 点随 O2 点的跳动轨迹;fc:静挠 度;fd:动挠度;HG、H′G′:轨 迹偏差 图1:传统转向系统布置 及运动干涉校核简图 上图给 出了转向传动装置与悬架共同工作校核图 , 图中校核方法是美国 SAE 杂志推荐的校核方法 , 目的是检查转向拉杆与悬架导向机构的运动是否协调。如图所示,转向直拉杆球头中心点 A1、前板簧主片中心 C、弹簧主片旋转中心 C、 O1 点随悬架的摆动中心 O2 组成了一个平行四边形, 此方法即使用平形四边形原 理求出转向节臂球销中心随车桥运动的轨迹 。 在此种布置形式中, 转向器一般布 置在前钢板支 架前部 , 容易找到合适的转向器布置位置, 使得运动不协调造成的 轨迹偏差 GH 和 G′H′ 较小。一般来说,GH 和 G′H′这一偏差应控制在轮胎的 弹性变形范围内。 此种布置也有缺点, 就是转向器竖立会导致 地板升高, 驾驶仓 空间紧张等因素。 2、 采用中间摆臂形式 转向系统布置形式及特点分析 采用中间摆臂形式转向系统主要常见于 10 米 以上,前悬较长,转向器布置 靠前的公交车。在此种车上,传统的布置形式已经不能满足要求。下图是我 司 WG6100EH 型客车采用中间摆臂形式的转向系统布置形式 及运动干涉校核图 。 图2 :WG6100EH 车转向系统布置及运动干涉校核简图 此种布置形式与传统布置形式相比, 增加了前直拉杆、中间摆臂 两个总成, 设计时应尽量使前直拉杆和后直拉杆处于中间摆臂的 同侧, 否则中间摆臂在运动 百时会形成一个扭矩,使中间摆臂轴承容易损坏。 其主要优点 是: 1 、 由 于 中 间 摆 臂 的 安 装 及 布 置 要 比 转 向 器 的 布 置 安 装 简 单 得 多 , 所 以 和采用传统的转向系统布置形式相比,B1 点更容易布置在 O2 点附 近,使 运 动不协调造面的轨迹偏差更小。 2 、转向器布置 位 置 较 为 灵 活 , 特 别 是 转 向 器 的 高 低 位 置 布 置 的 选 择 余 地较大, 从而使得在整车总体布置时, 从方向盘至 转向器的传动装置 布置更 为合理、方便。 其缺点 是: 1、由 于转向 系统增 加 了前直 拉杆和 中间摆 臂 ,而且 中间摆 臂的加 工 及 安装精度较高, 使得整车 成本 有所增加, 整个转向系统的 可靠性也有所降低 。 2、在 整个车 营运初期 ,由 于多了 一 道中间传 动环 节,增 大 了转向传动 阻力, 从而使整车转向时可能出现 转向沉重、 回正不好 的现象。 而在整车营 运一段时间后, 各传动副之间的间隙加大, 使得转向系统的转向自由间隙较 大, 调整比较困难 。 3、采用 角传动器传动 布置形式 角传动器布置形式的转向系统常见于 10 米以上的公交客车,下图为我 司 WG6102EH 车布置简图以及转向运动干涉校核图。 图3 :WG6102EH 车转向系统布置及运动干涉校核简图 在此种布置形式中, 转向器的布置均为卧式, 由于从方向盘至转向器的输入 角度过大, 不可能实现用一根转向柱将方向盘与转向器连接起来, 所以以通常的 方法是在中间加一处角传动器来转换传动角度。 其优点 为: 1 、能有效 降 低 地 板 高 度 , 因 为 大 型 城 市 客 车 的 前 轴 荷 较 大 , 所 以 转 向 器的体积也较大, 加上地板全部较低, 如转向器按常规布置, 则转向器会有 部分或全部在地板面以上,造成传动困难、密封困难及车内不美观等问题。 而将转向器卧 置后, 转向器的高度下降较多, 加上角传动的体积很小, 所以 基本上不影响地板面高度,而且不影响整车的接近角。 2 、 方 向 盘 的 布 置 位 置 较 为 灵 活 。 由 于 从 方 向 盘 传 动 到 转 向 器 要 经 过 转 向管柱及传动轴二次万向传动,所以方向盘和转向器在布置位置上在整车 X 及 Y 方向上都可以有较大的距离。 此种布置形式的 缺点是: 转向系统的 零部件增加,成本也增加 。 三、转向拉杆稳定性校核方法 转向拉杆是转向系统中保障车辆行驶安全的重要组成部分。转向拉杆的材 料、 加工方式等设计均能对拉杆的稳定性造成直接影响。 拉杆的设计既要考虑到 转向系统的实际布置情况, 又要顾及它的刚度、 强度 等多方面因素。 若转向拉杆 的稳定性达不到要求, 会形成转向系统的严重安全隐患, 轻则转向拉杆长期运营 后形变, 转向不正; 重则转向拉杆断裂, 生成转向失灵, 引起安全事故。 下面就 我公司生产的WG6100A1 型的拉杆稳定校核方法作一说明。 WG6100A1 型车转向拉杆外形图如下: 图4:WG6100A1 型转向拉杆外形图 基本参数:满载前轴轴 荷G1=4180kg 转向拉杆杆体外径 D=3.5cm ,d=2.5cm 转向拉杆长度 l=155cm 转向拉杆材料为 35#,其弹性模量 E=2.1×1000000 转向拉杆的压应力 δc= F QQ= 2 1 G= 2 4180 =2090 F= ) ( 4 ∏ 2 2 d D ? = ) 5 . 2 5 . 3 ( 4 ∏ 2 2 ? 4.712cm c δ = 2 / 55 . 443 712 . 4 2090 cm kg ? 转向拉杆纵向弯曲应力 δcr=∏ F l EJ 2 2 ∏J= 449 . 5 64 ∏ ) 5 . 2 5 . 3 ( 4 4 ? ? ?2 2 6 2 cr / 62 . 997 712 . 4 155 449 . 5 10 1 . 2 14 . 3 δ cm kg ? ? ? ? ? ? 稳定性安全系数 ε= 25 . 2 55 . 443 62 . 997 δ δ c cr ? ? ε=2.25>1.0 ,转向拉杆满足使用要求 四、影响公交车辆转向性能的其他方面 其实,影响 公交车辆转向性能的方面还很多: 转向角度是其中一个重要因素。在设计转向系统时,在不影响操纵轻便性 , 不影响汽车安全性 的前提下, 应 尽可能增大转向角度。 实践证明, 转向角度大的 公交车在公路上更具灵活性, 它的优势在一些窄路上尤为明显。 但有时若角度增 得太大, 会产生负面影响, 比如使转向吃力; 增大转向器旋转力臂而使转向力矩 增大, 影响车架可靠性等 。 当使用动力转向器时, 若为增大转向角度而大量增加 旋转力臂 , 有可能导致转角已 经到达极限但转向器工作状态没到达极限, 仍在施力。 我厂使用的动力转向器的传动比一般为 20:1 左右, 若旋转力臂过长, 转向 器的最大输出扭矩 会大量增加, 加重整个转向系统的受力, 会加剧转向系统的磨 损, 因此, 我们每设计一个新的转向系统, 都应该计算好它的转向角度, 将转向 器的转向能力及旋转力臂的长度调整到使转向角度达到要求足矣, 不可盲目增大 转向器输出转向角度或增大旋转力臂 。 车辆在装配的过程中进行的不当装配, 或装配失误也是导致转向性能不好的 一个方面,比如转向油管不拧紧漏油,装配有间隙等。 车辆在长期运行过程中, 部分零部件损坏, 横 直拉杆锈蚀, 转向间隙增大 等, 也会对转向性能产生负面影响。 它会导致车辆 转向吃车, 发飘, 车辆跑偏, 转向 产生噪声等问题。 其中,车辆发飘,跑偏现象比较常见,也比较难以查找原因。 车辆发飘是指方向盘居中时, 汽车向前行过程中从一侧飘向另一侧的现象。 发飘 的汽车行驶时, 难以保证向正前方向行驶而总向一边跑偏。 车辆发飘的故障首先 应检查机械部分和外部因素。汽车行驶在拱形路面的一侧时本身就有跑偏的倾 向, 拱形越大跑偏就越明显, 这是外部因素。 轮胎两边气压不均匀或左右轮胎磨 损差异较大, 前钢板错位 (如钢板中心螺栓) 或悬架元件损坏, 前轮 定位偏差较 大,转向传动机械连接处间隙过大或连接松动或磨损过甚等都会造成车辆跑偏。 如果排除以上因素, 车辆跑偏问题仍存在, 则可能是油液脏污导致阀芯与阀套运 动受到阻滞, 也可能是转向机内转向控制阀弹簧损坏或太软, 难以克服转向器传 动阻力, 使控制阀不能及时回位, 也可能是转向控制阀阀芯偏离中间位置, 或虽 然在中间位置但与阀套槽肩的缝隙大小不一致。 影响车辆转向性能的因素还很多,在此不一一举例 五 、结束语 通过上文对转向系统基本知识、 布置形式、 拉 杆稳定性校核方法等方面的介 绍, 可以看出转向系统在车辆中的重要性, 它直接影响着公交 车辆在运行中的舒 适性、 可靠性等各种性能, 若设计者缺乏设计知识及经验, 可能会造成极其严重 的后果。 影响转向系统性能的 因素涉及到很多方面。 我们作为 工程技术人员, 必 须不断积累理论知识, 积累实践经验, 以严谨科学的态度面对各个技术难题,设 计出更加安全、舒适的公交车辆。 参考文献: [1] 陈家瑞,马天飞《汽车构造》第五版,人民交通出片社,2008 [2] 李立斌《工程力学》 ,机械工业出版社,2007 [3] 《客车技术与研究》2006 年第三期 [4] 《客车技术与研究》2006 年第六期 [5] 中国客车网
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