張淵源，王鑫鵬

低入口城市公交轉(zhuǎn)向系設(shè)計(jì)

張淵源1，王鑫鵬2

（1.金龍汽車（西安）有限公司，陜西 西安 710021；2.陜西通家汽車股份有限公司，陜西 西安 710021）

近年來(lái)城市公交越來(lái)越多的使用低入口的城市客車，文章以SX6123GK93H低入口城市公交為例，介紹低入口城市公交轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)。根據(jù)車輛相關(guān)參數(shù)及要求，最終選擇了轉(zhuǎn)向器臥式布置的布置形式，此種布置形式能夠有效降低地板的高度，保證車輛運(yùn)行的接近角。通過(guò)作圖分析確定了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部件的具體位置，并進(jìn)行了最小轉(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)向拉桿強(qiáng)度的計(jì)算校核，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)校核分析，通過(guò)計(jì)算分析最終的設(shè)計(jì)可以滿足國(guó)家法規(guī)及車輛的使用。

城市公交；低入口；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-82-04

引言

近幾年城市公共交通的發(fā)展越來(lái)越體現(xiàn)出了一個(gè)城市的發(fā)展，每個(gè)城市對(duì)于城市公共交通的投入也越來(lái)越重視，而低入口的城市公交因其上下乘客的便利性也被越來(lái)越多的公交公司和乘客所接受。而轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在車輛的行駛中具有很重要的作用，它不僅直接影響著車輛在運(yùn)行中的可靠性，而且間接影響到舒適性等各種性能。而低入口的城市公交轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在布置上與常規(guī)的公交車不一樣，必須盡可能低的降低車輛的地板高度。

1 轉(zhuǎn)向系的設(shè)計(jì)與布置

1.1 根據(jù)總布置設(shè)計(jì)任務(wù)聯(lián)系單可得到如下參數(shù)

前軸采用東風(fēng)門式前軸盤式制動(dòng)器，最大承載7.5t；

底盤軸距6100mm；

前輪輪距2101mm；

前懸2185mm；

前橋處車架上平面離地高度410mm；

采用進(jìn)口ZF8098循環(huán)球式動(dòng)力方向機(jī)；

底盤采用兩氣囊精瑞空氣懸掛；

錦湖295/80R22.5；

底盤駕駛臺(tái)上平面距離車架上平面300mm。

1.2 確定布置形式

本次設(shè)計(jì)為低地板城市公交配套底盤，前軸處車架上平面離地高度為410mm，為了方便乘客上下，前門門框尺寸的設(shè)計(jì)寬度為1375mm；前懸長(zhǎng)度達(dá)2185mm。因此，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置時(shí)，轉(zhuǎn)向柱管與方向機(jī)之間采用了角傳動(dòng)過(guò)渡連接，同時(shí)將方向機(jī)平臥。由于本次底盤采用的是大落差前橋，其轉(zhuǎn)向節(jié)臂與工字梁的距離較小，如采用慣用的轉(zhuǎn)向垂臂布置形式，一是轉(zhuǎn)向縱拉桿在運(yùn)動(dòng)中可能會(huì)與工字梁發(fā)生干涉；二是地板高度的限制，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)將轉(zhuǎn)向搖臂橫置，這樣轉(zhuǎn)向縱拉桿在運(yùn)動(dòng)時(shí)占用的垂直空間就較小[1]，見(jiàn)下圖1。

此種布置的優(yōu)點(diǎn)為：

a、能有效降低地板高度，因?yàn)榇笮统鞘锌蛙嚨那拜S荷較大，所以轉(zhuǎn)向器的體積也較大，加上地板全部較低，如轉(zhuǎn)向器按常規(guī)布置，則轉(zhuǎn)向器會(huì)有部分或全部在地板面以上，造成傳動(dòng)困難、密封困難及車內(nèi)不美觀等問(wèn)題。而將轉(zhuǎn)向器臥置后，轉(zhuǎn)向器的高度下降較多，加上角傳動(dòng)的體積很小，所以基本上不影響地板面高度，而且不影響整車的接近角。

b、方向盤的布置位置較為靈活。由于從方向盤傳動(dòng)到轉(zhuǎn)向器要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向管柱及傳動(dòng)軸二次萬(wàn)向傳動(dòng)，所以方向盤和轉(zhuǎn)向器在布置位置上在整車X及Y方向上都可以有較大的距離。

圖1

1.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具體布置匹配設(shè)計(jì)

1.3.1 根據(jù)底盤總體要求的角轉(zhuǎn)向器定位尺寸及相應(yīng)參數(shù)，選擇同向傳動(dòng)，傳動(dòng)比1：1的角轉(zhuǎn)向器，并在車架圖上準(zhǔn)確標(biāo)定其位置；

1.3.2 參考前軸及前懸架布置裝配,在不干涉條件下初步布置方向機(jī)位置，在方向機(jī)位置初步確定后，即可相應(yīng)選定角轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度，根據(jù)角轉(zhuǎn)向器輸出軸及方向機(jī)輸入軸花鍵參數(shù)，進(jìn)而確定角轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的具體型號(hào)；由前軸轉(zhuǎn)角參數(shù)初選配轉(zhuǎn)向搖臂，注意搖臂大端孔參數(shù)是否與方向機(jī)輸出參數(shù)軸配合：本次選取進(jìn)口ZF8098方向機(jī)，輸出軸參數(shù)為德國(guó)ZGN738標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)向搖臂大端孔需配合采用相同標(biāo)準(zhǔn)，保證搖臂與方向機(jī)順利裝配。我司目前采用的轉(zhuǎn)向搖臂為德國(guó)MAN技術(shù)，本次初選搖臂為帶13mm落差，孔距290mm，搖臂小端孔參數(shù)由轉(zhuǎn)向縱拉桿上所配球頭確定。

根據(jù)前軸提供的極限內(nèi)、外轉(zhuǎn)角參數(shù)，將前軸布置在分析圖上；在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部各部件運(yùn)動(dòng)時(shí)不干涉的前提下，初步分析出轉(zhuǎn)向縱拉桿的外型參數(shù)，即拉桿總長(zhǎng)、折彎位置、折彎半徑和折彎落差。由前軸轉(zhuǎn)向節(jié)臂上錐孔參數(shù)，可以選出轉(zhuǎn)向縱拉桿上球頭參數(shù)，進(jìn)而可以推斷出前面轉(zhuǎn)向搖臂小端孔與球頭配合的參數(shù)，至此轉(zhuǎn)向搖臂的關(guān)鍵尺寸參數(shù)均確定完畢。

在已知搖臂、拉桿及前軸極限轉(zhuǎn)角范圍后，由方向機(jī)的最大圈數(shù)及最大轉(zhuǎn)角范圍可以推算出在使用此前軸時(shí)搖臂擺角范圍：此角度范圍要求最好左右分中，使方向盤向左、右轉(zhuǎn)動(dòng)的最大圈數(shù)盡量一致，在搖臂左、右擺角范圍相差較大時(shí)，可以采用搖臂“倒齒”的方法減小此差值。

此時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所需的重要參數(shù)已初步得出，得到的轉(zhuǎn)向系分析圖如下圖2所示。

2 轉(zhuǎn)向系的計(jì)算校核

2.1 最小轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算

由已采用的前軸極限轉(zhuǎn)角值及底盤相應(yīng)參數(shù)核算轉(zhuǎn)彎半徑數(shù)值是否滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

車身最內(nèi)點(diǎn)最小轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算[2]：

車身最外點(diǎn)的最小轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算：

==12264.980011805971141437615283822mm；基本滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3]。

2.2 轉(zhuǎn)向縱拉桿穩(wěn)定性校核

轉(zhuǎn)向拉桿是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中保障車輛行駛安全的重要組成部分。轉(zhuǎn)向拉桿的材料、加工方式等設(shè)計(jì)均能對(duì)拉桿的穩(wěn)定性造成直接影響。拉桿的設(shè)計(jì)既要考慮到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的實(shí)際布置情況，又要顧及它的剛度、強(qiáng)度等多方面因素。若轉(zhuǎn)向拉桿的穩(wěn)定性達(dá)不到要求，會(huì)形成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的嚴(yán)重安全隱患，輕則轉(zhuǎn)向拉桿長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后形變，轉(zhuǎn)向不正；重則轉(zhuǎn)向拉桿斷裂，生成轉(zhuǎn)向失靈，引起安全事故。

所以需對(duì)轉(zhuǎn)向縱拉桿進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算[4]。

下圖3為SX6123GK93H底盤所選配轉(zhuǎn)向縱拉桿外形圖。

圖3

基本參數(shù)：滿載前軸軸荷G1=6500kg

轉(zhuǎn)向拉桿桿體外徑D=46mm，d=30mm

轉(zhuǎn)向拉桿長(zhǎng)度l=940mm

轉(zhuǎn)向拉桿材料為35#，其彈性模量E=2.1×1000000

ε=12.99＞1.0，轉(zhuǎn)向拉桿滿足使用要求。

2.3 進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)校核分析

此款底盤使用的是非獨(dú)立兩氣囊空氣懸掛（四連桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)），進(jìn)而對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和空氣懸掛一起工作時(shí)候的跳動(dòng)進(jìn)行計(jì)算校核[5]。

如下圖4，O P為上導(dǎo)向桿在側(cè)視圖上投影，O Q為下導(dǎo)向桿在側(cè)視圖上投影。當(dāng)前輪上下跳動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向節(jié)臂球銷中心A。隨四連桿上P、Q兩端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，PQA1三點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)不 變?nèi)切?。端點(diǎn)0 是端點(diǎn)P的擺動(dòng)中心，其運(yùn)動(dòng) 軌跡為圓弧EE ，端點(diǎn)O2是端點(diǎn)Q的擺動(dòng)中心，其 運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧FF 。當(dāng)P點(diǎn)沿圓弧EE。向上運(yùn)動(dòng)到P 點(diǎn)時(shí)，以P 點(diǎn)為圓心、PQ為半徑作圓弧與圓 弧FF 相交于Q 點(diǎn)，然后以P 為中心、PA。為半徑 作圓弧，與以Q 為中心、QA 為半徑作圓弧的交于 A 點(diǎn)。當(dāng)P點(diǎn)沿圓弧EE 向下運(yùn)動(dòng)到P， 點(diǎn)時(shí)，同 理可求得此時(shí)轉(zhuǎn)向節(jié)臂球銷中心的位置A 。過(guò) A 、A 、A· 三點(diǎn)作圓弧KK ，即為懸架上下運(yùn)動(dòng)時(shí) A 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。另一方面A1點(diǎn)又是縱拉桿上 的一點(diǎn)，縱拉桿繞轉(zhuǎn)向搖臂下端球銷中心B 點(diǎn)擺 動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧JJ ，參照方法一可求出轉(zhuǎn)向 裝置與懸架共同運(yùn)動(dòng)的干涉量。由于B 點(diǎn)易于布置在A。點(diǎn)隨懸架跳動(dòng)時(shí)的 擺動(dòng)中心點(diǎn)附近，懸架與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置共同運(yùn)動(dòng)的 干涉量一般比板簧懸架的小。若偏差過(guò)大，也可通 過(guò)修改B·點(diǎn)位置以及優(yōu)化導(dǎo)向桿系結(jié)構(gòu)參數(shù)，直至合格。

圖4

在運(yùn)動(dòng)校核達(dá)標(biāo)后，再次對(duì)桿系布置進(jìn)行檢查，排除所以桿系干涉現(xiàn)象，至此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的桿系設(shè)計(jì)分析已經(jīng)完成，接下來(lái)對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向油路進(jìn)行設(shè)計(jì)匹配。

3 動(dòng)力轉(zhuǎn)向油路布置設(shè)計(jì)

此款底盤油路走向連接的基本思路為：方向機(jī)上進(jìn)油口→高壓橡膠成型管總成→動(dòng)力轉(zhuǎn)向鋼管→轉(zhuǎn)向油泵出油口→轉(zhuǎn)向油泵進(jìn)油口→轉(zhuǎn)向油罐出油口；方向機(jī)回油口→低壓橡膠成型管總成→動(dòng)力轉(zhuǎn)向鋼管→回油膠管總成→轉(zhuǎn)向油罐回油口。管路布置圖紙見(jiàn)圖5。

圖5

設(shè)計(jì)要求整個(gè)轉(zhuǎn)向油路順暢，不能出現(xiàn)任何折彎、干涉；管路安裝后檢查各接頭處不得有漏油現(xiàn)象，其余要求按照工藝標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

至此，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的桿系布置及動(dòng)力轉(zhuǎn)向油路布置已經(jīng)完成。

4 影響公交車輛轉(zhuǎn)向性能的其他方面

其實(shí)，影響公交車輛轉(zhuǎn)向性能的方面還很多：

轉(zhuǎn)向角度是其中一個(gè)重要因素。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)，在不影響操縱輕便性，不影響汽車安全性的前提下，應(yīng)盡可能增大轉(zhuǎn)向角度。實(shí)踐證明，轉(zhuǎn)向角度大的公交車在公路上更具靈活性，它的優(yōu)勢(shì)在一些窄路上尤為明顯。但有時(shí)若角度增得太大，會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，比如使轉(zhuǎn)向吃力；增大轉(zhuǎn)向器旋轉(zhuǎn)力臂而使轉(zhuǎn)向力矩增大，影響車架可靠性等。當(dāng)使用動(dòng)力轉(zhuǎn)向器時(shí)，若為增大轉(zhuǎn)向角度而大量增加旋轉(zhuǎn)力臂，有可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)角已經(jīng)到達(dá)極限但轉(zhuǎn)向器工作狀態(tài)沒(méi)到達(dá)極限，仍在施力。我廠使用的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)比一般為20：1左右，若旋轉(zhuǎn)力臂過(guò)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)向器的最大輸出扭矩會(huì)大量增加，加重整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的受力，會(huì)加劇轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的磨損，因此，每設(shè)計(jì)一個(gè)新的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，都應(yīng)該計(jì)算好它的轉(zhuǎn)向角度，將轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向能力及旋轉(zhuǎn)力臂的長(zhǎng)度調(diào)整到使轉(zhuǎn)向角度達(dá)到要求足矣，不可盲目增大轉(zhuǎn)向器輸出轉(zhuǎn)向角度或增大旋轉(zhuǎn)力臂。

車輛在裝配的過(guò)程中進(jìn)行的不當(dāng)裝配，或裝配失誤也是導(dǎo)致轉(zhuǎn)向性能不好的一個(gè)方面，比如轉(zhuǎn)向油管不擰緊漏油，裝配有間隙等。

車輛在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，部分零部件損壞，橫直拉桿銹蝕，轉(zhuǎn)向間隙增大等，也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向性能產(chǎn)生負(fù)面影響[6]。它會(huì)導(dǎo)致車輛轉(zhuǎn)向吃車，發(fā)飄，車輛跑偏，轉(zhuǎn)向產(chǎn)生噪聲等問(wèn)題。其中，車輛發(fā)飄，跑偏現(xiàn)象比較常見(jiàn)，也比較難以查找原因。車輛發(fā)飄是指方向盤居中時(shí)，汽車向前行過(guò)程中從一側(cè)飄向另一側(cè)的現(xiàn)象。發(fā)飄的汽車行駛時(shí)，難以保證向正前方向行駛而總向一邊跑偏。車輛發(fā)飄的故障首先應(yīng)檢查機(jī)械部分和外部因素。汽車行駛在拱形路面的一側(cè)時(shí)本身就有跑偏的傾向，拱形越大跑偏就越明顯，這是外部因素。輪胎兩邊氣壓不均勻或左右輪胎磨損差異較大，前鋼板錯(cuò)位（如鋼板中心螺栓）或懸架元件損壞，前輪定位偏差較大，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)械連接處間隙過(guò)大或連接松動(dòng)或磨損過(guò)甚等都會(huì)造成車輛跑偏。如果排除以上因素，車輛跑偏問(wèn)題仍存在，則可能是油液臟污導(dǎo)致閥芯與閥套運(yùn)動(dòng)受到阻滯，也可能是轉(zhuǎn)向機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)向控制閥彈簧損壞或太軟，難以克服轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)阻力，使控制閥不能及時(shí)回位，也可能是轉(zhuǎn)向控制閥閥芯偏離中間位置，或雖然在中間位置但與閥套槽肩的縫隙大小不一致。

影響車輛轉(zhuǎn)向性能的因素還很多，在此不一一舉例。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上文對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本知識(shí)、布置形式、拉桿穩(wěn)定性校核方法等方面的介紹，可以看出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在車輛中的重要性，它直接影響著公交車輛在運(yùn)行中的舒適性、可靠性等各種性能，若設(shè)計(jì)者缺乏設(shè)計(jì)知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)，可能會(huì)造成極其嚴(yán)重的后果。影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的因素涉及到很多方面。我們作為工程技術(shù)人員，必須不斷積累理論知識(shí)，積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的態(tài)度面對(duì)各個(gè)技術(shù)難題，設(shè)計(jì)出更加安全、舒適的公交車輛。

[1] 吳植民.汽車構(gòu)造（下冊(cè)）[M].北京.人民交通出版社,1990.

[2] 劉惟信.汽車設(shè)計(jì)[M].北京.清華大學(xué)出版社,2001.

[3] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB 7258-2012《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》.

[4] 林秉華.最新汽車設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].哈爾濱.黑龍江人民出版社，2005.

[5] 孫榮軍,錢曉東.幾種客車懸架與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)校核[J].客車技術(shù)與研究,2006,（6）：26-28.

[6] 唐培云.客車動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)布置及常見(jiàn)問(wèn)題分析[J].客車技術(shù)與研究,2006,（3）：37-40.

Design of bus steering system in low entrance City

Zhang Yuanyuan1, Wang Xinpeng2
( 1.Higer Bus (Xi'an) Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710021; 2.Shaan Xi Tongjia automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710021 )

In recent years, more and more urban buses use low entrance city buses. This paper introduces the design of low entrance city bus steering system by taking SX6123GK93H low entrance city bus as an example. According to the parameters and requirements of the vehicle, the layout of the horizontal arrangement of the steering gear is finally chosen. This arrangement can effectively reduce the height of the floor and ensure the approach angle of the vehicle running. To determine the specific location of the steering system components by mapping, and the minimum turning radius, steering rod strength calculation and analysis of movement check steering system and suspension system, through calculation and analysis, the final design can meet the national regulations and vehicles.

City bus; Low entry; Steering system design

U462.1

A

1671-7988 (2017)16-82-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.030

張淵源，（1987-），男，助理工程師，就職于金龍汽車（西安）有限公司。興趣：底盤零部件設(shè)計(jì)、內(nèi)外飾設(shè)計(jì)，研究方向：轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)及懸置、車身附件設(shè)計(jì)。王鑫鵬，（1987-），男，助理工程師，就職于陜西通家汽車股份有限公司，興趣：內(nèi)外飾設(shè)計(jì)、底盤零部件設(shè)計(jì)，研究方向：造型設(shè)計(jì)、車身附件、內(nèi)外飾。