鄧希來 鄧云海 卿艷青

（三一汽車制造有限公司，湖南 長沙 410100）

0 引言

近期，有客戶反饋某公司三軸攪拌車轉(zhuǎn)彎半徑過大，進(jìn)出施工工地的機(jī)動(dòng)靈活性差，轉(zhuǎn)彎不方便，引起用戶的很大抱怨。設(shè)計(jì)人員接到反饋后，組織理論分析轉(zhuǎn)彎半徑影響因素、分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)排故，最終找到問題原因并制定解決方案，問題得以解決，提升客戶滿意度。

1 最小轉(zhuǎn)彎半徑定義及計(jì)算方式

汽車最小轉(zhuǎn)彎半徑：當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)到極限位置，汽車以最低穩(wěn)定車速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的中心平面在支承平面上滾過的軌跡圓半徑。

轉(zhuǎn)彎半徑直接影響汽車的機(jī)動(dòng)性。轉(zhuǎn)彎半徑越小，汽車通過狹窄彎曲地帶或繞開不可越過的障礙物的能力就越強(qiáng)，機(jī)動(dòng)性能越好，轉(zhuǎn)彎半徑原理圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)彎半徑原理圖

忽略內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪的不協(xié)調(diào)性、忽略輪胎側(cè)偏影響、忽略軸轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)影響，最小轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算公式如下。

式中：為轉(zhuǎn)向輪外輪轉(zhuǎn)角；θ為轉(zhuǎn)向輪內(nèi)輪轉(zhuǎn)角；為主銷中心距；為汽車軸距；為主銷中心與輪胎中心面的距離。

2 理論影響因素分析

車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑受以下幾個(gè)因素的影響。

2.1 前輪最大轉(zhuǎn)角

從上述公式可以看出，影響最小轉(zhuǎn)彎半徑的因素有前輪最大轉(zhuǎn)角、軸距、主銷距、主銷中心與輪胎中心面的距離等因素。其中軸距、主銷距、主銷中心與輪胎中心面的距離在轉(zhuǎn)向過程中保持不變，只有轉(zhuǎn)角是變化的。因此，轉(zhuǎn)角應(yīng)足夠大，以保證達(dá)到要求的最小轉(zhuǎn)彎半徑。而轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角又有如下影響因素：1）轉(zhuǎn)向器的最大輸入圈數(shù)和輸出角度。重型貨車轉(zhuǎn)向器一般采用循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，輸入軸設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)角即方向盤最大轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，如圈數(shù)太少，則垂臂擺角也會(huì)過小，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角。2）前橋限位轉(zhuǎn)角過小。車橋轉(zhuǎn)角最大極限轉(zhuǎn)角一般較大，為避免轉(zhuǎn)角過大導(dǎo)致干涉或過度轉(zhuǎn)向，通過限位螺釘限制前輪轉(zhuǎn)角。如方向盤圈數(shù)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而前橋限位螺釘已限位，則可通過調(diào)整前橋限位螺釘，以增大前輪轉(zhuǎn)角。3）轉(zhuǎn)向器的卸荷角度過小。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器設(shè)計(jì)有卸荷裝置，當(dāng)轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)到一定角度時(shí)卸荷裝置卸荷，轉(zhuǎn)向器無動(dòng)力輸出，則輸出軸不會(huì)再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，前輪角度不再增加。該情況需要增大轉(zhuǎn)向器卸荷角度。4）轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比過大。轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比即輸入軸轉(zhuǎn)角和輸出軸轉(zhuǎn)角的比值。如傳動(dòng)比大于設(shè)計(jì)值，則即使方向盤圈數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，垂臂擺角仍不能達(dá)到設(shè)計(jì)值。5）若垂臂擺角足夠，前輪限位螺釘也未限位，而轉(zhuǎn)角未達(dá)到設(shè)計(jì)值。則應(yīng)考慮轉(zhuǎn)向梯形連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，此時(shí)應(yīng)重新校核轉(zhuǎn)向梯形。

2.2 輪胎側(cè)偏對(duì)最小轉(zhuǎn)彎半徑的影響

在汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，受側(cè)向慣性力作用，輪胎產(chǎn)生側(cè)偏。轉(zhuǎn)彎半徑和瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心位置都發(fā)生變化。

如圖2，汽車轉(zhuǎn)向中心位置從點(diǎn)移至點(diǎn)。若點(diǎn)和點(diǎn)到汽車中心線的距離相等且為，并設(shè)前外輪的側(cè)偏角為，后軸中心位置處的側(cè)偏角為（橫向滑移角）。

根據(jù)圖2可知，在考慮輪胎側(cè)偏角以后，最小轉(zhuǎn)彎半徑如下。

圖2 兩軸車側(cè)偏角的影響

由公式（2）可知，前外輪的側(cè)偏角使最小轉(zhuǎn)彎半徑增加，后軸中心側(cè)偏角使其減小。

考慮到輪胎的側(cè)偏角，在低速轉(zhuǎn)彎行駛條件下，雙后軸三軸汽車的轉(zhuǎn)向中心要相對(duì)雙后軸中心往后移并且雙后軸的軸距愈大，后移也愈多。

三軸車轉(zhuǎn)向原理示意圖如圖3所示。

如圖3所示，瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心要相對(duì)裝后軸中心往后移。

圖3 三軸車側(cè)偏角的影響

計(jì)算雙后軸三軸汽車轉(zhuǎn)彎半徑時(shí)的軸距修正如下。

式中：為后兩軸的軸距。

雙轉(zhuǎn)向前軸四軸車計(jì)算轉(zhuǎn)彎半徑時(shí)，與三軸車相似，軸距修正如下。

=（0.15~0.2）（4）

從式（3）、式（4）可看出，三軸車和四軸車考慮側(cè)偏角后，計(jì)算得出的最小轉(zhuǎn)彎半徑較式（1）計(jì)算得出的大且后兩軸的軸距越大，最小轉(zhuǎn)彎半徑增加值越大。

因現(xiàn)有汽車轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的不完善，內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角還不能完全滿足阿克曼幾何學(xué)的理論關(guān)系，所以實(shí)際的內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪存在不協(xié)調(diào)性，即車輪實(shí)際并非做純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，而為滾動(dòng)和滑動(dòng)的綜合，因此應(yīng)對(duì)最小轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算公式進(jìn)行修訂。

以兩軸車為例。如圖4，先根據(jù)實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角，計(jì)算和的值，求出和值的平均值，再求出最小轉(zhuǎn)彎半徑。式中：為按照內(nèi)輪轉(zhuǎn)角得出的瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心到外輪側(cè)主銷中心連線的距離；為按照外輪轉(zhuǎn)角得出的瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心到外輪側(cè)主銷中心連線的距離。

圖4 兩軸車左右輪不協(xié)調(diào)性的影響

三軸車計(jì)算方法與兩軸車相似，只是應(yīng)考慮側(cè)偏角對(duì)軸距的影響，計(jì)算時(shí)應(yīng)按式（3）修正軸距。

三軸車的最小轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算方法如下。

式（6）中參數(shù)與式（3）、式（5）中參數(shù)定義相同。雙轉(zhuǎn)向前軸四軸車轉(zhuǎn)向原理圖如圖5所示。先根據(jù)實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角，計(jì)算、、、的值，求出平均值，再求出最小轉(zhuǎn)彎半徑，軸距也應(yīng)考慮側(cè)偏角的影響按式

圖5 四軸車轉(zhuǎn)向原理圖

（4）進(jìn)行修正。

式中：為按照第一軸內(nèi)輪轉(zhuǎn)角得出的瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心到外輪側(cè)主銷中心連線的距離；為按照第一軸外輪轉(zhuǎn)角得出的瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心到外輪側(cè)主銷中心連線的距離；為按照第二軸內(nèi)輪轉(zhuǎn)角得出的瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心到外輪側(cè)主銷中心連線的距離；為按照第二軸外輪轉(zhuǎn)角得出的瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心到外輪側(cè)主銷中心連線的距離。

考慮到內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪的不協(xié)調(diào)性，及車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)轉(zhuǎn)向阿克曼平均修正率一般在73%~93%，根據(jù)式（5）、式（6）、式（7）計(jì)算得出的最小轉(zhuǎn)彎半徑較式（1）偏大且修正率越小，偏差值越大。

汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，由于作用在汽車質(zhì)心處的離心力作用，內(nèi)側(cè)車輪載荷減小，外側(cè)車輪載荷增加，使作用在懸架上的載荷發(fā)生相應(yīng)變化。若前軸和后軸都采用鋼板彈簧，位于汽車內(nèi)側(cè)的鋼板彈簧因載荷減小而長度縮短，位于外側(cè)的鋼板彈簧因作用其上的載荷增大而伸長，結(jié)果導(dǎo)致車軸在水平面相對(duì)車身轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，稱之為軸轉(zhuǎn)向效應(yīng)。軸轉(zhuǎn)向效應(yīng)不僅對(duì)操縱穩(wěn)定性有影響，同時(shí)影響最小轉(zhuǎn)彎半徑。

前軸的軸轉(zhuǎn)向效應(yīng)使汽車不足轉(zhuǎn)向趨勢(shì)增大，后軸的軸轉(zhuǎn)向效應(yīng)使汽車過多轉(zhuǎn)向趨勢(shì)增大。

該攪拌車后懸架及板簧剛度較前板簧剛度大，變形量也較前板簧小。軸轉(zhuǎn)向效應(yīng)使汽車不足轉(zhuǎn)向趨勢(shì)增大，同時(shí)增大最小轉(zhuǎn)彎半徑。

經(jīng)以上分析，轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角是影響最小轉(zhuǎn)彎半徑的主要因素，輪胎側(cè)偏角、內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪不協(xié)調(diào)性、軸轉(zhuǎn)向效應(yīng)為次要因素。而影響轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的主要影響因素有垂臂擺角大小、車輪限位螺釘限位角度、轉(zhuǎn)向器卸荷角度等。

3 設(shè)計(jì)參數(shù)分析、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及排故

設(shè)計(jì)人員經(jīng)了解，該型號(hào)攪拌車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 該攪拌車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

從以上參數(shù)分析，該攪拌車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，符合使用要求。

設(shè)計(jì)人員及服務(wù)人員趕到客戶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車檢測(cè)轉(zhuǎn)彎半徑、方向盤圈數(shù)、垂臂擺角、轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2。

表2 初次檢測(cè)數(shù)據(jù)

同時(shí)，檢查車橋限位螺釘均已限制到位且在車橋轉(zhuǎn)向節(jié)頂?shù)较尬宦葆敃r(shí)，轉(zhuǎn)向器也卸荷。

分析以上檢查和檢測(cè)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)彎半徑、方向盤圈數(shù)、垂臂擺角、轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角均小于設(shè)計(jì)值。設(shè)計(jì)人員初步判定故障原因?yàn)檐嚇蛳尬宦葆斕崆跋尬?，?dǎo)致車橋最大轉(zhuǎn)角過小。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整限位螺釘，重新檢測(cè)以上數(shù)據(jù)。經(jīng)調(diào)整多次，最終檢測(cè)數(shù)據(jù)如表3。

表3 終次檢測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)最終檢測(cè)結(jié)果，該攪拌車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要參數(shù)已基本符合設(shè)計(jì)要求。給客戶使用驗(yàn)收，客戶表示該攪拌車最小轉(zhuǎn)彎半徑相對(duì)調(diào)整之前已明顯減小，機(jī)動(dòng)靈活性顯著提升。

4 結(jié)論

通過理論分析最小轉(zhuǎn)彎半徑受影響的各個(gè)因素，分析得出轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角是影響最小轉(zhuǎn)彎半徑的主要因素，輪胎側(cè)偏角、內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪不協(xié)調(diào)性、軸轉(zhuǎn)向效應(yīng)為次要因素。

影響轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的主要影響因素有垂臂擺角大小、車輪限位螺釘限位角度、轉(zhuǎn)向器卸荷角度等。

通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)轉(zhuǎn)彎半徑、方向盤圈數(shù)、垂臂擺角、轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角，并與設(shè)計(jì)參數(shù)比較，進(jìn)而確認(rèn)轉(zhuǎn)彎半徑偏大的原因?yàn)檐嚇蛳尬宦葆斕崆跋尬?，?dǎo)致車橋最大轉(zhuǎn)角過小。通過制定解決方案，多次調(diào)整，該車最小轉(zhuǎn)彎半徑明顯減小，機(jī)動(dòng)性能顯著提升，客戶滿意度得到提高。

該文可為同類車型轉(zhuǎn)彎半徑分析提供參考。