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        商用車前橋總成轉(zhuǎn)向阻滯力的研究

        2022-10-31 10:36:24劉新榮孔德利
        關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)向節(jié)球頭主銷

        劉新榮,孔德利

        (1.262200 山東省 諸城市 諸城市義和車橋有限公司;2.262200 山東省 諸城市 上海理工大學(xué)-諸城市義和車橋有限公司 汽車先進底盤系統(tǒng)開發(fā)聯(lián)合研究所)

        0 引言

        商用車前橋總成(以下簡稱前橋總成)是商用車傳統(tǒng)四大總成之一,隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展和市場消費水平的轉(zhuǎn)變,商用車不再僅是單純滿足貨運需求,更多用戶追求良好的駕駛舒適性和操控穩(wěn)定性。鑒于前橋總成轉(zhuǎn)向阻滯力直接影響車輛操控平順性[1],本文首先分析了產(chǎn)生前橋總成轉(zhuǎn)向阻滯力的機理,然后建立力學(xué)模型推導(dǎo)前橋總成轉(zhuǎn)向阻滯力計算公式,最后搭建檢測試驗臺進行對比試驗。

        1 前橋總成轉(zhuǎn)向阻滯力產(chǎn)生機理

        前橋總成主要由前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)銷、制動器、輪轂、直拉桿臂、橫拉桿臂和橫拉桿等組成,如圖1 所示。在直拉桿臂球銷處沿直拉桿前后運動方向的力驅(qū)動左右轉(zhuǎn)向節(jié)繞轉(zhuǎn)向節(jié)銷運動,該驅(qū)動力即前橋總成轉(zhuǎn)向阻滯力。

        圖1 前橋總成Fig.1 Front axle assembly

        按前橋總成放置姿態(tài)不同轉(zhuǎn)向阻滯力分為2種:

        (1)空載轉(zhuǎn)向阻滯力

        圖2(a)所示為前橋總成為運輸架放置狀態(tài)??蛰d轉(zhuǎn)向阻滯力由轉(zhuǎn)向節(jié)襯套部位摩擦力矩、橫拉桿球頭轉(zhuǎn)動力矩和推力軸承轉(zhuǎn)動力矩3 部分組成,其中轉(zhuǎn)向節(jié)襯套部位摩擦力矩和推力軸承轉(zhuǎn)動力矩均與前橋總成兩輪端的重量相關(guān)。

        (2)靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力

        圖2(b)所示為前橋總成正常行車狀態(tài)放置,在前輪距處施加垂直方向的前橋總成靜滿載荷,此時不考慮輪胎的影響。

        圖2 前橋總成放置姿態(tài)Fig.2 Front axle assembly placement

        靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力由轉(zhuǎn)向節(jié)襯套部位摩擦力矩、橫拉桿球頭轉(zhuǎn)動力矩、推力軸承轉(zhuǎn)動力矩和內(nèi)傾角回正力矩4 部分組成,其中轉(zhuǎn)向節(jié)襯套部位摩擦力矩、推力軸承轉(zhuǎn)動力矩均和內(nèi)傾角回正力矩[2]與前橋總成靜滿載荷相關(guān)。

        2 前橋總成轉(zhuǎn)向阻滯力的計算

        2.1 空載轉(zhuǎn)向阻滯力

        按式(1)計算:

        式中:Fk——前橋總成空載轉(zhuǎn)向阻滯力,N;MkL——前橋總成空載左輪端產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩,N·m;MkR——前橋總成空載右輪端產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩,N·m;MB——橫拉桿球頭轉(zhuǎn)動力矩,N·m;La——直拉桿臂球銷旋轉(zhuǎn)半徑,mm;α——內(nèi)輪轉(zhuǎn)角,°。

        2.1.1 前橋總成空載左輪端產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩

        式中:MGk——前橋總成輪端質(zhì)量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩,N·m;MkBup——前橋總成輪端質(zhì)量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向節(jié)上襯套轉(zhuǎn)動力矩,N·m;MkBdown——前橋總成輪端重量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向節(jié)下襯套轉(zhuǎn)動力矩,N·m;MkT——前橋總成輪端質(zhì)量產(chǎn)生的推力軸承轉(zhuǎn)動力矩,N·m。

        2.1.2 前橋總成輪端質(zhì)量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向節(jié)上下襯套轉(zhuǎn)動力矩

        根據(jù)圖3 可得各轉(zhuǎn)動力矩為:

        圖3 空載轉(zhuǎn)向阻滯力的計算Fig.3 Calculation of blocking force for no-load steering

        其中:

        式中:Fkup——前橋總成輪端重量產(chǎn)生的在轉(zhuǎn)向節(jié)上襯套處的壓力,N;Fkdown——前橋總成輪端重量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向節(jié)下襯套處的壓力,N;μB——轉(zhuǎn)向節(jié)襯套相對轉(zhuǎn)向節(jié)銷的摩擦系數(shù);d——轉(zhuǎn)向節(jié)銷直徑,mm;Gk——前橋總成兩側(cè)輪端的質(zhì)量載荷,N;L——輪胎中心至主銷中心點距離,mm;a ——上轉(zhuǎn)向節(jié)襯套中心至主銷中心點距離,mm;b ——下轉(zhuǎn)向節(jié)襯套中心至主銷中心點距離,mm;γ——主銷內(nèi)傾角,°。

        2.1.3 推力軸承產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩

        式中:μT——推力軸承的摩擦系數(shù);rT——推力軸承的摩擦半徑,按推力軸承中徑計算,mm。

        2.1.4 前橋總成空載右輪端產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩

        前橋總成右側(cè)輪端重量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩通過轉(zhuǎn)向梯形傳遞到左側(cè)輪端,如圖4 所示。

        圖4 轉(zhuǎn)向梯形角度和力臂的計算Fig.4 Calculation of steering trapezoidal angle and moment arm

        前橋總成右輪端按式(8)、式(9)計算:

        根據(jù)轉(zhuǎn)向梯形計算各梯形角度[3]及力臂:

        式中:Fks——前橋總成空載轉(zhuǎn)動時橫拉桿上的推力,N;lR——前橋總成轉(zhuǎn)動時橫拉桿右球頭力臂,mm;lL——前橋總成轉(zhuǎn)動時橫拉桿左球頭力臂,mm;θ——轉(zhuǎn)向梯形底角,°;β——外輪轉(zhuǎn)角,°;lh——橫拉桿球頭至前軸的前后距離(擺正狀態(tài)),mm;lH——橫拉桿球頭中心至主銷中心的高度(直行狀態(tài)),mm;S——主銷中心距,mm;lb——橫拉桿球頭中心距離,mm;la——轉(zhuǎn)向梯形腰長,mm。

        2.2 靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力

        根據(jù)圖5,按式(18)計算。

        圖5 靜滿載荷轉(zhuǎn)向阻滯力的計算Fig.5 Calculation of steering blocking force in static full load

        式中:Fm——前橋總成靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力,N;MmL——前橋總成靜滿載左輪端產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩,N·m;MmR——前橋總成靜滿載右輪端產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩,N·m;Mγ——前橋總成靜滿載內(nèi)傾角回正力矩,N·m;

        其中,MmL和MmR根據(jù)式(2)—式(9)計算,將前橋總成輪端質(zhì)量載荷Gk替換為靜滿載荷Gm。

        2.2.1 內(nèi)傾角回正力矩[4-5]

        3 某前橋總成轉(zhuǎn)向阻滯力的計算

        3.1 前橋總成相關(guān)設(shè)計參數(shù)(見表1)

        表1 設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters

        該前橋總成的轉(zhuǎn)向節(jié)襯套采用雙金屬襯套,推力軸承結(jié)構(gòu)為推力滾子軸承。

        3.2 空載轉(zhuǎn)向阻滯力

        空載轉(zhuǎn)向阻滯力計算結(jié)果見圖6(a),右轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向阻滯力大于左轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向阻滯力[6]。其中,空載條件下橫拉桿球頭轉(zhuǎn)動力矩為影響空載轉(zhuǎn)向阻滯力的主要因素,約占70%,如圖6(b)所示。

        圖6 空載轉(zhuǎn)向阻滯力計算結(jié)果Fig.6 No-load steering blocking force calculation results

        3.3 靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力

        靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力計算結(jié)果見圖7(a)。靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力明顯高于空載轉(zhuǎn)向阻滯力。其中,內(nèi)傾角產(chǎn)生的回正力矩和轉(zhuǎn)向節(jié)襯套產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩為影響靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力的主要因素,且隨轉(zhuǎn)角改變發(fā)生較大變化,兩者約占靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力的85%,如圖7(b)所示。

        圖7 靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力計算結(jié)果Fig.7 Static full load steering blocking force calculation results

        4 某前橋總成轉(zhuǎn)向阻滯力的試驗驗證

        根據(jù)前橋總成的裝車狀態(tài)搭建轉(zhuǎn)向阻滯力試驗臺如圖8 所示。通過加載裝置模擬前橋總成垂向靜滿載荷,通過前軸板簧托上的壓力傳感器控制加載力值,輪端模擬工裝與加載裝置之間采用滑動支撐以盡量減小摩擦系數(shù),作動器上安裝拉壓力傳感器和位移傳感器,一端與直拉桿臂錐孔鉸接,作動器模擬直拉桿前后方向的運動。

        圖8 轉(zhuǎn)向阻滯力試驗臺Fig.8 Steering blocking force test device

        對前橋總成在靜滿載荷下的轉(zhuǎn)向阻滯力進行了檢測,并對不同的產(chǎn)品配置進行了對比,結(jié)果見圖9。靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力的實測結(jié)果與理論分析結(jié)果趨勢相同。不同的組合配置對靜滿載荷下的轉(zhuǎn)向阻滯力影響較大,同等條件下轉(zhuǎn)向阻滯力雙金屬襯套>PEEK 襯套>滾針軸承。

        圖9 靜滿載荷轉(zhuǎn)向阻滯力實測結(jié)果Fig.9 Measured results of static full-load steering blocking force

        5 結(jié)論

        本文通過建立前橋總成轉(zhuǎn)向阻滯力的力學(xué)分析模型,對轉(zhuǎn)向阻滯力進行了公式推導(dǎo),并根據(jù)計算實例分析了不同位置對轉(zhuǎn)向阻滯力的影響大小。同時建立了試驗驗證臺架,分析了不同產(chǎn)品組合對轉(zhuǎn)向阻滯力的影響,為后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)和性能提升奠定了基礎(chǔ),主要結(jié)論如下:

        (1)根據(jù)前橋總成的放置姿態(tài)不同,分為空載轉(zhuǎn)向阻滯力和靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力;(2)右轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向阻滯力要大于左轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向阻滯力;(3)靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力明顯大于空載轉(zhuǎn)向阻滯力;(4)橫拉桿球頭的轉(zhuǎn)動力矩是影響空載轉(zhuǎn)向阻滯力的主要因素,約占空載轉(zhuǎn)向阻滯力的70%;(5)轉(zhuǎn)向節(jié)襯套的摩擦力矩和內(nèi)傾角回正力矩是影響靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力的主要因素,且隨轉(zhuǎn)角的變化而變化,兩者約占靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力的85%;(6)同等條件下靜滿載轉(zhuǎn)向阻滯力雙金屬襯套>PEEK 襯套>滾針軸承;(7)在車輪定位參數(shù)一定的條件下,可以通過改變轉(zhuǎn)向節(jié)襯套結(jié)構(gòu)、推力軸承結(jié)構(gòu)和橫拉桿球頭轉(zhuǎn)動力矩來對前橋總成的轉(zhuǎn)向阻滯力進行優(yōu)化設(shè)計。

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