孟秀成

摘 要：剖析客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其設(shè)計方法，使用現(xiàn)代科學(xué)計算優(yōu)勢運用解析法進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析，運用數(shù)學(xué)建模，圖解驗證，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的跳動干涉進(jìn)行解析設(shè)計，為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計提供運算參考，提高設(shè)計人員的設(shè)計能力。

關(guān)鍵詞：解析法 客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 跳動干涉 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置

客車以及商用車在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置與設(shè)計中，目前行業(yè)內(nèi)使用的方法都為圖解法[1]-[5]，關(guān)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的跳動干涉，對車輛整體性能而言至關(guān)重要，跳動干涉量布置的不合理會導(dǎo)致跑偏現(xiàn)象的發(fā)生，傳統(tǒng)的圖解設(shè)計方法，從設(shè)計角度看，可以滿足設(shè)計要求，但是在最優(yōu)解，在優(yōu)化設(shè)計中略顯乏力，想要知道整個轉(zhuǎn)向跳動中心最優(yōu)解的位置，使用圖解法基本不能實現(xiàn)，本文通過數(shù)學(xué)建模的方式解析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的跳動干涉，預(yù)測滿足跳動設(shè)計要求的坐標(biāo)落點，實現(xiàn)提高設(shè)計效率、設(shè)計精度以及管理設(shè)計技術(shù)狀態(tài)的目的。

1 跳動干涉對客車轉(zhuǎn)向的影響

在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計中，跳動干涉量對于車輛的影響在于車輛操縱穩(wěn)定性和安全性，當(dāng)實際設(shè)計中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置中出現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)的跳動干涉量超過了安全限定范圍，直觀的會在車輛運行中出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象，會導(dǎo)致輪胎出現(xiàn)偏磨，減少輪胎的使用壽命，當(dāng)干涉量超出安全界限，會降低車輛的轉(zhuǎn)向特性，使得車輛的安全性得不到保證。

2 解析法基本設(shè)計原理

2.1 連桿機(jī)構(gòu)運動相對不變性

客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運動校核基本原理都是基于連桿的運動特性，通過連桿機(jī)構(gòu)運動相對不變性[7]的原理對懸架的跳動中心進(jìn)行擬合推演，推演分析如圖1所示：

1）A點為上推力桿的固定端球頭中心點在YZ平面的投影位置，A1為上推力桿的活動端球頭中心點在YZ平面的投影位置。在懸架跳動過程中，上推力桿是在以A為圓心，AA1為半徑，作圓周運動，因此，以A點為圓心、AA1為半徑擬合上推力桿運動軌跡得圓弧A2A1A3;

2）B點為下推力桿的固定端球頭中心點在YZ平面的投影位置，B1為下推力桿的活動端球頭中心點在YZ平面的投影位置。同理，在懸架跳動過程中，下推力桿是在以B為圓心，BB1為半徑，作圓周運動，因此，以B點為圓心、BB1為半徑擬合下推力桿運動軌跡得圓弧B2B1B3;

3）C1點為轉(zhuǎn)向節(jié)臂端直拉桿球頭銷球頭中心點在YZ平面的投影位置。連接A1B1C1構(gòu)成三角形。

4）過A1點作水平線l1；同時向上偏置懸架上跳高度尺寸作出水平線l2；向下偏置懸架下跳高度作出水平線l3；通過l2和l3兩條直線構(gòu)成跳動干涉的安全評判依據(jù)界限。

5）水平線2與圓弧A2A1A3相交求得A2點；水平線l3與圓弧A2A1A3相交求得A3點；

6）以A2點為圓心、以A1B1為半徑作圓弧與圓弧

B2B1B3相交求得B2點；同樣以A3為圓心、以A1B1為半徑作圓弧與圓弧B2B1B3相交求得B3點；

7）以A2為圓心、以A1C1為半徑作圓弧與以B2點為圓心、以B1C1為半徑作圓弧相交求得C2點;以A3為圓心、以A1C1為半徑作圓弧與以B3點為圓心、以B1C1為半徑作圓弧相交求得C3點;

8）過C2、C1、C3三點作圓弧并求得該圓弧的圓心C點，則C點即為轉(zhuǎn)向節(jié)臂上的直拉桿球銷中心的跳動點，即轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的懸架跳動中心。

2.2 坐標(biāo)系的建立及其參數(shù)設(shè)置

利用解析法研究轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的跳動干涉旨在解決實際設(shè)計問題，能夠在各種車型上實現(xiàn)設(shè)計的原理通用，所以坐標(biāo)系的選取需要具備車輛布置圖的通用特征，如公式、模塊一般改變客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計現(xiàn)狀，提高設(shè)計的精準(zhǔn)性和設(shè)計的高效性。如圖1所示，以輪胎接地點為坐標(biāo)原點，建立直角坐標(biāo)系，以坐標(biāo)系為基礎(chǔ)需要給出以下參數(shù)表，作為解析法分析設(shè)計的初始條件。具體內(nèi)容如表1所示。

3 建立數(shù)學(xué)模型及運算求解

3.1 數(shù)學(xué)模型

解析法的分析，需要是方程式為基礎(chǔ)，跳動干涉的數(shù)學(xué)模型需要使用表1中的參量進(jìn)行建模，以上跳干涉量為例分析如下：

同理計算下跳干涉量：

其中（1）式為圓標(biāo)準(zhǔn)方程，用來推演轉(zhuǎn)向跳動軌跡，（2）式為后續(xù)轉(zhuǎn)向跳動干涉評判標(biāo)準(zhǔn)中干涉量需的直線方程。（3）為兩點間的距離公式用于計算干涉量。以上公式中的參數(shù)均已在表1中說明。其中由（1）～（3）算得上跳干涉量，由（4）～（6）算得下調(diào)干涉量。圖2中A2位置的上跳干涉量為（1）～（3）式計算得出，靠近C2的下跳干涉量由（4）～（6）式計算得出。

3.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)整體運算求解

求解（1）、（2）方程組會獲得轉(zhuǎn)向跳動中心的橫坐標(biāo)，將計算得出的橫坐標(biāo)利用（2）式進(jìn)行求解，獲得轉(zhuǎn)向跳動中心的完整坐標(biāo)，帶入（3）式計算上跳干涉量，同理，下跳干涉量使用（4）～（6）式計算。至于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)整體運算，借助excel進(jìn)行分析計算，以轉(zhuǎn)向系統(tǒng)跳動中心坐標(biāo)為變量，如表1所示x坐標(biāo)的取值范圍從-1000以1mm不斷遞增到-1399，y坐標(biāo)的取值范圍從501以1mm不斷遞增到900。

干涉量計算表基本邏輯如圖3所示，如果AND（上跳干涉量<4，下跳干涉量<5）則該位置滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計要求，對應(yīng)的顯示相應(yīng)的坐標(biāo)值。如果結(jié)果超出了安全范圍，則以0為結(jié)果顯示，實現(xiàn)運算結(jié)果可視化，直觀的得出設(shè)計成果。以某6120出口底盤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為例，截取滿足設(shè)計要求的某一區(qū)段，上跳干涉量運算結(jié)果如表2所示：隨著坐標(biāo)值的遞增，到某一數(shù)值時開始出現(xiàn)符合要求的轉(zhuǎn)向跳動中心坐標(biāo)。根據(jù)布置圖和設(shè)計要求，可以實現(xiàn)快速相應(yīng)，得出更為優(yōu)秀的設(shè)計結(jié)果。

4 引入PDCA和SDCA管理對成果進(jìn)行封裝

引入PDCA和SDCA管理對成果進(jìn)行封裝的基本思想是，站在巨人的肩膀上永遠(yuǎn)不能成為新的巨人，實際的設(shè)計優(yōu)化，成果的進(jìn)步需要把原有的成果傳承好，保證原有質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上再做創(chuàng)新和優(yōu)化成為新巨人。PDCA（Plan Do Chack Action）PDCA循環(huán)是全面質(zhì)量管理所應(yīng)遵循的科學(xué)程序，應(yīng)用于質(zhì)量管理活動當(dāng)中，對于系統(tǒng)設(shè)計同樣適用，結(jié)合 SDCA（Steady Do Chack Action）如圖4所示，初始設(shè)計成果在實際生產(chǎn)活動中有了改進(jìn)優(yōu)化的空間而產(chǎn)生的波動，是一個PDCA過程，當(dāng)新一輪設(shè)計優(yōu)化完成時會由臺階①進(jìn)入臺階②，臺階②會穩(wěn)定運行一個過程，當(dāng)可以優(yōu)化的因素產(chǎn)生或者產(chǎn)品在實際驗證中出現(xiàn)問題時，SDCA后段會進(jìn)入波動，重新進(jìn)入PDCA循環(huán)進(jìn)行運作。當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過數(shù)學(xué)建模，解析設(shè)計之后，就會如同程序一般對外的接口固定不變，臺階①到臺階②的過程只會存在于內(nèi)部，這對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，產(chǎn)品質(zhì)量不會受到人員變動而發(fā)生影響，對于產(chǎn)品升級會保持原有的成果不斷迭代提升。

5 結(jié)論

在解析法的研究及應(yīng)用過程中，總結(jié)如下：

1）提升設(shè)計效率，工程師可以直接使用解析法判斷出滿足要求的大概位置，進(jìn)行性驗證設(shè)計。

2）提升產(chǎn)品質(zhì)量和優(yōu)化設(shè)計方案，通過解析法直觀求解易于生產(chǎn)加工的安裝位置，減少制造誤差。

3）統(tǒng)一企業(yè)零部件技術(shù)狀態(tài)，通過解析法在相似車型中從設(shè)計角度保證零部件的技術(shù)狀態(tài)統(tǒng)一，例如轉(zhuǎn)向直拉桿或者轉(zhuǎn)向垂臂，便于管理統(tǒng)計。

4）便于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計資料的管理，結(jié)合轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角驅(qū)動設(shè)計，形成規(guī)范化的設(shè)計文件，形成組織記憶便于管理，引入PDCA和SDCA管理對成果進(jìn)行封裝使得系統(tǒng)迭代提升更加有效，消除人員變動帶來的影響。

結(jié)合行業(yè)內(nèi)的干涉量判斷標(biāo)準(zhǔn)，各家車企要求不太一樣，相比較于單純的圖解法通過數(shù)學(xué)解析很輕松將干涉量做到4mm以內(nèi)乃至于3mm，應(yīng)用數(shù)學(xué)運算解析的方法進(jìn)行工程設(shè)計，將設(shè)計成果做成相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)文件，使得在人才培養(yǎng)方面，初入行業(yè)的設(shè)計人員能夠做到相同的設(shè)計結(jié)果，保證產(chǎn)品的質(zhì)量不會隨人員變動出現(xiàn)差異。所以從技術(shù)方法分析，在結(jié)合當(dāng)下各種強(qiáng)大的運算軟件作為設(shè)計支撐，解析法是很有必要的。

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