賀龍飛， 侯永紅， 楊志俊， 趙海林

(北奔重型汽車集團(tuán)有限公司，包頭 014000)

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用于改變或保持汽車行駛方向的專設(shè)機(jī)構(gòu).它的作用是：使行駛過程能按駕駛員的操縱而實(shí)時(shí)地改變行駛方向，并且能在受到路面?zhèn)鱽淼呐既粵_擊、汽車意外偏離行駛方向時(shí)，能與行駛系統(tǒng)配合共同保持汽車穩(wěn)定性地行駛.

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)展簡介

作為底盤中獨(dú)立的分系統(tǒng)——轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在汽車的技術(shù)發(fā)展中也經(jīng)歷了多次的歷史變革.轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了機(jī)械轉(zhuǎn)向、液壓(氣壓)動(dòng)力轉(zhuǎn)向、電子控制液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向和電動(dòng)轉(zhuǎn)向幾個(gè)階段.

最早期的汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)非常簡單，主要由一級(jí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向拉桿等構(gòu)成，基本功能是將駕駛員的手動(dòng)旋轉(zhuǎn)操作轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)向拉桿的左右擺動(dòng)從而帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng).隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了更為復(fù)雜的機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，如循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器、渦桿滾輪式轉(zhuǎn)向器、齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器.對(duì)于機(jī)械式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)來說提高轉(zhuǎn)向器的傳動(dòng)效率已經(jīng)成為產(chǎn)品競爭力的重要手段.現(xiàn)在國內(nèi)外變速比轉(zhuǎn)向器(循環(huán)球式或齒輪齒條式)已經(jīng)進(jìn)入完全成熟的階段，傳動(dòng)比基本可達(dá)到22.2～26.2，它是解決汽車轉(zhuǎn)向輕便性的經(jīng)濟(jì)而有效的措施.

機(jī)械式的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是是最常用的一種助力方式，這種轉(zhuǎn)向助力依靠發(fā)動(dòng)機(jī)去驅(qū)動(dòng)，機(jī)械液壓助力的方向盤和輪胎是用機(jī)械部件連接的，所以這種轉(zhuǎn)向助力操控起來會(huì)比較精準(zhǔn)，而且因?yàn)檫@種轉(zhuǎn)向助力的使用時(shí)間比較長，所以可靠度比較高，且成本比較低.

電控液壓助力和機(jī)械助力一樣，唯一不同的是機(jī)械助力依靠發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電控液壓助力依靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電子液壓助力擁有機(jī)械液壓助力的所有優(yōu)點(diǎn)，但其維修和保養(yǎng)的成本會(huì)更高.

電動(dòng)助力是直接由電動(dòng)助力機(jī)提供轉(zhuǎn)向動(dòng)力，省去了液壓助力所需要的用于連接的零件，比如轉(zhuǎn)向油泵等.所以電動(dòng)助力比較省能耗，而且操作起來會(huì)比較輕便，除此之外電控助力轉(zhuǎn)向還具有安裝方便、效率高、回正性好，所以，現(xiàn)在電控助力作為一種新的轉(zhuǎn)向技術(shù)，不斷沖擊著液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，但目前在重型高機(jī)動(dòng)運(yùn)輸車還未應(yīng)用.

應(yīng)急轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，又稱雙回路動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng).該系統(tǒng)是在原液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加了新的功能部件，為車輛轉(zhuǎn)向器增加一套備用供油裝置.在車輛行駛過程中，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)停車或主轉(zhuǎn)向油泵出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將自動(dòng)切換到應(yīng)急供油管路，由應(yīng)急泵為轉(zhuǎn)向器提供壓力油，保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正常工作，保障駕乘人員和車輛的安全.

軍用重型高機(jī)動(dòng)運(yùn)輸車是一種適合行駛在越野路面上的特種車輛，廣泛應(yīng)用于武器系統(tǒng)的發(fā)射和運(yùn)輸平臺(tái).現(xiàn)代戰(zhàn)爭中隨著局勢科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高清晰度衛(wèi)星偵察技術(shù)已能檢測地面一平方米內(nèi)的物體，高空偵察機(jī)能快速、縱深地偵察目標(biāo)，加上精確制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展等因素使得固定式以及機(jī)動(dòng)性差的武器系統(tǒng)在戰(zhàn)前幾乎沒有生存余地，不能充分發(fā)揮其應(yīng)有的作戰(zhàn)效能.這對(duì)武器系統(tǒng)的射前及射后生存能力提出了更高的要求，因此也對(duì)作為發(fā)射和運(yùn)輸平臺(tái)的特種越野車的性能也提出了更高的要求.武器系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)能力在很大程度上取決于作為其發(fā)射平臺(tái)的越野車底盤的機(jī)動(dòng)性.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為特種車底盤的主要系統(tǒng)之一，其性能好壞將直接影響整車的行駛安全性、操縱性穩(wěn)定性和越野能力，以適應(yīng)種使用環(huán)境和條件，因此，軍用汽車尤其是特種車高機(jī)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展關(guān)系到一個(gè)國家的國防安全.

2 某雙前橋重型高機(jī)動(dòng)底盤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)向動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力轉(zhuǎn)向部分設(shè)計(jì)主要包括方向盤、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸總成、轉(zhuǎn)向油罐、轉(zhuǎn)向泵、應(yīng)急轉(zhuǎn)向油泵、動(dòng)力轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向助力油缸及轉(zhuǎn)向管路等.

2.1.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)整車轉(zhuǎn)向力、轉(zhuǎn)向扭矩的計(jì)算分析、動(dòng)力系統(tǒng)各零部件參數(shù)選擇；

(2)轉(zhuǎn)向油泵、應(yīng)急轉(zhuǎn)向油泵控制流量、排量的計(jì)算；

(3)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器輸出扭矩、工作壓力、垂臂轉(zhuǎn)角、傳動(dòng)比等的選擇設(shè)計(jì)；

(4)轉(zhuǎn)向助力油缸缸徑、行程、耐壓壓力的設(shè)計(jì)；

(5)轉(zhuǎn)向角傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及布置.

2.1.2 轉(zhuǎn)向動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)根據(jù)以上設(shè)計(jì)要點(diǎn)，確定轉(zhuǎn)向器為循環(huán)球式，轉(zhuǎn)向泵為葉片泵，應(yīng)急泵為柱塞泵，帶轉(zhuǎn)向助力缸.

(2)液壓管路原理圖

圖1 轉(zhuǎn)向液壓管路原理圖

2.1.3 應(yīng)急轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

工作原理：

系統(tǒng)主要包括：供油模塊，動(dòng)力分配模塊，故障告警顯示模塊，輔助管路等附件.

系統(tǒng)的動(dòng)力源主要由聯(lián)接在發(fā)動(dòng)機(jī)上的主轉(zhuǎn)向油泵和聯(lián)接在分動(dòng)箱或變速箱上的應(yīng)急泵提供.應(yīng)急泵的輸入扭矩由變速箱提供，這意味著即使發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，只要車輛在行走，車輪在轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)急泵就能正常工作.從而保證車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在以下狀況中能正常工作：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)等故障；

(2)主轉(zhuǎn)向泵失效不能提供所需流量；

(3)怠速轉(zhuǎn)向流量小(此時(shí)主泵和輔同時(shí)供油)從而解決怠速方向沉重問題.

總之，應(yīng)急轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)和主轉(zhuǎn)向系統(tǒng)出現(xiàn)任何故障時(shí)，都能保證行走車輛具備轉(zhuǎn)向能力，最大程度提高車輛的安全性能.應(yīng)急系統(tǒng)原理圖如下：

圖2 應(yīng)急轉(zhuǎn)向原理圖

2.2 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是人、車閉環(huán)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)是這重要環(huán)節(jié)中影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要因素.8×8高機(jī)動(dòng)底盤轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，不但要滿足汽車對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本要求：一是保證汽車在轉(zhuǎn)向過程中、轉(zhuǎn)向輪處于純滾動(dòng)或極小滑移狀態(tài)、從而提高輪胎的使用壽命，二是保證汽車操縱的輕便性和穩(wěn)定性；而且要滿足越野汽車的高機(jī)動(dòng)性能的要求.

2.2.1 8×8重型高機(jī)動(dòng)底盤轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

8×8重型高機(jī)動(dòng)底盤轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)按結(jié)構(gòu)形式可分為整體式和斷開式2種.斷開式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又分為：對(duì)稱桿式、中間臂式、齒輪齒條拉桿式等，多用于獨(dú)立懸架形式的汽車；整體式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多用于轉(zhuǎn)向軸為整體剛性軸、懸架形式為非獨(dú)立懸架的汽車.斷開式轉(zhuǎn)向系的主要優(yōu)點(diǎn)是：與轉(zhuǎn)向輪采用獨(dú)立懸架相配合，能夠保證一側(cè)車輪上、下跳動(dòng)時(shí)不會(huì)影響另一側(cè)車輪.其缺點(diǎn)是：桿系和球頭增多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，調(diào)整轉(zhuǎn)向輪定位困難.

該文所設(shè)計(jì)的底盤匹配的是獨(dú)立懸架，純屬高機(jī)動(dòng)性能的汽車，因此，該車采用斷開式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu).其設(shè)計(jì)原則為：

(1)汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，全部車輪應(yīng)繞瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心旋轉(zhuǎn)，任何車輪不應(yīng)有側(cè)滑；

(2)汽車轉(zhuǎn)向行駛后，在駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤的條件下，轉(zhuǎn)向輪能自動(dòng)返回到直線行駛位置，并穩(wěn)定行駛；

(3)操縱輕便，汽車在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不得產(chǎn)生自振；

(4)懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)工作時(shí)，運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)量應(yīng)最小，也就是要求轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)斷開點(diǎn)的設(shè)計(jì)；

(5)保證汽車有較高的機(jī)動(dòng)性并有最小的轉(zhuǎn)彎半徑.

2.2.2 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)各輪阿克曼轉(zhuǎn)角誤差分析

阿克曼誤差是檢驗(yàn)車輛的轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向角是否與理論轉(zhuǎn)向角相符合.通過建立好的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維模型骨架，再搭建出運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，將運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得出的參數(shù)值運(yùn)用到仿真的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)當(dāng)中得出仿真的轉(zhuǎn)向角與阿克曼研究得出理論轉(zhuǎn)向角進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果見圖3.

圖3 車輪轉(zhuǎn)角誤差值

綜上所述，轉(zhuǎn)向橋的理論轉(zhuǎn)角與實(shí)際轉(zhuǎn)角關(guān)系在30°范圍內(nèi)不超過1.5°，可以有效的降低輪胎的磨損.仿真的過程是為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)向拉桿、球頭銷的位置、角度，轉(zhuǎn)向立柱的定位點(diǎn)都可以通過仿真分析確定出來.

2.2.3 最小轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向動(dòng)力、轉(zhuǎn)向桿系兩部分組成.轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是根據(jù)獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)向桿系設(shè)計(jì)參數(shù)輸入，見表1.

表1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)輸入表

設(shè)計(jì)合理的轉(zhuǎn)向桿系，按照阿克曼原理使所有轉(zhuǎn)向輪在車輛常用轉(zhuǎn)向范圍內(nèi)盡量繞同一瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心作純滾動(dòng)，并使在車輪最大內(nèi)轉(zhuǎn)角情況下，整車最小轉(zhuǎn)彎直徑滿足設(shè)計(jì)輸入≤29 m的要求.

根據(jù)阿克曼原理，一橋內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系應(yīng)滿足下列關(guān)系式：

(1)

式中：α為一橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角(°)；β為一橋外輪轉(zhuǎn)角(°)；L為一橋和二、三橋之間的軸平面交點(diǎn)之距(mm)；K為同軸上兩主銷中心線間的距離(mm).

在計(jì)算各輪轉(zhuǎn)角時(shí)有兩個(gè)假設(shè)條件：

(1)假設(shè)轉(zhuǎn)向瞬心在三、四橋橋中間的延長線上；

(2)各輪胎均為感性即不考慮輪胎側(cè)偏等影響因素.

阿克曼原理草圖見圖4，可得出見表2的理論轉(zhuǎn)向角.

表2 理論轉(zhuǎn)向角

圖4 阿克曼原理圖

阿克曼草圖的原理是將每個(gè)輪子在轉(zhuǎn)彎情況下，在車輪中心，畫出垂直于車輪表面的延長線，這些延長線與后輪中心的垂直延長線交于一點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是車輪的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心，根據(jù)繪制的草圖，計(jì)算轉(zhuǎn)彎直徑為29 m時(shí)對(duì)應(yīng)的一橋內(nèi)輪的最大轉(zhuǎn)角，計(jì)算出內(nèi)輪最大轉(zhuǎn)角后，再根據(jù)式(1)計(jì)算外輪轉(zhuǎn)角，最后計(jì)算結(jié)果如下表2所示：

2.2.4 獨(dú)立懸架轉(zhuǎn)向梯形斷開點(diǎn)計(jì)算

分段式橫拉桿鉸接點(diǎn)的位置對(duì)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性有重要影響.因?yàn)樵谄囍本€行駛時(shí)，當(dāng)車輪上下跳動(dòng)時(shí)，與轉(zhuǎn)向節(jié)臂成一體的梯形臂球銷中心和橫拉桿一起繞該橫拉桿內(nèi)端鉸接點(diǎn)擺動(dòng)，而該球銷中心點(diǎn)同時(shí)也隨懸架擺臂擺動(dòng)而擺動(dòng)，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)可能有不同的軌跡.當(dāng)兩擺動(dòng)軌跡不重合時(shí)，將使車輪產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)向，這對(duì)汽車行駛是不利的.為避免這一點(diǎn)，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要優(yōu)選球銷鉸接點(diǎn)，即轉(zhuǎn)向梯形斷開點(diǎn)的位置，使上述兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的軌跡差別最小.

斷開式轉(zhuǎn)向梯形的斷開點(diǎn)位置確定方法因懸架型式與結(jié)構(gòu)不同而不同，對(duì)采用雙橫擺或麥弗遜式獨(dú)立懸架時(shí)，常用圖解法確定其斷開點(diǎn)位置.近年由于計(jì)算機(jī)的普及，逐漸轉(zhuǎn)為采用解析計(jì)算的方法來確定斷開點(diǎn)位置.針對(duì)本車雙橫臂獨(dú)立懸架通過對(duì)前術(shù)檢查校核后車輪上、下跳極限位置時(shí)對(duì)前束變化小于1°，見圖5、圖6.

圖5 運(yùn)動(dòng)曲線

圖6 上下跳與前束的曲線

從圖中列出的數(shù)據(jù)可以看出，車輪在±150 mm范圍內(nèi)跳動(dòng)時(shí)，前束變化小于1°，此變化對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響很小，故斷開點(diǎn)設(shè)計(jì)滿足要求.

2.3 某8×8重型高機(jī)動(dòng)底盤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總布置

通過理論設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)8×8重型高機(jī)動(dòng)底盤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行建模進(jìn)行整車上的運(yùn)動(dòng)干涉檢查，確定后的數(shù)模狀態(tài)見圖7.

圖7 8X8重型高機(jī)動(dòng)底盤獨(dú)立懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模

3 結(jié) 論

本文采用汽車設(shè)計(jì)的基本理論和方法，以某8×8重型高機(jī)動(dòng)底盤為分析對(duì)象，對(duì)獨(dú)立懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析.其分析目的是給出一種多軸高機(jī)動(dòng)越野車獨(dú)立懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在工程圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段即可準(zhǔn)確地預(yù)測其獨(dú)立懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)能否滿足高機(jī)動(dòng)性要求的可行性.