客车转向垂臂的设计与校核

江学东

（厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建 厦门 361023）

转向垂臂是转向传动机构的重要一环，是客车转向系统的安全件[1]。转向垂臂的设计布置对客车转向系统的方向盘圈数、转向力大小、转向角传动比及转向运动干涉等都有重要影响；同时转向垂臂作为安全件，对保障客车的正常运动至关重要，需要进行强度校核，以保证其可靠性[2-3]。

1 转向垂臂的设计

首先合理布置转向器，使连接转向垂臂的球销中心靠近悬架跳动点，对长前悬的大型客车会增加中间摇臂以靠近跳动点，保证转向纵拉杆和前悬挂的运动干涉在允许范围内[4-6]。根据确定好的转向器输出中心A、中间摇臂球销中心B和C、前桥转向主销中心D，可以通过作图法，根据前桥允许的最大内外轮转角，保证方向盘圈数在2～3圈，作图求出转向垂臂的尺寸和初始倾角。如图1所示。

图1中，转向节臂长度为313 mm，中间摇臂长度为320 mm，最大内外轮转角分别为47°和36°。通过作图，可得转向垂臂长度为300 mm，初始倾角为向前4°，左摆角44.3°，右摆角44.6°，在转向器所允许的范围内，左右摆角相差0.3°，保证方向盘左右圈数相等。

我公司大客车配美驰车桥时，由于其转向节臂长度较短，只有261 mm，就需要相应地缩短转向垂臂到260 mm来达到方向盘转向圈数要求。同样的转向系统配置混合动力客车时，转向会比较费力，因为其发动机的转速通常比较低，油泵输出压力不高，转向器的输出扭矩达不到最大值。这时也可以通过缩短转向垂臂来增加输出力，使转向更轻便[7-8]。

2 转向垂臂的校核

转向垂臂一般由中碳钢或中碳合金钢，如35 Cr、40 Cr用模锻加工制成，断面为椭圆形或矩形。在球头销上作用的力F，对转向垂臂构成弯曲和扭转力矩的联合作用[9]。危险断面在垂臂根部，如图2所示，其危险截面在A-A处。根据第三强度理论，在危险截面的最大应力点a处，弯扭联合作用的等效应力应为[10]

式中：σ为弯曲应力；τ为剪应力；σs为材料的屈服极限；ns为相对于σs的强度储备系数，取1.7～2.4。

σ值如下所示：

式中： F为作用在转向垂臂球形铰接处的力；l为如图2所示；Wb为危险截面的弯曲截面系数。

对于矩形截面的轴，在其截面的直角顶点处扭转剪切应力值为零，最大剪切应力发生于侧边中间的k 点为 τk，a 点处的应力为 τa，则有

式中：e为如图2所示；h、b为矩形截面的长边与短边长度；α、η为与h/b有关的系数，查表1选取。

表1 矩形截面杆扭转时的系数α、η

弯、扭联合作用应力如图2所示，其最大合成主应力在a点[10]。

以世宝转向器SB8575D为例，最大输出扭矩为3100 N.m。转向垂臂尺寸参数为l=185 mm，h=50 mm，b=30 mm，e=75 mm，垂臂长度L=215 mm，材料为40 Cr。计算如下所示：

1）弯曲应力。F=3100/0.215=14418.6 N，Wb=bh2/6=15680 mm3，由式 2 得出，σz=170 MPa

2）剪应力。由式（3）和式（4）得出，τmax=89 MPa(在长边中点)，τa=72 MPa(在短边中点)

3）合成主应力。由式（1）得出，σz=223 MPa

垂臂材料为40Cr，调质处理，取σs=785 MPa，得出ns=σz/σs=3.5，安全系数大于推荐值，满足强度要求。

3 结束语

转向垂臂作为安全件，对转向系统的性能有重要影响，设计人员应在设计过程中仔细验算和校核，以保证客车转向系统的性能和安全。

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