重卡转向直拉杆的设计方法研究

姚 英

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

重卡转向直拉杆的设计方法研究

姚 英

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

针对重卡转向直拉杆设计，提出一种考虑到前轴主销内倾角及后倾角情况下的转向直拉杆长度计算方法，并与传统的作图法作比较，为进一步准确计算转向直拉杆的长度提供参考。

转向器摇臂；摆角；转向直拉杆；长度

CLC NO.:U462.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-128-03

引言

转向直拉杆是汽车转向传动机构元件，它连接转向器和转向桥，传递转向器的输出扭矩，实现整车的转向。进行转向直拉杆的设计，要求在转向轮直行时，保证转向器的摇臂轴处于中位状态，同时汽车在左转向及右转向时，转向盘转动的角度相当。而传统的图解法在进行转向直拉杆的长度设计时，一般是忽略转向桥的主销内倾角及后倾角，这样就会造成设计的转向直拉杆长度与实际需要的长度有偏差，导致转向器摇臂左右极限摆角的偏差，可能会出现转向器摇臂已达到极限位置而转向轮未限位的情况，这会影响转向器的使用寿命及整车的安全性。因此，关于转向直拉杆的长度设计方法的研究，仍具有重要的实际意义。

1、图解法计算转向直拉杆的长度

首先根据总布置要求确定转向器摇臂中心o1、弯臂绕主销转动中心o2及经过直拉杆前球销中心的垂直平面XX'的相对位置，已知转向垂臂及前轴弯臂的初始位置，忽略转向桥的主销内倾角及后倾角，由作图法可计算出直拉杆的长度及转向垂臂相对与弯臂的转角。步骤如下：如图一所示，过B点作BB'垂直于XX'，以B'为圆心，B'A为半径画圆弧与XX'交于C点，则BC即为转向直拉杆的长度。因为ΔBB‘A ≅ΔBB’C ，则BA=BC ，BA为直拉杆的实际长度。当弯臂转过角度∠BO2D 时，过D点作DD‘垂直于XX'，以D点为圆心，BC长为半径画圆弧与XX'交于F点。再以D'点为圆心，D'F为半径画圆弧，以o1为圆心，O1A为半径画圆弧，两圆弧交于E点，则ΔDD'F ≅ΔDD'E ，DE=DF = BC=BA ，BA为直拉杆的实际长度，∠AO1E 为垂臂转动的角度。

图1

2、通过空间机构计算转向直拉杆的长度

在图解法的基础上，考虑主销内倾角及后倾角，通过空间两点间坐标计算转向直拉杆的长度。

已知如下参数：

转向器输出轴坐标：(x1,y1,z1)

转向器摇臂转动半径：r

转向器摇臂初始角度（摇臂与Z轴的夹角，逆时针为正）：α0

左主销中心坐标：(x2,y2,z2)

前轴弯臂转动半径：R

前轴弯臂初始角度（弯臂与Y轴的夹角，逆时针为正）：β0

直拉杆后球销中心与主销中心距离（沿Z轴方向）：h

前轮最大内转角：β内

前轮最大外转角：β外

主销内倾角：γ

主销后倾角：θ

图2

如图2所示，O点为左轮主销中心（车轮中心线与主销轴线的交点），O1为直拉杆后球销中心（前轴弯臂初始角度为0时），O'点为O1到主销轴线的垂足，则O1O'的长度为R。根据几何关系，计算出O'点的坐标为：

当O1绕主销轴线OO'旋转角度β时，根据几何关系，计算出O1的坐标为：

如图3所示，O0为转向器输出轴，O2'为转向直拉杆的前球销中心，当转向摇臂绕转向器输出轴旋转角度α时，根据几何关系，计算出O2的坐标为：

图3

当转向器初始角度为α0，前轴弯臂初始角度为β0时，由式（1）、（2）、（3）直拉杆前、后球销中心的坐标为：

前球销中心坐标：

由于转向直拉杆的刚度很大，可认为其在工作过程中长度保持不变，根据空间两点间的距离公式，由（4）、（5），初步算出直拉杆的长度L。

转向设计时，要求转向盘左右两边转动的圈数相当，即要求转向摇臂左右摆动角度相差不大，一般不超过3°；同时要求在右转向轮限位时转向摇臂与转向直拉杆的夹角要不大于150°；转向传动比R/r的比值为0.85～1.1。

下面根据转向直拉杆的长度L计算摇臂的左右极限摆角及右转向轮限位时转向摇臂与转向直拉杆的夹角。

转向盘左转极限时，左轮内转角达到最大为β内，转向盘右转极限时，左轮外转角达到最大为：β外，则直拉杆前球销左右转向极限时的坐标为：

直拉杆后球销左右转向极限时的坐标为：

直拉杆长度保持不变，则有：

由式（7）、（8）、（9）、（10），求解三角函数，分别求出α左、α右，再根据余玄定理，计算出右转向极限时转向摇臂与转向直拉杆的夹角δ。分别满足如下要求：

再根据以上限定条件，通过调整α0及r，计算出合适的直拉杆长度。

3、两种方法对比

以某重卡转向直拉杆的设计为例：

已知转向器输出轴坐标：(-938.5,-721,-370)

转向器摇臂转动半径：230mm

转向器摇臂初始角度（摇臂与Z轴的夹角，逆时针为正）：13°

左主销中心坐标：（0，-937，-836.5）

前轴弯臂转动半径：245mm

前轴弯臂初始角度（弯臂与Y轴的夹角，逆时针为正）：2.8°

前轮最大内转角：39°

前轮最大外转角：32°

主销内倾角：7°

主销后倾角：2°

（1）通过图解法计算出相关参数如下：

表1

（2）通过本方法计算出的相关参数如下：

表2

（3）设计直拉杆长度为907mm，装车后进行测量，相关参数如下：

表3

通过对比可发现，传统图解法计算的转向直拉杆的长度偏小，设计误差较大。而本方法考虑了主销内倾角及后倾角的影响，因此设计计算的结果更准确。该车经过试验场10000km的验证，前桥限位后转向摇臂未到极限位置，验证效果良好。

4、结论

本文根据重型4×2重卡车使用工况，充分考虑了主销内倾角及后倾角的影响，通过对转向直拉杆长度计算方法的研究，最终准确设计4×2重卡车转向系统的直拉杆。理论与实际相结合，完成了一种4×2重卡车转向直拉杆的设计工作。本文所涉及的内容对今后转向系统的设计工作具有一定的借鉴意义，有兴趣的读者可将此理论应用到双前桥转向的直拉杆设计中。

[1] 王望予.汽车设计[M].机械工业出版社.

[2] 刘惟信.汽车设计[M].清华大学出版社.

[3] 陈家瑞.汽车构造[上].人民交通出版社,2002.

[4] 陈家瑞.汽车构造[下].人民交通出版社,2002.

The research on the design method of heavy truck steering drag link

Yao Ying
( Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Specific to the steering drag link design of heavy truck steering system,this paper puts forward one calculationg method about the length of steering drag link under the consideration of kingpin inclination angle and caster angle on the front axle,compared with the traditional drawing method,this method can provide a reference for calcuating the length of steering drag link more accurately.

Steering arm; Pivot angle; Steering drag link; Length

U462.2

A

1671-7988(2016)07-128-03

姚英，就职于安徽江淮汽车股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.040