客车转向系统转向器定位方法研究

孟庆石，肖俊涛，洪安阳，李　敏，孟庆川

（1.湖北汽车工业学院，湖北十堰442000；2.东莞中汽宏远汽车有限公司，广东东莞523000）

客车转向系统转向器定位方法研究

孟庆石1，肖俊涛1，洪安阳2，李敏2，孟庆川2

（1.湖北汽车工业学院，湖北十堰442000；2.东莞中汽宏远汽车有限公司，广东东莞523000）

介绍一种新的转向器定位方法，以传统校核方法为原形，行业要求为标准，逆向推出转向器的最佳布置位置，简化转向系统校核工作，提高底盘布置工作效率。

客车；转向系统；设计校核；转向器定位

1　概述

客车多样的配置要求使得其设计工作具有周期短、要求高、任务重的特点。在客车转向系统设计研发阶段，转向器的定位是转向系统其他零部件设计的先决条件。如何简化设计流程，快速准确定位转向器成为底盘设计师的共同课题。本文以某款客车新产品转向系统设计为例，介绍一种逆向思维确定转向器位置的方法。

1.1转向系统参数

该车型转向器型号为SB9072M-TQ（杭州世宝），摇臂摆角为±48°，总圈数为5；前桥选用东风德纳4.2 t，前桥倾角为4.5°，主销内倾角为7°，前轴落差为100mm，锥孔中心相对前轴中心前后位置为正中，锥孔厚度为26mm，主销中心距离为1 841mm，锥孔下端面距板簧面为132mm，锥孔中心至主销中心距离为234mm，内轮最大转角为40°，外轮最大转角为36°。直拉杆球头选用免维护式球座，球头中心到锁紧面距离为55mm；悬架上跳动量为84mm；悬架下跳动量为88mm。

1.2逆向设计思路

转向运动校核的主要目的是，确定直拉杆在前桥跳动过程中是否存在因干涉量过大而造成损坏的危险，那么能否依据设计规定中干涉量的极限值，逆向推出转向器的最佳布置区域，即为逆向设计思路。转向功能的实现，可以简化看成是转向摇臂放大转向器的摆动，通过直拉杆传递到转向节臂，带动前轮转动的一个过程。由于前桥倾角的存在，转向过程中转向节臂在整车x、y、z方向均有相对运动，但y、z方向的运动较为复杂，且其运动所带来的影响对转向系统影响较小，可以通过直拉杆球头自身可调的特性抵消［1］，所以作图时可将转向过程中转向节臂在底盘x方向距离的变化量与转向摇臂x方向距离变动量视作相同。

2　设计步骤

转向器位置设计时，遵循以下几个步骤。首先根据前桥参数作出转向节臂的运动轨迹，将其投影至整车xz平面后按照前桥的倾斜角度旋转，得到转向直拉杆后球头极限位置点。其次，根据转向节臂的运动轨迹，推算出转向摇臂的初始角度及轨迹。然后，根据前悬架及前桥参数，作出转向直拉杆前球头在xz平面布置的最佳位置。再根据布置要求及空间位置确定方向机输入花键y方向坐标。最后，综合各个方向的定位要求，确定转向器最终位置。

2.1转向节臂轨迹确定

1）根据协议校核前桥图纸相关尺寸，保证各尺寸按1∶1绘制。

2）如图1所示，将转向球头模型装配于转向节臂锥孔中，从球头中心A作AB垂直转向主销轴线OZ，垂足为B，作A、B俯视投影线，交前桥轴线于A1、B1。

3）以B1为圆心，A1B1为半径作圆。根据前桥参数在该圆上作出转向节臂在最大内、外转角位置，分别记作C、D。

4）过A1、C、D作直线垂直于垂线Z0，垂足记E、F、G［2］。

2.2转向摇臂轨迹确定

该车摇臂长度为210mm，通过以下作图方法，可进行转向摇臂的长度校核和运动轨迹确定。

1）如图2所示，将线段FG按前桥倾角旋转，E、F、G旋转后分别记作E1、F1、G1，过E1、F1、G1作垂线，交水平线于E2、F2、G2。

2）过F2、G2，以F2G2为直径作圆，圆心记作O1。过圆心O1作垂线，交该圆上方于H，保留H点，并删除该圆。

3）以H为圆心，作半径为摇臂长210mm的圆1，分别交F1F2、HO1、E1E2、G1G2延长线于I、J、E3、K，连接HI、HJ、HK，量得∠IHK，算出此车转向总圈数。此车∠IHK=85°，算得转向总圈数为4.47圈，符合设计要求；如不符合，则需重新选取摇臂长度，再次校核。

4）如图3（a）所示，将HI、HJ、HK以H为基点，HJ为参照线；将J点旋转至E3点，以J点为圆心，JK为半径作辅助圆2，交G1G2于L点。

5）如图3（b）所示，将HI、HJ、HK以J为基点，JK为参照线；将K点旋转至L点，此时所得的HJ倾角θ，即为转向摇臂的初始角度。测得此车转向摇臂的初始角度为6°［3］。

6）将最终的轨迹图代入布置图中，H点即为转向器输出半轴中心；J点即为转向摇臂小端中心，转向器竖直布置时为转向直拉杆前端球头中心。

2.3转向器xz平面初步定位

此车前悬采用导向纵臂结构气囊悬架，取导向纵臂转动中心O3、导向纵臂中心M、球头中心N作出直接杆后球头运动轨迹。具体方法如下：过O3作直线平行MN，过N点作直线平行于O3M，两条直线交点为直拉杆后球头的转动中心，记作O4。以O4为圆心O4N为半径作球头中心的运动轨迹圆（见图4）［4］。

按图5所示，过N点作水平直线，向上偏移84mm（悬架上跳动量），向下偏移88mm（悬架下跳动量），延长交后球头轨迹圆于P、Q点。行业里定义转向最大上跳干涉量为5mm，最大下跳干涉量为12mm，故以P为中心，水平方向左右取5 mm，得到点P1、P2；同理，以Q为中心，水平方向左右取12 mm，得到点Q1、Q2，连接NP1、NP2、NQ1、NQ2。

无论转向器位置如何布置，N均为直拉杆后球头中心的跳动轨迹中的一点。根据几何定理，圆上任意两点所组成的线段，其垂直平分线必经过圆心，所以作NP1、NP2、NQ1、NQ2垂直平分线，其相交的区域（图6阴影部分）即为转向直拉杆前球头中心的最佳范围。

为使产品满足系统化、模块化、平台化的设计原则，在车型开发时，一般选用通用性较强或是有着企业特色的仪表组件［5］。在车身确定仪表台状态后，转向系统工程师根据车身要求，定位转向管柱，并根据转向管柱位置，初步确定转向器xz平面后倾角度及位置。

2.4转向器xz平面初步定位

1）将2.1所作的转向节臂轨迹图代入底盘布置图中，定位时依据前桥相关参数。

2）作出轮胎转动极限位置图。

3）初步定位图。首先引进xy平面x方向定位：因底盘布置中转向器输出半轴中心为转向器定位的主要参数，所以此步骤将2.3中初步确定的转向器输出半轴中心投影至xy方向布置图中；然后进行xy平面y方向定位：根据人机布置及类似车型的设计经验［6］，y方向坐标初步设为y：-670。

2.5校核转向器位置

1）观察转向器与周边部件相对位置关系，包括轮胎轨迹的相对位置，选择转向器类型、摇臂状态、转向球头状态。在状态确定后，将转向器、转向摇臂、球头图纸代入，作出摇臂的轨迹投影点。根据直拉杆运动校核知识［7］，调整转向器位置。因本文主要介绍转向器定位，对直拉杆校核不作展开，在设计时需注意直拉杆的外形要根据其运动轨迹来判断运动过程中是否与周边部件干涉，切不可孤立地通过几个极限位置点去判断。

2）该车最终选用左置右输出转向器、大端同向直摇臂、球头中心到锁紧面距离55mm的免维护球头（如果球头状态变更，需重校核直拉杆后球头的跳动轨迹），经设计校核，该车转向器输出半轴中心最终坐标为x：-1 354、y：-670、z：-126。

3　结束语

由于直摇臂有加工容易、受力条件好、加工尺寸准确等优点［8］，所以在转向布置时，尽量选用直摇臂。摇臂及转向球头外形尺寸的灵活选择是转向布置的重要工作，选型得当，不仅可以解决很多干涉问题，还可以优化拉杆外形［9］。本文旨在提供一种设计校核思路，该方法同样适用于其他悬架系统。

［1］张小虞.汽车工程手册：设计篇［K］.深圳：人民交通出版社，2001：595-597.

［2］陈家瑞.汽车构造［M］.2版.北京：机械工业出版社，2007：169-174.

［3］孟庆石，李敏.客车转向摇臂选型校核方法研究［C］.中国客车学术论文集，2014：158-160.

［4］孙荣军，钱晓东.几种客车悬架与转向传动装置的运动校核［J］.客车技术与研究，2006，28（6）：26-28.

［5］邱国华.汽车模块化设计的应用与发展［J］.上海汽车，2002（11）：1-3.

［6］全国汽车标准化技术委员会.客车车内尺寸：GB/T 13053-2008［S］.北京:中国标准出版社，2008.

［7］杨国库.转向直拉杆强度计算方法［J］.客车技术与研究，2011，33（5）：24-25.

［8］刘惟信.汽车设计［M］.北京：清华大学出版社，2001：655-657.

［9］唐培云.客车动力转向系统的设计布置及常见问题分析［J］.客车技术与研究，2006，28（3）：37-40.

修改稿日期：2016-01-07

Research on Positioning Method of Steering Gear for Bus/Coach

Meng Qingshi1，Xiao Juntao1，Hong Anyang2，LiMin2
（1.Hubei University of Automotive Technology，Shiyan 442000，China；2.Dongguan Winner way Automobile Co.，Ltd，Dongguan 523000，China）

A new method of steering gear positioning is introduced，that is with the traditional method as the original form，and with the industry requirements as the standard to reversely derive the steering gear optimal position.This method can simplify the check work of the steering system and improve work efficiency of chassis layout.

bus/coach；steering system；design and check；steering gear positioning

U463.43

A

1006-3331（2016）03-0004-03

孟庆石（1988-），男，助理工程师；主要研究方向：客车底盘设计开发。