浅析某轻卡液压助力转向系统设计匹配

卢 威

（安徽江淮汽车集团股份有限责任公司，安徽 合肥 230000）

前言

转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系。

机械转向系依靠驾驶员的手力转动转向盘，经转向器和转向传动机构使转向轮偏转。随着客户群体对轻卡转向轻便性的要求越来越高，目前大多数轻型卡车装有液压助力转向系统，借此来减轻驾驶员的手力。相较于机械转向系统中的转向器，带助力作用的转向器输出力矩有较大提升，因此，对整个转向系统的校核以确保液压助力的有效性及转向安全性，就变得十分必要了。

1 该轻卡车型转向系统主要设计参数

1.1 转向器参数

转向器的最大输出力矩的选择根据前轮在满载状态下的前轮负荷进行匹配设计。选用的转向器参数如表1：

表1 整车设计载荷

1.2 整车质量参数

根据该轻卡整车的设计输入，其整备质量和满载质量时前轮的负荷如表2所示：

表2 轻卡转向器参数

2 转向系统校核

2.1 转向系统符合性校核

动力转向器总成的输出载荷的大小与转向桥的载荷、轮胎与地面的接触面积、轮胎与地面的摩擦系数、轮胎气压、车轮定位角的参数等有关。通常用下面半经验公式来估算原地转向阻力距Mr。

汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩按：

式中：

Mr——原地转向阻力矩，单位N·m；

μ——轮胎与地面的滑动摩擦系数，取0.7左右；

G1——前桥负荷，单位N；

P——轮胎气压，单位Mpa；

为了实现汽车转向，动力转向器的实际最大输出扭矩一般为1.1～1.5倍的转向阻力距，取中间数值1.3计算出：

而转向系统的最大实际输出力矩为：

经过计算M实＞M，故转向系统能够实现满载情况下的转向。

2.2 转向系统最大承载能力校核

当转向器达到最大输出力矩时，由以上（1）（2）（3）公式逆推出前轮负荷为3002kg，从而推算出整车的总质量和装货质量如下表3所示：

表3

经过以上计算，现有的转向系统最大输出力矩，能够满足前轮负荷 3T的工况，在一定的超载条件下也可以实现正常转向。

2.3 转向系统部件安全系数校核

对现匹配的转向系统部件强度进行校核，确认是否能够通过加大转向器的输出力矩来提升整车的超载能力，校核部件包含转向直拉杆、转向横拉杆、转向弯臂、转向直臂四个传动部件。

2.3.1 转向直拉杆校核

依据转向直拉杆的设计基准书，对转向直拉杆进行校核如下：

1）工况

经过分析右轮抱死时，转向器作用在直拉杆上的最大作用力。

2）计算方法

动力转向器在直拉杆上产生的最大拉（压）力：

图1 转向直拉杆受力图

转向拉杆对于力学连线的偏心率e；

转向拉杆对于力学连线的偏心率处产生的力矩M：

根据转向拉杆的截面特性，惯性矩Iz：

公式中的定义见下表4：

表4 转向直拉杆校核

小结：转向直拉杆稳定性安全系数为 1.83，满足设计要求。

图2 转向直拉杆截面

2.3.2 转向横拉杆校核

1）工况

经过分析右轮抱死时，转向器作用在直拉杆上的最大作用力。

2）计算方法

如下图所示横拉杆结构图：

图3 转向横拉杆所受压力

将转向时的力转化成施加在一直杆两端的两相等的力矩M以及作用在杆两端的力F，此时杆上每处都有一个大小为M的力矩：

其中：

h——横拉杆球销接头中心与横拉杆中心 Z向距离，市场上大部分重型卡车所用横拉杆总成都是无落差结构，既是h近似为0的结构；

l——横拉杆总成长度。

图4 转向横拉杆所受弯矩

图中M1= M2= M，在任一点x处的扰度y为：

将M1= M2= M代入得：

在x=l/2时Ymax有最大值：

在力F的作用下在x点产生弯矩之和为：

由于h为常量，所以在x =l/2时，Mx有最大值：

在下图的横拉杆中心位置的截面图中，a点的应力最大，由《材料力学》所给公式可计算。

在力F的作用下截面的应力：

a点所承受的应力：

公式中的定义见下表5：

表5 转向横拉杆校核

经过校核，横拉杆的安全系数满足设计要求。因轻卡横拉杆大多无落差，其只受压应力；当其拉杆有落差时，杆身将受到压应力和弯矩两个作用力，其安全系数将大大降低。而在制造过程中因加工精度的原因如产生1mm，安全系数将降低1.5左右。

2.3.3 转向直臂校核

1）工况

转向直臂所受的最大应力为在前轮抱死时，通过理论分析，对其进行校核。

2）计算原理

转向弯臂所承受的力是来自于转向器的输出力，通过力的传递作用在直臂上，具体校核过程如下：

转向器输出力F=M/L

式中：

M——转向器输出力矩，Nm；

L——转向器垂臂长度。

根据力矩平衡条件，转向器作用在直拉杆的力绕主销的转矩等于左右直臂绕主销的转矩和，即

FR=F0H

式中：

R——弯臂绕主销的转动半径，m；

H——直臂的旋转半径，m；

F0——作用在横拉杆上的力。

故横拉杆作用在弯直臂上产生的弯应力和切应力如下：

图6 转向直臂力臂尺寸

公式中的定义见下表6：

表6 转向直臂校核

小结：转向直臂稳定性安全系数为 2.44， 满足设计要求。

2.3.4 转向弯臂校核

因转向弯臂受力情况复杂，通过上3.3.1和3.3.2可以计算出作用在弯臂上的力，通过CAE分析结果如下：

图7 转向弯臂CAE分析图

通过CAE分析，该车型的转向弯臂的校核结果如下表7：

表7

通过对转向弯臂、转向直拉杆、转向横拉杆、转向直拉杆的校核，现有转向系统中，各部件的安全系数均满足设计要求。

3 结论

通过设计校核得出以下结论：

3.1 该轻卡车型的转向系统能够满足整车的转向使用需求，并且在一定的超载工况下，仍能够保证正常转向功能的实现。

3.2 通过对转向弯臂、转向直拉杆、转向横拉杆、转向直拉杆的校核，现有转向系统中，各部件的安全系数均满足设计要求。

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