商用车前桥总成转向阻滞力的研究

刘新荣，孔德利

（1.262200 山东省 诸城市 诸城市义和车桥有限公司；2.262200 山东省 诸城市 上海理工大学-诸城市义和车桥有限公司 汽车先进底盘系统开发联合研究所）

0 引言

商用车前桥总成（以下简称前桥总成）是商用车传统四大总成之一，随着国家经济的发展和市场消费水平的转变，商用车不再仅是单纯满足货运需求，更多用户追求良好的驾驶舒适性和操控稳定性。鉴于前桥总成转向阻滞力直接影响车辆操控平顺性[1]，本文首先分析了产生前桥总成转向阻滞力的机理，然后建立力学模型推导前桥总成转向阻滞力计算公式，最后搭建检测试验台进行对比试验。

1 前桥总成转向阻滞力产生机理

前桥总成主要由前轴、转向节、转向节销、制动器、轮毂、直拉杆臂、横拉杆臂和横拉杆等组成，如图1 所示。在直拉杆臂球销处沿直拉杆前后运动方向的力驱动左右转向节绕转向节销运动，该驱动力即前桥总成转向阻滞力。

图1 前桥总成Fig.1 Front axle assembly

按前桥总成放置姿态不同转向阻滞力分为2种：

（1）空载转向阻滞力

图2（a）所示为前桥总成为运输架放置状态。空载转向阻滞力由转向节衬套部位摩擦力矩、横拉杆球头转动力矩和推力轴承转动力矩3 部分组成，其中转向节衬套部位摩擦力矩和推力轴承转动力矩均与前桥总成两轮端的重量相关。

（2）静满载转向阻滞力

图2（b）所示为前桥总成正常行车状态放置，在前轮距处施加垂直方向的前桥总成静满载荷，此时不考虑轮胎的影响。

图2 前桥总成放置姿态Fig.2 Front axle assembly placement

静满载转向阻滞力由转向节衬套部位摩擦力矩、横拉杆球头转动力矩、推力轴承转动力矩和内倾角回正力矩4 部分组成，其中转向节衬套部位摩擦力矩、推力轴承转动力矩均和内倾角回正力矩[2]与前桥总成静满载荷相关。

2 前桥总成转向阻滞力的计算

2.1 空载转向阻滞力

按式（1）计算：

式中：Fk——前桥总成空载转向阻滞力，N；MkL——前桥总成空载左轮端产生的转动力矩，N·m；MkR——前桥总成空载右轮端产生的转动力矩，N·m；MB——横拉杆球头转动力矩，N·m；La——直拉杆臂球销旋转半径，mm；α——内轮转角，°。

2.1.1 前桥总成空载左轮端产生的转动力矩

式中：MGk——前桥总成轮端质量产生的转动力矩，N·m；MkBup——前桥总成轮端质量产生的转向节上衬套转动力矩，N·m；MkBdown——前桥总成轮端重量产生的转向节下衬套转动力矩，N·m；MkT——前桥总成轮端质量产生的推力轴承转动力矩，N·m。

2.1.2 前桥总成轮端质量产生的转向节上下衬套转动力矩

根据图3 可得各转动力矩为：

图3 空载转向阻滞力的计算Fig.3 Calculation of blocking force for no-load steering

其中：

式中：Fkup——前桥总成轮端重量产生的在转向节上衬套处的压力，N；Fkdown——前桥总成轮端重量产生的转向节下衬套处的压力，N；μB——转向节衬套相对转向节销的摩擦系数；d——转向节销直径，mm；Gk——前桥总成两侧轮端的质量载荷，N；L——轮胎中心至主销中心点距离，mm；a ——上转向节衬套中心至主销中心点距离，mm；b ——下转向节衬套中心至主销中心点距离，mm；γ——主销内倾角，°。

2.1.3 推力轴承产生的转动力矩

式中：μT——推力轴承的摩擦系数；rT——推力轴承的摩擦半径，按推力轴承中径计算，mm。

2.1.4 前桥总成空载右轮端产生的转动力矩

前桥总成右侧轮端重量产生的转动力矩通过转向梯形传递到左侧轮端，如图4 所示。

图4 转向梯形角度和力臂的计算Fig.4 Calculation of steering trapezoidal angle and moment arm

前桥总成右轮端按式（8）、式（9）计算：

根据转向梯形计算各梯形角度[3]及力臂：

式中：Fks——前桥总成空载转动时横拉杆上的推力，N；lR——前桥总成转动时横拉杆右球头力臂，mm；lL——前桥总成转动时横拉杆左球头力臂，mm；θ——转向梯形底角，°；β——外轮转角，°；lh——横拉杆球头至前轴的前后距离（摆正状态），mm；lH——横拉杆球头中心至主销中心的高度（直行状态），mm；S——主销中心距，mm；lb——横拉杆球头中心距离，mm；la——转向梯形腰长，mm。

2.2 静满载转向阻滞力

根据图5，按式（18）计算。

图5 静满载荷转向阻滞力的计算Fig.5 Calculation of steering blocking force in static full load

式中：Fm——前桥总成静满载转向阻滞力，N；MmL——前桥总成静满载左轮端产生的转动力矩，N·m；MmR——前桥总成静满载右轮端产生的转动力矩，N·m；Mγ——前桥总成静满载内倾角回正力矩，N·m；

其中，MmL和MmR根据式（2）—式（9）计算，将前桥总成轮端质量载荷Gk替换为静满载荷Gm。

2.2.1 内倾角回正力矩[4-5]

3 某前桥总成转向阻滞力的计算

3.1 前桥总成相关设计参数（见表1）

表1 设计参数Tab.1 Design parameters

该前桥总成的转向节衬套采用双金属衬套，推力轴承结构为推力滚子轴承。

3.2 空载转向阻滞力

空载转向阻滞力计算结果见图6（a），右转的转向阻滞力大于左转的转向阻滞力[6]。其中，空载条件下横拉杆球头转动力矩为影响空载转向阻滞力的主要因素，约占70%，如图6（b）所示。

图6 空载转向阻滞力计算结果Fig.6 No-load steering blocking force calculation results

3.3 静满载转向阻滞力

静满载转向阻滞力计算结果见图7（a）。静满载转向阻滞力明显高于空载转向阻滞力。其中，内倾角产生的回正力矩和转向节衬套产生的转动力矩为影响静满载转向阻滞力的主要因素，且随转角改变发生较大变化，两者约占静满载转向阻滞力的85%，如图7（b）所示。

图7 静满载转向阻滞力计算结果Fig.7 Static full load steering blocking force calculation results

4 某前桥总成转向阻滞力的试验验证

根据前桥总成的装车状态搭建转向阻滞力试验台如图8 所示。通过加载装置模拟前桥总成垂向静满载荷，通过前轴板簧托上的压力传感器控制加载力值，轮端模拟工装与加载装置之间采用滑动支撑以尽量减小摩擦系数，作动器上安装拉压力传感器和位移传感器，一端与直拉杆臂锥孔铰接，作动器模拟直拉杆前后方向的运动。

图8 转向阻滞力试验台Fig.8 Steering blocking force test device

对前桥总成在静满载荷下的转向阻滞力进行了检测，并对不同的产品配置进行了对比，结果见图9。静满载转向阻滞力的实测结果与理论分析结果趋势相同。不同的组合配置对静满载荷下的转向阻滞力影响较大，同等条件下转向阻滞力双金属衬套＞PEEK 衬套＞滚针轴承。

图9 静满载荷转向阻滞力实测结果Fig.9 Measured results of static full-load steering blocking force

5 结论

本文通过建立前桥总成转向阻滞力的力学分析模型，对转向阻滞力进行了公式推导，并根据计算实例分析了不同位置对转向阻滞力的影响大小。同时建立了试验验证台架，分析了不同产品组合对转向阻滞力的影响，为后续产品开发和性能提升奠定了基础，主要结论如下：

（1）根据前桥总成的放置姿态不同，分为空载转向阻滞力和静满载转向阻滞力；（2）右转的转向阻滞力要大于左转的转向阻滞力；（3）静满载转向阻滞力明显大于空载转向阻滞力；（4）横拉杆球头的转动力矩是影响空载转向阻滞力的主要因素，约占空载转向阻滞力的70%；（5）转向节衬套的摩擦力矩和内倾角回正力矩是影响静满载转向阻滞力的主要因素，且随转角的变化而变化，两者约占静满载转向阻滞力的85%；（6）同等条件下静满载转向阻滞力双金属衬套＞PEEK 衬套＞滚针轴承；（7）在车轮定位参数一定的条件下，可以通过改变转向节衬套结构、推力轴承结构和横拉杆球头转动力矩来对前桥总成的转向阻滞力进行优化设计。