客车主销定位角和回正力矩的计算及关系.pdf

1 0 第 3 期 客车技术与研究 BUS &C0ACH TECHNoLoGY AND RES EARCH 客车主销定位角和回正力矩的计算及关系 王一 夫 ，王松 ( 1 金龙联合汽车 ( 苏州)有限公司 ，江苏 苏州2 1 5 1 2 1 ；2 大连理工大学，辽宁 大连1 1 6 o o o ) 摘要 ： 推导出车辆主销定位参数 引起 的回正力矩计算公式 ； 分析主销定位参数 的作用； 提 出直线行驶 的车辆， 虽然没有侧向力的作用 ， 但其左右转向轮仍有预加的 _ tE 力矩 ， 以及回正力矩与主销偏移距没有关系的结论。 关键 词 ： 客 车 ； 主销 定位 ； 回正力矩 ； 计算 中图分类号 ： U4 6 3 3 4 文献标志码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 6 3 3 3 1 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 1 0 0 4 Ca l c u l a t i o n a n d Re l a t i o n o f Ki ng pi n I nc l i na t i o n An g l e a n d Se l f -a l i g ni n g To r q ue o f Bu s| Co a c h W ANG Y i f u ， W ANG S o n g 2 ( 1 H i g e r B u s C o m p a n y L i mi t e d ， S u z h o u 2 1 5 1 2 3 ， C h i n a ； 2 D a l i a n U n i v o f T e c h n o 1 ， D a l i a n 1 1 6 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th e a u t h o r s d e d u c e t he s e l f - a l i g n i n g t o r q u e c a l c u l a t i o n e x p r e s s i o n c a u s e d b y t he p a r a me t e r s o f v e h i c l e k i n g pi n i n c l i n a t i o n ，a n a l y s e t h e r e s p e c t i v e r o l e o f t h e v e h i c l e k i n gp i n i n c l i n a t i o n p a r a me t e r s An d t h e y c o me t o a c o n c l u s i o n t h a t t o a s t r a i g h t l i n e mo v i n g v e h i c l e s u n d e r t h e c o n d i t i o n o f n o l a t e r a l f o r c e o n s t e e rin g wh e e l ， t h e l e ft a n d rig h t s t e e r t y r e s s t i l l h a v e t h e a d d e d s e lf- a l i g n i n g t o r q u e ， a n d t h e a d d e d s e lf -a l i g ni n g t o r q u e h a s n o r e l a t i o n s h i p wi t h t h e k i n gp i n o f f s e t s i z e Ke y wo r ds ： c o a c h ； k i n gp i n i n c l i n a t i o n ； s e lf- a l i g n i n g t o r q u e ； c a l c u l a t i o n 对于轮胎原地转向的客车而言， 因主销定位角的关 联 ， 转向轮到底能产生多大的回正力矩， 都与哪些因数 有关， 车辆直线行驶时， 转向轮有无回正力矩。 虽然个别 论著也有给出回正力矩的计算公式 ， 但当把有关参数输 入后， 计算的结果又与现实相矛盾。本文详述主销 回正 力矩的计算公式的推导，并通过仿真运动加以验证 ， 为 从事前桥设计和前轮定位的技术人员提供参考【 1 - 2 。 1 模型建立 非独立悬架客车的主销内倾角是由工字梁 、 转向节 直接关联保证的， 大小不可调节， 而后倾角大小可以调 节。图 1 中所示大客车左前轮主销内倾角 o ， 后倾角 ， 轮心到主销中心点的水平距离为 O L ， 轮胎的静力半径为 ，视图包括主视图、 左视图和俯视图， 图示为轮胎转角 0 。状态。 由于大客车车轮的外倾角一般都在 0 。 1 。 ， 即 使设计为 1 。 角， 但也会由于主销和衬套间隙、 前轴或悬 架的承载变形而基本消失， 所以， 前轮外倾角 1 。 可忽略 不计。 由于没有车轮外倾角， 当然也就没有前束角。 图中 E点为主销中心点 ， A点为轮心， 点为轮胎着地点， 坐 标原点选在 E点在水平面上的投影处， 过主销中心线并 垂直于水平面的平面( 暂称为主销铅垂面 ) 在水平面上 的投影线与 轴的夹角为 西 ( 该角度只与主销内倾角 和后倾角有关) ，主销铅垂面在水平面上的投影线为俯 视图中的 C E直线； 过轮胎面转轴中心线与水平面垂直 的平面( 暂称为轮胎转角面) 在水平上的投影线与 轴 套的夹角 6 为轮胎的转角， 轮心 和着地点 B始终在轮 胎转角面上， 轮胎在转动过程中， 轮胎转角面近似以主 销中心点 E为轴而旋转 。 作者简介： 王一夫( 1 9 6 4 一 ) ， 男， 高级工程师； 研究方向： 汽车动力转向系统。 厂 z轴 耐 。 f X 轴Y A 、 、 【 - * 啦 警 兰 r ( 平地庙 f N B 一N( C 黼 圆 2 厂一 f 轴 1 一 莲 方 向 t 二 I 、 一 图 1 轮胎转动的三视图 万方数据 第 3 期 王一夫 ，王松：客车主销定位角和回正力矩的计算及关系 在图 1 中， 假设把客车的前桥架起， 使前轮离地 ， 相 当于把主销固定不动， 转向节相对于主销只有转动没有 轴向滑动 ， 轮心的运动轨迹是固定不变的。 也就是说 ， 轮 心A的回转中心和回转半径恒定不变。 其仿真运动参数 o r = 7 。 、 口 = 3 0 R = 5 2 7 m m、 a = 1 3 3 9 3 m m、 轮胎转角 6 = O 。 ， 主 视图中的A、 曰两点在水平面上的投影是重合于一点 ， 随着轮胎的转动， 俯视图中轮胎的A点和轮胎着地点 日 运动轨迹不重合， 而轮胎着地点 的回转中心和回转半 径都是随轮胎转角的不同而不断变化， 主要是因为着地 点在轮胎转动过程中不断地变动 ， 但回转中心都在主销 中心线上。此处要注意 ： 轮胎着地点并非是轮胎上一个 固定点，绕主销中心线上固定 C点回转的不是着地点 B， 而是轮胎上一个固定点 ， 此点与 日点在转角为 0 。 时 相重合， 所以， 着地点的运动轨迹不是以固定点 c点为 中心的椭圆 2 上 ， 而是一条复杂的空间曲线； 轮心A点 的回转半径和回转中心 D点是不变的。由于轮心 A和 着地点 始终都在过轮胎回转轴中心线 A E的铅垂面 上，也都在一个固定轮胎上， A点和 B点在此铅垂面的 z方向运动必定是同步一致的。也就是说， 轮胎转动时， A点和 点在 z方向的位移是相等的， 现在我们只考虑 车轮在转动过程中， 轮心 A在沿其轨迹运动时， 在 z方 向上产生了位移，该位移引起前桥重力势能的变化， 原 地转 向因此而产生 了回正力矩 6 1 。 轴 图 2 简化的轮胎轮心 A回转轨迹 3关 系建立 实际过程 中， 轮胎在原地转动时， 轮胎着地点只能 在地面上滚滑 ，轮心 A的运动轨迹几乎在一个平面上 ， 即轮心 A到地面的高度几乎不变。因此， 转向节带动主 销中心点 E在 z方向( 铅垂方向) 产生位移， 形成前桥重 力势能的变化。图 1中， 已知参数 a o l 、 、 R， 求 角。 t a n击= i ： ! ： 2 ： 0_a coS oL 。 cos o L = f a n t a n o 【 ， m a r c - t a n ( t a n t a n ) 设定轮心 A绕主销上 D点的回转半径为 常规 下， 主销后倾角 小于主销 内倾角 O t ， 轮心 A点的旋转 轨迹在水平面上的投影是个椭圆， 这个椭圆是先经过倾 斜角 投影后 ，再经过倾斜角 O t 投影变成的椭圆 1 ， 椭 圆的短半轴为 r 。 C O S O t ， 长半轴为 r l c o ， 圆心在 D点。 由于大客车的主销内倾角一般为 = 7 。 ，主销后倾 角一般为 = 3 。 一 3 5 。 ， c o s 7 。 = 0 9 9 2 5 ， c o s 3 5 。 = 0 9 9 8 1 ， 两 者相差很小， 即有 C O S 仅 c o 。为了计算方便 ， 把 图 1 中的椭 圆 1 近似 为圆。见 图 2 。 从图 2中得知， D点到 轴的距离( 到 E z平面 距离 ) 为 D y = t a n n C O S s i n O t ； D点到 y轴的距离 ( 到 y E Z平 面距离 ) 为 O x = a - a c o s o 【 C O S = 0 s i n s i n 轮心在水平面上的投影轨迹方程： ( + ) 2 + ( y D y ) 2 _ r 2 ，其 中 ： r = = 、 i i 元 万 i _ j ， 通常D y = t a l q 3 a C O S 仅 s i n O f ， 相对于 a来说很小 ， 可以 0 ， 本例 D y = 0 8 4 m m， 由此轮胎在转动过程中， 轮心在水平面上的 投影轨迹简化为个圆： + 0 s i n s i n O L ) 2 + y 2 -( 口 C O S d C O S o 【 ) 2 - r 2 ( 1 ) 为了计算方便 ，当进一步把 D x = a s i n 仅 s i n 一0 ， 本例 = 1 9 8 9 m m； 0 C O S d C O S a 式( 1 ) 简化成 2 + = 口 z _ r 2 按照以上的定义， C E直线为主销在水平面上的投 影 ，延长 C E直线与轮心 A运动轨迹元相交于 ( Y ) 点， 见图 3 。 前进方 Y轴 l 一 ，只 ( x - ，y t) 人 图3 内外轮转角 通过分析可知， 当轮胎向右转动 ， 轮心在 P l 点时 ， 或者说 ， 轮胎转角 6 = b = a r c t a n ( t a n 1 3 t a n o t ) 时 ， 主销 中心 点离地面最低 ， 该点成为重力势能的拐点， 轮胎从此点 万方数据 客车技术与研究 2 0 1 2年 6 月 无论向右转还是向左转，主销中心点离地的高度都增 大 ， 都会使前桥增加势能。在图 3中， 左前轮向右转角 6 。 ， 在此状态下 ， 左前轮转角 称为外轮转角， 右前轮相 应向右转角 6 称为内轮转角。其中8 、 的转角函数关 系是由转向梯形来保证的， 通常大客车前轮的外轮轮转 角3 l 4 0 。 ， 内轮转角 8 2 5 5 o 【 3 一 。比较势能的增加 ， 需要 比较轮心点 P 2 ( Y ) 或 P 2 ( ： ， ) 与最低点 P l ( 。 ， Y ) 在 z方向高度的增量。通过分析得知，轮胎轮心点在沿 l ， 轴的正方向运动是降低势能， 在 z轴的方向上位移为负 值； 沿 轴的正方向运动是增加势能， 在 z轴的方向上 位移为正值。 z是 P ( y 2 ) 或 ： ， y 2 ) 相对于P l ( x 。 ， Y ) 或 P 1 ， Y 1 ) 点在 z方向上的增量。 Z= t a n a Ay t