斯太尔(SX3400)汽车双前轴转向机构分析.

1、斯太尔 （SX3400） 汽车 双前轴转向机构分析 摘要 本文在对斯太尔重型汽车的双轴转向传动机构进行分析的基础上建立了数学模型， 研究了各部分 的传动过程，并采用 MATLA爵言编写了转向传动机构分析程序，对双轴转向转向轴内外轮之间，前后 轮间的转角匹配，以及最小转弯半径的匹配关系进行了优化。关键词 双轴转向 数学模型 转角匹配 最小转弯半径、尸、 亠一 前言随着我国新的道路运输法规的实施及高速公路总里程的迅猛增长，大吨位、多轴（四 轴及以上）车以其明显的经济优势，越来越受到市场的青睐。多轴汽车一般具有二个或多 个转向轴，为避免车轮在转向过程中发生的横向滑移，实现纯滚动，在设计中应使所有车

2、轮的轴线在任一瞬时都交于一点，各转向车轮的转角均应保持一定的对应关系。为达到这 一点，对整体式梯形机构而言，同一转向轴的内外两个车轮的转角关系可通过合理选择梯 形机构的有关参数来近似的实现。不同转向轴的同侧车轮的转角匹配则通过合理设计转向 传动机构的连杆参数来实现。图（1）即为双轴转向汽车的转角分析图。二 双轴转向汽车的基本原理双前轴转向汽车在转向过程中，要避免车轮横向滑移，车轮保持纯滚动，所有车轮都 必须绕同一瞬时中心点转动，各转向车轮的转角应保持一定的对应关系。图（1）即为双轴转向汽车转角分析图，为保证汽车转弯行使时，全部车轮绕同一瞬时转向中心旋转，在 忽略轮胎侧偏影响的情况下，汽车一、二

3、轴内外轮转角应满足如下关系：LL1LL2图（1）双轴转向汽车理论转角分析图ctg :-=ctg-BLL 1(1)ctg ：'=ctg :'BLL 2tg 1 '=tg -LL 2LL 1其中：B 转向主销中心线延长线与地面交点之间的距离；'第I,U转向轴外轮转角；-,'第I,u转向轴内轮转角；LL1 , LL2 第I,U转向轴与过转向中心且垂直于汽车轴线的直线间的距离;满足了上述三个关系，则既保证了内外轮转角间的匹配，又保证了前后轮间的转角匹配， 理论上就保证了各车轮绕着一个瞬时转向中心旋转，避免了车轮的横向滑移。1 双轴转向理论转角的计算由式（1）、（

4、2）和（3）我们可以得到以下的公式:(5):-二 ctg J(ctg :(6)其中，为一轴内轮转角，实际计算中给定初始值；:-/- '/'分别为一轴外轮转角, 轴内轮转角和二轴外轮转角，可由（4）、（5）和（6）式得出。图（2）主销中心距分析图B两主销中心线的延长线到地面交点之间的距离。c 225B =（558.5（536 121） tan 9） 2=1780.7cos93最小转弯半径计算由图（1）,设瞬时转向中心位于O点，S 1、S 2、S 3、S 4分别为前轴I、前轴U和后轴I、后轴U的侧偏角，而9 1、9 2分别是前轴I、前轴U转向轮转角的平均值。各轴 中点的速度方向由向

5、量 VI、V2、V3 V4来决定。轴的侧偏角对于双后轴的车轴决定于V3和V4的方向同汽车纵轴线间的角度，而对于前轴I、前轴U则决定于转向轮转角平均值9 1、9 2和速度VI、V2的方向之间的角度。根据作用于汽车上的力平衡条件，可以列出以下公式：YlCOS"亠丫2COSV2丫3 丫4 = 0X3 X4_Yisi n“Y2si n"=0Y2|1COS2 丫3（|1|2） 丫4（|112 丨3）=0tg(vi -、：1a)|1 l 2|3 CRotg()2> 2a) : tg j2tg、2a =Ro|3 -CRotg ' 4aCRo6#侧向力与偏离角有下列关系:丫1

6、 = K1tg、心丫 2 = K 2tg ' 2a丫 3 = K 3tg ' 3a丫 4 = K 4tg ' 4a式中K1、K2、K3、K4是相应轴上车轮侧偏系数。在许多情况下，可认为K仁K2=K3=K4求解以上方称，可以得到如下的瞬时转弯半径 R，过转向中心且垂直于汽车轴线的直线距后轴U距离C值及最小转弯半径Rmin的公式:(7)(8)2(11+12： +23(11+12)+3 lcoS1+l12co31coS2+(2l12+2l22+l32 JcoS2+l3(21+212+I3)si胡 1+l1siM812F(2l2+l3)sin82211 12 13 sin M

7、-二2 -11 cos1sin211 12 I3sin1 I2l3sin2(2I1+2I2+I3)si n 日1+(212+13© n日 2+l1si n®-日2)1112"aSin max-J(9)式中：a为车轮转臂，指主销延长线至地面的交点到轮胎接地中心的距离;為ax为前轴I、前轴U转向轮最大转角的平均值。图（2）双轴转向传动机构运动简图图（2）为斯太尔重型车双轴转向传动机构运动简图。在斯太尔双前轴转向机构中， 双前轴的内外轮之间的转角匹配关系是靠转向梯形来保证的，而左侧前后轮之间的转角匹 配则是靠转向连杆机构来保证。由（2）图示，双前轴转向的连杆机构靠中间摇

8、臂 01A和 03C，摆臂01E和03F，纵拉杆AB、EF和CD来把转向机的摇臂0P传出的转角传递到 第U转向前轴的左轮上，从而保证双轴转向汽车转向车轮之间的转角匹配关系。由于转向机摇臂的运动是通过第一中间摇臂传递到前轴I转向节臂上的，前轴I和前 轴U轮间转角的匹配关系的研究中不再考虑从转向机摇臂到第一中间摇臂之间的传动过 程。（一）右转向传动分析理论转角分析右转向时左轮为外轮，由式（1） （2） （3）中，1轴左轮转角为已知，可得：71ctg (ctgrBLL1LL2LL1tg)"二 ctg J(ctg - ' B )LL2i 从前轴I转向节臂到第一中间摇臂传动分析设计中我

9、们为保证轴间的转角匹配，把从前轴I转向节臂出发经过转向机摇臂和两个 中间摇臂到前轴U转向节臂的传动作为一个传动链来进行研究，通过给定各中间摇臂一定 的位置、长度和初始转角，来达到使前轴I、前轴U轮间转角的匹配。纵梁上翼面S3Yl前轴I转向节臂图（3）前轴I内轮到第一中间摇臂的传动机构简化图Bl z / z02z03S1、转向节臂所在水平面 第一转向纵拉杆图（3）为第一中间摇臂到前轴I转向节臂的传动分析图，1为第一中间摇臂的初始位置角，：3, ：1分别为某一时刻前轴I转向节臂和第一中间摇臂的转角设： O1A =L3i,O2B =li,AB = hi铅锤面中： Al'Bl' =S,

10、 +L1sin cc3 L31sin（ 丫1 +al）(10)9水平面中： Al'Bl'2 =H12(S2 L31cos(0+Ot1)2 (S3 L1cosot3)2(11)而：H1 B K1'N1 = (S1 L 3 1 si n21 )S ( L321 S (L 2321 c o s 1 )(12)令 AP = S1 L1si n： 3 , BP =H 12 - (S3 - L1cos ： 3)2,AP2 +L312 BP +S22CP =2L31贝U g1 =sin(CP) _tan'(S2) 一？1JAP2+S22ap2前轴I转向梯形传动分析图(4)为前

11、轴I转向梯形的分析图，；1为前轴I转向梯形底角，转向梯形臂M1K1的转角即为前轴I转向节臂的转角：3，由此可以计算出转向梯形臂 N1P1的转角，也就是前 轴I外轮的转角。删I转向梯形臂图(4)前轴I转向梯形分析图1011设：M1K1 二 N1P1 二m1; K1 P仁 H5(14)H 5 二 B - 2m1cos 1K1'N1 =Jm12 B2 -2 m1 B cos( 1 - 3)2 2 2M1N1K1cos4(B K1'N1 -m12 2 2.Kl'NIPI'=cos (K1'N1 ml -H52 K1' N1 ml：5=3从第一中间摇臂到第

12、二中间摇臂分析图(5)第一中间摇臂到第二中间摇臂分析图12#图(5)为从第一中间摇臂到第二中间摇臂的传动分析图，其中2为第一中间摇臂初始位置角，3为第二中间摇臂初始位置角，第二中间摇臂的转角 ：2可由第一中间摇臂 的转角：1计算得出：设：0101 =d1,O1E =L32,03F =L41,EF =H2,O1O3 = S5222H2 -(d1 L32cos 2-L41cos 3)(£-L32sin 2-L41sin 3)( 16)4 d1O1O3E'=cos(O1O3O1f &)2 2 2.E'03F=cos'(O3E' L41 - H 22

13、O3E' L41：2=/O1O3E'E'O3F1' O1O3O1' 3 24从第二中间摇臂到前轴U转向节臂传动分析图（7）为从第二中间摇臂到前轴U内轮的转向角传动分析图，其中4为第二中间摇臂的初始位置角，由第二中间摇臂转角:-2 , 轴U内轮转角。可以推出前轴U转向节臂的转角:4，此即前纵梁上翼面第二中间摇臂所在铅锤面D1'S8D103a 4转向节臂所在水平面CC1-.2第二中间摇臂图(7)第二中间摇臂到前轴n内轮传动分析图D /US6、前轴II转向节臂设：O3C = L42,O4 = L2,CD = H 3H32 =(S7-L42cos( 4)

14、2 (S6 - L42sin( 4)2 (S8 - L2)2(18)铅锤面中：Ci'Di' =S6+L2 si n4L42si n( 丫4+口2)水平面中：C1D12 =H32 (S7 L42cos(丫 4+厲2)2 (S8 L2cos(a4)2令 AP2 二 S6-L42sin( 4 ： 2), BP2 = H 42 -(S7 - L42cos( 4 - 2)2 ,2 2 2"C AP2 +L2 BP2+S8 CP2 =2L2则： 4=tain 二(=CP2)AP2JAP2 K 2' N 2 m2 +S825前轴U转向梯形传动分析图（7）为前轴U转向梯形的分

15、析图，；2为前轴U的转向梯形底角，转向梯形臂M2K2 的转角即为前轴U转向节臂的转角：,由此可以计算转向梯形臂N2P2的转角，也就是前 轴U外轮的转角。前轴U转向梯形臂1415图（8）刖轴n转向梯形分析图a.K2;设：M2K2 =N2P2 =m2,K2P2=H6H 6 二 B - 2m2cos 2K2'N2 = .m22 B2 -2 m2 B cos(；2 ： 4)(20)M 2N2K2cos4(B22 2K2' N22 -m222 B K2' N2#K2' N2P2cos4(2 2 2K2' N2 m2 - H6#：6 = 2 - M2N2K2'

16、; K2' N2P2'#6 第一中间摇臂到转向机摇臂传动图（11）为从第一中间摇臂到转向机摇臂的传动分析图，其中6为转向机摇臂初始位置角，5为第一中间摇臂初始位置角，转向机摇臂的转角>0可由第一中间摇臂的转角_：i1计算得出:图第一中间摇臂到转向机摇臂的转角传动分析图设：0000' =d1,O0A0 =L0,O1E1 =L33, A0E1 =H4,O0O1 =S42 2 2H4 =(d1 L0cos 6-L33cos 5) (S4-L0sin 6-L33sin 5)( 16)O0O1O0' =tan(虫)，0001 二 d12 S42S4o0E1'

17、L332 O0O12 -2 L33 O0O1 cos( - 1 - 5 - O0O1O0')O1O0E1'=cos4(2 2 2O0O12O0E1'2 -L3322 O0O1 o0E1A0'O0E1'2 2 2O0E1' L0 -H 42 O0E1' L0：0000100'-/0100E1'-/E1'OOAO'- 62（二）左转传动分析理论转角计算由式（1）、（2）和（3）我们可以得到以下的公式:= ctg(ctg :BLL118#_c萨（ctg磊）1从前轴I转向节臂到转向摇臂传动分析设计中我们为保证轴间的

18、转角匹配，把从前轴I转向节臂出发经过转向机摇臂和两个 中间摇臂到前轴U转向节臂的传动作为一个传动链来进行研究，通过给定各中间摇臂一定 的位置、长度和初始转角，来达到使前轴I、前轴U轮间转角的匹配。A1图（9）前轴I内轮到第一中间摇臂的传动机构左转简化图图（9）为第一中间摇臂到前轴I转向节臂的传动分析图，1为第一中间摇臂的初始位置角，：3, ：1分别为某一时刻前轴I转向节臂和第一中间摇臂的转角。设： 01A 二 L31,O2B = L1,AB =H1铅锤面中： A1B1 =S1 L1sina3 十 L31sin(口1 丫1)(10)水平面中： A1 B12 =H12(S2 L31cos(a1M)

19、2 (S3 L1cos(g3)2(11)而：H12 = (S1 L 3 1 si n21 )S- ( L32 1 S (L 2321 c o s 1 )(12)令 AP =S1-L1si n: 3 , BP 二 H12 -(S3-Llcos ： 3)2,2 2 2“ AP +L31 BP +S2CP =2L31贝U 。1 =tan（ _） + 了 1AP 丿'JaP2+S222前轴I转向梯形传动分析图（10）为前轴I转向梯形的分析图，；1为前轴I转向梯形底角，转向梯形臂 M1K1 的转角即为前轴I转向节臂的转角：3，由此可以计算出转向梯形臂 N1P1的转角，也就是 前轴I外轮的转角。科

20、抹向牌臂图（10）前轴I转向梯形分析图设：M1K1 =N1P1 =m1;H 5 = B 2m1cos ；1K1 P仁 H5(14)K1'N仁.ml2 B2 -2 ml B cos(；1 -： 3).M1N1K1'=cos(B K1 N1 m1 )2 B K1'N1.K1' N1P1'2 2 2i K1'N1 m1 -H5、 =cos ()K1' N1 m1：5 M1N1K1' K1'N1P1'- 13从转向机摇臂到第一中间摇臂分析o3图（ii）第一中间摇臂到第二中间摇臂分析图Er图（11）为从第一中间摇臂到第二中间

21、摇臂的传动分析图，其中2为第一中间摇臂初始位置角，3为第二中间摇臂初始位置角，第二中间摇臂的转角 ：2可由第一中间摇臂 的转角：1计算得出：设：0101'二d1,01E 二 L32,O3F = L41,EF 二 H2,O1'O3 二 S5H22 =© L32cos 2-L41cos 3）2 （&-L32sin 2-L41sin 3）2（ 16）O1O3O1' =tan 4(-d1)S4E'O3=J'L322 O1O32 -2L32 O1O3 cos、- 2 ： 1O1O3O1').0103E'2 2 20103 E

22、9;O3 - L322 0103 E'O3.E'03F=cos'(2 2 203E'L41 - H 22 O3E' L41:2=_. 0103E'-. E'03F1'-. 010301'- 324从第二中间摇臂到前轴U转向节臂传动分析图（13）为从第二中间摇臂到前轴U内轮的转向角传动分析图，其中4为第二中间摇臂的初始位置角，由第二中间摇臂转角:-2 , 轴U内轮转角。可以推出前轴U转向节臂的转角:4，此即前纵梁上翼面S8前轴1转向节臂C11a 2S6/ “图(13)第二中间摇臂到前轴n内轮传动分析图第二中间摇臂D1)C1X

23、转向节脅所在水平面 第二转向纵拉杆设：阪二 L42,0TD =L2,CD 二 H3(18)H42 =(S7-L42cos( 6)2 (S6-L42sin( 6)2 (S8-L2)2 铅锤面中：Cl'Dl' =S6 +L2sin a2 L42si门(口2-丫6)水平面中：C1'D1'2 =H42 (S7 L42cos(o(2Y6)2 (S8 L2cos(ot4)2令 AP2 二S6 L42sin( : 2 一 6) , BP2 = H 42 - (S7 - L42cos( ： 2 - 6)2 ,2 2 2CP2AP2 L2 -BP2 S82L2则：.sin(CP2

24、2)-tan(詈)JaP22 +S82AP25前轴U转向梯形传动分析图（14）为前轴U转向梯形的分析图， 2为前轴U的转向梯形底角，转向梯形臂M 2K2 的转角即为前轴U转向节臂的转角：,由此可以计算转向梯形臂N2P2的转角，也就是前 轴U外轮的转角。设：M 2K2 =N2P2 =m2, K2P2 = H 6图（14）前轴U转向梯形分析图H 6 二 B - 2m2cos 2K2'N2 二 一 m22 B2 -2 m2 B cos(；2-： 4)(20)M 2N2K2' =cos"B22 2K2' N2 -m22 B K2' N2K2' N2P2

25、'二 cos 4 (K2' N22 m22 - H622 K 2' N 2 m223 6= M 2N2K2'K2' N2P2' ；26 第一中间摇臂到转向机摇臂传动图（11）为从第一中间摇臂到转向机摇臂的传动分析图，其中6为转向机摇臂初始位置角，5为第一中间摇臂初始位置角，转向机摇臂的转角>0可由第一中间摇臂的转角：1计算得出：01AO' A0图第一中间摇臂到转向机摇臂的转角传动分析图设： 0000' "1Q0A0 二 L0,O1E1 =L33, A0E1 二 H4,O0'O1 =S42 2 2H4 =(d

26、1 L0cos 6-L33cos 5)(S4-L0sin 6-L33sin 5)( 16)Si 進)，O0。d12&o0'E1'= L332 O0O12-2 L33 O0O1 cos( 2 - ： 1 - 5 - O0O1O0')O1O0E1' =cos4(2 2 2O0O1 o0E1' -L332 O0O1 o0E1A0'O0E1' =cos'(2 2 2O0E1' L0 -H 42 O0E1' L0：0=/O1O0E1'E1'O0A0'- O0O1O0'6四参数化程序设计

27、及结果分析1 程序流程图根据双前轴转向的设计要求，我们通过调整中间摇臂的位置及结构参数来保证前轴I、前轴U内外轮转向角的匹配关系，编制程序框图如下:调整第一二中间摇臂长度、位置及角度（L31, Y,L32, Y,L41, YL42, Y）前轴I转向梯形计算（已知o3,求c55）不俩意、记录各摇臂连杆设计参数，结束图（8）双轴转向程序框图1各轮转角结果分析这里我们采用功能强大的数学计算软件 MATLAB6 .俅进行程序的编制，避免了用传统 编程工具如FORTRANBASIC等需要编写大量函数的繁琐，使得程序更为简练、高效。表（1）列出了前轴I、前轴U内外轮理论转角、实际设计转角及其差值的比较：前

28、轴I内轮理论转角 a5101520252830前轴I外轮理论转角 P4.86569.480013.871718.070622.106824.462826.0099前轴I外轮实际转角 a54.90149.608914.122018.432522.525924.869026.3805o(5- P0.03580.12890.25030.36190.41910.40620.3706前轴n内轮理论转角 a3.62167.269510.970414.751718.641521.039622.6691前轴n内轮实际转角 0（43.88307.781711.691415.609819.537521.923.47851o(4- a0.26140.51220.7210.85810.8960.86040.8094前轴n外轮理论转角 P'3.52406.888010.129213.281316.375818.217519.4430前轴n外轮实际转角 «63.79077.417110.877914.170417.290719.078120.2337 6- B'0.26670.52910.74870.88910.91490.86060.7907表（1）理论转角与实际转角的比较前轴I内轮理论转角 a3235374042前轴I外轮理论转角 P27.540329.80853