客車轉(zhuǎn)向垂臂的設(shè)計與校核

江學(xué)東

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023）

轉(zhuǎn)向垂臂是轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的重要一環(huán)，是客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的安全件[1]。轉(zhuǎn)向垂臂的設(shè)計布置對客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方向盤圈數(shù)、轉(zhuǎn)向力大小、轉(zhuǎn)向角傳動比及轉(zhuǎn)向運動干涉等都有重要影響；同時轉(zhuǎn)向垂臂作為安全件，對保障客車的正常運動至關(guān)重要，需要進行強度校核，以保證其可靠性[2-3]。

1 轉(zhuǎn)向垂臂的設(shè)計

首先合理布置轉(zhuǎn)向器，使連接轉(zhuǎn)向垂臂的球銷中心靠近懸架跳動點，對長前懸的大型客車會增加中間搖臂以靠近跳動點，保證轉(zhuǎn)向縱拉桿和前懸掛的運動干涉在允許范圍內(nèi)[4-6]。根據(jù)確定好的轉(zhuǎn)向器輸出中心A、中間搖臂球銷中心B和C、前橋轉(zhuǎn)向主銷中心D，可以通過作圖法，根據(jù)前橋允許的最大內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角，保證方向盤圈數(shù)在2～3圈，作圖求出轉(zhuǎn)向垂臂的尺寸和初始傾角。如圖1所示。

圖1中，轉(zhuǎn)向節(jié)臂長度為313 mm，中間搖臂長度為320 mm，最大內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角分別為47°和36°。通過作圖，可得轉(zhuǎn)向垂臂長度為300 mm，初始傾角為向前4°，左擺角44.3°，右擺角44.6°，在轉(zhuǎn)向器所允許的范圍內(nèi)，左右擺角相差0.3°，保證方向盤左右圈數(shù)相等。

我公司大客車配美馳車橋時，由于其轉(zhuǎn)向節(jié)臂長度較短，只有261 mm，就需要相應(yīng)地縮短轉(zhuǎn)向垂臂到260 mm來達(dá)到方向盤轉(zhuǎn)向圈數(shù)要求。同樣的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配置混合動力客車時，轉(zhuǎn)向會比較費力，因為其發(fā)動機的轉(zhuǎn)速通常比較低，油泵輸出壓力不高，轉(zhuǎn)向器的輸出扭矩達(dá)不到最大值。這時也可以通過縮短轉(zhuǎn)向垂臂來增加輸出力，使轉(zhuǎn)向更輕便[7-8]。

2 轉(zhuǎn)向垂臂的校核

轉(zhuǎn)向垂臂一般由中碳鋼或中碳合金鋼，如35 Cr、40 Cr用模鍛加工制成，斷面為橢圓形或矩形。在球頭銷上作用的力F，對轉(zhuǎn)向垂臂構(gòu)成彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩的聯(lián)合作用[9]。危險斷面在垂臂根部，如圖2所示，其危險截面在A-A處。根據(jù)第三強度理論，在危險截面的最大應(yīng)力點a處，彎扭聯(lián)合作用的等效應(yīng)力應(yīng)為[10]

式中：σ為彎曲應(yīng)力；τ為剪應(yīng)力；σs為材料的屈服極限；ns為相對于σs的強度儲備系數(shù)，取1.7～2.4。

σ值如下所示：

式中： F為作用在轉(zhuǎn)向垂臂球形鉸接處的力；l為如圖2所示；Wb為危險截面的彎曲截面系數(shù)。

對于矩形截面的軸，在其截面的直角頂點處扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力值為零，最大剪切應(yīng)力發(fā)生于側(cè)邊中間的k 點為 τk，a 點處的應(yīng)力為 τa，則有

式中：e為如圖2所示；h、b為矩形截面的長邊與短邊長度；α、η為與h/b有關(guān)的系數(shù)，查表1選取。

表1 矩形截面桿扭轉(zhuǎn)時的系數(shù)α、η

彎、扭聯(lián)合作用應(yīng)力如圖2所示，其最大合成主應(yīng)力在a點[10]。

以世寶轉(zhuǎn)向器SB8575D為例，最大輸出扭矩為3100 N.m。轉(zhuǎn)向垂臂尺寸參數(shù)為l=185 mm，h=50 mm，b=30 mm，e=75 mm，垂臂長度L=215 mm，材料為40 Cr。計算如下所示：

1）彎曲應(yīng)力。F=3100/0.215=14418.6 N，Wb=bh2/6=15680 mm3，由式 2 得出，σz=170 MPa

2）剪應(yīng)力。由式（3）和式（4）得出，τmax=89 MPa(在長邊中點)，τa=72 MPa(在短邊中點)

3）合成主應(yīng)力。由式（1）得出，σz=223 MPa

垂臂材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理，取σs=785 MPa，得出ns=σz/σs=3.5，安全系數(shù)大于推薦值，滿足強度要求。

3 結(jié)束語

轉(zhuǎn)向垂臂作為安全件，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能有重要影響，設(shè)計人員應(yīng)在設(shè)計過程中仔細(xì)驗算和校核，以保證客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能和安全。

[1]陳家瑞，馬天飛.汽車構(gòu)造[M].北京:人民交通出版社，2006.

[2]余志生.汽車?yán)碚摚ǖ?版）[M].北京:機械工業(yè)出版社，2010

[3]陸軍.客車轉(zhuǎn)向拉桿系統(tǒng)角傳動比的分析和選擇[J].客車技術(shù)與研究，2007，29（3）：28-29.

[4]湯望.大客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計探討[J].城市車輛，2001，（3）

[5]蔡斌，徐亞萍.淺談長前懸客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置[J].客車技術(shù)與研究，2003，25（5）：11-12.

[6]唐培云.客車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計布置及常見問題分析[J].客車技術(shù)與研究，2006，28（3）：37-40.

[7]于志強，李晶.大中型客車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計匹配[J].客車技術(shù)與研究，2009，31（2）：23-25.

[8]耿偉成，唐亞蘭.客車轉(zhuǎn)向油泵的選擇與應(yīng)用[J].客車技術(shù)，2004，（3）

[9]劉惟信.汽車設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社，2001.

[10]陳塑寰，聶毓琴，孟廣偉.材料力學(xué)[M].長春：吉林科技出版社，2000.