低入口城市公交轉向系設計

張淵源，王鑫鵬

低入口城市公交轉向系設計

張淵源1，王鑫鵬2

（1.金龍汽車（西安）有限公司，陜西 西安 710021；2.陜西通家汽車股份有限公司，陜西 西安 710021）

近年來城市公交越來越多的使用低入口的城市客車，文章以SX6123GK93H低入口城市公交為例，介紹低入口城市公交轉向系的設計。根據車輛相關參數及要求，最終選擇了轉向器臥式布置的布置形式，此種布置形式能夠有效降低地板的高度，保證車輛運行的接近角。通過作圖分析確定了轉向系統各部件的具體位置，并進行了最小轉彎半徑、轉向拉桿強度的計算校核，轉向系統與懸架系統的運動校核分析，通過計算分析最終的設計可以滿足國家法規及車輛的使用。

城市公交；低入口；轉向系統設計

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-82-04

引言

近幾年城市公共交通的發展越來越體現出了一個城市的發展，每個城市對于城市公共交通的投入也越來越重視，而低入口的城市公交因其上下乘客的便利性也被越來越多的公交公司和乘客所接受。而轉向系統在車輛的行駛中具有很重要的作用，它不僅直接影響著車輛在運行中的可靠性，而且間接影響到舒適性等各種性能。而低入口的城市公交轉向系統在布置上與常規的公交車不一樣，必須盡可能低的降低車輛的地板高度。

1 轉向系的設計與布置

1.1 根據總布置設計任務聯系單可得到如下參數

前軸采用東風門式前軸盤式制動器，最大承載7.5t；

底盤軸距6100mm；

前輪輪距2101mm；

前懸2185mm；

前橋處車架上平面離地高度410mm；

采用進口ZF8098循環球式動力方向機；

底盤采用兩氣囊精瑞空氣懸掛；

錦湖295/80R22.5；

底盤駕駛臺上平面距離車架上平面300mm。

1.2 確定布置形式

本次設計為低地板城市公交配套底盤，前軸處車架上平面離地高度為410mm，為了方便乘客上下，前門門框尺寸的設計寬度為1375mm；前懸長度達2185mm。因此，在轉向系統設計布置時，轉向柱管與方向機之間采用了角傳動過渡連接，同時將方向機平臥。由于本次底盤采用的是大落差前橋，其轉向節臂與工字梁的距離較小，如采用慣用的轉向垂臂布置形式，一是轉向縱拉桿在運動中可能會與工字梁發生干涉；二是地板高度的限制，因此，在設計時將轉向搖臂橫置，這樣轉向縱拉桿在運動時占用的垂直空間就較小[1]，見下圖1。

此種布置的優點為：

a、能有效降低地板高度，因為大型城市客車的前軸荷較大，所以轉向器的體積也較大，加上地板全部較低，如轉向器按常規布置，則轉向器會有部分或全部在地板面以上，造成傳動困難、密封困難及車內不美觀等問題。而將轉向器臥置后，轉向器的高度下降較多，加上角傳動的體積很小，所以基本上不影響地板面高度，而且不影響整車的接近角。

b、方向盤的布置位置較為靈活。由于從方向盤傳動到轉向器要經過轉向管柱及傳動軸二次萬向傳動，所以方向盤和轉向器在布置位置上在整車X及Y方向上都可以有較大的距離。

圖1

1.3 轉向系統具體布置匹配設計

1.3.1 根據底盤總體要求的角轉向器定位尺寸及相應參數，選擇同向傳動，傳動比1：1的角轉向器，并在車架圖上準確標定其位置；

1.3.2 參考前軸及前懸架布置裝配,在不干涉條件下初步布置方向機位置，在方向機位置初步確定后，即可相應選定角轉向傳動軸的長度，根據角轉向器輸出軸及方向機輸入軸花鍵參數，進而確定角轉向傳動軸的具體型號；由前軸轉角參數初選配轉向搖臂，注意搖臂大端孔參數是否與方向機輸出參數軸配合：本次選取進口ZF8098方向機，輸出軸參數為德國ZGN738標準，轉向搖臂大端孔需配合采用相同標準，保證搖臂與方向機順利裝配。我司目前采用的轉向搖臂為德國MAN技術，本次初選搖臂為帶13mm落差，孔距290mm，搖臂小端孔參數由轉向縱拉桿上所配球頭確定。

根據前軸提供的極限內、外轉角參數，將前軸布置在分析圖上；在轉向系統內部各部件運動時不干涉的前提下，初步分析出轉向縱拉桿的外型參數，即拉桿總長、折彎位置、折彎半徑和折彎落差。由前軸轉向節臂上錐孔參數，可以選出轉向縱拉桿上球頭參數，進而可以推斷出前面轉向搖臂小端孔與球頭配合的參數，至此轉向搖臂的關鍵尺寸參數均確定完畢。

在已知搖臂、拉桿及前軸極限轉角范圍后，由方向機的最大圈數及最大轉角范圍可以推算出在使用此前軸時搖臂擺角范圍：此角度范圍要求最好左右分中，使方向盤向左、右轉動的最大圈數盡量一致，在搖臂左、右擺角范圍相差較大時，可以采用搖臂“倒齒”的方法減小此差值。

此時，轉向系統所需的重要參數已初步得出，得到的轉向系分析圖如下圖2所示。

2 轉向系的計算校核

2.1 最小轉彎半徑計算

由已采用的前軸極限轉角值及底盤相應參數核算轉彎半徑數值是否滿足國家相關標準。

車身最內點最小轉彎半徑計算[2]：

車身最外點的最小轉彎半徑計算：

==12264.980011805971141437615283822mm；基本滿足國家標準[3]。

2.2 轉向縱拉桿穩定性校核

轉向拉桿是轉向系統中保障車輛行駛安全的重要組成部分。轉向拉桿的材料、加工方式等設計均能對拉桿的穩定性造成直接影響。拉桿的設計既要考慮到轉向系統的實際布置情況，又要顧及它的剛度、強度等多方面因素。若轉向拉桿的穩定性達不到要求，會形成轉向系統的嚴重安全隱患，輕則轉向拉桿長期運營后形變，轉向不正；重則轉向拉桿斷裂，生成轉向失靈，引起安全事故。

所以需對轉向縱拉桿進行穩定性驗算[4]。

下圖3為SX6123GK93H底盤所選配轉向縱拉桿外形圖。

圖3

基本參數：滿載前軸軸荷G1=6500kg

轉向拉桿桿體外徑D=46mm，d=30mm

轉向拉桿長度l=940mm

轉向拉桿材料為35#，其彈性模量E=2.1×1000000

ε=12.99＞1.0，轉向拉桿滿足使用要求。

2.3 進行轉向系統與懸架系統的運動校核分析

此款底盤使用的是非獨立兩氣囊空氣懸掛（四連桿導向機構），進而對轉向系統和空氣懸掛一起工作時候的跳動進行計算校核[5]。

如下圖4，O P為上導向桿在側視圖上投影，O Q為下導向桿在側視圖上投影。當前輪上下跳動時，轉向節臂球銷中心A。隨四連桿上P、Q兩端點運動，PQA1三點構成一個不 變三角形。端點0 是端點P的擺動中心，其運動 軌跡為圓弧EE ，端點O2是端點Q的擺動中心，其 運動軌跡為圓弧FF 。當P點沿圓弧EE。向上運動到P 點時，以P 點為圓心、PQ為半徑作圓弧與圓 弧FF 相交于Q 點，然后以P 為中心、PA。為半徑 作圓弧，與以Q 為中心、QA 為半徑作圓弧的交于 A 點。當P點沿圓弧EE 向下運動到P， 點時，同 理可求得此時轉向節臂球銷中心的位置A 。過 A 、A 、A· 三點作圓弧KK ，即為懸架上下運動時 A 點的運動軌跡。另一方面A1點又是縱拉桿上 的一點，縱拉桿繞轉向搖臂下端球銷中心B 點擺 動，其運動軌跡為圓弧JJ ，參照方法一可求出轉向 裝置與懸架共同運動的干涉量。由于B 點易于布置在A。點隨懸架跳動時的 擺動中心點附近，懸架與轉向傳動裝置共同運動的 干涉量一般比板簧懸架的小。若偏差過大，也可通 過修改B·點位置以及優化導向桿系結構參數，直至合格。

圖4

在運動校核達標后，再次對桿系布置進行檢查，排除所以桿系干涉現象，至此轉向系統中的桿系設計分析已經完成，接下來對動力轉向油路進行設計匹配。

3 動力轉向油路布置設計

此款底盤油路走向連接的基本思路為：方向機上進油口→高壓橡膠成型管總成→動力轉向鋼管→轉向油泵出油口→轉向油泵進油口→轉向油罐出油口；方向機回油口→低壓橡膠成型管總成→動力轉向鋼管→回油膠管總成→轉向油罐回油口。管路布置圖紙見圖5。

圖5

設計要求整個轉向油路順暢，不能出現任何折彎、干涉；管路安裝后檢查各接頭處不得有漏油現象，其余要求按照工藝標準執行。

至此，轉向系統中的桿系布置及動力轉向油路布置已經完成。

4 影響公交車輛轉向性能的其他方面

其實，影響公交車輛轉向性能的方面還很多：

轉向角度是其中一個重要因素。在設計轉向系統時，在不影響操縱輕便性，不影響汽車安全性的前提下，應盡可能增大轉向角度。實踐證明，轉向角度大的公交車在公路上更具靈活性，它的優勢在一些窄路上尤為明顯。但有時若角度增得太大，會產生負面影響，比如使轉向吃力；增大轉向器旋轉力臂而使轉向力矩增大，影響車架可靠性等。當使用動力轉向器時，若為增大轉向角度而大量增加旋轉力臂，有可能導致轉角已經到達極限但轉向器工作狀態沒到達極限，仍在施力。我廠使用的動力轉向器的傳動比一般為20：1左右，若旋轉力臂過長，轉向器的最大輸出扭矩會大量增加，加重整個轉向系統的受力，會加劇轉向系統的磨損，因此，每設計一個新的轉向系統，都應該計算好它的轉向角度，將轉向器的轉向能力及旋轉力臂的長度調整到使轉向角度達到要求足矣，不可盲目增大轉向器輸出轉向角度或增大旋轉力臂。

車輛在裝配的過程中進行的不當裝配，或裝配失誤也是導致轉向性能不好的一個方面，比如轉向油管不擰緊漏油，裝配有間隙等。

車輛在長期運行過程中，部分零部件損壞，橫直拉桿銹蝕，轉向間隙增大等，也會對轉向性能產生負面影響[6]。它會導致車輛轉向吃車，發飄，車輛跑偏，轉向產生噪聲等問題。其中，車輛發飄，跑偏現象比較常見，也比較難以查找原因。車輛發飄是指方向盤居中時，汽車向前行過程中從一側飄向另一側的現象。發飄的汽車行駛時，難以保證向正前方向行駛而總向一邊跑偏。車輛發飄的故障首先應檢查機械部分和外部因素。汽車行駛在拱形路面的一側時本身就有跑偏的傾向，拱形越大跑偏就越明顯，這是外部因素。輪胎兩邊氣壓不均勻或左右輪胎磨損差異較大，前鋼板錯位（如鋼板中心螺栓）或懸架元件損壞，前輪定位偏差較大，轉向傳動機械連接處間隙過大或連接松動或磨損過甚等都會造成車輛跑偏。如果排除以上因素，車輛跑偏問題仍存在，則可能是油液臟污導致閥芯與閥套運動受到阻滯，也可能是轉向機內轉向控制閥彈簧損壞或太軟，難以克服轉向器傳動阻力，使控制閥不能及時回位，也可能是轉向控制閥閥芯偏離中間位置，或雖然在中間位置但與閥套槽肩的縫隙大小不一致。

影響車輛轉向性能的因素還很多，在此不一一舉例。

5 結束語

通過上文對轉向系統基本知識、布置形式、拉桿穩定性校核方法等方面的介紹，可以看出轉向系統在車輛中的重要性，它直接影響著公交車輛在運行中的舒適性、可靠性等各種性能，若設計者缺乏設計知識及經驗，可能會造成極其嚴重的后果。影響轉向系統性能的因素涉及到很多方面。我們作為工程技術人員，必須不斷積累理論知識，積累實踐經驗，以嚴謹科學的態度面對各個技術難題，設計出更加安全、舒適的公交車輛。

[1] 吳植民.汽車構造（下冊）[M].北京.人民交通出版社,1990.

[2] 劉惟信.汽車設計[M].北京.清華大學出版社,2001.

[3] 中華人民共和國國家標準.GB 7258-2012《機動車運行安全技術條件》.

[4] 林秉華.最新汽車設計實用手冊[M].哈爾濱.黑龍江人民出版社，2005.

[5] 孫榮軍,錢曉東.幾種客車懸架與轉向傳動裝置的運動校核[J].客車技術與研究,2006,（6）：26-28.

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

Design of bus steering system in low entrance City

Zhang Yuanyuan1, Wang Xinpeng2
( 1.Higer Bus (Xi'an) Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710021; 2.Shaan Xi Tongjia automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710021 )

In recent years, more and more urban buses use low entrance city buses. This paper introduces the design of low entrance city bus steering system by taking SX6123GK93H low entrance city bus as an example. According to the parameters and requirements of the vehicle, the layout of the horizontal arrangement of the steering gear is finally chosen. This arrangement can effectively reduce the height of the floor and ensure the approach angle of the vehicle running. To determine the specific location of the steering system components by mapping, and the minimum turning radius, steering rod strength calculation and analysis of movement check steering system and suspension system, through calculation and analysis, the final design can meet the national regulations and vehicles.

City bus; Low entry; Steering system design

U462.1

A

1671-7988 (2017)16-82-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.030

張淵源，（1987-），男，助理工程師，就職于金龍汽車（西安）有限公司。興趣：底盤零部件設計、內外飾設計，研究方向：轉向設計、發動機及懸置、車身附件設計。王鑫鵬，（1987-），男，助理工程師，就職于陜西通家汽車股份有限公司，興趣：內外飾設計、底盤零部件設計，研究方向：造型設計、車身附件、內外飾。