低地板城市客車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

汪隨，袁葭杰

（揚(yáng)州亞星客車(chē)股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009）

前言

隨著人們對(duì)出行方便性要求的提高，低入口、低地板城市客車(chē)[1]已經(jīng)成為許多大城市公共交通的首選。而低入口與低地板城市客車(chē)對(duì)轉(zhuǎn)向橋設(shè)計(jì)及選用基本相同，即滿(mǎn)足前橋過(guò)道高度即可。目前，此類(lèi)車(chē)型常用的前橋結(jié)構(gòu)有前獨(dú)立懸架及大落差剛性橋可供選擇。其中大落差剛性橋以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便布置、車(chē)架精度要求低、成本更低等優(yōu)勢(shì)被普遍運(yùn)用。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿(mǎn)足操作輕便、轉(zhuǎn)向靈活的要求，客車(chē)常選用循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向器[2]。轉(zhuǎn)向器常有立式及臥式布置形式。對(duì)于此12 米大客車(chē)，前懸較長(zhǎng)，為方便布置，首選帶角傳動(dòng)的轉(zhuǎn)向器臥式布置形式。而轉(zhuǎn)向器臥式布置又分為平臥及側(cè)臥兩種，側(cè)臥布置相比平臥布置傳動(dòng)效率更高，但作為低地板城市客車(chē)，駕駛區(qū)相對(duì)較低，空間限制，轉(zhuǎn)向器側(cè)臥布置困難，因此，此類(lèi)客車(chē)大多采用轉(zhuǎn)向器平臥布置形式[3]。

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)校核及匹配

2.1 整車(chē)參數(shù)

最大總質(zhì)量18000kg，前橋軸荷6500，后橋軸荷11500kg，軸距5900mm。

2.2 轉(zhuǎn)向梯形及轉(zhuǎn)角

目前，國(guó)內(nèi)一般客車(chē)主機(jī)廠(chǎng)底盤(pán)設(shè)計(jì)還主要為前橋的選用，不專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)新的轉(zhuǎn)向梯形（部分有開(kāi)發(fā)能力的大主機(jī)廠(chǎng)才會(huì)根據(jù)整車(chē)情況開(kāi)發(fā)新的轉(zhuǎn)向梯形）。此客車(chē)為選用市場(chǎng)上現(xiàn)有的大落差剛性前橋，已附帶轉(zhuǎn)向梯形，一級(jí)落差75mm，二級(jí)落差130mm，最大內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角48°/38°。

根據(jù)選用的前橋轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)可得到實(shí)際的內(nèi)輪轉(zhuǎn)角與外輪轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)關(guān)系。再根據(jù)前輪定位參數(shù)、軸距等通過(guò)作圖法可繪制理論內(nèi)輪轉(zhuǎn)角與外輪轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到實(shí)際與理論轉(zhuǎn)角差[4]。結(jié)果如圖1 所示：

圖1 轉(zhuǎn)角差值曲線(xiàn)

據(jù)校核結(jié)果，內(nèi)輪轉(zhuǎn)角0°-30°范圍內(nèi)，實(shí)際外輪轉(zhuǎn)角與理論外輪轉(zhuǎn)角差不超過(guò)1°，前橋轉(zhuǎn)向梯形選擇滿(mǎn)足整車(chē)要求。

2.3 轉(zhuǎn)向器的匹配與布置

轉(zhuǎn)向器90%效率最大輸出力矩需大于原地轉(zhuǎn)向阻力距，以保證轉(zhuǎn)向輕便性[5]。此客車(chē)前橋軸荷6500kg，采用國(guó)產(chǎn)江門(mén)ZJ120C（同BOSCH 8098）循環(huán)球式液壓助力轉(zhuǎn)向器，平臥布置。轉(zhuǎn)向器90%最大輸出扭矩6414 N.m，傳動(dòng)比23.27，搖臂最大擺角94°，最大工作油壓15MPa。

2.4 轉(zhuǎn)向油泵的匹配

轉(zhuǎn)向油泵最高油壓需大于系統(tǒng)所需油壓，其提供的流量需滿(mǎn)足快速轉(zhuǎn)向時(shí)（方向盤(pán)1.5r/s 轉(zhuǎn)速）需求，否則動(dòng)力轉(zhuǎn)向反而會(huì)形成附加阻力。此客車(chē)采用電動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵，最大工作油壓13MPa，控制流量16L/min，排量12ml/r，轉(zhuǎn)速1500r/min。

2.5 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)桿系

轉(zhuǎn)向垂臂設(shè)計(jì)[6]應(yīng)保證轉(zhuǎn)向器在前橋最大轉(zhuǎn)角時(shí)轉(zhuǎn)向器行程能夠達(dá)到總行程的90%以上，以充分利用轉(zhuǎn)向器性能。前橋分別左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)到極限時(shí)轉(zhuǎn)向垂臂前后擺角差盡量小（通常垂臂左右轉(zhuǎn)角差＜3°），從而保證方向盤(pán)兩側(cè)轉(zhuǎn)角差小。轉(zhuǎn)向直拉桿連接轉(zhuǎn)向垂臂與轉(zhuǎn)向節(jié)臂，在滿(mǎn)足車(chē)輛前橋最大載荷使用條件下，做到在轉(zhuǎn)向過(guò)程中不與懸架件及輪胎等有干涉。

設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)CAD 等繪圖軟件，先找出橋上轉(zhuǎn)向節(jié)臂相對(duì)橋主銷(xiāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)及轉(zhuǎn)動(dòng)距離，即節(jié)臂的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)中心距及節(jié)臂長(zhǎng)度，以此為基礎(chǔ)繪制轉(zhuǎn)向節(jié)臂和轉(zhuǎn)向垂臂運(yùn)動(dòng)軌跡及極限位置。

此客車(chē)轉(zhuǎn)向布置如圖2 所示，轉(zhuǎn)向垂臂長(zhǎng)度265mm，左右極限擺角44.3°/42.7°。

圖2 轉(zhuǎn)向布置圖

2.6 匹配計(jì)算校核

2.6.1 原地轉(zhuǎn)向阻力距計(jì)算校核

采用半經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：Mr為原地轉(zhuǎn)向阻力矩；G1為轉(zhuǎn)向軸負(fù)荷；J為輪胎與地面間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)；P表示輪胎氣壓。

計(jì)算得：原地轉(zhuǎn)向阻力矩Mr=4045.2 N.m＜轉(zhuǎn)向器90%最大輸出力矩6414 N.m，轉(zhuǎn)向器選擇符合要求。

2.6.2 系統(tǒng)壓力校核

轉(zhuǎn)向傳動(dòng)油經(jīng)轉(zhuǎn)向油泵加壓后，輸送至轉(zhuǎn)向機(jī)內(nèi)，推動(dòng)其內(nèi)活塞，形成助力與車(chē)輪阻力平衡。

式中：Ma為施加在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力矩；P為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所需最大油壓；ΔP為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的壓力損失；S為轉(zhuǎn)向機(jī)活塞有效面積；r為轉(zhuǎn)向機(jī)齒扇半徑；D為轉(zhuǎn)向機(jī)缸體直徑；d為轉(zhuǎn)向機(jī)絲桿直徑；t為轉(zhuǎn)向機(jī)絲桿螺距。

根據(jù)公式（2）、（3）、（4）代入各參數(shù)，計(jì)算得：系統(tǒng)最大油壓P=10.3MPa。

所選轉(zhuǎn)向油泵及轉(zhuǎn)向機(jī)最高油壓均大于此值，轉(zhuǎn)向油泵壓力匹配符合要求。

2.6.3 系統(tǒng)流量校核

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)流量需滿(mǎn)足方向盤(pán)1.5r/s 轉(zhuǎn)速需求，計(jì)算公式如下：

式中：Q0為轉(zhuǎn)向器理論所需流量；k 為流量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Q2為轉(zhuǎn)向器允許的內(nèi)泄漏量；Q1為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)際所需流量。

根據(jù)（5）、（6）式，代入?yún)?shù)計(jì)算得：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)際所需流量。

所選轉(zhuǎn)向油泵控制流量為16 L/min 大于計(jì)算所得，轉(zhuǎn)向油泵流量符合要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

作為城市客車(chē)，轉(zhuǎn)向使用更為頻繁，為減少駕駛員打方向時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度，轉(zhuǎn)向時(shí)方向盤(pán)力需較小（城市客車(chē)方向盤(pán)力一般設(shè)計(jì)小于50N）。根據(jù)GB 17675 對(duì)轉(zhuǎn)向系的要求，車(chē)輛向左或向右轉(zhuǎn)向力不得有顯著差異。車(chē)輛以10km/h 車(chē)速、24m 轉(zhuǎn)彎直徑前行轉(zhuǎn)彎時(shí)，帶助力轉(zhuǎn)向但助力轉(zhuǎn)向失效時(shí)，其轉(zhuǎn)向力應(yīng)小于588N，且機(jī)動(dòng)動(dòng)作時(shí)間不得大于6s。

在此，本文從轉(zhuǎn)向輕便性[7]和助力失效時(shí)轉(zhuǎn)向力[8]這兩個(gè)方面對(duì)整車(chē)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

車(chē)輛裝載到最大總質(zhì)量18000kg，前軸6500kg，后軸11500kg，輪胎氣壓符合要求；

試驗(yàn)設(shè)備：數(shù)據(jù)采集器、測(cè)力方向盤(pán)、氣壓表、風(fēng)速儀、卷尺等；

試驗(yàn)環(huán)境：平坦干燥路面，環(huán)境溫度20°，最大風(fēng)速＜5m/s。

3.2 轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)

考慮城市客車(chē)實(shí)際使用情況，經(jīng)常在站內(nèi)原地打方向后再行駛，而原地轉(zhuǎn)向也是方向盤(pán)力最大的時(shí)候，試驗(yàn)測(cè)得原地轉(zhuǎn)向方向盤(pán)力矩結(jié)果如圖3 所示：

圖3 原地轉(zhuǎn)向方向盤(pán)力矩與轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)

從試驗(yàn)結(jié)果可知，原地轉(zhuǎn)向最大方向盤(pán)力矩10.5N.m，此客車(chē)配置方向盤(pán)直徑500mm，得原地轉(zhuǎn)向最大方向盤(pán)力42N，符合轉(zhuǎn)向輕便性要求。

3.3 轉(zhuǎn)向助力失效轉(zhuǎn)向力試驗(yàn)

轉(zhuǎn)向助力失效轉(zhuǎn)向力試驗(yàn)按GB 17675 要求進(jìn)行，按24m轉(zhuǎn)彎直徑現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得方向盤(pán)兩邊轉(zhuǎn)角為右轉(zhuǎn)880°、左轉(zhuǎn)830°，以此獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4 所示：

圖4 轉(zhuǎn)向助力失效方向盤(pán)力矩與轉(zhuǎn)角曲線(xiàn)

從試驗(yàn)結(jié)果可知，24m 轉(zhuǎn)彎直徑時(shí)右轉(zhuǎn)方向盤(pán)最大力矩104.8N.m，作用力419.N，作用時(shí)間5.01s；左轉(zhuǎn)方向盤(pán)最大力矩102.7N.m，作用力410.8N，作用時(shí)間4.75s，符合轉(zhuǎn)向法規(guī)要求。

4 結(jié)論與分析

本文以低地板城市客車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)為研究，記錄了客車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配、校核、驗(yàn)證等過(guò)程。結(jié)果表明，此12 米城市客車(chē)用的大落差轉(zhuǎn)向前橋軸荷6500kg，軸距5900mm，轉(zhuǎn)向輕便性及助力失效時(shí)轉(zhuǎn)向力都符合要求。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)部分三軸雙層城市客車(chē)，使用的此類(lèi)大落差轉(zhuǎn)向前橋軸荷要到7000kg[9]，整車(chē)最大總質(zhì)量也相應(yīng)增大，軸距也更大，此類(lèi)客車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配校核要求則更高。