某攪拌車轉彎半徑影響因素分析

鄧希來 鄧云海 卿艷青

（三一汽車制造有限公司，湖南 長沙 410100）

0 引言

近期，有客戶反饋某公司三軸攪拌車轉彎半徑過大，進出施工工地的機動靈活性差，轉彎不方便，引起用戶的很大抱怨。設計人員接到反饋后，組織理論分析轉彎半徑影響因素、分析轉向系統設計參數、現場檢測排故，最終找到問題原因并制定解決方案，問題得以解決，提升客戶滿意度。

1 最小轉彎半徑定義及計算方式

汽車最小轉彎半徑：當方向盤轉到極限位置，汽車以最低穩定車速轉向行駛時，外側轉向輪的中心平面在支承平面上滾過的軌跡圓半徑。

轉彎半徑直接影響汽車的機動性。轉彎半徑越小，汽車通過狹窄彎曲地帶或繞開不可越過的障礙物的能力就越強，機動性能越好，轉彎半徑原理圖如圖1所示。

圖1 轉彎半徑原理圖

忽略內外轉向輪的不協調性、忽略輪胎側偏影響、忽略軸轉動效應影響，最小轉彎半徑計算公式如下。

式中：為轉向輪外輪轉角；θ為轉向輪內輪轉角；為主銷中心距；為汽車軸距；為主銷中心與輪胎中心面的距離。

2 理論影響因素分析

車輛最小轉彎半徑受以下幾個因素的影響。

2.1 前輪最大轉角

從上述公式可以看出，影響最小轉彎半徑的因素有前輪最大轉角、軸距、主銷距、主銷中心與輪胎中心面的距離等因素。其中軸距、主銷距、主銷中心與輪胎中心面的距離在轉向過程中保持不變，只有轉角是變化的。因此，轉角應足夠大，以保證達到要求的最小轉彎半徑。而轉向輪轉角又有如下影響因素：1）轉向器的最大輸入圈數和輸出角度。重型貨車轉向器一般采用循環球式轉向器，輸入軸設計最大轉角即方向盤最大轉動圈數，如圈數太少，則垂臂擺角也會過小，進而影響轉向輪轉角。2）前橋限位轉角過小。車橋轉角最大極限轉角一般較大，為避免轉角過大導致干涉或過度轉向，通過限位螺釘限制前輪轉角。如方向盤圈數未達到設計要求，而前橋限位螺釘已限位，則可通過調整前橋限位螺釘，以增大前輪轉角。3）轉向器的卸荷角度過小。循環球式轉向器設計有卸荷裝置，當轉向器轉到一定角度時卸荷裝置卸荷，轉向器無動力輸出，則輸出軸不會再繼續轉動，前輪角度不再增加。該情況需要增大轉向器卸荷角度。4）轉向器傳動比過大。轉向器傳動比即輸入軸轉角和輸出軸轉角的比值。如傳動比大于設計值，則即使方向盤圈數達到設計要求，垂臂擺角仍不能達到設計值。5）若垂臂擺角足夠，前輪限位螺釘也未限位，而轉角未達到設計值。則應考慮轉向梯形連桿機構設計不合理，此時應重新校核轉向梯形。

2.2 輪胎側偏對最小轉彎半徑的影響

在汽車轉彎行駛時，受側向慣性力作用，輪胎產生側偏。轉彎半徑和瞬時轉向中心位置都發生變化。

如圖2，汽車轉向中心位置從點移至點。若點和點到汽車中心線的距離相等且為，并設前外輪的側偏角為，后軸中心位置處的側偏角為（橫向滑移角）。

根據圖2可知，在考慮輪胎側偏角以后，最小轉彎半徑如下。

圖2 兩軸車側偏角的影響

由公式（2）可知，前外輪的側偏角使最小轉彎半徑增加，后軸中心側偏角使其減小。

考慮到輪胎的側偏角，在低速轉彎行駛條件下，雙后軸三軸汽車的轉向中心要相對雙后軸中心往后移并且雙后軸的軸距愈大，后移也愈多。

三軸車轉向原理示意圖如圖3所示。

如圖3所示，瞬時轉向中心要相對裝后軸中心往后移。

圖3 三軸車側偏角的影響

計算雙后軸三軸汽車轉彎半徑時的軸距修正如下。

式中：為后兩軸的軸距。

雙轉向前軸四軸車計算轉彎半徑時，與三軸車相似，軸距修正如下。

=（0.15~0.2）（4）

從式（3）、式（4）可看出，三軸車和四軸車考慮側偏角后，計算得出的最小轉彎半徑較式（1）計算得出的大且后兩軸的軸距越大，最小轉彎半徑增加值越大。

因現有汽車轉向梯形機構的不完善，內外輪轉角還不能完全滿足阿克曼幾何學的理論關系，所以實際的內外轉向輪存在不協調性，即車輪實際并非做純滾動運動，而為滾動和滑動的綜合，因此應對最小轉彎半徑計算公式進行修訂。

以兩軸車為例。如圖4，先根據實際前輪轉角，計算和的值，求出和值的平均值，再求出最小轉彎半徑。式中：為按照內輪轉角得出的瞬時轉向中心到外輪側主銷中心連線的距離；為按照外輪轉角得出的瞬時轉向中心到外輪側主銷中心連線的距離。

圖4 兩軸車左右輪不協調性的影響

三軸車計算方法與兩軸車相似，只是應考慮側偏角對軸距的影響，計算時應按式（3）修正軸距。

三軸車的最小轉彎半徑計算方法如下。

式（6）中參數與式（3）、式（5）中參數定義相同。雙轉向前軸四軸車轉向原理圖如圖5所示。先根據實際前輪轉角，計算、、、的值，求出平均值，再求出最小轉彎半徑，軸距也應考慮側偏角的影響按式

圖5 四軸車轉向原理圖

（4）進行修正。

式中：為按照第一軸內輪轉角得出的瞬時轉向中心到外輪側主銷中心連線的距離；為按照第一軸外輪轉角得出的瞬時轉向中心到外輪側主銷中心連線的距離；為按照第二軸內輪轉角得出的瞬時轉向中心到外輪側主銷中心連線的距離；為按照第二軸外輪轉角得出的瞬時轉向中心到外輪側主銷中心連線的距離。

考慮到內外轉向輪的不協調性，及車輛轉向系統設計時轉向阿克曼平均修正率一般在73%~93%，根據式（5）、式（6）、式（7）計算得出的最小轉彎半徑較式（1）偏大且修正率越小，偏差值越大。

汽車轉彎行駛時，由于作用在汽車質心處的離心力作用，內側車輪載荷減小，外側車輪載荷增加，使作用在懸架上的載荷發生相應變化。若前軸和后軸都采用鋼板彈簧，位于汽車內側的鋼板彈簧因載荷減小而長度縮短，位于外側的鋼板彈簧因作用其上的載荷增大而伸長，結果導致車軸在水平面相對車身轉過一個角度，稱之為軸轉向效應。軸轉向效應不僅對操縱穩定性有影響，同時影響最小轉彎半徑。

前軸的軸轉向效應使汽車不足轉向趨勢增大，后軸的軸轉向效應使汽車過多轉向趨勢增大。

該攪拌車后懸架及板簧剛度較前板簧剛度大，變形量也較前板簧小。軸轉向效應使汽車不足轉向趨勢增大，同時增大最小轉彎半徑。

經以上分析，轉向輪的轉角是影響最小轉彎半徑的主要因素，輪胎側偏角、內外轉向輪不協調性、軸轉向效應為次要因素。而影響轉向輪轉角的主要影響因素有垂臂擺角大小、車輪限位螺釘限位角度、轉向器卸荷角度等。

3 設計參數分析、現場檢測及排故

設計人員經了解，該型號攪拌車轉向系統主要設計參數見表1。

表1 該攪拌車轉向系統主要設計參數

從以上參數分析，該攪拌車轉向系統設計合理，符合使用要求。

設計人員及服務人員趕到客戶現場實車檢測轉彎半徑、方向盤圈數、垂臂擺角、轉向輪轉角，檢測數據如表2。

表2 初次檢測數據

同時，檢查車橋限位螺釘均已限制到位且在車橋轉向節頂到限位螺釘時，轉向器也卸荷。

分析以上檢查和檢測數據，轉彎半徑、方向盤圈數、垂臂擺角、轉向輪轉角均小于設計值。設計人員初步判定故障原因為車橋限位螺釘提前限位，導致車橋最大轉角過小。

現場調整限位螺釘，重新檢測以上數據。經調整多次，最終檢測數據如表3。

表3 終次檢測數據

根據最終檢測結果，該攪拌車轉向系統主要參數已基本符合設計要求。給客戶使用驗收，客戶表示該攪拌車最小轉彎半徑相對調整之前已明顯減小，機動靈活性顯著提升。

4 結論

通過理論分析最小轉彎半徑受影響的各個因素，分析得出轉向輪的轉角是影響最小轉彎半徑的主要因素，輪胎側偏角、內外轉向輪不協調性、軸轉向效應為次要因素。

影響轉向輪轉角的主要影響因素有垂臂擺角大小、車輪限位螺釘限位角度、轉向器卸荷角度等。

通過現場檢測轉彎半徑、方向盤圈數、垂臂擺角、轉向輪轉角，并與設計參數比較，進而確認轉彎半徑偏大的原因為車橋限位螺釘提前限位，導致車橋最大轉角過小。通過制定解決方案，多次調整，該車最小轉彎半徑明顯減小，機動性能顯著提升，客戶滿意度得到提高。

該文可為同類車型轉彎半徑分析提供參考。