商用車前橋總成轉向阻滯力的研究

劉新榮，孔德利

（1.262200 山東省 諸城市 諸城市義和車橋有限公司；2.262200 山東省 諸城市 上海理工大學-諸城市義和車橋有限公司 汽車先進底盤系統開發聯合研究所）

0 引言

商用車前橋總成（以下簡稱前橋總成）是商用車傳統四大總成之一，隨著國家經濟的發展和市場消費水平的轉變，商用車不再僅是單純滿足貨運需求，更多用戶追求良好的駕駛舒適性和操控穩定性。鑒于前橋總成轉向阻滯力直接影響車輛操控平順性[1]，本文首先分析了產生前橋總成轉向阻滯力的機理，然后建立力學模型推導前橋總成轉向阻滯力計算公式，最后搭建檢測試驗臺進行對比試驗。

1 前橋總成轉向阻滯力產生機理

前橋總成主要由前軸、轉向節、轉向節銷、制動器、輪轂、直拉桿臂、橫拉桿臂和橫拉桿等組成，如圖1 所示。在直拉桿臂球銷處沿直拉桿前后運動方向的力驅動左右轉向節繞轉向節銷運動，該驅動力即前橋總成轉向阻滯力。

圖1 前橋總成Fig.1 Front axle assembly

按前橋總成放置姿態不同轉向阻滯力分為2種：

（1）空載轉向阻滯力

圖2（a）所示為前橋總成為運輸架放置狀態。空載轉向阻滯力由轉向節襯套部位摩擦力矩、橫拉桿球頭轉動力矩和推力軸承轉動力矩3 部分組成，其中轉向節襯套部位摩擦力矩和推力軸承轉動力矩均與前橋總成兩輪端的重量相關。

（2）靜滿載轉向阻滯力

圖2（b）所示為前橋總成正常行車狀態放置，在前輪距處施加垂直方向的前橋總成靜滿載荷，此時不考慮輪胎的影響。

圖2 前橋總成放置姿態Fig.2 Front axle assembly placement

靜滿載轉向阻滯力由轉向節襯套部位摩擦力矩、橫拉桿球頭轉動力矩、推力軸承轉動力矩和內傾角回正力矩4 部分組成，其中轉向節襯套部位摩擦力矩、推力軸承轉動力矩均和內傾角回正力矩[2]與前橋總成靜滿載荷相關。

2 前橋總成轉向阻滯力的計算

2.1 空載轉向阻滯力

按式（1）計算：

式中：Fk——前橋總成空載轉向阻滯力，N；MkL——前橋總成空載左輪端產生的轉動力矩，N·m；MkR——前橋總成空載右輪端產生的轉動力矩，N·m；MB——橫拉桿球頭轉動力矩，N·m；La——直拉桿臂球銷旋轉半徑，mm；α——內輪轉角，°。

2.1.1 前橋總成空載左輪端產生的轉動力矩

式中：MGk——前橋總成輪端質量產生的轉動力矩，N·m；MkBup——前橋總成輪端質量產生的轉向節上襯套轉動力矩，N·m；MkBdown——前橋總成輪端重量產生的轉向節下襯套轉動力矩，N·m；MkT——前橋總成輪端質量產生的推力軸承轉動力矩，N·m。

2.1.2 前橋總成輪端質量產生的轉向節上下襯套轉動力矩

根據圖3 可得各轉動力矩為：

圖3 空載轉向阻滯力的計算Fig.3 Calculation of blocking force for no-load steering

其中：

式中：Fkup——前橋總成輪端重量產生的在轉向節上襯套處的壓力，N；Fkdown——前橋總成輪端重量產生的轉向節下襯套處的壓力，N；μB——轉向節襯套相對轉向節銷的摩擦系數；d——轉向節銷直徑，mm；Gk——前橋總成兩側輪端的質量載荷，N；L——輪胎中心至主銷中心點距離，mm；a ——上轉向節襯套中心至主銷中心點距離，mm；b ——下轉向節襯套中心至主銷中心點距離，mm；γ——主銷內傾角，°。

2.1.3 推力軸承產生的轉動力矩

式中：μT——推力軸承的摩擦系數；rT——推力軸承的摩擦半徑，按推力軸承中徑計算，mm。

2.1.4 前橋總成空載右輪端產生的轉動力矩

前橋總成右側輪端重量產生的轉動力矩通過轉向梯形傳遞到左側輪端，如圖4 所示。

圖4 轉向梯形角度和力臂的計算Fig.4 Calculation of steering trapezoidal angle and moment arm

前橋總成右輪端按式（8）、式（9）計算：

根據轉向梯形計算各梯形角度[3]及力臂：

式中：Fks——前橋總成空載轉動時橫拉桿上的推力，N；lR——前橋總成轉動時橫拉桿右球頭力臂，mm；lL——前橋總成轉動時橫拉桿左球頭力臂，mm；θ——轉向梯形底角，°；β——外輪轉角，°；lh——橫拉桿球頭至前軸的前后距離（擺正狀態），mm；lH——橫拉桿球頭中心至主銷中心的高度（直行狀態），mm；S——主銷中心距，mm；lb——橫拉桿球頭中心距離，mm；la——轉向梯形腰長，mm。

2.2 靜滿載轉向阻滯力

根據圖5，按式（18）計算。

圖5 靜滿載荷轉向阻滯力的計算Fig.5 Calculation of steering blocking force in static full load

式中：Fm——前橋總成靜滿載轉向阻滯力，N；MmL——前橋總成靜滿載左輪端產生的轉動力矩，N·m；MmR——前橋總成靜滿載右輪端產生的轉動力矩，N·m；Mγ——前橋總成靜滿載內傾角回正力矩，N·m；

其中，MmL和MmR根據式（2）—式（9）計算，將前橋總成輪端質量載荷Gk替換為靜滿載荷Gm。

2.2.1 內傾角回正力矩[4-5]

3 某前橋總成轉向阻滯力的計算

3.1 前橋總成相關設計參數（見表1）

表1 設計參數Tab.1 Design parameters

該前橋總成的轉向節襯套采用雙金屬襯套，推力軸承結構為推力滾子軸承。

3.2 空載轉向阻滯力

空載轉向阻滯力計算結果見圖6（a），右轉的轉向阻滯力大于左轉的轉向阻滯力[6]。其中，空載條件下橫拉桿球頭轉動力矩為影響空載轉向阻滯力的主要因素，約占70%，如圖6（b）所示。

圖6 空載轉向阻滯力計算結果Fig.6 No-load steering blocking force calculation results

3.3 靜滿載轉向阻滯力

靜滿載轉向阻滯力計算結果見圖7（a）。靜滿載轉向阻滯力明顯高于空載轉向阻滯力。其中，內傾角產生的回正力矩和轉向節襯套產生的轉動力矩為影響靜滿載轉向阻滯力的主要因素，且隨轉角改變發生較大變化，兩者約占靜滿載轉向阻滯力的85%，如圖7（b）所示。

圖7 靜滿載轉向阻滯力計算結果Fig.7 Static full load steering blocking force calculation results

4 某前橋總成轉向阻滯力的試驗驗證

根據前橋總成的裝車狀態搭建轉向阻滯力試驗臺如圖8 所示。通過加載裝置模擬前橋總成垂向靜滿載荷，通過前軸板簧托上的壓力傳感器控制加載力值，輪端模擬工裝與加載裝置之間采用滑動支撐以盡量減小摩擦系數，作動器上安裝拉壓力傳感器和位移傳感器，一端與直拉桿臂錐孔鉸接，作動器模擬直拉桿前后方向的運動。

圖8 轉向阻滯力試驗臺Fig.8 Steering blocking force test device

對前橋總成在靜滿載荷下的轉向阻滯力進行了檢測，并對不同的產品配置進行了對比，結果見圖9。靜滿載轉向阻滯力的實測結果與理論分析結果趨勢相同。不同的組合配置對靜滿載荷下的轉向阻滯力影響較大，同等條件下轉向阻滯力雙金屬襯套＞PEEK 襯套＞滾針軸承。

圖9 靜滿載荷轉向阻滯力實測結果Fig.9 Measured results of static full-load steering blocking force

5 結論

本文通過建立前橋總成轉向阻滯力的力學分析模型，對轉向阻滯力進行了公式推導，并根據計算實例分析了不同位置對轉向阻滯力的影響大小。同時建立了試驗驗證臺架，分析了不同產品組合對轉向阻滯力的影響，為后續產品開發和性能提升奠定了基礎，主要結論如下：

（1）根據前橋總成的放置姿態不同，分為空載轉向阻滯力和靜滿載轉向阻滯力；（2）右轉的轉向阻滯力要大于左轉的轉向阻滯力；（3）靜滿載轉向阻滯力明顯大于空載轉向阻滯力；（4）橫拉桿球頭的轉動力矩是影響空載轉向阻滯力的主要因素，約占空載轉向阻滯力的70%；（5）轉向節襯套的摩擦力矩和內傾角回正力矩是影響靜滿載轉向阻滯力的主要因素，且隨轉角的變化而變化，兩者約占靜滿載轉向阻滯力的85%；（6）同等條件下靜滿載轉向阻滯力雙金屬襯套＞PEEK 襯套＞滾針軸承；（7）在車輪定位參數一定的條件下，可以通過改變轉向節襯套結構、推力軸承結構和橫拉桿球頭轉動力矩來對前橋總成的轉向阻滯力進行優化設計。