矿用自卸车断开式转向梯形机构影响参数分析

翟许光

徐州徐工矿业机械有限公司 江苏省徐州市 221004

摘 要｜以某矿用自卸车转向梯形机构断裂为例，从几何结构出发，推导出左右转向轮实际角度关系。详细分析了断裂式转向梯形机构的影响因素对转向盘转角误差曲线的影响规律，揭示了转向梯形机构设计过程中需要优化的关键参数。影响左右方向盘实际角度关系的参数有：主销中心距K、梯形臂a臂长、梯形底角、铰链点G与前轮轴的距离s、铰链点G与连接线C、D的距离h，分析结果表明：当H、a、E、s四个值变化量相同时，方向盘转角误差变化曲线由大到小的影响程度为H、E、a、s值，s值的变化对方向盘转角影响不大误差变化曲线。θ值的变化对方向盘转角误差曲线的影响最大。

关键词：断开式转向梯形；轮转角误差；优化设计

转向梯形机构设计的主要任务之一是根据给定的条件，通过选择相关参数来设计转向梯形机构。梯形是为了保证车辆转弯时内外方向盘角度有一定的比例关系，以保证所有的车轮都绕着一个瞬时的转向中心运动，使在不同圆周上运动的车轮做纯滚动运动而不打滑，从而减小车轮与地面之间的滑动摩擦，延长轮胎的使用寿命，提高行车安全性[1]。然而，受转向梯形机构特性的限制，在所有可行的转向角范围内，实际转向机构的转向角与理论转向曲线的关系曲线并不完全一致。因此，优化方法只能使两者之间的差异（角度误差）最小化，并在整个转向角范围内合理分配[2]。

在矿用自卸车前轮采用独立悬架的情况下，要求一侧方向盘的上下跳动不影响另一侧方向盘的运动，转向梯形必须采用断开式梯形机构[3]。在实际应用中，不同的模型具有不同的梯形结构，其影响因素也不同。以某矿用自卸车断裂式转向梯形机构为例，根据四连杆的几何关系，推导出了左右转向轮的实际角度关系，分析了影响方向盘转角误差变化曲线的因素。

1转向机构的主要结构

矿用自卸车转向机构由转向臂、转向横拉杆、转向摇臂和转向液压缸组成。直线行驶时，转向液压缸两个腔室的油压相等。左转向时，高压油进入左转向液压缸有杆腔和右转向液压缸无杆腔；右转向时，高压油进入左转向液压缸无杆腔和右转向液压缸杆腔转向液压缸在高压油的推动下使车轮转动。

2 转向机构内外转向轮转角关系分析与计算

在自卸汽车实际转向过程中，转向梯形机构在空间中运动。为了简化计算，忽略了车轮的侧滑角，并假定了平面运动。根据经验，这种处理可以满足矿用自卸车在实际使用中的转向要求[4]。α0为外侧车轮的转向角，β0为内侧车轮的转向角，K为两侧主销轴交点与地面的距离，l为轴距。在理想的转向过程中，自卸车内外转向轮的角度应满足以下阿克曼关系式[5]：

cot α₀- cot β₀= K/L （1）

AF=k为两侧主销轴距地面交点的距离，ab=Fe=a为梯形臂的臂长，θ为梯形底角，G点为铰链点，G点至车辆前轴轴线的距离为s；c点和D点是梯形的断开点，CD=E；铰链点G与断开点连接线c和D之间的距离GP=H。

根据内外轮转向角之间的几何关系，车轮不转向及左右车轮向左侧转过β、α角度后的几何结构。

BC=ED=b为转向横拉杆长度；AG=FG=d；GC=GD=c为转向摇臂边长；φ、ψ为四连杆机构初始角度。过J点做边FG的垂线，交点为Q；∠IGJ=μ，∠JGF=λ；在外侧车轮转过α角之后B、C、D、E各点分别转到E、H、I、J位置，对应内侧车轮转过β角，转向摇臂转过γ角。

3转向机构影响参数分析

影响左、右转向轮实际转角关系的参数有主销中心距K、梯形臂的臂长a、梯形底角θ、铰接点G到前轮轴线的距离s、铰接点G到断开点C、D连线间的距离h，以及断开点C、D的距离e等。

为分析各参数对转向轮转角误差变化曲线的影响，根据转角关系的推导过程，利用EXCEL编制相关公式，依据整车设计参数，K=4 506 mm，L=6 100 mm，分别变换h、a、e、s、θ等参数。为便于观察各参数变化对转向轮转角误差变化曲线的影响，本文中h、a、e、s以每相差15 mm进行分析，θ以每相差5°进行分析。

铰链点G与断开点连接线C、D的距离h分别为15mm时，方向盘角度误差的变化规律。随着H值的增大，方向盘转角误差曲线与X轴的交点向右移动。当方向盘转角较小时，H值变化对方向盘转角误差变化曲线的影响不明显，且曲线基本一致。当方向盘转角较大时，方向盘转角误差变化曲线明显不同，且误差值迅速增大。只改变一个值或e值得到的方向盘转角误差变化曲线。随着a值或e值的增大，方向盘转角误差曲线与X轴的交点向左移动，其它特性与改变H值相似。

铰链点G与前轮轴距离s分别为15mm时方向盘转角误差的变化规律。随着s值的增大，方向盘转角误差的变化曲线基本吻合。当H、a、e、s四个值变化量相同时，方向盘角度误差变化曲线由大到小的影响程度为H、e、a、s，s值的变化对方向盘角度误差变化曲线影响不大。考虑到机构在设计过程中实现的可能性，可以根据实际需要先确定铰链点G的位置，然后再选择其他参数。梯形底角θ之差分别为5°时方向盘转角误差的变化规律。随着θ值的增大，方向盘角度误差的变化曲线由向上延伸到向下发展逐渐变化，随着角度的增加，在方向盘角度较小时会出现较大的角度误差，且随着角度的增加，误差迅速增大。

4转向机构参数选择

根据试制车辆的结构，初步确定s=639 mm；考虑外侧车轮转角26°范围内使用频率较高，同时外侧车轮最大转角时（本文试制车辆外侧车轮最大转角为28°）转角误差又不应太大的原则，确定选取a=880 mm，h=680mm，e=550 mm。

在本文给定的条件下，θ值的改变对转向轮转角误差变化曲线的影响是显著的，所以有必要缩小θ值的变化范围以做进一步分析。考虑加工、组装工艺等的影响，θ值的选择不宜出现小数点，故选择相差1°进行分析.

θ＝86°与θ＝87°时，最大转角误差大于3°，不宜选择；θ＝90°时，外侧车轮转角26°范围内转角误差明显较其他的大，同样不宜选择；考虑设计过程中应尽量让转向轮转角误差变化曲线与X轴的交点出现在外轮最大转角位置[1]，因此选取θ＝89°。试制车辆运行证明：左右转向轮未发现明显偏磨。

5 结束语

影响左右方向盘实际角度关系的参数包括主销中心距K、梯形臂臂臂长a、梯形底角、铰链点G与前轮轴的距离s、铰链点G与断开点C、D的距离h、断开点C与D的距离E，当H、a、e、s值变化相同时，方向盘转角误差变化曲线的影响程度由大到小依次为H、e、a、s，s值的变化对方向盘转角误差变化曲线影响不大。θ值的变化对方向盘转角误差曲线的影响最大。

在初始参数选择时，应根据实际需要确定铰链点G的位置，然后在满足强度和空间要求的前提下，尽量减小转向摇臂的重量，从而初步确定C和D的位置，然后选择转向梯形臂的长度和底角。如果不满足要求，可改变上述参数之一，集中改变θ值，直到内转向轮角误差变化曲线满足设计要求。以上分析结果对参数选取和数值范围的选取具有参考价值，可以减少设计过程中的盲目性，提高工作效率。同时，根据各参数对变化曲线的敏感性，确定零件的设计精度和加工方法，以保证转向梯形的合理工作性能和制造成本。

参考文献

[1]王霄峰.汽车底盘设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2]王望予.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2004．

[3]王望予，姜红军，林逸，等.断开式转向梯形参数及其对实际转向特性曲线的影响[J].汽车工程，1994，16（1）：7-11.

[4]赵波.交流传动电动轮自卸车结构与设计[M].北京：中国铁道出版社，2013.

[5]刘维信.汽车设计[M].北京：清华大学出版社，2001