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轮转向在双轴全挂车底盘中的应用 |
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作者：张忠荣 杨强 高振伟 张永 |
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通过借鉴自行式车辆的转向系统的成熟技术，采用轮转向（梯形机构）来设计挂车底盘转向机构，具有转向性能稳定，特别是在高速行驶条件下车辆的稳定性及行驶平顺性好，具有良好的市场发展空间。
随着我国汽车工业以及国家高速公路的发展，汽车列车(由汽车/牵引车和挂车组成的车列)以载重量大、运输货物能力强得到快速发展。特别是双轴全挂车底盘，由于其不占用专用牵引车、可长时间停放等特点，目前已广泛应用于军队后勤系统战术防空武器系统、战略武器系统中的各种车辆中。双轴全挂车底盘技术指标的关键在于其转向系统的设计。
传统的双轴全挂车底盘转向系统的缺点
传统的双轴全挂车底盘转向系统一般采用20世纪60年代从苏联引进的双轴全挂车底盘转向系统“前桥转盘－轴转向的结构”。由于其在挂车底盘的前桥上增加了转盘，导致挂车底盘安装面离地高度大，底盘重心高，其转向、直线行驶以及高速行驶等性能较差，因此一般规定装有这种底盘的车速不能超过50km/h，因此其使用性能受到很大限制，具体表现在以下几个方面：
1.前桥为盘式轴转向结构形式，增加了底盘非悬挂质量，影响底盘行驶的平顺性和操纵稳定性；
2.采用盘式轴转向结构形式，在挂车底盘转向时，由于通过前轮轴绕回转中心偏转完成转向，增加转向阻尼，转向性能较差；
3.采用盘式轴转向结构形式，由于没有前轮的定位角参数（包括前轮外倾角α、主销内倾角β、主销后倾角γ及车轮的前束B－A），使全挂车直线行驶的稳定性、跟踪能力降低，使汽车列车行驶速度较低，已不能满足现代汽车列车高速行驶条件；
4.采用盘式轴转向结构形式，必须在前车轮轴与车架间增加较大的轮盘来保证转向性能，使得车架离地高较大，底盘自重增加，前桥轴荷增加，降低了挂车底盘的转向性能、汽车列车行驶性能以及上装设备的安装性能。
双轴全挂车底盘转向系统方案设计
针对上述问题，我们在设计时大胆借鉴了自行式车辆的转向系统的成熟技术，采用轮转向（梯形机构）来设计挂车底盘转向机构。结果显示，其转向性能稳定，特别是在高速行驶条件下车辆的稳定性及行驶平顺性好，主要表现在以下几个方面：
1.按照自行式车辆中前轮的定位角参数要求设计前轮外倾角α、主销内倾角β、主销后倾角γ及车轮的前束B－A。
作用是：保持汽车列车直线行驶的稳定性、转向轻便性及挂车跟随牵引车转向后使挂车底盘前轮具有自动回正的性能，转向桥的主销在挂车底盘的纵向和横向平面内都有一定倾角。
2.采用轮转向设计的挂车底盘，结构简单，可大幅度降低底盘自重，降低挂车底盘非悬挂质量。
作用是：非悬挂质量应当尽量小，才能获得良好的平顺性和操纵稳定性。一般而言，对于非驱动桥，特别是挂车系列车桥，其非悬挂质量约占整车重量的10%～18%。
3.采用轮转向设计的挂车底盘，可降低底盘车架表面离地高度以及底盘自重，增大上装设备的安装空间。
4.采用轮转向设计的挂车底盘，由于使用了单胎结构，可大大提高车辆的越野性能，满足各种条件下车辆行驶的要求。
汽车列车在行驶过程中，挂车底盘跟随牵引车进行实时转向，满足汽车列车行驶性能。就轮式挂车底盘而言，实现挂车底盘转向的方法是:通过一套专设的机构（梯形机构），使转向桥上的车轮（转向轮）相对于挂车纵轴线偏转一定角度，或通过转向桥上的车轮轴（转向轴）相对于挂车纵轴线偏转一定角度。在挂车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向。此时，挂车底盘转向机构形式就非常重要。采用轮转向梯形转向机构，可利用这套机构使转向轮向相反方向偏转，从而使挂车恢复原来的行驶方向；采用盘式轴转向机构，由于没有前轮定位参数，不能使挂车自动恢复原来的行驶方向，该方式适用于低速挂车底盘，已不能满足现代汽车列车行驶速度的要求。
转向机构的设计
最小转弯半径是指：转向盘转到极限，汽车以最低稳定车速转向行驶时，外转向轮的中心平面在车辆支承平面（一般指地面）上的轨迹圆半径。Rmin=L／sin(αmax)+a，其中轴距L是一个不变值。因此在外轮摆转角α最大时R最小。
转弯半径在很大程度上表征了汽车能够通过狭窄弯曲地带或绕开不可越过障碍物的能力。转弯半径越小，车辆弯道通过性能越强，停车、调头越方便，机动性能越好。
对于挂车的转向桥，其外轮最大转角α、内轮最大转角β与自行式技术状态要求一致，即确定相应的轴距、轮距、后悬、整车长及整车宽，就可分算出前桥的内、外轮最大转角，按照转弯时内、外轮均与轨迹圆相切的关系作图。当内轮最大转角为β°时作图，外轮最大转角α°，满足转向要求，此时满足挂车最小转弯半径Ｒ，通道宽度的要求，此即为对所选用前桥的理论最好转向特性。
因前桥为整体外购，转向方案不破坏转向梯形机构，通过采用连杆机构将牵引杆与上转向臂进行连接，带动一侧车轮转向，由前桥自带的梯形机构完成另一侧车轮的转向的方式，结构如图1所示。
图1 转向传动机构示意图
在图1中，当牵引杆左右摆动时，由两侧的连杆及摆臂带动上转向臂前后移动，并带动转向节和车轮作左右摆动，实现整车的左右转向功能。
采用这种结构时，当转弯时，内、外轮的转角大小由梯形机构保证，但仍有以下三点需要保证：
1.当牵引杆左、右摆角大小相等时，外轮（右、左轮）偏摆角度大小应相等。
保证本条要求是考虑牵引车拖动挂车一起作左、右转弯时，挂车应具有相同的跟随转弯特性，以保证列车整体通过性能一致。
2.当牵引杆左、右摆角大小等于β°时，外轮转角应等于α°。
保证本条要求，即可使牵引车以R最小转弯半径转弯时，牵引杆两端点均处于同一同心圆上，整车处于稳定转弯状态。
3.单个挂车应能满足最小转弯半径R的要求。
设计挂车最小转弯半径为R，以保证在与牵引车连接转弯时留有一定的转弯余量。为此应使外轮最大转角不小于α°。
以下针对上述三点要求进行分析设计。
设在最小转弯时牵引杆的摆角大小定为±γ°，此时内、外轮理论转角为β°和α°，则与车桥厂协商使其转向特性曲线满足过（β°，α°）点，设计四连杆机构使其输出亦满足过（β°，α°）点要求，即可达到左右转弯具有一致的最小转弯特性。
因这种转向机构是采用对一个轮轴进行驱动（通常是左轮），故在牵引杆左右摆动角度值相等的情况下，上转向臂对主销的转动角度不应相等，而应满足一定的关系。作图是基于理论状态的，即内外轮均作纯滚动，而实际上通过转向梯形机构的四连杆机构转换后，内、外轮的转角并非能完全满足理论状态，而会有一个差值，即其连线交点的轨迹是一个弧线。这样，左转弯时的上转向臂转角大小应等于右转时上转向臂转角大小所对应的内轮（右轮）转角大小值。故需依据车桥厂所提供的车桥图作出其转向特性曲线，并求出与牵引车连接状态下右转弯时所对应的内轮（右轮）转角大小值，此即牵引杆左、右摆相同角度所应有的输出值。这样，即可依据几何作图法设计出传动所用的四连杆机构，将此四杆机构的输出杆摆角γ°，即可求出在最小转弯状态时牵引杆所应有的摆角大小。
图2 内外轮转角关系图
为了保证前轮在转向时，其内、外轮的运动为纯滚动（即无滑动），其转向角与主销中心距及轴距应满足如下关系（见图2）：
ctgθ外－ctgθ内＝k／L
式中：
θ外——外轮转角，θ外＝α°；
θ内——内轮转角，θ内＝β°；
k——两主销中心线延长线到地面交点之间的距离，k＝amm；
L——轴距，L＝Hmm。
计算ctgθ外－ctgθ内＝c
k／L＝c
所以ctgθ外－ctgθ内≈k／L
因此能近似保证前轮转向时作纯滚动。
结论
采用轮转向双轴全挂车底盘的车辆，由于采用了自行式车辆中的成熟转向机构，转向性能稳定，特别是在高速行驶条件下车辆的稳定性及行驶的平顺性好。与盘式轴转向系统相比，其重心、安装面离地距、承载能力、通过能力、行驶性能等技术指标得到较大幅度提高，在各类军用全挂车底盘中得到广泛使用。且产品经济性、可靠性好，具有较大的市场空间。(end)
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(2/12/2014) |
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