转向轮与周边间隙设计_陈应.pdf
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1、2023年1月机电技术机电技术转向轮与周边间隙设计转向轮与周边间隙设计陈 应(东南(福建)汽车工业有限公司,福建 福州 350119)摘要随着汽车工业的高速发展,车辆悬架系统的设计与研究已成为车辆电气化、智能化的主要指标,可直接或间接的影响车辆的行驶安全性、操作安全性以及乘坐舒适性。文章依据整车设计要求,分析悬架设计轮跳范围与转向角大小,在此基础上根据工况要求进行DMU分析作出轮胎包络,并结合形状位置与尺寸公差设定要求,合理设计与周边间隙。经实车验证结果表明,此流程方法正确可行。关键词轮胎包络;转向轮;间隙中图分类号:U463.3文献标识码:A文章编号:1672-4801(2023)01-08
2、0-04DOI:10.19508/ki.1672-4801.2023.01.022作者简介:陈应(1981),男,工程师,主要从事汽车底盘设计与项目管理工作。汽车转向轮与周边的间隙受包括轮跳的范围与转向角的大小、尺寸公差等诸多因素影响,其中最主要的影响因素是轮跳的范围与转向角的大小,其次是特殊工况与形状位置、尺寸公差。若轮胎与周边间隙设计不足,将导致干涉异响、乘适性能劣化等后果,但冗余的设计又会过多的占用引擎舱内的空间,影响动力总成的布置,还会影响轮弧轮眉的造型协调设计1-2。所以转向轮与周边间隙的合理设计是提高驾乘舒适性,保证整车性能的关键问题之一。本文以正向设计思路,考虑轮胎周边间隙设计影
3、响因素,结合工程实践经验,提出了一套转向轮周边间隙设计流程与方法,可用于车型的设计参考。1轮跳范围的确定汽车悬架是连接车架与车桥之间传力装置的总称。它一般由导向机构、弹性元件及减震器三部分组成,导向机构的作用是传递力和力矩,同时起导向作用,在汽车行驶过程中,能够控制车轮的运动轨迹。弹性元件支撑垂直载荷,缓和与抑止不平路面引起的振动和冲击,弹性元件一般由钢板弹簧、螺旋弹簧及扭杆弹簧等组成。减震器是产生阻尼力的主要元件,其作用是迅速衰减汽车的振动,提升汽车行驶平顺性,增强车轮和地面的附着力3。底盘运动件间有复杂的运动关系,首要任务是硬点的设计,其为底盘部件的运动协调关系建立基础,硬点确定则几何运动
4、关系确定。一般通过对标进行分析改进,如图1是某车型的前悬架系统总成装配图。图图1 1某车型前悬架系统总成某车型前悬架系统总成为吸收路面缓冲与降低减震器负荷,希望轮跳行程尽可能大,然而轮跳行程增大后,四轮定位参数变化趋势恶化,不利于操纵安全的控制,另外总布置的边界条件要求,也需要对轮跳范围进行控制4。建立仿真模型进行分析,如图2是某车型四轮定位参数在轮跳过程中的变化图形,并且进行了对标分析,验证了模型的准确性。从图2可知,前悬下跳行程的末段,前束与外倾均出现异常变化,需要严格控制下跳行程。轮跳在-70 +120 mm区间内前束变化较平顺,外倾在-70+100 mm 区间内变化较平顺。一般可以垂跳
5、前束变化(0 -0.5)/50 mm,外倾(-2 0.5)/50 mm作为定量判定条件。综合考虑,前悬轮跳参数设定为-70+100 mm,即上跳 100 mm,下跳70 mm。然后将车轮跳动范围的确定用于麦弗逊悬架1的设计输入。车轮上跳过程中,一般考虑在减震器承受 5g 簧载时缓冲块变形量达到80第1期图图2 2某车型四轮定位参数随轮跳变化图某车型四轮定位参数随轮跳变化图1789234560510152025010203040506070载载荷荷/kN位位移移/mm图图3 3某车型前减震器结构与缓冲刚度曲线图某车型前减震器结构与缓冲刚度曲线图1.螺母;2.上支承总成;3.轴承;4.弹簧上座;5
6、.螺旋弹簧;6.弹簧下胶垫;7.前减震器总成;8.防尘罩;9.缓冲块2/33/4位置,并且应力应变能平滑过渡。图3是某车型前减震器结构与缓冲块刚度曲线图。特别指出如前期轮跳设计不合理,后期通过调节缓冲块的刚度来作轮跳行程限位,往往会带来悬架冲击明显、舒适性恶化的后果。同样的,通过减小减震器的拉伸行程以限制轮跳的下跳行程的方法,也会带来同样的后果。更为严重的是导致减震器的寿命劣化。2转向角的确定车辆运动时,车辆的输出转向角与转向轮密切相关。因此在车辆系统整体建模时,需要着重考虑转向角度的设计,转向角度作为输出数据是建立车辆动力学模型的必要数据5。车辆在转向过度或转向不足时都可能导致车辆发生侧滑、
7、急转甚至翻车。若能得到车辆的实时转向角,则可结合车辆动力学模型分析转向角对车辆行驶安全的影响6。由于车辆开发目标一般设定了具有竞争性的轴距、轮距与转弯半径等技术参数。参考汽车工程手册根据外轮或内轮转角计算最小转弯半径7-9。外轮转角最大时,最小转弯半径为:R0=Lsin()0+(1)内轮转角最大时,最小转弯半径为:R0=()Lsin()i2+K2+2KLtan()i+(2)根据阿克曼原理2计算内外转向角,内转向轮偏转角i与外转向轮偏转角0的理想关系式:ctg0=ctgi+KL(3)则:0=sin-1LR0-a(4)i=cot-1()cot0-KL0=sin-1LR0-a(5)式中:K为两侧主销
8、轴线与地面相交点之间的距离;L为轴距;i为内转向轮偏转角;0为外转向轮偏转角;a为主销偏移距。某车型转向相关参数如表1所示。由于实际的转向关系并非完全的阿克曼关系,一般是不足转向,内外轮转角关系曲线介于平陈应:转向轮与周边间隙设计812023年1月机电技术机电技术表表1 1某车型转向相关参数某车型转向相关参数参数参数值L/mm2600K/mm1597a/mm-6行几何关系与阿克曼关系曲线之间,如图4所示。ABCiioOoaRminLKD-5051015202530354045051015202530354045外轮转角/内轮转角/平行几何关系阿克曼几何关系图图4 4某车型转向系统分析某车型转向
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