商用車液壓后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配設(shè)計與研究

溫圣灼，李志魁，王建宇，朱宏

(中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林長春130011)

0 前言

目前6 ×2 雙前橋車型在市場上也還一直保持著比較高的熱度，這種車型與6 ×4 車型相比，用普通的鋼板彈簧懸架替代相對復(fù)雜的平衡懸架，因此可以很好地迎合國內(nèi)各大主機廠和用戶所追求的輕量化和低成本需求，這種6 ×2 車型(見圖1)在承載不多的前部設(shè)置了兩個轉(zhuǎn)向橋，承載更多的后部只有一個單后橋。因此雙前橋的設(shè)計顯得很不合理。

國外同類車型的做法是將第二轉(zhuǎn)向橋移到與后橋較近的位置(位于后驅(qū)動橋的后側(cè)或前側(cè))，將其變?yōu)榭膳e升的轉(zhuǎn)向浮橋，這就將前輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)變?yōu)楹筝嗈D(zhuǎn)向，見圖2。一汽在2002—2004 年曾推出帶隨動轉(zhuǎn)向浮橋的10 ×4 載貨車，市場表現(xiàn)同樣異?；鸨?，后因許多人鉆政策的空子非法改裝懸浮橋，在國內(nèi)引起過不小的爭議，使得懸浮橋在很多地方遭到封殺，這卻使得并不科學(xué)的雙前橋6 ×2 車型火爆異常，這種雙前橋車型的火熱很大程度上是為了應(yīng)付軸荷計重而出的一種“政策車”。

技術(shù)的革新應(yīng)符合卡車發(fā)展的趨勢，而不是為了應(yīng)付政策。一些政策車快速獲得市場份額只能算是一種短視的行為，會讓中國卡車的發(fā)展多走好多彎路。一汽技術(shù)中心對卡車的發(fā)展趨勢有著較高的認(rèn)識，對于用戶的購車用車應(yīng)起到積極的引導(dǎo)作用。因此技術(shù)中心于2010 年開發(fā)了一款技術(shù)更為合理、具有主動后輪轉(zhuǎn)向功能的6 ×2 車型，在該車型上應(yīng)用了ZF 公司的液壓控制后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

1 商用車后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計

1.1 商用車后輪轉(zhuǎn)向形式

目前國內(nèi)實現(xiàn)后輪轉(zhuǎn)向的卡車較少，但國外的技術(shù)也已經(jīng)非常成熟，形式也較多。下面介紹幾種形式。

一種是基于機械桿系控制RAS-MC (Rear Axle Steering -Mechanical Control)系統(tǒng)。最初開發(fā)的 CA4233P7K2T3 和CA4250K2R5T3 車都采用這種系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要通過拉桿和過渡臂來傳遞運動，控制后輪按一定的協(xié)調(diào)規(guī)律進行轉(zhuǎn)向，見圖3，該系統(tǒng)存在以下不足:轉(zhuǎn)向拉桿的運動范圍較大，占用空間較大，布置和拆裝困難，拉桿較長，造成支架剛度不足，容易造成輪胎磨損。

一汽在2002—2004 年推出了10 ×4 載貨車，該車型上實現(xiàn)后輪轉(zhuǎn)向的方式是采用了一種隨動轉(zhuǎn)向橋RAS-PT (Rear Axle Steering-Pusher/Tag Axle)，見圖4，此種系統(tǒng)沒有主動控制轉(zhuǎn)向角度的機構(gòu)，主要依靠主銷后傾角和內(nèi)傾角的合理設(shè)置，來實現(xiàn)車輪進行隨動轉(zhuǎn)向。這種方式由于沒有主動控制機構(gòu)，所以在高速行駛時易產(chǎn)生擺動，同時抗側(cè)向干擾能力較弱，另外倒車時，無法實現(xiàn)合理的轉(zhuǎn)向，需要將車輪抬起，耗時較長。

為了解決上述隨動轉(zhuǎn)向存在的問題，在CA3124 車型上采用的一種帶鎖止機構(gòu)的隨動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)RAS - LU (Rear Axle Steering-Lock Unit)，見圖5，該系統(tǒng)可實現(xiàn)倒車時自動鎖止，使車輪不轉(zhuǎn)向，駕駛員也可以通過控制開關(guān)進行手動鎖止。該系統(tǒng)在一定程度上解決了高速行駛時易產(chǎn)生擺振和倒車時無法實現(xiàn)合理轉(zhuǎn)向的問題，但在特殊工況(如鎖止開，一邊轉(zhuǎn)向一邊倒車時)仍然需要將后橋抬起或?qū)饽曳艢猓管囕喕卣笤冁i止，耗時較長。

針對上述3 種控制系統(tǒng)存在的缺點，ZF 公司提出了液壓控制后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)RAS -HC (Rear Axle Steering -Hydraulic Control)，見圖6 。也是文中后續(xù)要詳細(xì)介紹的系統(tǒng)。該系統(tǒng)基本上是由兩個動力缸和鎖止機構(gòu)構(gòu)成。根據(jù)轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)性原則，安裝在轉(zhuǎn)向臂上的主動力缸1 將動力轉(zhuǎn)向油推入到布置在后轉(zhuǎn)向橋上的動力缸2 相應(yīng)的油腔內(nèi)。這樣前橋的轉(zhuǎn)向運動通過液壓的作用傳遞到后橋。前轉(zhuǎn)向橋和后轉(zhuǎn)向橋轉(zhuǎn)角的傳動比取決于相應(yīng)的轉(zhuǎn)向垂臂的長度比及動力缸的缸徑比。鎖止機構(gòu)用于直行狀態(tài)下對后軸進行鎖止，保證直行的穩(wěn)定性。RAS -HC 與RAS-MC 后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對比具有以下優(yōu)點:無機械桿系、布置容易、質(zhì)量輕。RAS -HC 和RAS -PT、RAS -LU 后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對比優(yōu)點如下:由于采用后轉(zhuǎn)向軸對中鎖止裝置，提高了直行時后轉(zhuǎn)向橋的穩(wěn)定性;可解決隨動轉(zhuǎn)向橋高速擺震，倒車需要舉升的問題。

還有一種后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它是在RAS -HC 基礎(chǔ)上增加傳感器和電控模塊，使轉(zhuǎn)向特性能夠根據(jù)車速信號通過ECU 進行調(diào)整，該系統(tǒng)稱之為電控液壓后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)RAS -EH (Rear Axle Steering-Electro Hydraulic)，見圖7 。該系統(tǒng)的優(yōu)點:更精確地控制車輪的轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)與理想的轉(zhuǎn)角更為接近。它的模塊化結(jié)構(gòu)使安裝變得簡單，轉(zhuǎn)向特性根據(jù)車速由程序控制，實現(xiàn)高車速時，轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性更高，主動轉(zhuǎn)向使倒車轉(zhuǎn)彎更容易等。

1.2 液壓后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

技術(shù)中心開發(fā)的CA1253P7K2L11T2E 6 ×2 載貨車，由于該車軸距較長，采用機械控制實現(xiàn)后輪轉(zhuǎn)向非常困難，而在該車上采用液壓控制后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以很好解決布置困難的問題。液壓后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要組成部分如圖8 所示。

(1)直行時

當(dāng)車輛處于直行位置時，見圖9，主動缸2 內(nèi)部的活塞也處于中間位置，此時Z1 腔和Z2 腔相通，Z1、Z2、Z6、Z5 內(nèi)部壓力相同，均為儲能器4 內(nèi)部的壓力，對中缸3 內(nèi)部包括兩個浮動的活塞，在儲能器壓力作用下，浮動活塞被壓在中間位置，浮動活塞也將活塞桿上的小活塞夾在中間位置，此時后車輪也保持在直行的位置。

(2)轉(zhuǎn)向時

以右轉(zhuǎn)為例說明，當(dāng)向右轉(zhuǎn)向時，見圖10，轉(zhuǎn)向臂8 的帶動主動力缸2 的活塞桿向后移動，當(dāng)Z1 和Z2 腔完全隔離開時，Z1 腔內(nèi)部的油液被壓縮，通過轉(zhuǎn)向油管壓入對中缸的Z6腔內(nèi)部，此時Z6 腔容積增大，油液推動對中缸3 的活塞桿向左側(cè)移動，帶動后輪向左轉(zhuǎn)向，這時Z5 腔的容積變小，Z5 腔內(nèi)的油液通過管路流入Z2 腔，正好填補了Z2 腔內(nèi)增大的容積。

該系統(tǒng)實現(xiàn)了基本的轉(zhuǎn)向功能后，還需解決2 個技術(shù)難點，一是需解決系統(tǒng)內(nèi)泄漏引起的一軸、三軸轉(zhuǎn)向不協(xié)調(diào)，二是液壓系統(tǒng)失效后采取怎樣的保護措施。

第一個技術(shù)難點是必須加以考慮解決的。因為液壓系統(tǒng)存在內(nèi)泄漏，在進行多次轉(zhuǎn)向操作后，一軸和三軸的轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)關(guān)系會發(fā)生變化，會發(fā)生一軸回正到直行位置時，三軸可能還處于轉(zhuǎn)向狀態(tài)，這會導(dǎo)致車輪磨損，還會影響到操縱穩(wěn)定性。由于液壓系統(tǒng)的內(nèi)泄漏是不可避免的，因此只能從如何進行修正的方向去考慮解決辦法。目前的解決辦法是一軸車輪轉(zhuǎn)角在±10°范圍內(nèi)，保證Z1 腔和Z2 腔相通，其目的是使三軸車輪此時在對中缸3 中的作用下保持在直行位置。這樣可以實現(xiàn)每進行一次轉(zhuǎn)向，回正操作，三軸車輪就矯正一次。也就是說采用上述的結(jié)構(gòu)使一軸車輪轉(zhuǎn)角在±10°范圍內(nèi)時，三軸車輪始終保持在直行的位置，從而保證了一、三軸轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)關(guān)系長時間保持一致。

第二個技術(shù)難點的解決辦法是在該系統(tǒng)中設(shè)置儲能器4，儲能器4 的作用是保證管路內(nèi)部存在一定的壓力，消除管路的膨脹所帶來的后輪轉(zhuǎn)向滯后，也就相當(dāng)于保證系統(tǒng)具有合理的剛度。在系統(tǒng)中還設(shè)置有壓力開關(guān)6，其作用是如果不能控制三軸車輪轉(zhuǎn)向，多數(shù)原因是出現(xiàn)了內(nèi)泄漏或者外泄漏使系統(tǒng)壓力下降，當(dāng)降至一定數(shù)值時，壓力開關(guān)接通并通過警示燈報警來通知駕駛員。此時后轉(zhuǎn)向橋相當(dāng)于隨動轉(zhuǎn)向橋，車輛仍可操控。

1.3 理想的轉(zhuǎn)角關(guān)系

車輛進行轉(zhuǎn)彎時，為了保證各個車輪在轉(zhuǎn)向時無側(cè)滑做純滾動，只有所有車輪的軸線都交于一點時才能夠?qū)崿F(xiàn)。理想轉(zhuǎn)角關(guān)系示意圖如圖11 所示，在忽略輪胎側(cè)偏影響的情況下，保證車輪無側(cè)滑需要滿足關(guān)系式(1)— (3):

式中:β1為外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角;α1為內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角;K1為一軸主銷中心點之間的距離;K2為三軸主銷中心點之間的距離;L1為一、二軸軸距;L2為二、三軸軸距。

1.4 基于ADAMS 優(yōu)化設(shè)計

主動缸和對中缸的布置位置直接影響前、后轉(zhuǎn)向橋的轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)關(guān)系，因此需對其布置的關(guān)鍵點進行優(yōu)化，使其轉(zhuǎn)角關(guān)系盡量保證滿足關(guān)系式(1)— (3)。一軸選用目前一汽現(xiàn)有前軸，第三轉(zhuǎn)向軸需要重新設(shè)計，因此其具體優(yōu)化步驟分為3步:

(1)校核一軸轉(zhuǎn)角關(guān)系是否接近關(guān)系式(1);

(2)優(yōu)化三軸梯形，使三軸的左右輪接近關(guān)系式(2);

(3)優(yōu)化主動缸和對中缸的安裝位置，使三軸和一軸的接近關(guān)系式(3);

優(yōu)化工具為ADAMS 及其和Pro/E 的接口軟件，具體優(yōu)化方法詳述如下。

1.4.1 校核一軸轉(zhuǎn)角關(guān)系

根據(jù)整車的載荷分布，初步選擇目前現(xiàn)有前軸總成，經(jīng)過計算，轉(zhuǎn)角關(guān)系如圖12 所示，從圖中可以看出，理論計算的曲線與理想曲線基本吻合，滿足設(shè)計要求。

1.4.2 三軸梯形優(yōu)化

三軸左轉(zhuǎn)向時，左輪轉(zhuǎn)角應(yīng)小于右輪轉(zhuǎn)角;三軸右轉(zhuǎn)向時，左輪轉(zhuǎn)角大于右輪轉(zhuǎn)角。三軸與一軸轉(zhuǎn)向正好相反，因此其轉(zhuǎn)向梯形也應(yīng)布置在橋前。

優(yōu)化方法如下:

(1)利用Pro/E 和ADAMS 的接口軟件將三橋、轉(zhuǎn)向節(jié)三維導(dǎo)入ADAMS 的aview 中，并建立約束，如圖13 所示。

特別需要說明的是導(dǎo)入時原點坐標(biāo)系的定義。該坐標(biāo)系的原點需位于三橋左右對稱面，在前后和高度方向上沒有特殊要求;坐標(biāo)系Y 軸方向垂直于三橋左右對稱面;Z 軸垂直于三橋板簧的安裝平面，方向朝上;X 軸與Y、Z 滿足右手定則。還注意導(dǎo)入時應(yīng)保證轉(zhuǎn)向節(jié)的初始位置為三橋的直行對正狀態(tài)。

(2)建立優(yōu)化變量:對轉(zhuǎn)向梯形在對中位置的左右球頭中心點的X、Y 坐標(biāo)進行參數(shù)化，作為優(yōu)化變量。

(3)建立優(yōu)化目標(biāo)的測量COMP_MEA_1。在左輪右轉(zhuǎn)的角位移驅(qū)動下，根據(jù)關(guān)系式(4)可算得理想的右輪轉(zhuǎn)角值:

式中:α2為左輪驅(qū)動轉(zhuǎn)角;β2為在左輪驅(qū)動下，右輪理想轉(zhuǎn)角;L2為二驅(qū)動橋和三轉(zhuǎn)向橋的軸距，其值為1 680 mm;K2為三轉(zhuǎn)向軸的主銷中心距，其值為1 759 mm。

優(yōu)化目標(biāo)的測量就等于右輪測量轉(zhuǎn)角和右輪阿克曼理想轉(zhuǎn)角之差的絕對值，即:

COMP_MEA_1 =ABS(Rov_youhoulun_MEA_1 - β2)

(4)在左輪處加轉(zhuǎn)角驅(qū)動，進行優(yōu)化仿真，仿真結(jié)果如圖14 所示。

由圖14 優(yōu)化結(jié)果可知:初始梯形時右輪理想和實際轉(zhuǎn)角之差為2.138°，經(jīng)過多次優(yōu)化迭代，右輪實際轉(zhuǎn)角和理想轉(zhuǎn)角非常接近。因此，優(yōu)化得到的轉(zhuǎn)向梯形更加合理。

1.4.3 主動缸和對中缸布置優(yōu)化

主動缸和對中缸的布置位置直接影響一、三轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)關(guān)系。在優(yōu)化得到三橋合理的轉(zhuǎn)向梯形后，可對主動缸和對中缸的安裝位置進行優(yōu)化。具體方法如下:

(1)利用Pro/E 和ADAMS 的接口軟件將一、三轉(zhuǎn)向橋，拉桿垂臂，轉(zhuǎn)向器等三維導(dǎo)入ADAMS 的aview 中，并建立約束關(guān)系，如圖15 所示。注意導(dǎo)入三維的初始狀態(tài)為一、三橋的直行對正狀態(tài)。

(2)建立設(shè)計變量:將主動缸的前安裝點POINT_zhudonggang_front 的X 和Z 坐標(biāo)進行參數(shù)化;將對中缸的右安裝點POINT_duizhonggang_right 的X、Y 坐標(biāo)值進行參數(shù)化。

(3)建立優(yōu)化目標(biāo)的測量COMP_MEA_1。

由一橋左輪轉(zhuǎn)角可算得理想的三橋左輪轉(zhuǎn)角，由公式(5)可推算出:

式中:L1為一、二橋軸距，其值為6 100 mm;L2為二、三橋軸距，其值為為1 680 mm;α1為一橋左輪測量轉(zhuǎn)角;α2為三橋左輪理想轉(zhuǎn)角。

優(yōu)化目標(biāo)的測量就等于三橋左輪測量轉(zhuǎn)角和三橋左輪理想轉(zhuǎn)角之差的絕對值最小。即:

COMP_MEA_1 =ABS(Rov_youhoulun_MEA_1 -“α2”)

(4)新建主動缸位移驅(qū)動和對中缸位移驅(qū)動。因主動缸和對中缸缸徑相同，視動力轉(zhuǎn)向油為不可壓縮液體，則主動缸位移與對中缸位移有以下關(guān)系:

①當(dāng)-10 mm ＜主動缸位移＜10 mm 時，對中缸位移為0(由主動缸活塞桿開槽決定);

②當(dāng)主動缸位移＞10 mm 時，對中缸位移=主動缸位移-10 mm;

③當(dāng)主動缸位移＜-10 mm 時，對中缸位移=主動缸位移+10 mm;

(5)運用ADAMS 的優(yōu)化工具進行優(yōu)化。優(yōu)化目標(biāo)是在轉(zhuǎn)向過程中，測量COMP_MEA_1 的最大值，使其達到最小。

由圖16 可知:經(jīng)多次優(yōu)化后，三橋左輪的理想轉(zhuǎn)角和測量轉(zhuǎn)角比較接近，在±10°范圍內(nèi)偏差較大，這主要是轉(zhuǎn)角的設(shè)計策略決定的。經(jīng)過優(yōu)化后，得到最佳的主動缸和對中缸安裝位置。

2 試驗驗證及分析

2.1 轉(zhuǎn)角測量試驗

為了驗證計算方法，在整車裝配完成后進行了相應(yīng)轉(zhuǎn)角測量試驗，試驗前對整車的狀態(tài)進行確認(rèn)。

在一軸車輪和三軸車輪轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤記錄一軸車輪轉(zhuǎn)角和三軸車輪轉(zhuǎn)角。將試驗數(shù)據(jù)繪制曲線，同時與計算值進行對比，如圖17—18 所示。

3 結(jié)論

文中介紹了幾種后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其中重點介紹了一種液壓后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理，轉(zhuǎn)角優(yōu)化、系統(tǒng)仿真的方法，在理論計算的基礎(chǔ)上進行了車輪轉(zhuǎn)角測量試驗，試驗結(jié)果證明與計算的結(jié)果吻合，驗證了計算的正確性。

目前該系統(tǒng)在國外比較成熟，國內(nèi)應(yīng)用較少，但該系統(tǒng)可實現(xiàn)更合理的軸荷分配和整車的合理布置(見圖19)，還具有成本較低，質(zhì)量輕的優(yōu)點，市場前景較好，在國內(nèi)的6 ×2，8 ×2 卡車上應(yīng)推廣應(yīng)用。

圖17 表明，一、三軸轉(zhuǎn)角關(guān)系的計算值與測量值非常吻合。

圖18 表明，一、三軸轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)關(guān)系基本吻合，理論設(shè)計和試驗測量最大相差2°左右。初步分析存在一定的偏差原因如下:

(1)主動缸中間的空行程理論值和實際存在一定差異;

(2)優(yōu)化設(shè)計是在滿載狀態(tài)下進行，測量是在空載狀態(tài)下測量;

(3)管路存在少許滲漏。

以上因素均影響一、三軸轉(zhuǎn)角協(xié)調(diào)關(guān)系，需進一步的研究確定。

目前試驗車完成海南道路試驗，使用效果良好，未出現(xiàn)異常輪胎磨損。

【1】編纂委員會. 汽車設(shè)計手冊整車:底盤卷［M］. 長春汽車研究所，1998.

【2】廖丹.重型汽車雙前軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計及仿真研究［D］.長沙:湖南大學(xué)，2002.

【3】張洪欣.汽車設(shè)計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1996.

【4】王彥輝. 多軸轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向特性研究［D］. 長春:吉林大學(xué)，2005.

【5】張寶生，李杰，林明芳.汽車優(yōu)化設(shè)計理論與方法［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000.