低入口城市公交转向系设计

张渊源，王鑫鹏

低入口城市公交转向系设计

张渊源1，王鑫鹏2

（1.金龙汽车（西安）有限公司，陕西 西安 710021；2.陕西通家汽车股份有限公司，陕西 西安 710021）

近年来城市公交越来越多的使用低入口的城市客车，文章以SX6123GK93H低入口城市公交为例，介绍低入口城市公交转向系的设计。根据车辆相关参数及要求，最终选择了转向器卧式布置的布置形式，此种布置形式能够有效降低地板的高度，保证车辆运行的接近角。通过作图分析确定了转向系统各部件的具体位置，并进行了最小转弯半径、转向拉杆强度的计算校核，转向系统与悬架系统的运动校核分析，通过计算分析最终的设计可以满足国家法规及车辆的使用。

城市公交；低入口；转向系统设计

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-82-04

引言

近几年城市公共交通的发展越来越体现出了一个城市的发展，每个城市对于城市公共交通的投入也越来越重视，而低入口的城市公交因其上下乘客的便利性也被越来越多的公交公司和乘客所接受。而转向系统在车辆的行驶中具有很重要的作用，它不仅直接影响着车辆在运行中的可靠性，而且间接影响到舒适性等各种性能。而低入口的城市公交转向系统在布置上与常规的公交车不一样，必须尽可能低的降低车辆的地板高度。

1 转向系的设计与布置

1.1 根据总布置设计任务联系单可得到如下参数

前轴采用东风门式前轴盘式制动器，最大承载7.5t；

底盘轴距6100mm；

前轮轮距2101mm；

前悬2185mm；

前桥处车架上平面离地高度410mm；

采用进口ZF8098循环球式动力方向机；

底盘采用两气囊精瑞空气悬挂；

锦湖295/80R22.5；

底盘驾驶台上平面距离车架上平面300mm。

1.2 确定布置形式

本次设计为低地板城市公交配套底盘，前轴处车架上平面离地高度为410mm，为了方便乘客上下，前门门框尺寸的设计宽度为1375mm；前悬长度达2185mm。因此，在转向系统设计布置时，转向柱管与方向机之间采用了角传动过渡连接，同时将方向机平卧。由于本次底盘采用的是大落差前桥，其转向节臂与工字梁的距离较小，如采用惯用的转向垂臂布置形式，一是转向纵拉杆在运动中可能会与工字梁发生干涉；二是地板高度的限制，因此，在设计时将转向摇臂横置，这样转向纵拉杆在运动时占用的垂直空间就较小[1]，见下图1。

此种布置的优点为：

a、能有效降低地板高度，因为大型城市客车的前轴荷较大，所以转向器的体积也较大，加上地板全部较低，如转向器按常规布置，则转向器会有部分或全部在地板面以上，造成传动困难、密封困难及车内不美观等问题。而将转向器卧置后，转向器的高度下降较多，加上角传动的体积很小，所以基本上不影响地板面高度，而且不影响整车的接近角。

b、方向盘的布置位置较为灵活。由于从方向盘传动到转向器要经过转向管柱及传动轴二次万向传动，所以方向盘和转向器在布置位置上在整车X及Y方向上都可以有较大的距离。

图1

1.3 转向系统具体布置匹配设计

1.3.1 根据底盘总体要求的角转向器定位尺寸及相应参数，选择同向传动，传动比1：1的角转向器，并在车架图上准确标定其位置；

1.3.2 参考前轴及前悬架布置装配,在不干涉条件下初步布置方向机位置，在方向机位置初步确定后，即可相应选定角转向传动轴的长度，根据角转向器输出轴及方向机输入轴花键参数，进而确定角转向传动轴的具体型号；由前轴转角参数初选配转向摇臂，注意摇臂大端孔参数是否与方向机输出参数轴配合：本次选取进口ZF8098方向机，输出轴参数为德国ZGN738标准，转向摇臂大端孔需配合采用相同标准，保证摇臂与方向机顺利装配。我司目前采用的转向摇臂为德国MAN技术，本次初选摇臂为带13mm落差，孔距290mm，摇臂小端孔参数由转向纵拉杆上所配球头确定。

根据前轴提供的极限内、外转角参数，将前轴布置在分析图上；在转向系统内部各部件运动时不干涉的前提下，初步分析出转向纵拉杆的外型参数，即拉杆总长、折弯位置、折弯半径和折弯落差。由前轴转向节臂上锥孔参数，可以选出转向纵拉杆上球头参数，进而可以推断出前面转向摇臂小端孔与球头配合的参数，至此转向摇臂的关键尺寸参数均确定完毕。

在已知摇臂、拉杆及前轴极限转角范围后，由方向机的最大圈数及最大转角范围可以推算出在使用此前轴时摇臂摆角范围：此角度范围要求最好左右分中，使方向盘向左、右转动的最大圈数尽量一致，在摇臂左、右摆角范围相差较大时，可以采用摇臂“倒齿”的方法减小此差值。

此时，转向系统所需的重要参数已初步得出，得到的转向系分析图如下图2所示。

2 转向系的计算校核

2.1 最小转弯半径计算

由已采用的前轴极限转角值及底盘相应参数核算转弯半径数值是否满足国家相关标准。

车身最内点最小转弯半径计算[2]：

车身最外点的最小转弯半径计算：

==12264.980011805971141437615283822mm；基本满足国家标准[3]。

2.2 转向纵拉杆稳定性校核

转向拉杆是转向系统中保障车辆行驶安全的重要组成部分。转向拉杆的材料、加工方式等设计均能对拉杆的稳定性造成直接影响。拉杆的设计既要考虑到转向系统的实际布置情况，又要顾及它的刚度、强度等多方面因素。若转向拉杆的稳定性达不到要求，会形成转向系统的严重安全隐患，轻则转向拉杆长期运营后形变，转向不正；重则转向拉杆断裂，生成转向失灵，引起安全事故。

所以需对转向纵拉杆进行稳定性验算[4]。

下图3为SX6123GK93H底盘所选配转向纵拉杆外形图。

图3

基本参数：满载前轴轴荷G1=6500kg

转向拉杆杆体外径D=46mm，d=30mm

转向拉杆长度l=940mm

转向拉杆材料为35#，其弹性模量E=2.1×1000000

ε=12.99＞1.0，转向拉杆满足使用要求。

2.3 进行转向系统与悬架系统的运动校核分析

此款底盘使用的是非独立两气囊空气悬挂（四连杆导向机构），进而对转向系统和空气悬挂一起工作时候的跳动进行计算校核[5]。

如下图4，O P为上导向杆在侧视图上投影，O Q为下导向杆在侧视图上投影。当前轮上下跳动时，转向节臂球销中心A。随四连杆上P、Q两端点运动，PQA1三点构成一个不 变三角形。端点0 是端点P的摆动中心，其运动 轨迹为圆弧EE ，端点O2是端点Q的摆动中心，其 运动轨迹为圆弧FF 。当P点沿圆弧EE。向上运动到P 点时，以P 点为圆心、PQ为半径作圆弧与圆 弧FF 相交于Q 点，然后以P 为中心、PA。为半径 作圆弧，与以Q 为中心、QA 为半径作圆弧的交于 A 点。当P点沿圆弧EE 向下运动到P， 点时，同 理可求得此时转向节臂球销中心的位置A 。过 A 、A 、A· 三点作圆弧KK ，即为悬架上下运动时 A 点的运动轨迹。另一方面A1点又是纵拉杆上 的一点，纵拉杆绕转向摇臂下端球销中心B 点摆 动，其运动轨迹为圆弧JJ ，参照方法一可求出转向 装置与悬架共同运动的干涉量。由于B 点易于布置在A。点随悬架跳动时的 摆动中心点附近，悬架与转向传动装置共同运动的 干涉量一般比板簧悬架的小。若偏差过大，也可通 过修改B·点位置以及优化导向杆系结构参数，直至合格。

图4

在运动校核达标后，再次对杆系布置进行检查，排除所以杆系干涉现象，至此转向系统中的杆系设计分析已经完成，接下来对动力转向油路进行设计匹配。

3 动力转向油路布置设计

此款底盘油路走向连接的基本思路为：方向机上进油口→高压橡胶成型管总成→动力转向钢管→转向油泵出油口→转向油泵进油口→转向油罐出油口；方向机回油口→低压橡胶成型管总成→动力转向钢管→回油胶管总成→转向油罐回油口。管路布置图纸见图5。

图5

设计要求整个转向油路顺畅，不能出现任何折弯、干涉；管路安装后检查各接头处不得有漏油现象，其余要求按照工艺标准执行。

至此，转向系统中的杆系布置及动力转向油路布置已经完成。

4 影响公交车辆转向性能的其他方面

其实，影响公交车辆转向性能的方面还很多：

转向角度是其中一个重要因素。在设计转向系统时，在不影响操纵轻便性，不影响汽车安全性的前提下，应尽可能增大转向角度。实践证明，转向角度大的公交车在公路上更具灵活性，它的优势在一些窄路上尤为明显。但有时若角度增得太大，会产生负面影响，比如使转向吃力；增大转向器旋转力臂而使转向力矩增大，影响车架可靠性等。当使用动力转向器时，若为增大转向角度而大量增加旋转力臂，有可能导致转角已经到达极限但转向器工作状态没到达极限，仍在施力。我厂使用的动力转向器的传动比一般为20：1左右，若旋转力臂过长，转向器的最大输出扭矩会大量增加，加重整个转向系统的受力，会加剧转向系统的磨损，因此，每设计一个新的转向系统，都应该计算好它的转向角度，将转向器的转向能力及旋转力臂的长度调整到使转向角度达到要求足矣，不可盲目增大转向器输出转向角度或增大旋转力臂。

车辆在装配的过程中进行的不当装配，或装配失误也是导致转向性能不好的一个方面，比如转向油管不拧紧漏油，装配有间隙等。

车辆在长期运行过程中，部分零部件损坏，横直拉杆锈蚀，转向间隙增大等，也会对转向性能产生负面影响[6]。它会导致车辆转向吃车，发飘，车辆跑偏，转向产生噪声等问题。其中，车辆发飘，跑偏现象比较常见，也比较难以查找原因。车辆发飘是指方向盘居中时，汽车向前行过程中从一侧飘向另一侧的现象。发飘的汽车行驶时，难以保证向正前方向行驶而总向一边跑偏。车辆发飘的故障首先应检查机械部分和外部因素。汽车行驶在拱形路面的一侧时本身就有跑偏的倾向，拱形越大跑偏就越明显，这是外部因素。轮胎两边气压不均匀或左右轮胎磨损差异较大，前钢板错位（如钢板中心螺栓）或悬架元件损坏，前轮定位偏差较大，转向传动机械连接处间隙过大或连接松动或磨损过甚等都会造成车辆跑偏。如果排除以上因素，车辆跑偏问题仍存在，则可能是油液脏污导致阀芯与阀套运动受到阻滞，也可能是转向机内转向控制阀弹簧损坏或太软，难以克服转向器传动阻力，使控制阀不能及时回位，也可能是转向控制阀阀芯偏离中间位置，或虽然在中间位置但与阀套槽肩的缝隙大小不一致。

影响车辆转向性能的因素还很多，在此不一一举例。

5 结束语

通过上文对转向系统基本知识、布置形式、拉杆稳定性校核方法等方面的介绍，可以看出转向系统在车辆中的重要性，它直接影响着公交车辆在运行中的舒适性、可靠性等各种性能，若设计者缺乏设计知识及经验，可能会造成极其严重的后果。影响转向系统性能的因素涉及到很多方面。我们作为工程技术人员，必须不断积累理论知识，积累实践经验，以严谨科学的态度面对各个技术难题，设计出更加安全、舒适的公交车辆。

[1] 吴植民.汽车构造（下册）[M].北京.人民交通出版社,1990.

[2] 刘惟信.汽车设计[M].北京.清华大学出版社,2001.

[3] 中华人民共和国国家标准.GB 7258-2012《机动车运行安全技术条件》.

[4] 林秉华.最新汽车设计实用手册[M].哈尔滨.黑龙江人民出版社，2005.

[5] 孙荣军,钱晓东.几种客车悬架与转向传动装置的运动校核[J].客车技术与研究,2006,（6）：26-28.

[6] 唐培云.客车动力转向系统的设计布置及常见问题分析[J].客车技术与研究,2006,（3）：37-40.

Design of bus steering system in low entrance City

Zhang Yuanyuan1, Wang Xinpeng2
( 1.Higer Bus (Xi'an) Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710021; 2.Shaan Xi Tongjia automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710021 )

In recent years, more and more urban buses use low entrance city buses. This paper introduces the design of low entrance city bus steering system by taking SX6123GK93H low entrance city bus as an example. According to the parameters and requirements of the vehicle, the layout of the horizontal arrangement of the steering gear is finally chosen. This arrangement can effectively reduce the height of the floor and ensure the approach angle of the vehicle running. To determine the specific location of the steering system components by mapping, and the minimum turning radius, steering rod strength calculation and analysis of movement check steering system and suspension system, through calculation and analysis, the final design can meet the national regulations and vehicles.

City bus; Low entry; Steering system design

U462.1

A

1671-7988 (2017)16-82-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.030

张渊源，（1987-），男，助理工程师，就职于金龙汽车（西安）有限公司。兴趣：底盘零部件设计、内外饰设计，研究方向：转向设计、发动机及悬置、车身附件设计。王鑫鹏，（1987-），男，助理工程师，就职于陕西通家汽车股份有限公司，兴趣：内外饰设计、底盘零部件设计，研究方向：造型设计、车身附件、内外饰。