多轴液压挂车转向角期望值的确定.pdf

T E CH NI C F oR u M／ 技 术论 坛l 2 0 1 1 ／ o 8 多轴液压挂车转向角期望值的确定 C o n fi r ma t i o n o f E x p e c t e d Va l u e f o r S t e e r i n g An g l e of Mu l t i a x l e H y d r a u l i c T r a i l e r 乐海 YUEHa i 武汉大学动力与机械学院 湖北武汉4 3 0 0 7 2 摘要介绍了目前多轴线挂车设计中普遍采用的转向角期望值的确立方法并指出其存在的问题 引入了牵 引距 、转向距等概念 ，给出挂车列车在 无侧滑的纯滚动要求下 目标转角的正确计算方法 对某型挂车的转向实例 进行 了分析并作出结论。 关键词 多轴液压挂车 无侧滑纯滚动 牵引距 转向角期望值 Ab s t r a c t T h e m e tho d f o r t h e e x p e c t e d v a l u e o f s t e e r i n g a n g l e wh i c h i s g e n e r a l l y a d o p t e d i n t h e d e s i g n o f t h e mul t i a x l e h y d r a u l i c t r a i l e r i s i n tr o d uc e d a n d i t ’ s d e c t i s po i n t e d o u t ．Th e c o n c e p t s a b o u t t h e t o wing d i s t a n c e o f t r a i l e r a n d t h e s t e e r i n g di s t a n c e o f the t r a i l e r ’s wh e e l s i s d r a wn o u t ．Th e p r o p e r m e tho d o f c a l c u l a t i o n a b o u t the t r a i l e r s o b j e c t i v e a n g l e wi t h o u t s l i p i n g i s a l s o d e mo n s t r a t e d． An e x a mp l e for a t r a i l e r i s r e s e a r c h e d t o r e a c h a c o n c l u s i o n ． Ke y wo r d s mu l t i a x l e h y d r a u l i c t r a i l e r ；r o l l wi t h o u t s i d e s l i p i n g； t h e t o wi n g d i s t a n c e ；e x p e c t e d v a lue f o r s t e e r i n g a n g l e 中图分类号U 4 6 9 ． 5 2 ． 0 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 4 0 2 2 6 2 0 1 1 0 8 0 0 6 4 0 4 1概 述 多轴液压挂车一般采用可按需拼接的模块化设计 ，并与牵弓 1 车组合成汽车列车使用。组合方式一般可分为全挂和半挂两种 ， 如图l 所示。全挂组合方式采用牵引杆为牵引模块 ，与牵引车后牵 引钩相联接。半挂组合方式采用液压鹅颈为牵引模块 ，与牵 引车 鞍座相联接。在以往运用中 ，没有对其车轮转向进行过全挂和半 挂组合方式下具体的分析研 究，仅将牵引模块在牵引杆和液压鹅 颈间进行简单的切换使用。这样在列车发生了变化而转向系统却 不做针对性调整就投入使用的情况下 ，有时会发生转 向系统的损 坏。由于轮胎多、载荷大 ，严重时会导致轮胎的严重磨损 ，甚至 发生车轮爆胎、脱落从而导致重大倾覆事故⋯ 。为确保大件运输安 全 ，须对不 同牵 引组合方 式下转 向系统的车轮转角要求进行分 析、调整，以减少运行风险，保障行驶安全。 2 转角期望值分析 无论全挂车还是半挂车组合 ，多轴液压挂车都应保证在一定 精度范围内实现全部车轮围绕 同一瞬时转向中心作纯滚动行驶 ， 否则车轮拖滑行驶将产生上述多种后果。虽然现有挂车产品的转 向系统都进行过一定的优化设计 ，但 由于受轴线数多、车身长的 特点影响，长期以来，使用者普遍重视转弯通过性 ，极力追求车 轮最大转角 ，以期望得到最小的转弯半径 。而设计者又由于局限 于挂车 自身分析研究 ，故而会过分关注转向系统转角位置的权重 第一 作 者 乐海 ，男 ，1 9 7 5 年 生 ，工程 师，从事特种车辆设计 研 究工作 。 考虑。所以 目前多轴液压挂车转向设计 的优化仍存在一定的缺陷 和不足 。其在于设计初始阶段对车轮转角期望值的认识存在偏 差 ，从而造成优化 目标函数的偏离。多轴液压挂车如图1 所示。 a 全挂 列车 b 半挂列 车 图1多轴 液压挂 车全挂 和半挂 组合示意 圈 2 ． 1当前主流挂车的转角期望值确定法则 当前多轴液压挂车采取的转 向机构布置形式基本分为两类， 一 类为法国尼古拉斯式 ，一类为德国歌德浩夫式 ，如图2 所示。 无论 哪类布 置形 式 ，都 是由牵引杆 带动转向架转 动一定 角 度 ，转向架拉或推动第一拉杆从而推动转向臂 ，转向臂通过拉杆 推或拉动与车轮刚化的悬挂转臂 ，从而实现转 向动作信号由牵引 车 向各个车轮的传递 。而液压半挂车通过鹅颈的转向油缸组代替 牵引杆 转向架第一拉杆 转 向臂 拉杆悬挂转臂 a 尼古拉 斯式 牵引杆 转向槊第一拉杆 转向臂 拉杆悬挂转臂 b 歌德浩 夫式 图2 4 轴线转向机构布置图 转向架 ，实现驱动第一拉杆及以后的杆系。 目前主流全轮转 向车辆转 向系统的车轮转向角期望值的设 计 ，通常先设定整车的理想瞬时转向中， C , o 为第一轴 内侧车轮 的 理想转角n l 6 q 轴 向线和车辆转向中心线的交点 由于 多轴挂车车 身一般都比较长 ，为求整车转弯半径最小 ，几乎所有多轴液压挂 车都将整车前后对称 中心线作为车辆转向中心线。而在此基础 上设定第一轴线内侧车轮理想转角等于转向架 臂的实时转 角 ，即在整车转向中心线确定的情况下，车辆的系列理想瞬时转 向中心点。由转向架 臂的实时转角0 所对应的第一轴 内侧理想 车轮转角 唯一确定 。图3 所示为某型8 轴挂车各轮理想转角。定 义每个车轮回转 中心点到车辆转向中心线O F 的距离厶为转 向距 ， 同一轴线的两短轴距离b 为纵列距 。 ， l F l ’ U 1t t 3液 压挂 车采用 转弯模 式示意 图8 轴线 为例 为自变量，L 、6 为给定设计常量的条件下 ，可求得任意转 角a 对 应的任意轴线位置的内侧车轮的理想转角“ ， 和外侧车轮的理 想转 角 。 内侧车轮的理想转角 O 【 a r c t a n生 一 { L ， ／ t a n a T E CHNI C F OR U M／ 技 术论 坛l 2 0 1 1 ／ O 8 外侧 车轮 的理想 转 角 ， a l ‘c c o t c o t rt t i 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， ⋯ 2 L 这种车轮转角期望值的确 立方法以第一轴内侧轮来“ 引领” 全 部车轮，能严格要求所有车轮都绕一个瞬时转 向中心 ，在不同圆 周上作无滑动 的纯滚动 ，且具有最小转弯半径 ，因此此方法普遍 被设计者采用和用户接受 。 2 ． 2 当前转角期望值确定法则与正确法则的比较分析 然而 ，上述这种车轮转 向角期望值的确立方法是存在不足 的。它将多轴挂车视 为普通汽车 ，并未考虑到汽车列车的整体转 向要求。汽车列车的转向应保证包括牵引车车轮在内的列车全轮 围绕一个瞬时转 向中心 ，在不同的圆周上作无滑动的纯滚动。 这个 中心如仍由挂车第一轴线 内侧轮理想转角 和车辆转 向 中心 线 来确 定 的 话 ，就 无 法保证 牵 引车车 轮 也一 定 围绕 该 瞬心 作 纯滚动。正确方法应如图4 所示 ，以过转 向杆转 向中心 点的牵引 架垂直线与车辆转向中心线的交点做 为瞬时转向中， C , O，让挂车 全轮都围绕它确定的理想转向角度才能同时保证牵引车车轮也围 绕它作纯滚动。当未进入稳定绕圆转向状态时，牵引车会与牵引 杆产生一个牵 引夹角 ，使得牵引车对牵 引杆 的垂直分力形成的 转向输入角O a Z 断增加 ，挂车转弯半径越来越小。当牵引夹角 为 零时，挂车进人稳定绕 圆转 向状态。 当选用液压鹅颈作为牵引模块构成液压半挂列车时 ，如图5 所 示。由于采用油缸组替代牵引杆和转向架 ，不存在牵引夹角 ， 牵引车与挂车纵向中心线夹角即为转向输人角0 。此时鹅颈转盘中 心 点即为图4 中全挂时的转 向杆转向中心 点。牵引车纵向中心 线过鹅颈转盘中心 的垂直线与车辆转向中心线的交点做为瞬时转 向中， C , O，让挂车全轮都围绕它确定的理想转向角度才能同时保 证牵引车车轮也 围绕它作纯滚动。 由此可见 ，全挂、半挂列车在转向模型上是统一的，均为以 牵引模块发生转角信号值的回转点A 作为 “ 引领”挂车的全轮实现 在不同的圆周上都能围绕瞬点作无滑动的纯滚动。由此可见 ，列 车转向中心的确定与牵引模块发生转角信号值的回转点A的位置密 切相关 ，表示在图4 、5 中的参数即为距离 为此引入了一个新的 概念，牵引距 图4 液压 全挂列 车转弯 示意 图 8 轴线 为例 T E C HNI C F OR U M／ 技 术论 坛l 2 0 1 1 ／ 0 8 U 图5液压半挂列车转弯示意图 8 轴线为倒 客观上任何全挂车都没有规定必须考虑牵引模块发生转角信 号值的回转点 转向架回转中心 的布置位置必须要满足第一轴内 侧轮和转向架 臂 转角 同步 ，即a 。无论是图2 所示 的法国尼古 拉斯式 ，还是德 国歌德浩夫式，转向系统 中转向架通过第一拉杆 传给转向臂转角动作信号都是平行或反四边形的四连杆机构。牵 引距x 存在的现实影响是，即使牵引距朋耳 大一点 ，即转向架回转 中心布置得再远一点 ，转向臂得到转角角度仍然相同。因此要求 第一轴内侧轮和转向架 臂 转角同步不代表转 向架 回转中心A 与瞬 心D的连线一定与第一轴内侧轮回转 中心c 与瞬心D 的连线完全重 合。即图4 中 A O C 为零只是巧合 ，通常该角度总是存在的。在半 挂车计算时，这个角度非常明显 ，如图5 所示，若强制同步两者反 而会导致牵引车永远不会与挂车转向中心重叠一致。故第一轴 内 侧轮和转向架的转角强制同步的设定显得多余而牵强。 根据 以上分析 ，图4 、5 中的全挂或半挂车 ，在确定 了正确的 瞬心D 点后 ，实现列车全轮无侧滑转向的计算条件及公式如下。 牵 引模 块 对 挂 车 的 转 向 输 入 角 臼 为 变 量 。 转 向 距 厶 卢1 ， 2 ， 3 ⋯ 4 ． ． ，i 1 时的转向距， J ， 称为半车长 ；牵引距肭 给定设计 常量 。即可求得任意转向输入角0 对应的任意轴线位置的内侧车轮 的理想转角a 和外侧车轮的理想转角 。 内侧车轮的理想转角为 ‘ c o t 0 a ar cco t一 上 外 侧车 轮的理 想转 角为 l ， 2 ， 3 ， 4 ⋯ 3 t L X 丁 ． c o t O 上 Lb f 1 3 ，4 ⋯学 4 ⋯ 4 ㈦ 一 一“ 。 ，3 14 ’ 号 ’ l 2 I a r c c 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， ． ． ． 6 上述式 1 ～ 6 适用于前半车 ，后半车车轮转向角度期望值与 前半车对称相等获得。 3 实例分析 江苏南通某大件公司8 轴线上海水工挂车 ，a l 5 5 0 r n n l ，b 1 8 6 0 m m，X 3 5 8 0 m m，N 8 ，全挂使用时尚可，但切换为半挂 后，发生转向时推顶奔驰3 3 5 4 型牵引车 ，致使牵引车转向时外侧 轮抬高失去附着力 ，内侧轮胎几乎挤爆并且挂车伴有严重的轮胎 滑移搓地现象。现要求在第一轴线内侧轮最大转角不小于6 O 。 的条 件下 ，进行车轮 目标值精度为3 。 的调整。 该挂车前半车4 个轴线的8 个轮轴 ，按第一轴内侧、第一轴外 侧、按第二轴内侧、第二轴外侧 ⋯的次序分别排序并命名为轮1 、 轮2 、轮3 、轮4 ⋯轮8 。根据上述公式计算用 “ 第一轮确定法”得 到挂车各轮转角值和用 “ 牵引模块A 点确定法”得到的全挂、半挂 形式各轮转角值 ，以及前者与后两者间误差值 ，上述数据生成 图 表如图6 所示 。计算表明全挂组合时两种计算法得到各轮误差最大 在第5 轮，且绝对值仅为2 ． 7 5 。 ，不需要调整 ，符合该车全挂使用尚 可的现实情况。但半挂组合时两种计算法得到各轮误差最大值除 第8 轮 仅 为2 ． 1 4 。 外 ，其 余误 差最 大值 从 第 1 轮到 第7 轮分 别 为 1 3 ． 5 1 O 、 9 ． 9 0 。 、 1 2 ．4 7 。 、 8 ． 2 5 。 、 1 0 ． 4 。 、 5 ． 7 8 。 和4 ． 5 9 。 ，远 大 于 3 。 ， 必须调整 。否则实际转角再优化 ，目标函数已严重偏离设计精度 要求。该列车按本文推荐的 “ 牵引模块A 点确定法”确定各轮 目 标转角 ，调整转 向系统杆系后 ，不再存在推顶牵引车和导致挂车 的轮胎滑移搓地现象 ，问题得到有效解决。 4 结论 当前挂车采用的以第一轴内侧轮转角6 c 来 “ 引领”挂车车轮 转角期望值的方法，只能保证挂车自己的全轮围绕同一瞬心在不 同圆周上作无侧滑的纯滚动 ，虽然具有最小转弯半径，但不能保 证包括牵引车在内的挂车列车全轮围绕同一瞬心在不同圆周上作 无侧滑的纯滚动。并且如图7 所示 ，选用挂车组合轴线数Ⅳ 变化 圈7“ 第 一轮确 定法”存在转 向中心儡 ■缺 陷示意圈 7 a 0 0 6 0 ． 0 0 5 0 0 4 0 ． 0 0 耋 3 0 , 0 0 擘2 0 ． 0 0 l O ． O0 n 00 一 l n 00 2 a 0 0 1 5 0 0 1 O ． D 0 5 0 0 置 鼻Q 0 0 5． O0 l l l 牾 确捌 曼 僵 膻 提 量 ； ／ ／ 一／ 率 ／ I 。 rI 一 一 ， ／ ／ 一 一一 一 一 输人l角。 。 输八 角， 人角， 。 输人角， 。 一 a 、 h 峨 蓦 重 ，_ 、 o 、√ 曩 蜀 蕾 T E CHN I C F oR U M／ 技 术论 坛I 2 0 1 1 ／ 0 8 ■入角， 。 3 0 ． O O 2 s O O 2 0 ． D 0 l 5 O 0 毒 1 0 ． 0 0 雾 5 ．0 0 n 00 _ 5． 0O l 0 00 8 ． 0 0 0 6 ． 0 0 4 ． 0 0 摆 2 ． 0 0 舞 n 0 0 2 0 0 厦 第6 聋 仑 转角 期望 值及误差 全 ／ 生 一 △全 ／ ／ △半 ／／ ／ ． ． ⋯ 。 ⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ． ． 袖_人角， 。 输入角， 图6 8 轴 线液压 挂车 各车轮 转角 目标值 及误差 分析 图 注 “ 原” 蓝色为“ 第一轮确定法”公式计算得到挂车 各轮理 想转角值 ； “ ’ 粉 色为“ 牵引模块A 点确定法”公式计算得 到 的全挂 形式下各轮理想转角值 ； “ 半 ” 黄色为“ 牵引模块A点确定 法 公式计算得到的半挂 形式下各轮理想转角值 ； “ △全” 青色 为 “ 第一 轮确定法”公式计算得 到挂车各轮理想转 角值 与 “ 牵引模块A点确定法”公式计 算得 到的全挂形式 下对应轮理想转 角值 的误差值 “ △半” 紫色为 “ 第一轮确定法”公式计算得到挂车各轮理想转角值与 “ 牵引模块A 点确定法”公式计算得到的半挂形式下对应轮理想转 角值的误差值。 时 ，半车长， J ． 也随之变化。或有特殊设计要 求时 ，转 向中心线 D F 故意设计成不在 前后对称 中心线处。此时转 向中心线偏移至 D 、D F ” ⋯处 ，其与第一轴内侧轮转角d 确定的瞬心随之移动 到点D 、点D ⋯处。而牵引车和牵引模块选定后 ，由于外型尺寸 不变 ，牵引车的瞬， tb 位置在线。 处基本不变。这样导致牵 引车转 向中心和挂车转 向中心点不重合。因此这种设计方法不科学 ，对 要按需组合拼接的不固定轴线数的车辆模块化设计是不利的。 新 方法 采用 牵 引模 块发 生转 角信 号值 的 回转点A “ 引领 ”挂车 的全 轮 ，实 现在 不 同 的圆 周上 都 能 围绕 瞬点 作 无滑 动 的纯 滚 动 。 虽然会产生不 同轴线数挂车各轴线对应位置的最大转角角度因总 轴线数的变化而不尽相同，但这种方法确定的车轮转角期望值能 保证真正的挂车列车的全轮无侧滑纯滚动 ，并且这种方法确定的 车轮转角期望值 ，能够保证当挂车组合轴线数Ⅳ 变化 ，半车长也随 之变化时 ，牵引车的瞬心位置D 是变化的 ，因此可 以始终和挂车 转向中心点重合 。 参考文献 【 1 】 李海鹏 ，石博 强， 张文 明 多轴挂车转 向机构设 计方法与计算程序 [ J Il 唐山学院 学报， 2 0 0 5 ． 1 8 4 1 0 0 1 0 3 ． [ 2 ] 郭 朋彦 ， 肖成 勇， 石博 强等 。多轴 线液 压板挂 车 转向机 构优 化程序 的实 现 [ J 1 ．机械设计及制造，2 0 0 9 4 4 6 6 - 6 7 [ 3 】 张洪欣． 汽车设计 第2 版 [ M】北京机械工业 出版社， 1 9 9 4 9 2 1 5 - 2 1 8 收稿 日期2 0 1 1 - 0 6 ． 0 1 ∞∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 与 i弛 她 m m 一。 【 f} 霉 ∞∞∞∞∞∞∞ ∞ ∞ ∞ 舱 m o m 一。 一 毒 蕾 霹