客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對高速發(fā)飄的影響及發(fā)飄與操縱穩(wěn)定性的關(guān)系

1、客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對高速發(fā)飄的影響及發(fā)飄與操縱穩(wěn)定性的關(guān)系第5期客車技術(shù)與研究BUS&CoACHTECHNoLoGYANDRESEARCH客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對高速發(fā)飄的影響及發(fā)飄與操縱穩(wěn)定性的關(guān)系王一夫.王松(1.金龍聯(lián)合汽車工業(yè)(蘇州)有限公司,江蘇蘇州215123;2.大連理工大學(xué),遼寧大連116000)摘要:論述客車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對客車高速發(fā)飄的影響及發(fā)飄與操縱穩(wěn)定性的關(guān)系,為行業(yè)液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的零部件設(shè)計以及客車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配提供參考.關(guān)鍵詞:客車動力轉(zhuǎn)向;高速發(fā)飄;操縱穩(wěn)定性中圖分類號:U463.4;U461.6文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B文章編號:10063331(2011)0500

2、1303InfluenceonHighSpeedWavingandRelationbetweenWavingandControlStabilityofCoachSteeringSystemWANGYi-fu,WANGSong2(1.HigerBusCompanyLimited,Suzhou215123,China;2.DalianUniv.ofTechno1.,Dalian116000,China)Abstract:Theauthorsdiscusstheinfluenceonhighspeedwavingandtherelationbetweenwavingandcontrolsta-bil

3、ityofthecoachhydraulicpowersteeringsysteminordertoprovidethereferencetopartsdesignforthehydraulicpowersteeringsystemandmatchdesignforthecoachpowersteeringsystem.Keywords:coachpowersteeringsystem;highspeedwaving;controlstability1前言現(xiàn)代大客車底盤同貨車底盤相比,設(shè)計理念已經(jīng)完全不同,客車底盤形式復(fù)雜,功能配置高,布置緊湊,人性化設(shè)計使用性能程度要求高.在高速公路上,旅游

4、大客車行車速度一般都在120km/h左右,有的瞬時超車速度可高達(dá)140km/h以上,如此高的車速下,發(fā)飄成了困擾國內(nèi)各大客車廠的主要疑難問題,也成了各大汽車廠博士后工作站的主要研究課題.當(dāng)然,車輛的高速穩(wěn)定性和發(fā)飄的機(jī)理,不但與車輛的底盤各系統(tǒng)設(shè)計制造有關(guān),甚至還與車身結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān).本文只敘述客車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)和客車高速發(fā)飄,穩(wěn)定性的三者關(guān)系,對客車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件的設(shè)計,匹配,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)疑難故障診斷與排除具有一定的指導(dǎo)作用.發(fā)飄是駕駛員并未發(fā)出指令,而汽車自己不斷地改變方向,即方向盤不動,沒有主動轉(zhuǎn)向而汽車出現(xiàn)左右方向不定的跑偏【11.這有兩點(diǎn)因素:高速時,一是車輪側(cè)偏剛度變小,客車在受側(cè)向風(fēng)

5、,輪胎受路面的作用下,盡管車輪沒有轉(zhuǎn)向,但客車卻出現(xiàn)了左右側(cè)滑;二是受路面等因素的作用,前輪出現(xiàn)了微小轉(zhuǎn)角,這個微小轉(zhuǎn)向角并沒有反饋到轉(zhuǎn)向盤的隨動,方向盤依舊不動,車輛卻跑偏了2J.高速行駛的客車出現(xiàn)發(fā)飄現(xiàn)象,車輛出現(xiàn)左右不定的側(cè)滑,說明高速行駛的車輛容易出現(xiàn)名義前橋側(cè)偏剛度相對變小,導(dǎo)致側(cè)偏角變大,轉(zhuǎn)向控制能力變差,車輛保持直線行駛能力變?nèi)?所以,要杜絕發(fā)飄現(xiàn)象,首先就得提高輪胎,懸架,車架的側(cè)偏剛度,加大轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部件的傳遞剛性;其次還得合理地考慮重心布置與整車的匹配性.高速行駛的車輛,尤其是車身高度較高的后置發(fā)動機(jī)客車更容易出現(xiàn)發(fā)飄現(xiàn)象.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對客車高速發(fā)飄影響客車高速發(fā)飄和整車的匹配

6、,底盤其它系統(tǒng)的性能,剛性有很大關(guān)系,也和轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)有很大關(guān)系.早期的客車速度低,沒有動力轉(zhuǎn)向,為減小轉(zhuǎn)向阻力矩,主銷后傾角和輪胎側(cè)偏距(輪胎在地面上接觸的中心點(diǎn)到主銷中心線與地面交點(diǎn)的距離,即輪胎地面上接觸中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動的回轉(zhuǎn)半徑)一般都較小3j,盡管高速回正力矩相對小,但直線行駛穩(wěn)定性并不突出.現(xiàn)在客車速度高,又有液壓助力轉(zhuǎn)向,但僅僅液壓助力轉(zhuǎn)向器的存在就使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛性相對降低,回正阻尼增加,存在轉(zhuǎn)向回正遲作者簡介:王一夫(1964一),男,高級工程師;研究方向:客車動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng).14客車技術(shù)與研究滯.在高速公路上,曾經(jīng)對30多輛車次,行駛時速120135km/h大中型客車(車長812m,磨

7、合里程3000km)進(jìn)行路試,將試車結(jié)果,現(xiàn)象和不同駕駛員的試車感覺,反應(yīng)進(jìn)行歸納,認(rèn)為車輛出現(xiàn)高速飄擺有兩種現(xiàn)象:一是高速直線行車時,當(dāng)車輛出現(xiàn)極小轉(zhuǎn)角,偏離直線方向后而不能及時回正,出現(xiàn)方向回正滯后現(xiàn)象;二是在高速變道時方向修正次數(shù)多,難以掌握到底方向盤該打多大角度,即出現(xiàn)方向盤打小了車輛不轉(zhuǎn)向,再打療向車輛出現(xiàn)急劇轉(zhuǎn)向的現(xiàn)象,感覺轉(zhuǎn)向系統(tǒng)間隙過大,轉(zhuǎn)向靈敏度低,方向反應(yīng)遲鈍.從轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來分析,車輛高速行駛時,出現(xiàn)飄擺現(xiàn)象的一個主要原因是由于轉(zhuǎn)向輪回正滯后,轉(zhuǎn)向系剛性低,高速出現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力.2.1轉(zhuǎn)向輪回正滯后有的轉(zhuǎn)向橫拉桿,轉(zhuǎn)向直拉桿球頭太緊,轉(zhuǎn)向節(jié)端面軸承阻尼太大(ZF轉(zhuǎn)向橋放置在工位架

8、上用手左右轉(zhuǎn)動很輕松,國產(chǎn)的橋放置在工位架上用手轉(zhuǎn)動卻很難),以及轉(zhuǎn)向器內(nèi)部密封件,活塞螺母與缸體同軸度圓柱度,螺桿與兩端缸蓋同軸度偏差等引起的阻尼,這些阻尼的存在抵消了部分回正力,降低了車輪的回正速度,尤其在高速直線行駛時,輪胎偏轉(zhuǎn)角很小,回正力矩也很小,即使加大主銷后傾角,回正力矩也不是很明顯地增大.由于轉(zhuǎn)向輪不能及時回正,因此,只能靠駕駛員被動轉(zhuǎn)動方向盤來修正.2.2轉(zhuǎn)向系剛性低有的轉(zhuǎn)向橫拉桿,直拉桿總成,轉(zhuǎn)向器內(nèi)部結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)向軸等存有間隙和剛性低所致,從轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)上分析主要原因在于轉(zhuǎn)向器內(nèi)部間隙(代表加工精度),扭桿剛性低,閥芯閥體開隙大小,過油油槽數(shù)量,油槽深度,長度及形狀等參數(shù)的設(shè)計

9、,加工不合理,還有和轉(zhuǎn)向泵流量選配不合理,轉(zhuǎn)向泵控制性能參數(shù)低下有關(guān).國內(nèi)液壓動力轉(zhuǎn)向器內(nèi)的轉(zhuǎn)閥扭桿剛性普遍低下.曾經(jīng)對高速發(fā)飄的多輛大客車只更換為德國ZF8098轉(zhuǎn)向器進(jìn)行對比試驗,試車結(jié)果是完全消除高速發(fā)飄現(xiàn)象.我們從德國ZF8098和國產(chǎn)轉(zhuǎn)向器的對比使用和測量中得出,裝國內(nèi)轉(zhuǎn)向器的車輛,行車轉(zhuǎn)向相對較輕,高速行車基本都有不同程度的發(fā)飄,ZF8098扭桿直徑由過去的7mm增大到7.8mm,轉(zhuǎn)向力特性曲線變寬,10MPa輸出壓力對應(yīng)的輸入扭矩約12N.In.而多數(shù)國產(chǎn)的轉(zhuǎn)向器,轉(zhuǎn)向力特性曲線狹窄,10MPa輸出壓力對應(yīng)的輸入扭矩約7.5N.m.提高扭桿的剛性和減少轉(zhuǎn)閥靈敏特性梯度(增大閥口的

10、開隙)都能提高轉(zhuǎn)向靈敏度和路感強(qiáng)度l41.光提高扭桿剛性容易,但勢必會引起轉(zhuǎn)向沉重,要通盤考慮轉(zhuǎn)向器過油槽深度,形狀,液壓油通過流量綜合因素.2.3高速出現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力現(xiàn)在的客車上,國產(chǎn)轉(zhuǎn)向泵標(biāo)稱的控制流量幾乎都是在發(fā)動機(jī)1200r/min時的流量,不是最大控制流量,流量控制曲線梯度上升很快,標(biāo)稱l6L/min流量的轉(zhuǎn)向泵,當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2500r/min時,其實際流量有的超過25L/min.對于常規(guī)的轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng),這樣大的流量,經(jīng)過國產(chǎn)轉(zhuǎn)向器后,液壓系統(tǒng)都會產(chǎn)生幾十kg/cm!的附加壓力.這是因為國產(chǎn)液壓轉(zhuǎn)向器內(nèi)部進(jìn)油的閥口槽數(shù)普遍少,閥芯開隙小,閥口油槽深度淺,長度短及管路彎曲多,接頭多所致.

11、曾經(jīng)國產(chǎn)一家轉(zhuǎn)向器在臺架試驗時,實際流量為24L/min,扭桿沒有轉(zhuǎn)動,液壓通道產(chǎn)生正向油壓約24kg/cm,液壓轉(zhuǎn)向器內(nèi)部轉(zhuǎn)閥的閥芯和閥體的相對轉(zhuǎn)角都會產(chǎn)生正反饋性質(zhì)的液壓助力L5l.而德國ZF8098轉(zhuǎn)向器最大通過油量可達(dá)25L/rain,油路產(chǎn)生的附加壓力只有2.5kg/crn.設(shè)計上,我們希望轉(zhuǎn)向泵的流量控制在滿足最小流量值后,高速運(yùn)轉(zhuǎn)時,轉(zhuǎn)向泵其控制流量曲線梯度是下降的,而不是上升的.只要滿足轉(zhuǎn)向器怠速最小流量需求,再大的流量就是做無用功了.轉(zhuǎn)向泵怠速最小流量選配計算如下:以轉(zhuǎn)向盤1.5圈/s轉(zhuǎn)速計算為準(zhǔn)(極限轉(zhuǎn)速),轉(zhuǎn)向油泵怠速流量要大于轉(zhuǎn)向器活塞的位移排量.要達(dá)到這一要求,必須滿

12、足如下的不等式(螺桿界面面積忽略不計):QD2xS××1.5×60式中,Q為發(fā)動機(jī)怠速的油泵流量,L/min;r/為油泵漏泄系數(shù),一般叼=1.1;D為活塞缸徑,dm;S為螺桿導(dǎo)程,dm.以SB10082轉(zhuǎn)向器為例:D=1.0dm;s=0.135dm.計算結(jié)果:Q=lO.5L/min.通過以上簡單計算,100mm缸徑的動力轉(zhuǎn)向器要求選擇油泵最小怠速流量應(yīng)不小于10.5L/min.當(dāng)采用ZF8098動力轉(zhuǎn)向器,缸徑=117mm,通過傳動比的對比計算,油泵最小怠速流量應(yīng)不小于11L/rain.這就是ZF8098轉(zhuǎn)向器為什么要求所匹配的轉(zhuǎn)向泵怠速最小流量為11L/min的

13、緣故.行車過程中只要始終滿足最小怠速流量就可以了.第5期王一夫,等:客車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對高速發(fā)飄的影響及發(fā)飄與操縱穩(wěn)定性的關(guān)系在高速直線行車時,由于地面,風(fēng)壓的作用會使前輪產(chǎn)生一下隨機(jī)微量擺角.計算一下,當(dāng)車速80km/h(約22.2m/s),假設(shè)車在1s內(nèi)偏離0.1m,則車輪偏角為0.25.;當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無間隙時,方向盤轉(zhuǎn)角約5.12.,而動力轉(zhuǎn)向器存在單側(cè)開隙6705.如果加上扇齒嚙合間隙,方向盤單側(cè)轉(zhuǎn)角約910.時,理論上方能有明顯的液壓助力,在方向盤轉(zhuǎn)角小于此角內(nèi),只能由扭桿扭矩來驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪.若轉(zhuǎn)向器閥芯扭桿剛性小,在沒有液壓助力時方向盤小轉(zhuǎn)角內(nèi),車輪幾乎是不動的,反之車輪微量轉(zhuǎn)角不能帶動方向

14、盤轉(zhuǎn)動,即車輪微量轉(zhuǎn)角未能及時反饋給駕駛員,駕駛員沒有路感,駕駛員此刻還處于緊握方向盤不動的狀態(tài).當(dāng)駕駛員發(fā)現(xiàn)車偏離直線后,馬上回轉(zhuǎn)方向盤,轉(zhuǎn)動角度稍小時,車輪轉(zhuǎn)角不變;稍大時,高速產(chǎn)生附加液壓助力,車輪急劇轉(zhuǎn)向,使車輛突然又"飄"向一邊.如此這般,駕駛員需要反復(fù)調(diào)整,修正方向,車輛出現(xiàn)蛇形運(yùn)動,出現(xiàn)所謂的"發(fā)飄"現(xiàn)象.高速時,本來前橋輪胎附著力低,轉(zhuǎn)向輕便.如果還有附加的轉(zhuǎn)向助力,試想,這種車還敢高速行駛嗎?發(fā)飄是用戶最不能接受的質(zhì)量問題.2.4注意事項高速行駛的大客車,車輛前底部風(fēng)壓升力加大,后置發(fā)動機(jī),后輪驅(qū)動都使前輪胎附著力進(jìn)一步降低,前軸的名義

15、側(cè)向剛度降低,前軸側(cè)偏角增大61,最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)向回正力矩打折,或沒有回正,路感變差,側(cè)向風(fēng),拱形路面的作用也使車輛偏移行駛,忽左忽右,都會使駕駛員不斷地被動修整方向.在設(shè)計時要考慮將質(zhì)心前移,減小風(fēng)壓升力,加大前懸長度,減少后懸長度,減少后懸重量31(國外6-8m長的高速車輛很少采用后置發(fā)動機(jī)布置,可能原因在此),降低質(zhì)心高度,降低車體高度(減少側(cè)向風(fēng)干擾程度),提高轉(zhuǎn)向和懸掛剛度,提高輪胎的側(cè)偏和徑向剛度,增大主銷后傾角應(yīng)到4.,增大輪胎的側(cè)偏距到6070mm(忽略輪胎外傾角).3發(fā)飄和操縱穩(wěn)定性的關(guān)系根據(jù)汽車?yán)碚?車輛橫擺角速度與轉(zhuǎn)向角艿的比值稱為轉(zhuǎn)向靈敏度陰.通俗地說,操作穩(wěn)定性不好的車輛

16、在高速行車時,一個小小的轉(zhuǎn)向角會使車輛產(chǎn)生劇烈轉(zhuǎn)向甚至甩尾,可以說是轉(zhuǎn)向靈敏度過大了,這是汽車操縱穩(wěn)定性的一種情況過度轉(zhuǎn)向.對汽車操縱穩(wěn)定性的研究,離不開車輛的側(cè)偏角.廣義上的側(cè)偏角,分為前軸中心側(cè)偏角(由純滾動的前輪轉(zhuǎn)角換算成前軸中心處的理論行駛方向和實際行駛方向的夾角),質(zhì)心側(cè)偏角(質(zhì)心的理論行駛方向和實際的行駛方向的夾角)和后軸中心側(cè)偏角(后軸中心的理論行駛方向和實際的行駛方向的夾角).這些角度受影響于前后懸架的側(cè)偏剛度,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度,懸架側(cè)傾時與轉(zhuǎn)向干涉,甚至車架的側(cè)向抗壓剛度對其也有影響.這些剛度指標(biāo)越大,前軸側(cè)偏角越小.而懸架側(cè)傾剛度提高,如增加橫向穩(wěn)定桿,降低前外輪負(fù)荷,降低前

17、外輪側(cè)偏剛度,增大前軸側(cè)偏角能夠降低過度轉(zhuǎn)向趨勢f8.高速轉(zhuǎn)向行駛時,當(dāng)后軸側(cè)偏角大于前軸側(cè)偏角,會引起車輛過度轉(zhuǎn)向;反之,當(dāng)后軸側(cè)偏角小于前軸側(cè)偏角,會引起車輛不足轉(zhuǎn)向.前置發(fā)動機(jī)質(zhì)心靠前,前輪胎負(fù)荷增加,側(cè)偏剛度增加,側(cè)偏角減小等將降低不足轉(zhuǎn)向趨勢.有時為了提高輪胎的側(cè)偏剛度和徑向剛度,減小輪胎的側(cè)偏角,采用改變輪胎結(jié)構(gòu)的措施.子午線鋼絲輪胎側(cè)偏剛度>子午線尼龍輪胎側(cè)偏剛度>斜交輪胎側(cè)偏剛度,扁平率值(輪胎截面高寬比)越小,輪胎側(cè)偏剛度越大圈.操縱穩(wěn)定性的評價方法有:轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入法,反映系統(tǒng)轉(zhuǎn)向的靈敏度,穩(wěn)態(tài)時問(轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角后到首次到達(dá)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值的時間);

18、蛇形傳樁運(yùn)動法,考查汽車通過性;急促移線法(急促并道)是考察最高時速下,人車組合系統(tǒng)躲避障礙物或改變行車車道的能力9-塒.而高速發(fā)飄客車就是高速行車時轉(zhuǎn)向靈敏度過小了,實際也是屬于汽車操縱穩(wěn)定性的一種現(xiàn)象.不足轉(zhuǎn)向降低轉(zhuǎn)向靈敏度,使轉(zhuǎn)向操縱滯后,控制模糊,容易出現(xiàn)發(fā)飄現(xiàn)象或直接導(dǎo)致發(fā)飄.而過度轉(zhuǎn)向?qū)嶋H上是增大了高速轉(zhuǎn)向的靈敏度;如太大,能使轉(zhuǎn)向操縱反映加劇,容易引起大客車的發(fā)賊,但會降低發(fā)飄程度.大客車設(shè)計時,應(yīng)優(yōu)先考慮預(yù)防高速發(fā)飄現(xiàn)象,因為發(fā)飄是在高速公路上高速直線行駛中出現(xiàn)的一種難以駕馭的現(xiàn)象.相對轎車或跑車而言,大客車所謂高速也是不高,實際駕駛中也很少或不會出現(xiàn)操縱穩(wěn)定性實驗中的極速和轉(zhuǎn)

19、角,過度轉(zhuǎn)向的程度相對也低.所以,高速行車中,關(guān)注大客車高速發(fā)飄程度比關(guān)注高速過度轉(zhuǎn)向的程度要高.在現(xiàn)實中,提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各個傳遞部件的剛度,桿系傳動的剛性,輪胎的側(cè)偏剛度,懸架的側(cè)向剛性對提高操縱穩(wěn)定性和防止高速發(fā)飄都具有明顯的抑制效果.(下轉(zhuǎn)第23頁)第5期嚴(yán)治國,等:燃料電池客車高壓電安全和氫安全設(shè)計發(fā)出信號,關(guān)斷瓶口,停止供氣.4)系統(tǒng)氣密性檢測.用手持式泄漏檢測儀定期進(jìn)行系統(tǒng)氣密性檢測,發(fā)現(xiàn)隱患及時處理.3.3氫氣泄漏安全保護(hù)措施氫安全檢測系統(tǒng)包括控制器和氫探頭兩部分組成.控制器安裝在車尾部,四個氫探頭分別安裝在乘員艙,燃料電池艙,加注口及氣瓶艙.氫探頭及控制器由法國OLDHAM公司生

20、產(chǎn).控制器采用三級報警,報警濃度分別為0.1%,0.6%,1.O%,見表1.氫探頭采用催化燃燒式,420mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出,最大功耗100mA.表1三級報警功能報警級別氫濃度/%警報信號控制手段點(diǎn)亮報警指示燈,同時向1級報警0.1視覺警報信號VCU傳輸信號2級報警0.6聲,光警報信號同上通過配電系統(tǒng)關(guān)斷電磁閥,3級報警1.0同上同時向VCU傳輸信號4結(jié)束語以質(zhì)子交換膜燃料電池為動力源的燃料電池車成為最有前途的一種新能源車解決方案.本文介紹了質(zhì)子交換膜燃料電池客車的主要技術(shù)參數(shù),動力系統(tǒng)方案及工作原理,并提出該燃料電池客車高壓電安全和氫安全設(shè)計方案.上述燃料電池客車經(jīng)一年的試運(yùn)行和2010年上海世

21、博會園區(qū)載客運(yùn)營,充分驗證該車輛安全性設(shè)計方案實用,有效,全面解決了燃料電池客車的電安全和氫安全問題.參考文獻(xiàn):【1】歐陽明高.我國節(jié)能與新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略與對策】.汽車工程,2006,(4)【2】RequeforProposalfRFP)forHybridFuelCellBus,theChinaInternationalCenterforEconomicandTechnicalExchanges,2008.【3】混合動力型燃料電池客車項目建議書R.SAIC,2008.【4鄧學(xué).北京奧運(yùn)示范運(yùn)行燃料電池大客車的能量分析J】.清華大學(xué):自然科學(xué)版,2010,(5)5】PropulsionSystemDesignRequirementforUNDPProject,SA-IC,2009.6沈海燕.SWB6129FC燃料電池客車總體設(shè)