基于Pro/Engineer的城市客车转向系统计算
概述
城市客车在进行设计前必须进行全面的计算，形成设计计算书，以保障设计的正确性。城市客车厂的计算主要包括两个类别，分别是车辆结构强度计算和匹配计算；车体复杂结构的强度计算往往借助ANSYS等软件进行分析，对于局部的强度计算则可通过计算抗弯截面的方法进行；匹配类计算主要包括整车动力性能匹配计算，悬架系统的舒适性匹配计算，以及制动性能匹配计算，转向系统匹配计算等十余项。对于动力性能计算已有非常成熟的计算软件如cruise，输入变量便能快速得到结果，而对于其它没有专用软件辅助计算的系统总成，则可利用Excel的VB功能根据计算公式建立数学模型，也可实现快速计算。虽然城市客车转向系统的计算可以应用Excel数学模型实现的，但不具备直观性。本文将着重介绍应用Pro/Engineer软件进行计算的方法，以及这样做的优势所在。
1.城市客车转向系统的计算原理和方法
1.1客车最小转弯直径的计算原理和常用方法
如下图所示，在理想状态下两轴汽车在转向时会有一个转向中心点，该中心点是后轴中心线延长线与两前轮转角垂线相交产生的交点，四个轮的转角关系只有如图所示，转向协调性，平稳性，可靠性才最好，才不会出现轮胎偏磨，转向跑偏等现象；因而计算便要依据理想状态进行,下面结合图Ⅰ和表Ⅰ来说阐述其三角函数关系。
图Ⅰ 转向内外轮转角关系图
表Ⅰ 转弯直径及转角关系相关的自变量
转向性能计算公式，
两转向轮旋转中心联线的距离：<Object: word/embeddings/oleObject1.bin>=<Object: word/embeddings/oleObject2.bin>+2×r×tgɑ①式
轴距（计入主销后倾角的影响）：<Object: word/embeddings/oleObject3.bin>=L+ r×sinβ ②式
车辆外轮转角<Object: word/embeddings/oleObject4.bin>=ctg<Object: word/embeddings/oleObject5.bin>+B/L ③式
最内点的最小转弯半径 <Object: word/embeddings/oleObject6.bin>=<Object: word/embeddings/oleObject7.bin>/ tg<Object: word/embeddings/oleObject8.bin>-[B-( B-<Object: word/embeddings/oleObject9.bin>)/2] ④式
最外点的最小转弯半径 <Object: word/embeddings/oleObject10.bin>=<Object: word/embeddings/oleObject11.bin> ⑤式
计算出车辆最外点的最小转弯半径后直接乘以2倍，便计算出了车辆的最大转弯直径，而通道宽度见下式：<Object: word/embeddings/oleObject12.bin>=<Object: word/embeddings/oleObject13.bin>-[<Object: word/embeddings/oleObject14.bin>] ⑥式
结合图Ⅰ和表Ⅰ中的说明，以及上述公式，便可以利用EXCEL编制数学模型，在输入或者改变变量的数值后，我们可以看到结果数值的变化，我们可以调节变量直到结果数值符合我们的预期，具体来说，就是调整变量，使车辆转弯直径以及通道圆宽度符合国标要求并尽可能高于国标要求；计算内、外轮不同转角下的对应数値并提供给转向桥的供应方以便调整“转向梯形”，同时通过上述计算还可确定合适的轴距、车宽、前悬等车辆的重要参数，除通过利用EXCEL编制数模外，还可以直接应用绘图法测量相应尺寸来得到结果，但绘图法效率太低，目前已很少应用。
1.2客车转向系统关键零部件尺寸确定和布置的原理
就常见的二轴客车来说，其组成和布置形式式见图Ⅱ，由方向盘、转向柱管总成、角传动器、连杆、转向器、转向垂臂、转向直拉杆等零部件构成，对于方向盘，转向柱管，角传动器，连杆等零部件的布置来说较为容易，依据相应的国标要求和车辆自身的尺寸特点即可确定位置；转向系统布置最麻烦的在于转向器垂臂的回转半径选择、垂臂装配初始角度、直拉杆长度的选择、转向器的位置确定，其难点在于要通过以上零件达到如下要求：
方向盘的圈数回转圈数要合适，一般为正负2.5圈；
方向盘在向左打和向右打的时候两边的圈数要保持一致；
车辆左转和右转时内外轮转角要一致；
在方向盘极限圈数内（如正负2.5圆），两侧车轮的转角要满足计算，使车辆转变直径达到上国标要求；
通过上述分析，我们可以看到，其实最大的难点就是要实现转向盘左右转向圈数相同时车辆左右转角也要相同。
从图Ⅱ的车轮状态我们可以看到，因为车辆要实现四个车轮纯滚动的状态，那么必须有“转向梯形”，从而使得转向时左右两侧车轮转角并不相同，内轮转角大而外轮转角小，而直拉杆通过车桥上的转向节臂直接拉动的是左侧车桥，所以要想两侧车桥左转和右转时转角相同，并且转向器垂臂的两侧转角也相同的话，必须要精准计算垂臂的回转半径和初始角度，利用垂臂旋转时的行程差异，通过直拉杆传递到车桥转向节臂，使转向节臂左转和右转角度刚好等于我们需要的角度才可以实现。因为变量实在太多，三角函数关系太复杂，很难建立相应的三角函数关系以实现应用数学模型来计算，往往只能通过绘图法多次模拟，使结果尽可能接近理想值，效率十分低下且计算结果不精确。
图Ⅱ 客车转向系统布置图
2.应用 Pro/Engineer软件进行客车转向系统计算的方法
基于Pro/Engineer软件的参数化和强大的尺寸约束功能，可应用草绘功能建立相应计算模板，将各边界条件绘制出来，约束变量，赋予变量不同的数值，驱动形成对应的图形，并且自动得到计算结果，能够大大的提升计算效率，且计算结果也更精确，由于图形因变量的变化受软件驱动实时更新，非常直观。
计算模板建立的基本过程如图Ⅲ所示。首先，建立草绘文件，草绘出计算图形，确定约束固定值、随动变量值和变量，以及图形中各线条的位置关系，实现改变变量，就可以显示计算结果值和图形的过程；然后，调试完成计算模板的制作，将建立好的文件以SEC的格式存放在相应的位置方便后续调用。在Pro/Engineer计算模板中参数传递原理如图Ⅳ。
图Ⅲ 应用Pro/Engineer建立计算模板的方法 图Ⅳ Pro/Engineer计算模型参数传递原理图
2.1基于Pro/Engineer客车最小转弯直径计算模板的建立和应用方法
具体来说应用Pro/Engineer建立客车最小转弯直径计算模板，主要分为三个步骤，分别为建立草绘模型，建立约束关系和提取计算结果，这三步中以建立约束关系最为关键，本模板中的约束也分为三类，分别是可调变量尺寸约束、位置约束、不可调整的随动尺寸约束；需要找出各参数之间的内在联系，应用软件强大的约束功能保证函数关系，使得在调整某些变量的参数时，由于这些基于约束的函数关系的原因，其它数值和图形也会随动变化，详细过程见图Ⅴ。
通过以上步骤，建立起的模板见图Ⅵ，在这个图形中，我们可以看到上部方框是客车外形尺寸，其中前悬长度是2.74米，轴距是6.15米，整车长度是12米，车宽是2.55米，与其相切的两个圆分别是转弯时的通道内圆和通道外圆，图中带括号的尺寸是随动尺寸，随其它尺寸的变化驱动发生变化，我们所需要提取的计算结果也在这部分随动尺寸中。在改变车辆外形尺寸，内轮转角时，我们能快速直观的得到准确的计算结果和计算图形，相对于传统计算方法，快捷高效直观，而这个计算模板又将存储到固定位置，需要应用其进行转向性能计算时能直接调用，调整变量数量即可计算不同车辆的转向性能。
图Ⅴ 基于Pro/Engineer的车辆转弯直径计算流程图
图Ⅵ 基于Pro/Engineer车辆转弯直径计算模板
2.2基于Pro/Engineer客车转向系统关键零部件尺寸确定和布置模板的创建和应用方法
客车转向系统关键零部件尺寸确定和布置，以往多采用传统的CAD绘图法进行计算，因为无约束功能，往往要反复绘图多次才能找到接近理想状态的垂臂长度、垂臂初始安装角度、以及转向器的输出轴座标。采用Pro/Engineer制作客车转向系统关键零部件尺寸和布置的计算模板的步骤与上述2.1计算模板的步骤一样，但内容不一样，具体建立方法见图Ⅶ。这个计算模板在建立约束时强调以下几点：
1，基于方向盘左转和右转角度要相同的原则，约束转向垂臂左右摆角角度相等（一般客车转向器的速比限定了此处两边摆角为45度左右）；
2，根据2.1的计算，我们可以得到左转和右转极限状态下内外轮转角数值，我们要约束车桥上转向节臂左右转角的角度与之对应；
3，约束直拉杆在三种状态下外形尺寸相同（初始状态，左转状态，右转状态）
建立的计算模板见图Ⅷ，因右侧圆显示的车桥上的转上节臂的座标和回转半径是固定的，我们可以调整左侧圆对应的圆心座标（转向器输出轴中心），以及转向垂臂回转半径，直至转向垂臂左右摆角角度达到我们需要的状态即可获取一组合适的数据以供设计所须。
图Ⅶ 基于Pro/Engineer的车辆关键零部件尺寸确定计算流程图
图Ⅷ 基于Pro/Engineer车辆转向系统关键零部件尺寸确定和布置的计算模板
3.结束语
本文介绍的是作者长期应用Pro/Engineer软件后总结的一种新的计算方法，将Pro/Engineer软件的功能特点与客车转向系统设计计算相结合，简化了计算过程，建立了专门的计算模板且能长期应用于同类计算中，大大提升了此类计算的效率，且计算结果直观可靠，数据和图形能一并展现，相对于传统的计算方法有较大的优势，有较强的实用性。