多轴半挂车的轴荷通常较大，在同步转向过程中必须尽量减小轮胎的滑动移动，否则将造成轮胎严重磨损，有时还会导致轮胎脱落或爆胎等严重事故。因此，设计性能良好的同步转向机构是多轴半挂车设计的关键技术之一[1]。要实现牵引车与半挂车的同步转向，需要将牵引车转向轮的转角信号按对应关系传递给半挂车转向轮。转向过程中，半挂车相对牵引车只能做旋转运动，半挂车的转向轮转向可以由推杆的直线运动实现，由此可知，将牵引车的转角运动转换成直线运动就可以实现牵引车与半挂车之间的信号传递，凸轮机构能很好的实现这一功能。牵引车转向轮、凸轮以及半挂车转向轮转角之间关系较为复杂，凸轮结构参数设计的准确性直接决定同步转向系统性能的优劣，因此，建立凸轮结构参数设计及验证方法至关重要；此外，凸轮的传动效率由结构参数决定，通过优化结构参数，能提高凸轮机构的传动效率，增加凸轮的使用寿命，从而提高同步转向系统的可靠性[2]。
1转角关系分析
通过对转向系统的整体分析，确定半挂车转向信号传递过程为：牵引车转向—凸轮转动—伺服机构动作—转向油缸动作—转向臂动作—半挂车转向轮转向，系统构成示意如图1所示。某型号雷达车需装三轴半挂车，各转角的几何关系如图2所示，其中凸轮与牵引车固连。L—牵引销中心到挂车虚轴的距离；L1—牵引车前桥至2、3桥中心的距离；L2—挂车虚轴到挂车3桥的距离；B1—牵引车主销中心距；B2—半挂车主销中心距；D—鞍座中心至牵引车2、3桥中心距；—牵引车前外轮转角；—牵引车轴线与半挂车轴线夹角，即凸轮的转角；6—挂车3桥内轮转角；6r—与6对应的3桥外轮转角；—半挂车虚轴与瞬心和鞍座中心线夹角由式（1）~（4）可以得到牵引车前外轮转角、凸轮转角与半挂车三桥内、外轮转角6和6r之间的关系[3~5]。再由空间机构法可以计算得到三桥内外轮转动相应角度6，6r时，推动转向垂臂转动的转向油缸的拉伸及压缩行程（L变化量），计算简图如图3所示。转向油缸与凸轮之间连接有伺服机构，凸轮升程通过伺服机构线性传递至转向油缸，实现转向油缸的拉伸与压缩。通过合理选取伺服结构活塞截面积与转向油缸活塞截面积之比，可优化凸轮升程与油缸拉伸或压缩行程之比，避免凸轮升程过大导致凸轮结构尺寸太大，经过与整车结构尺寸匹配，某型号雷达车半挂车取凸轮升程与转向油缸行程之比为1/2，由此可以确定半挂车三桥内轮转角与凸轮转角、升程之间的关系。根据凸轮转角和相应的升程可以设计凸轮的几何结构。
2凸轮理论廓线计算及结构优化设计
凸轮机构作为同步转向的信号机构其作用是将牵引车和半挂车轴线的夹角信号转变为位移信号，由于行车中左右转向是随机的，因此凸轮应为无空回程的沟槽式平面凸轮。在同步转向阶段凸轮工作廓线分别为凸轮沟槽的内、外廓线。凸轮理论廓线如图4中的CE段曲线[2~6]。C点为凸轮理论廓线上的点，这里的理论廓线为实际凸轮导轨的中心线，由图4中的几何关系，可以得根据式（6）~（8）可以计算出凸轮理论廓线。为了提高凸轮的传动效率，压力角应尽量小，这会导致凸轮基圆半径加大，使凸轮结构尺寸加大，影响空间布置，因此，利用Matlab优化工具箱，以压力角最小为目标函数，以基圆半径为约束条件，求解最优解，得到的凸轮廓线如图5所示。图5中曲线的坐标原点也是凸轮基圆的圆心。凸轮最大转角和最大同步转向角的差值定义为超越角。为防止半挂车失稳，凸轮最大转角一般应小于90°，在某型号雷达车转向凸轮设计中，取最大转角为80°。牵引车轴线和半挂车轴线的夹角的最大值即为最大同步转向角，该型雷达车牵引车轴线与挂车轴线夹角β的取值为－32.82～+32.82°，即最大同步转向角为+32.82°，定义超越角为，则=80－32.82°=47.18°，结构设计中取47°。
3运动仿真验算
为验证设计计算的正确性，利用Adams对凸轮机构进行运动仿真。在Ug环境下建立凸轮三维模型，然后导入到Adams环境下，施加相应的约束。通过分析凸轮转动，从推杆运动行程可以得到凸轮转角与凸轮行程之间的关系。凸轮转角与凸轮行程关系曲线如图6所示。从图6中可见，Adams分析结果与Matlab计算结果的两条曲线完全重合，证明两者计算结果一致，这样就能起到相互验证的作用[2~3]。该仿真程序作为同步转向系统设计验算中最重要的环节之一，可以与系统其它验算程序连接，完成同步转向系统设计验算。设计并验证完成后，利用计算参数生产加工了凸轮机构，并应用于某型号雷达车，凸轮的装车状态如图7所示，在其后的路试中半挂车转向性能良好。
4结束语
通过分析牵引车前外轮转角、凸轮转角与半挂车转向轮转角之间的关系，建立了同步转向所需的凸轮转角与行程的关系函数，利用Matlab优化工具求解并优化凸轮结构参数，可以得到传动效率高、结构紧凑的凸轮结构，从而优化了转向系统的整体性能，提高了系统的可靠性。通过建立Adams运动仿真模型，校核凸轮运动特性，能够验证凸轮转向机构的设计正确性，将该仿真程序植入同步转向系统校核程序，提高了系统设计的效率和准确性。通过对某型号雷达车半挂车转向凸轮的设计，证明了建立的这种设计计算、优化及仿真验算程序能准确、有效地浙江职称设计满足同步转向要求的凸轮机构。
作者：罗小江 万芳 佟家慧 张衍倬 单位：北京航天发射技术研究所
