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哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院本科生畢業(yè)設計(論文) 0 畢業(yè)設計論文 輕型載貨汽車轉向橋設計 學 生 姓 名 楊 永 佳 專 業(yè) 汽 車 設 計 與 制 造 班 級 1093211 學 號 1109321113 指 導 教 師 宋 立 偉 車 輛 工 程 系 二 ○ 一 三 年 十 月 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院本科生畢業(yè)設計(論文) 0 載重汽車轉向橋設計 摘 要 本設計為載重汽車的轉向橋，此轉向橋需要適應不同路況，不同速度下的穩(wěn)定行駛， 因此對前橋的要求也越來越高。在汽車設計、制造、因此應該本著既能有足夠的承載能 力，又能實現(xiàn)耐用經(jīng)濟的思想進行方案的選擇，為了降低生產(chǎn)成本，又在結構上滿足要 求的情況下應盡量簡單。 通過設計：（1）保證有足夠的強度：以保證可靠的承受車輪與車架之間的作用力。 （2）保證有足夠的剛度：以使車輪定位參數(shù)不變。 （3）保證轉向輪有正確的定位角度： 以使轉向輪運動穩(wěn)定，操縱輕便并減輕輪胎的磨損。 （4）轉向橋的質量應盡可能?。阂?減少非簧上質量，提高汽車行駛平順性。 通過分析工作原理設計轉向節(jié)、前軸、主銷等零件的尺寸，使各個零部件的強度滿 足校核，并運用 caxa 等繪圖軟件繪制裝配圖和零件圖。 關鍵詞: 轉向橋；定位參數(shù)；轉向節(jié)；前軸；主銷 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院本科生畢業(yè)設計(論文) 1 The design of the truck steering axle Abstract This design is Steering Axle for heavy trucks. The design is need to adapt to different road and under different speeds, so the stability of front axle higher requirements. In car design, manufacture, and should be based on both have enough carrying capacity, and can achieve durable economic thoughts options, in order to reduce the production cost, and meets the requirements in the structure of situations should as far as possible simple. By design: (1) To ensure adequate strength: in order to ensure affordable and reliable force between wheel and frame. By design: (1) To ensure adequate strength: in order to ensure affordable and reliable force between wheel and frame. (2) Ensure adequate rigidity: in order to change the wheel alignment parameters. (3)To ensure the correct positioning of steering wheel angle: to make the steering wheel movement and stability, manipulating light and reduce tire wear. (4) The steering axle of quality should be as small as possible: to reduce the non-sprung mass, improve vehicle ride comfort. Works by analyzing the design of steering knuckle, front axle, kingpin and other parts of the size, so that the strength of the various components to meet the check, and use other mapping software caxa assembly drawing and parts are drawing. Key words: steering axle; positional parameters; knuckle; front axle；kingpin 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院本科生畢業(yè)設計(論文) 0 目錄 摘 要 ............................................................1 1.汽車轉向橋的概況 ...............................................3 1.1 汽車轉向橋目前狀況 ..........................................3 1.1.1 汽車前橋的分類 ...........................................3 1.1.2 前橋各參數(shù)對汽車穩(wěn)定性的作用與影響 .......................3 1.2 從動橋的結構形式 ............................................7 1.2.1 從動橋總體結構 ..........................................7 1.2.2 載重汽車從動橋 ..........................................8 1.2.3 載重汽車從動橋 ..........................................9 1.2.4 設計意義 .................................................9 2.轉向橋的設計結構參數(shù) ..........................................10 2.1 結構參數(shù)選擇 ...............................................10 2.2 從動橋總體結構選擇 .........................................10 2.3 確定前橋具體結構型式 .......................................10 3.前軸設計 ......................................................11 3.1 前軸強度計算 ...............................................11 3.1.1 前軸受力分析簡圖 ........................................11 3.1.2 前軸載荷的計算（分三種工況分析 ） ........................12 3.2 前軸彎矩及扭矩計算 .........................................13 3.2.1 前軸斷面分析圖 ..........................................14 3.2.2 各個斷面彎扭矩計算（分三種工況分析） ....................15 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院本科生畢業(yè)設計(論文) 1 3.3 斷面系數(shù)計算 ...............................................21 3.4 應力計算 ...................................................23 3.5 前軸材料的許用應力 .........................................23 4.轉向節(jié)設計 ....................................................23 4.1 截面系數(shù)計算 ...............................................24 4.2 彎矩計算 ...................................................24 4.3 應力計算 ...................................................24 4.4 轉向節(jié)的材料、許用應力及強度校核 ...........................25 5.主銷設計 ......................................................25 5.1 在汽車工況下計算 ...........................................26 5.2 在汽車側滑下計算 ...........................................27 6.轉向傳動機構設計 ..............................................28 6.1 推力軸承和止推墊片計算 ....................................................28 6.2 桿件設計結果 ...............................................30 7.經(jīng)濟技術分析 ..................................................31 7.1 我國汽車車橋行業(yè)發(fā)展歷程 ...................................31 7.2 國內汽車車橋產(chǎn)量和市場容量分析 .............................31 7.3 汽車車橋業(yè)發(fā)展特征及問題透視 ...............................31 7.4 車橋產(chǎn)品結構解析－轉向橋經(jīng)濟性分析 .........................31 7.5 提高轉向橋經(jīng)濟性 ...........................................32 8.結 論 ........................................................33 致 謝 .........................................................34 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院本科生畢業(yè)設計(論文) 2 參 考 文 獻 .....................................................35 附 錄 .........................................................36 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院本科生畢業(yè)設計(論文) 3 第 1 章汽車轉向橋的概況 1.1 汽車轉向橋目前狀況 1.1.1 汽車前橋的分類 從動橋即非驅動橋，又稱從動車橋。它通過懸架與車架(或承載式車身)相 聯(lián)，兩側安裝著從動車輪，用以在車架(或承載式車身)與車輪之間傳遞鉛垂力、 縱向力和橫向力。從動橋還要承受和傳遞制動力矩。 根據(jù)從動車輪能否轉向，從動橋分為轉向橋與非轉向橋。一般汽車多以前 橋為轉向橋。為提高操縱穩(wěn)定性和機動性，有些轎車采用全四輪轉向。多軸汽 車除前輪轉向外，根據(jù)對機動性的要求，有時采用兩根以上的轉向橋直至全輪 轉向。 一般載貨汽車采用前置發(fā)動機后橋驅動的布置形式，故其前橋為轉向從動 橋。轎車多采用前置發(fā)動機前橋驅動，越野汽車均為全輪驅動，故它們的前橋 既是轉向橋又是驅動橋，稱為轉向驅動橋。 從動橋按與其匹配的懸架結構的不同，也可分為非斷開式與斷開式兩種。 與非獨立懸架相匹配的非斷開式從動橋是一根支承于左、右從動車輪上的剛性 整體橫梁，當又是轉向橋時，則其兩端經(jīng)轉向主銷與轉向節(jié)相聯(lián)。斷開式從動 橋與獨立懸架相匹配。 非斷開式轉向從動橋主要由前梁、轉向節(jié)及轉向主銷組成。轉向節(jié)利用主 銷與前梁鉸接并經(jīng)一對輪轂軸承支承著車輪的輪轂，以達到車輪轉向的目的。 在左轉向節(jié)的上耳處安裝著轉向節(jié)臂，后者與轉向直拉桿相連；而在轉向節(jié)的 下耳處則裝著與轉向橫拉桿相連接的轉向梯形臂。有的將轉向節(jié)臂與梯形臂連 成一體并安裝在轉向節(jié)的下耳處以簡化結構。轉向節(jié)的銷孔內壓入帶有潤滑油 槽的青銅襯套以減小磨損。為使轉向輕便，在轉向節(jié)上耳與前梁拳部之間裝有 調整墊片以調整其間隙。帶有螺紋的楔形鎖銷將主銷固定在前梁拳部的孔內， 使之不能轉動。 1.1.2 前橋各參數(shù)對汽車穩(wěn)定性的作用與影響 為了保持汽車直線行駛的穩(wěn)定性、轉向輕便性及汽車轉向后使前輪具有自 動回正的性能，轉向橋的主銷在汽車的縱向和橫向平而內都有一定傾角。在縱 向平面內，主銷上部向后傾斜一個 角，稱為主銷后傾角。在橫向平面內，主? 銷上部向內傾斜一個 β 角，稱為主銷內傾角。 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院本科生畢業(yè)設計(論文) 4 圖 1-1 主銷內傾角 Figure 1-1 Kingpin Inclination 主銷內傾也是為了保證汽車直線行駛的穩(wěn)定性并使轉向輕便。主銷內傾使 主銷軸線與路面的交點至車輪中心平面的距離即主銷偏移距減小，從而可減小 轉向時需加在方向盤上的力，使轉向輕便，同時也可減小轉向輪傳到方向盤上 的沖擊力。主銷內傾使前輪轉向時不僅有繞主銷的轉動，而且伴隨有車輪軸及 前橫梁向上的移動，而當松開方向盤時，所儲存的上升位能使轉向輪自動回正， 保證汽車作直線行駛。內傾角一般為 ；主銷偏移距一股為 30～40mm。輕?8~5 型客車、輕型貨車及裝有動力轉向的汽車可選擇較大的主銷內傾角及后傾角， 以提高其轉向車輪的自動回正性能。但內傾角也不宜過大，即主銷偏移距不宜 過小，否則在轉向過程中車輪繞主銷偏轉時，隨著滾動將伴隨著沿路面的滑動， 從而增加輪胎與路面間的摩擦阻力，使轉向變得很沉重。為了克服因左、右前 輪制動力不等而導致汽車制動時跑偏，近年來出現(xiàn)主銷偏移距為負值的汽車。 主銷后傾使主銷軸線與路面的交點位于輪胎接地中心之前，該距離稱為后 傾拖距。當直線行駛的汽車的轉向輪偶然受到外力作用而稍有偏轉時，汽車就 偏離直線行駛而有所轉向，這時引起的離心力使路面對車輪作用著一阻礙其側 滑的側向反力，使車輪產(chǎn)生繞主銷旋轉的回正力矩，從而保證了汽車具有較好 的直線行駛穩(wěn)定性。此力矩稱穩(wěn)定力矩。穩(wěn)定力矩也不宜過大，否則在汽車轉 向時為了克服此穩(wěn)定力矩需在方向盤上施加更大的力，導致方向盤沉重。后傾 角通常在 以內?，F(xiàn)代轎車采用低壓寬斷面斜交輪胎，具有較大的彈性回正力?3 矩，故主銷后傾角就可以減小到接近于零，甚至為負值。但在采用子午線輪胎 時，由于輪胎的拖距較小，則需選用較大的后傾角。舉一個生活中的例子： 我 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院本科生畢業(yè)設計(論文) 5 們在騎自行車拐彎的時候，會自然地將車子向所轉的方向傾斜，讓車輪與地面 有一個夾角，學過物理的人知道，這樣做是為了產(chǎn)生足夠的向心力。汽車也是 一樣，右側車輪在右轉彎的時候在主銷內傾角和后傾角的共同作用下會向右側 傾倒，而左側車輪雖也有主銷內傾角，卻不會向左側傾倒，因為還有主銷后傾 角，把它又拉了回來，甚至也能向右微微傾斜。不僅如此，兩側車輪的轉動還 使右側車身降低，左側車身抬高，整個車身也向右傾斜，于是產(chǎn)生了足夠的向 心力。 圖 1-2 車輪外傾角和主銷后傾角 Figure 1-2 camber and caster angle 前輪定位除上述主銷后傾角、主銷內傾角外，還有車輪外傾角及前束，共 4 項參數(shù)。車輪外傾指轉向輪在安裝時，其輪胎中心平面不是垂直于地面，而 是向外傾斜一個角度 ，稱為車輪外傾角。此角約為 ，一般為 左??5.1~0?1 右。它可以避免汽車重載時車輪產(chǎn)生負外傾即內傾，同時也與拱形路而相適應。 由于車輪外傾使輪胎接地點向內縮，縮小了主銷偏移距，從而使轉向輕便并改 善了制動時的方向穩(wěn)定性。 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院本科生畢業(yè)設計(論文) 6 圖 1-3 前束 Figure 1-3 toe 前束的作用是為了消除汽車在行駛中因車輪外傾導致的車輪前端向外張開 的不利影響(具有外傾角的車輪在滾動時猶如滾錐，因此當汽車向前行駛時，左 右兩前輪的前端會向外張開)，為此在車輪安裝時，可使汽車兩前輪的中心平面 不平行，且左右輪前面輪緣間的距離 A 小于后面輪緣間的距離 B，以使車輪在 每一瞬時的滾動方向是向著正前方。前束即(B-A)，一般汽車約為 3～5mm，可 通過改變轉向橫拉桿的長度來調整。設定前束的名義值時，應考慮轉向梯形中 的彈性和間隙等因素。 在汽車的設計、制造、裝配調整和使用中必須注意防止可能引起的轉向車 輪的擺振，它是指汽車行駛時轉向輪繞主銷不斷擺動的現(xiàn)象，它將破壞汽車的 正常行駛。轉向車輪的擺振有自激振動與受迫振動兩種類型。前者是由于輪胎 側向變形中的遲滯特性的影響，使系統(tǒng)在一個振動周期中路面作用于輪胎的力 對系統(tǒng)作正功，即外界對系統(tǒng)輸入能量。如果后者的值大于系統(tǒng)內阻尼消耗的 能量，則系統(tǒng)將作增幅振動直至能量達到動平衡狀態(tài)。這時系統(tǒng)將在某一振幅 下持續(xù)振動，形成擺振。其振動頻率大致接近系統(tǒng)的固有頻率而與車輪轉速并 不一致，且會在較寬的車速范圍內發(fā)生。通常在低速行駛時發(fā)生的擺振往往屬 于自攝振動型。當轉向車輪及轉向系統(tǒng)受到周期性擾動的激勵，例如車輪失衡、 端面跳動、輪胎的幾何和機械特性不均勻以及運動學上的干涉等，在車輪轉動 下都會構成周期性的擾動。在擾動力周期性的持續(xù)作用下，便會發(fā)生受迫振動。 當擾動的激勵頻率與系統(tǒng)的固有頻率一致時便發(fā)生共振。其特點是轉向輪擺振 頻率與車輪轉速一致，而且一般都有明顯的共振車速，共振范圍較窄(3～5km/h)。 通常在高速行駛時發(fā)生的擺振往往屬于受迫振動型。 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院本科生畢業(yè)設計(論文) 7 轉向輪擺振的發(fā)生原因及影響因素復雜，既有結構設計的原因和制造方面 的因素．如車輪失衡、輪胎的機械特性、系統(tǒng)的剛度與阻尼、轉向輪的定位角 以及陀螺效應的強弱等；又有裝配調整方面的影響，如前橋轉向系統(tǒng)各個環(huán)節(jié) 間的間隙(影響系統(tǒng)的剛度)和摩擦系數(shù)(影響阻尼)等。合理地選擇這些有關參 數(shù)、優(yōu)化它們之間的匹配，精心地制造和裝配調整，就能有效地控制前輪擺振 的發(fā)生。在設計中提高轉向器總成與轉向拉桿系統(tǒng)的剛度及懸架的縱向剛度， 提高輪胎的側向剛度，在轉向拉桿系中設置橫向減震器以增加阻尼等，都是控 制前輪擺振發(fā)生的一些有效措施。 1.2 從動橋的結構形式 1.2.1 從動橋總體結構 各種車型的非斷開式轉向從動橋的結構型式基本相同。作為主要零件的前 梁是用中碳鋼或中碳合金鋼的，其兩端各有一呈拳形的加粗部分為安裝主銷的 前梁拳部；為提高其抗彎強度，其較長的中間部分采用工字形斷面并相對兩端 向下偏移一定距離，以降低發(fā)動機從而降低傳動系的安裝位置以及傳動軸萬向 節(jié)的夾角。為提高其抗扭強度，兩端與拳部相接的部分采用方形斷面，而靠近 兩端使拳部與中間部分相聯(lián)接的向下彎曲部分則采用兩種斷面逐漸過渡的形狀。 中間部分的兩側還要鍛造出鋼板彈簧支座的加寬文承面。有的汽車的轉向從動 橋的前梁采用組合式結構，即由其采用無縫鋼管的中間部分與采用模鍛成形的 兩端拳形部分組焊而成。這種組合式前梁適于批量不太大的生產(chǎn)并可省去大型 緞造設備。轉向節(jié)多用中碳合金鋼模級成整體式結構。有些大型汽車的轉向節(jié)， 由于其尺寸過大，也有采用組焊式結構的，即其輪軸部分是經(jīng)壓配并焊接上去 的。 主銷的幾種結構型式如下圖所示，其中比較常用的是(a)，(b)兩種。 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院本科生畢業(yè)設計(論文) 8 （a） (b) (c) (d) 圖 1-4 主銷結構形式 FIG. 1-1 the kingpin structure (a)圓柱實心型 (b) 圓柱空心型 (c) 上，下端為直徑不等的圓柱，中間為錐體 的主銷 (d)下部圓柱比上部細的主銷 (a)Cylindrical solid model (b) cylindrical hollow (c) Ranging in diameter from top to bottom- side columns, the middle of the cone of the main sales (d) lower than the upper part of thin cylindrical kingpin 轉向節(jié)推力軸承承受作用于汽車前梁上的重力，為減小摩擦使轉向輕便可 采用滾動軸承，例如推力球軸承、推力圓錐滾子軸承或圓錐波子軸承等。也有 采用青銅止推墊片的。主銷上、下軸承承受較大的徑向力，多采用滑動軸承， 也有采用滾針軸承的結構。后者的效率高，轉向阻力小，且可延長使用壽命。 1.2.2 載重汽車從動橋 本設計為載重汽車的轉向前橋，因此應該本著既能有足夠的承載能力，又 能實現(xiàn)耐用經(jīng)濟的思想進行方案的選擇，為了降低生產(chǎn)成本，又在結構上滿足 要求的情況下應盡量簡單。 轉向前橋有斷開式和非斷開式兩種。斷開式前橋與獨立懸架相配合，結構 比較復雜但性能比較好，多用于轎車等以載人為主的高級車輛。非斷開式又稱 整體式，它與非獨立懸架配合。與斷開式前橋相比它的結構簡單，經(jīng)濟性高， 強度大、安裝維修方便的優(yōu)點，這種形式在現(xiàn)在汽車上得到廣泛應用。因此本 次設計就采用了非斷開式從動橋。 轉向從動橋的主要零件有前梁，轉向節(jié)，主銷，注銷上下軸承及轉向節(jié)襯 套，轉向節(jié)推力軸承。前梁采用中間部分為整體鍛件與兩端拳部組焊的形式。 主銷采用結構簡單的實心的圓柱形如上圖 a 所示。 另外為了保證汽車轉彎行駛時所有車輪能繞一個轉向瞬時轉向中心，在不 同的圓周上作無滑動的純滾動，本次設計有進行了轉向梯形的優(yōu)化設計。本方 案轉向梯形布置在前軸之后，進行梯形的最佳參數(shù)和強度計算。 目前國內載重汽車前橋一般可以承受10噸左右的載重量，并且大部分都是 采用非斷開式轉向橋。像早期東風汽車公司生產(chǎn)的EQ1090E型載重貨車，它采用 的是鋼材鍛造的并且斷面為工字型的前梁，采用非斷開式結構。前梁的拳形部 分通過主銷相連轉向節(jié)，轉向節(jié)通過軸承與輪轂相連。這種方式連接穩(wěn)定、可 靠，可以完成車輪的靈活轉向。 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院本科生畢業(yè)設計(論文) 9 1.2.3 載重汽車從動橋 本文首先確定主要部件的結構型式和主要設計參數(shù)，然后參考類似轉向橋 的結構，確定出總體設計方案，最后對前梁、主銷、主銷上下軸承、轉向橋、 調整墊片，轉向節(jié)推力軸承等及輪轂等零件的尺寸進行設計，對強度進行校核 以及對主要軸承進行了壽命校核。對前橋進行力學模型的建立，將物理力學模 型轉化成數(shù)學模型（數(shù)學公式） 。 2.主要解決的問題： 對以往同類的轉向橋的資料進行總結分析，得到一些新的觀點及思路，針對載 重車轉向橋的主要功用即對車身的支持作用、靈活轉向的作用。通過設計使前 橋更可靠、更靈活 1.2.4 設計意義： 采用傳統(tǒng)方法對載重汽車轉向橋進行結構尺寸設計，使轉向橋滿足如下的 設計要求： （1）保證有足夠的強度：以保證可靠的承受車輪與車架之間的作用力。 （2）保證有足夠的剛度：以使車輪定位參數(shù)不變。 （3）保證轉向輪正確的定位角度：使轉向輪運動穩(wěn)定，操縱輕便并減輕輪胎磨 損。 （4）從動橋的質量應盡可能?。阂詼p少非簧上質量，提高汽車行駛平順性。 合理優(yōu)化前梁、轉向節(jié)、等零部件的結構，使各個部分零件能夠合理的配合， 以適應復雜路況。盡可能降低整個橋身的質量，從而減輕車的重量。并且對車 輪輪轂進行配合設計，使其與轉向橋合理配合達到靈活轉向的目的 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院本科生畢業(yè)設計(論文) 10 2.轉向橋的設計結構參數(shù) 2.1 結構參數(shù)選擇 轉向橋設計參數(shù)參照 CA1021 型號汽車前橋數(shù)據(jù)獲得，如表 2-1 所示 表 2-1 汽車總 質量 Ga（ N ） 前軸軸載 質量 G1（ N） 汽車質心至 前軸中心線 距離 L1（ mm） 汽車質心至 后軸中心線 距離 L2(mm) 軸距 L（ mm ） 汽車質 心高度 hg(mm) 前鋼板 彈簧座 中心距 B(mm) 24250 11100 1800 1120 3025 540 720 主銷中 心距 B′(mm ) 前輪距 B1(mm) 車輪滾動半 徑 rr(mm) 主銷內傾角 β 主銷后 傾角 ? 前輪外 傾角 a 前輪前 束 1330 1460 314 6° 2° 1° 2～4 2.2 從動橋總體結構選擇 本前橋采用非斷開式轉向從動橋 2.3 確定前橋具體結構型式 （1）前軸結構形式：工字形斷面加叉形轉向節(jié)主銷固定在前軸兩端的拳部里。 （2）轉向節(jié)結構型式：整體鍛造式。 （3）主銷結構型式：圓柱實心主銷。 （4）轉向節(jié)止推軸承結構形式：止推滾柱軸承。 （5）主銷軸承結構形式：滾針軸承 （6）輪轂軸承結構形式：單列向心球軸承 （7）前輪定位角選擇見表 1 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院本科生畢業(yè)設計(論文) 11 3.前軸設計 3.1 前軸強度計算 3.1.1 前軸受力分析簡圖 如圖 3-1 所示： 圖 3-1 轉向從動橋在制動和側滑工況下的受力分析簡圖 Figure 3-1 Bridge in the braking and steering yaw driven condition of the force analysis diagram 1—制動工況下的彎矩圖和轉矩圖； 2—側滑工況下的彎矩圖 1 - braking and torque diagram of bending moment diagram 2 - yaw moment map condition 哈爾濱工業(yè)大學華德應用技術學院本科生畢業(yè)設計(論文) 12 3.1.2 前軸載荷的計算（分三種工況分析） 一、緊急制動 汽車緊急制動時，縱向力制動力達到最大值，因質量重新分配，而使前軸 上的垂直載荷增大，對后輪接地點取矩得 取路面附著系數(shù) Ф=0.7 制動時前軸軸載質量重新分配分配系數(shù) m1= = =1.34 （3-1）12??Lhg1.5407?? 垂直反作用力：Z1l= Z 1r= =7437N21Gm034.?? 橫向反作用力：X1l=X 1r= Ф=5205.9N （3-2）1 二、側滑 汽車側滑時，因橫向力的作用，汽車前橋左右車輪上的垂直載荷發(fā)生轉移。 （1）確定側向滑移附著糸數(shù)： 在側滑的臨界狀態(tài)，橫向反作用力等于離心力 F 離，并達到最大值 F 離 = ,Ymax=G1Ф′，為保證不橫向翻車，須使 V 滑
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