重型特种车辆多轴转向技术的优化设计

２００２。ｌ专月汽车ＳｐｅｅｉＭ　Ｐｕｒｐｏｓｅ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　☆汽车底盘☆　重型特种车辆多轴转向技术的优化设计　王萍’　李成刚　胡于进　刘爱华　（１．华中科技大学机械学院湖北武汉４３００７３　２．中国三江航天工业集团舟司特种车辆技术中心　湖北武汉４３００２３）　摘要：介姆了重型特种车辆多轴转向技术的优化设计目标和方向，概括地分析了转向梯形机构、纵向传　动机构和转向系统子构件的优化目标，　厦建立数学模型和约束每件时应考虑的因素。　关键词：重型特种车辆　多轴转向优化设计　中图分类号：Ｕ４６３　４　０２文献标识码：ｄ　文章编号：１００４—０２２６　ｃ２００２）０１—００１９—０２　Ｏｐｔｉｌｎｕｌｎ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｈｅａｖｙ　Ｓｐｅｃｉａｌ　Ｖｅｈｉｄｅ　Ｍｕｌｉｔ—ｓｔｅｅｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＷＡＮＧ　Ｐｉｎｇ　ｅｔ　ａｌ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｌｍｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ａｉｍｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｈｅａｖｙ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｍｕｆｔｉ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ＇ｓ　ｏｐｔｉｍＬＬｍ　ｄｅｓｉｎｇ　Ａｒｕｄｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ａＪｒａｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉｒａｐｅｚｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　Ｉ　ｆｏｒｅ—ａｎｄ—ａｆｔ　ｍｅｃｈａｔｄｓｍ　ａｎｄ　ｐａｒｔｓ　ｄｅｓｉｇｔｔｓ　Ａｎｄ　ｃｏｔｔｓｉｄｅｒｓ　ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｗｈｉｃｈ　ａⅡ　ｃｔ　ａｒｕｄｙｓｉｓ　ｒｅｓＭｌｓ　ｗｈｅｎ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌｓ　ａｎｄ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｃｏｎｄｉｌｉｏｎｓ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｈｅａｖｙ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｖｅｈｉｌｃｅ；ｍｕｌｔｉ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ；ｏｐｔｉｍｕｍ　ｄｅｓｉｇｎ　１　前言　心转动，以减少轮胎的磨损和动力消耗［　。即梯形　近年来，用户对重型特种车辆的性能要求已越　机构要满足左右车轮的理想转角比，以使每个车轮　来越高。由于转向性能直接影响到整车的机动灵活　都作纯滚动转向。因现有的转向梯形机构尚不完　性、操纵稳定性和使用经济性，因此对重型特种车辆　善，于是存在着实际转向特性曲线与理论转向特性　转向系统的设计提出了更高的要求。　曲线之间不能完全重合的情况；所以提出两者尽可　重型特种车辆的转向系统由于用户的使用要求　能接近的要求，特别是在转向轮转角不大的情况下。　多设计成多轴转向。传统转向系统的设计方法是依　重型特种车辆一般为多轴转向。所以要分别对　赖已有的产品。经过类比分析后进行局部的改动，只　各个转向轴的梯形机构进行优化。转向梯形机构又　能近似地满足功能要求，无法提高整车的使用经济　分为整体式转向梯形机构和断开式转向梯形机构，　性；零部件的结构一般得不到改进，更无法做到经济　它们的数学模型不同，但优化目标是一致的。　合理。同时，随着重型特种车辆系列化的发展，产品　设自变量为内轮转角ｎ　，因变量为实际的外轮　更新换代的加快，转向系统的设计周期也将大幅度　转角　＝ｐ（。　），理论上的外轮转角为且　＝口　（　），　的缩短。因此，为了实现重型特种车辆转向机构设　梯形机构的优化目标函数：　计的合理性和快速性，需对其性能进行分析，开发出　转向系统运动学和动力学的优化设计系统。　ｍ　ｎ，（　）＝∑　（ｑ）（、　　Ｌ　１，　（１）　２转向传动机构的优化设计　式中：　为设计变量，由设计者根据实际情况确定；　对转向传动机构进行优化设计的主要工作是对　＝０～。…（由车辆的构造决定）；　转向杆系进行运动学的分析Ｉ１］。在多轴转向技术的　（　）为加权因子口』，可得：，　优化设计中．可以将传动机构的优化设计分为转向　『１　５，　（０。≤　≤５。）　梯形机构的优化设计和转向时前后车轮的协调运动　（口　）＝｛０　５，　（５。＜ｑ＜２８￣）　轨迹的优化设计。　Ｌ１　５，（２８。≤口　≤ｄ一）　２　１转向梯形机构的优化设计　２　２纵向传动机构的优化设计　设计转向梯形机构的主要任务之一是根据给定　转向传动机构的另一部分就是纵向传动机构：　条件通过选取有关参数设计出转向梯形．要求该梯　在转向过程中，应使转向器的转角与车轮的转角实　形机构能保证转向过程中所有车轮均绕同一瞬时中　现虽佳匹配．并且在保证车轮达到极限转角时，转向　维普资讯 http://www.cqvip.com

器还有足够的后备转角。同时，在设计转向传动机　拘时，需要考虑转向器的转角、角传动比、力传动比　等因素【　。　在重型车辆多轴转向的优化设计中，由于后轮　参与转向而带来的车辆响应变化，以及采用各种各　样的后轮转向的控制策略而产生ｒ差异。前后轴之　间的怫调运动关系包括车轮转角的协调运动关系和　前后轴转向的反应时间关系　对于一般的汽车，由　于车桥较少，车身较短，汽车在转向时后桥外轮轨迹　不会超出前桥外轮的轨迹。因此，在考察汽车的转　向性能时不必考虑后桥外轮轨迹相对于前桥外轮轨　迹外偏差这一问题。但对于重型越野车．由于车身　很长，车桥很多，转向机构复杂．主动参与转向的车　桥多，会出现车体前部顺利通过，而车体的尾部脱出　路面，或者被道路旁边的树术、建筑物挡住的情形。　为了避免这种情形出现，就必须考虑后轴转向的反　应时间的滞后问题：　设自变量为前轮转角　．，发生转动的时刻为　国变量为实际的后轮转角ｙ　＝ｙ（ｎ　），发生转动　的时刻为　，理论上的后轮转角为ｙ　＝ｙ．（　），纵向　传动机构的优化设计的目标函数：　ｒ，（，）＝∑　（ｎ　）｝　１（２）　ｍｉｎ｛　ｇ（　）＝∑＾（口　）（￡一￡“　　）　ｆ３１　式中：Ｙ、　均为设计变量，　同式（１）。　就机构的动力学而盲，其转向力和左右转弯时　力的差别要小。在进行转向传动机构优化的设计　时，建立主参数（即设计变量）的约束条件时，应考虑　到力的传动比不能过大．同时也要考虑到总体布置　的要求。　在进行转向传动机构的优化设计时，重要的是　建立正确的数学模型。数学模型建立的质量，直接　影响优化结果和优化过程计算量的多少。现在建立　的数学模型基本上都是空问模型，当然，在对结果影　响极小时，也用平面简化模型。在重新开发一种转　向机构时，平面模型比较简单、直观；在对已有的转　向机构进行优化设计时、就有必要使用空间模型，空　间模型精确，更能达到优化的目的。　３转向系统各子构件的结构优化设计　转向系统各子构件的结构优化设计的主要工作　内容是进行转向系统的动力学分析。转向机构不仅　要实现转向时的协调运动，还必须有足够的强度，保　证在各种复杂受力的情况下其零部件不会损坏：在　满足以上要求的情况下，尽量减轻质量，以减轻整车　重量和降低材料消耗。特别是重型车辆，由于参与　王萍等：重型特冲车辆多轴转向技术曲优化搜计　转向的车轮多，控制转向轮的连杆结构复杂，构件也　多．如何在满足使用要求的同时降低材料的消耗就　显得很有意义了。为此，需选用适当的算法对转向　机构的动力学特性进行分析，从而为转向机构的设　计和制造提供理论依据。进行转向系统各子构件的　结构优化设计，一般分成两个过程进行：转向系统的　受力状况分析和构件的有限元分析。　３．１转向系统的受力状况分析　要分析转向系统各个零件的强度，就必须分析　转向系统的受力状况，转向系统的受力状况又和转　向传动机构的运动姿态相关。车辆在各种地面、载　荷和行驶条件下，转向系统所受的载荷是在经常变　化的，除了转向时主动作用在转向机构上的力外，还　有路面反作用给车轮，传给转向机构的反作用力，同　时还考虑轮胎的弹性力学、地面的土壤力学，则其受　力情况更加复杂，难于用确定的计算方法分析出所　有工况下的载荷情况。在实际的工程设计中，一般　取几个典型工况进行分析，找出各个构件所受的最　大应力及受最大应力时姿态。　３．２构件的有限元分析』－　有限元是进行零件结构优化的有效手段，其方　法同于一般的零件优化　分析时，通常建立零件的　实体模型，将确定的系统计算载荷以集中力或分布　力的形式，等效作用在零件的有限元节点上，同时，　结合相应的边界约束条件，对零部件进行有限元分　析。其优化目标通常是零件的截面尺寸，从而达到　减轻整车重量和降低材料消耗的目的。　４结束语　重型特种车辆的转向技术的优化设计的研究内　容是多方面的，在对重型车辆前后轴同时转向的研　究中，一般都忽略了诸如悬架运动、侧向质量转移和　底盘转动等很多重要因素的影响，因而不是十分精　确。对它的发展研究还需要进一步的深化，建立更　精确的计算模型，充分研究车辆的稳态和瞬态特性，　这有赖于其它相关领域，譬如控制理论研究、测试技　术等方面的进一步发展。　参考文献　ｌ　赵晓光具有断开式转向梯形的转向传动机构运动分析　汽车技术，ｔ９９３（７）　２张洪欣汽车设计北京：机械工业出版杜，１９９８　５　３　Ｍｉｌｌｅｒ　Ｇｅｒａｌｄ　Ｏｐｔｉｍｕｍ　Ａｃｋｅｒｍａｎ　ｆｏｒ　Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ｓｔｅｅｒｉｎｇ　Ａｘｌｅ　Ｔｉｒｅ　Ｗｅａｒ　０ｎ　Ｔｒｕｃｋｓ　ＳＡｇ　９１２６９３　４董学锋．转向机构的优化设计．汽车技术，１９９０（８）　５龚培康．汽车拖拉机有限元基础北京　机械工业出版社，　１９９５　１０　Ｉ收稿日期：２００１—１０一　）