李國(guó)斌 高嵩

摘 要：本文通過(guò)對(duì)重卡雙轉(zhuǎn)向前橋轉(zhuǎn)角的理論計(jì)算，和CATIA軟件DMU運(yùn)動(dòng)仿真功能的模擬，將雙前橋輪胎實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角的誤差控制在一定范圍內(nèi)，保證轉(zhuǎn)向的一致性，為重卡雙轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了精確可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：CATIA；重卡；雙轉(zhuǎn)向；DMU；轉(zhuǎn)角一致性

0 引言

重卡雙前橋轉(zhuǎn)向一致性達(dá)不到要求時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向輪“吃胎”嚴(yán)重，采用CATIA軟件中的DMU功能，在參數(shù)化建模的基礎(chǔ)上，可以方便的實(shí)現(xiàn)各輪轉(zhuǎn)角的運(yùn)動(dòng)仿真，進(jìn)行雙前橋轉(zhuǎn)角一致性的校核。

1 雙前橋轉(zhuǎn)角理論計(jì)算

為了避免在汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生路面對(duì)汽車(chē)行駛的附加阻力和輪胎過(guò)快磨損，要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能保證在汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)所有車(chē)輪均做純滾動(dòng)。顯然，這只有在所有車(chē)輪的軸線(xiàn)都相交于一點(diǎn)時(shí)方能實(shí)現(xiàn)。此交點(diǎn)O稱(chēng)為轉(zhuǎn)向中心。

對(duì)于本次研究的漢風(fēng)G700系列重卡轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)：

1）轉(zhuǎn)向時(shí)車(chē)速較低，側(cè)向慣性力很小，勻速行駛；

2）忽略車(chē)輪的側(cè)偏角對(duì)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的影響；

3）瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心線(xiàn)位于雙后橋中心線(xiàn)上。

同一轉(zhuǎn)向橋的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)關(guān)系應(yīng)符合阿克曼原理；

式中：α1、β1分別為前Ⅰ橋外輪轉(zhuǎn)角、內(nèi)輪轉(zhuǎn)角，α2、β2分別為前Ⅱ橋外輪轉(zhuǎn)角、內(nèi)輪轉(zhuǎn)角，L1、L2分別為前Ⅰ橋、前Ⅱ橋距離雙后橋中心線(xiàn)的距離，B為轉(zhuǎn)向主銷(xiāo)中心延長(zhǎng)線(xiàn)與地面交點(diǎn)之間的距離。

前Ⅰ橋、前Ⅱ橋同側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)關(guān)系應(yīng)滿(mǎn)足條件：

據(jù)此可解出：

漢風(fēng)G700系列重卡車(chē)型參數(shù)為：

根據(jù)上述解出的α1、α2、β2與β1的關(guān)系，對(duì)前Ⅰ橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角β1在5 ?～45 ?范圍內(nèi)，以5 ?為間隔取值，求出相應(yīng)前Ⅰ橋外輪轉(zhuǎn)角α1、前Ⅱ橋外輪轉(zhuǎn)角α2、前Ⅱ橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角β2，即為雙前橋轉(zhuǎn)角理論值，如下表：

2 CATIA DMU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)雙前橋轉(zhuǎn)角仿真校核

為保證轉(zhuǎn)向一致性，必須精心設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)向梯形的幾何參數(shù)。但是迄今為止，所有汽車(chē)的轉(zhuǎn)向梯形實(shí)際上都只能設(shè)計(jì)在一定的車(chē)輪偏轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，使得兩側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系大體上接近理論值，尤其在Ⅰ橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角20?～25?范圍內(nèi)的常用工況，一般要求設(shè)計(jì)值與理論值的轉(zhuǎn)角誤差在0.5?以?xún)?nèi)。

因此，對(duì)新設(shè)計(jì)車(chē)型的轉(zhuǎn)角一致性校核顯得尤為重要。采用CATIA軟件數(shù)字化裝配中的DMU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以快速準(zhǔn)確的進(jìn)行相應(yīng)校核。

首先，建立車(chē)架、前橋（包括轉(zhuǎn)向節(jié)、工字梁、轉(zhuǎn)向橫拉桿）、車(chē)輪總成、轉(zhuǎn)向直拉桿、方向機(jī)及中間搖臂數(shù)模。由于要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，參與運(yùn)動(dòng)仿真的裝配零部件需要在同一級(jí)裝配中。對(duì)于前橋，其本身的的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是可以運(yùn)動(dòng)的，需要對(duì)其進(jìn)行拆分，確保各運(yùn)動(dòng)部件處于同一級(jí)裝配中。如下圖所示。

轉(zhuǎn)向的輸入端由方向盤(pán)開(kāi)始，通過(guò)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸傳遞到方向機(jī)。這個(gè)過(guò)程很簡(jiǎn)單，都是轉(zhuǎn)動(dòng)副。方向機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)其實(shí)就是一個(gè)減速機(jī)構(gòu)，起到減速增扭、改變力矩傳遞方向的作用，具體不再詳述。方向機(jī)的輸出端有一個(gè)搖臂與輸出軸相連，這樣方向機(jī)就可以將輸入軸大角度的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成輸出軸轉(zhuǎn)向搖臂的小角度擺動(dòng)。方向機(jī)搖臂的擺動(dòng)是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。本文的運(yùn)動(dòng)仿真以搖臂隨方向機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)始，作為運(yùn)動(dòng)仿真機(jī)構(gòu)的初始運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)轉(zhuǎn)向搖臂向后擺動(dòng)，通過(guò)直拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)，車(chē)輪右轉(zhuǎn)向；轉(zhuǎn)向搖臂向前擺動(dòng)，車(chē)輪左轉(zhuǎn)向，這就是整個(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。因此要做好機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，必須掌握一定的機(jī)械原理等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。

每一種運(yùn)動(dòng)副其實(shí)都是由一種或幾種約束組成。這些約束可以在運(yùn)動(dòng)仿真模塊里通過(guò)添加運(yùn)動(dòng)副時(shí)添加，也可以使用裝配約束轉(zhuǎn)換命令（Assembly Constraints Conversion），將裝配中已經(jīng)存在的某些約束直接轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)副。

然后，從裝配模塊進(jìn)入仿真模塊，點(diǎn)擊“開(kāi)始”→“數(shù)字化裝配”→“DMU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)”，即可進(jìn)入CATIA運(yùn)動(dòng)仿真模塊。

進(jìn)入DMU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊后，需要新建一個(gè)“新機(jī)械裝置”，然后進(jìn)行一系列運(yùn)動(dòng)副的添加，以車(chē)架作為基座，輪胎需要與轉(zhuǎn)向節(jié)固結(jié)起來(lái)成為一個(gè)整體參與運(yùn)動(dòng)仿真。特別需要說(shuō)明的是，轉(zhuǎn)向拉桿的兩個(gè)球鉸之間的任何一個(gè)需要插入一個(gè)萬(wàn)向節(jié)約束來(lái)限制拉桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，最終整套運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的自由度為0，即可進(jìn)行仿真模擬。

使用運(yùn)動(dòng)模擬命令（Simulation with Commands）出現(xiàn)下圖所示對(duì)話(huà)框，用鼠標(biāo)左右拖動(dòng)命令欄中的滑塊即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。

同時(shí)，選擇“激活傳感器”即可實(shí)現(xiàn)模擬值的文件輸出，輸出文件為電子表格格式，為了與理論值對(duì)比方便，對(duì)模擬的輸出值數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如下：

通過(guò)DMU仿真輸出的轉(zhuǎn)角值（表3）與理論值（表2）對(duì)比可以看出，本次設(shè)計(jì)的漢風(fēng)重卡轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在常用轉(zhuǎn)角20?～25?范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)值與理論值的轉(zhuǎn)角誤差在0.5?以?xún)?nèi)，最大誤差在1.5?以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前徐工汽車(chē)事業(yè)部進(jìn)行車(chē)型設(shè)計(jì)，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)CATIA三維設(shè)計(jì)，通過(guò)已經(jīng)有的三維數(shù)模，可以很方便的實(shí)現(xiàn)DMU運(yùn)動(dòng)仿真，縮短設(shè)計(jì)校核周期，提高準(zhǔn)確性。同時(shí)基于CATIA參數(shù)化的建模特點(diǎn)，當(dāng)一次仿真結(jié)果不理想時(shí)，可以快速的修改轉(zhuǎn)向系統(tǒng)桿系參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)值，馬上進(jìn)行再次仿真分析，對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介

李國(guó)斌（1989.02-），性別：男，民族：漢，籍貫：山西交城，當(dāng)前職務(wù)：轉(zhuǎn)向懸架室主任，當(dāng)前職稱(chēng)：主任設(shè)計(jì)師，學(xué)歷：本科。

（作者單位：徐州徐工汽車(chē)制造有限公司）