王成玲 劉富強(qiáng) 張勇 李玉

摘 要：文章建立了某輪式車輛的前獨(dú)立懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的參數(shù)化模型，闡述了分段式梯形斷開點(diǎn)設(shè)計(jì)需要遵循的兩點(diǎn)原則，分析了斷開點(diǎn)三個(gè)方向坐標(biāo)對(duì)阿克曼轉(zhuǎn)向特性以及車輪跳動(dòng)過(guò)程中前束角變化的影響，以實(shí)際外輪轉(zhuǎn)角與理論外輪轉(zhuǎn)角差值最小以及前束角變化最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)斷開點(diǎn)位置進(jìn)行了優(yōu)化分析。研究結(jié)果表明，斷開點(diǎn)坐標(biāo)的優(yōu)化可以改善車輛轉(zhuǎn)向特性，同時(shí)提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性，為輪式車輛轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計(jì)提出了較為合理的優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向梯形;斷開點(diǎn);優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U461.6 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）05-93-03

Abstract： The parametric analysis model of the suspension and steering system of certain wheeled vehicle has been established. Two design principle for Splitting Point of steering trapezium has been expounded. The effect of splitting point on Ackerman steering characteristics and toe angle has been studied. Taking minimum deviation between actual wheel turning angle from the angle and theoretical turning angle， the minimum variation of the toe angle as the optimal object， Optimization Design of Splitting Point has been studied. The results indicated that， the wheeled vehicle steering characteri -stics and the correspond between steering system and suspension has been improved by Optimization Design of Splitting Point. A reasonable optimization program for the optimize and design of vehicle is proposed in this paper.

Keywords： Steering trapezium; Splitting point; Optimization design

引言

輪式車輛分段式轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)斷開點(diǎn)的確定是轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計(jì)的難點(diǎn)[1-3]。輪式車輛的雙橫臂獨(dú)立懸架與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成的系統(tǒng)是空間桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)轉(zhuǎn)向梯形斷開點(diǎn)位置選擇不當(dāng)時(shí)，會(huì)造成副橫拉桿與懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)，汽車行駛時(shí)會(huì)出現(xiàn)前輪擺振現(xiàn)象，增大轉(zhuǎn)向節(jié)臂的受力，破壞整車操縱穩(wěn)定性，加劇輪胎磨損。對(duì)雙橫臂式獨(dú)立懸架，確定轉(zhuǎn)向梯形斷開點(diǎn)位置的傳統(tǒng)方法是平面作圖法[4]，有一定的局限性。本文以多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，在Adams/view中建立輪式車輛樣車的懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)化模型，分析轉(zhuǎn)向梯形斷開點(diǎn)對(duì)阿克曼轉(zhuǎn)向特性和車輪前束角變化特性的影響，利用Adams的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能對(duì)轉(zhuǎn)向梯形斷開點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 轉(zhuǎn)向梯形斷開點(diǎn)的設(shè)計(jì)原則

轉(zhuǎn)向梯形斷開點(diǎn)位置的設(shè)計(jì)，需同時(shí)考慮轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)外車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系應(yīng)盡量符合阿克曼轉(zhuǎn)向幾何條件的要求，同時(shí)需要使得車輪前束角在常用的跳動(dòng)行程范圍內(nèi)變化量最小。

1.1 滿足阿克曼轉(zhuǎn)向特性原則

滿足阿克曼轉(zhuǎn)向特性的車輛，轉(zhuǎn)向梯形的布置要滿足阿克曼轉(zhuǎn)向幾何條件：為了確保汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)四輪作純滾動(dòng)而不產(chǎn)生滑移，必須使兩輪轉(zhuǎn)向前輪軸的延長(zhǎng)線與后輪軸延長(zhǎng)線的交點(diǎn)作為轉(zhuǎn)向中心進(jìn)行轉(zhuǎn)向，即所謂的阿克曼理論轉(zhuǎn)向特性。

1.2 前束值變化最小的原則

轉(zhuǎn)向梯形斷開點(diǎn)的設(shè)計(jì)要滿足在車輪常用的跳動(dòng)行程范圍內(nèi)，車輪前束角變化最小，以保證轉(zhuǎn)向梯形和懸架之間的運(yùn)動(dòng)盡可能的協(xié)調(diào)，避免轉(zhuǎn)向桿系在車輪跳動(dòng)過(guò)程中承受較大的附加阻力。

車輪的上下跳動(dòng)引起轉(zhuǎn)向梯形和懸架之間的運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)，這種不協(xié)調(diào)性主要表現(xiàn)在：車輪跳動(dòng)過(guò)程中，一方面轉(zhuǎn)向輪依靠懸架導(dǎo)向桿系來(lái)保證車輪與車身的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，另一方面轉(zhuǎn)向機(jī)與轉(zhuǎn)向輪之間的傳動(dòng)桿系也使車輪與車身之間有一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。這兩種運(yùn)動(dòng)關(guān)系是由兩套獨(dú)立機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的不協(xié)調(diào)性，進(jìn)而引起車輪繞主銷發(fā)生旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致了在車輪跳動(dòng)過(guò)程中，前束值發(fā)生了變化。通過(guò)調(diào)節(jié)斷開點(diǎn)的位置來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)向梯形和懸架之間的運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)性，進(jìn)而調(diào)節(jié)車輪跳動(dòng)過(guò)程中前束值的變化量。

2 轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)化模型的建立

為了分析轉(zhuǎn)向梯形斷開點(diǎn)位置對(duì)車輛轉(zhuǎn)向特性及車輪跳動(dòng)過(guò)程中前束值的影響，在Adams/view中導(dǎo)入樣車的懸架模型[5-6]，并建立轉(zhuǎn)向梯形的參數(shù)化模型，該樣車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用循環(huán)球轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向節(jié)臂與輪邊是通過(guò)錐面配合連接的，在模型的建立過(guò)程中，將轉(zhuǎn)向節(jié)臂與輪邊視為一個(gè)剛體來(lái)處理，轉(zhuǎn)向副橫拉桿一端與轉(zhuǎn)向節(jié)臂通過(guò)球頭連接，另一端與轉(zhuǎn)向搖臂或者轉(zhuǎn)向隨動(dòng)臂連接，將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各個(gè)桿件均視為剛體。進(jìn)行轉(zhuǎn)向特性分析時(shí)，在搖臂與車體的柱約束上添加motion;進(jìn)行車輪上下跳動(dòng)時(shí)前束角變化分析時(shí)，在車輪與地面之間添加上下運(yùn)動(dòng)的motion。為了保證轉(zhuǎn)向桿系的左右對(duì)稱性，對(duì)轉(zhuǎn)向梯形進(jìn)行參數(shù)化建模時(shí)，將搖臂與隨動(dòng)臂的位置點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，將桿系之間利用球絞連接，轉(zhuǎn)向搖臂及轉(zhuǎn)向隨動(dòng)臂分別與車體利用柱銷連接，完成轉(zhuǎn)向梯形的參數(shù)化建模。

3 轉(zhuǎn)向梯形斷開點(diǎn)位置對(duì)轉(zhuǎn)向特性及車輪跳動(dòng)時(shí)前束角的影響

依據(jù)上節(jié)建立的雙橫臂獨(dú)立懸架及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型，通過(guò)改變斷開點(diǎn)三個(gè)方向的坐標(biāo)值，利用Adams/view進(jìn)行仿真分析， 繪制相應(yīng)的轉(zhuǎn)向特性曲線以及車輪跳動(dòng)時(shí)的前束角曲線，以確定斷開點(diǎn)各個(gè)方向坐標(biāo)對(duì)轉(zhuǎn)向特性以及車輪跳動(dòng)時(shí)前束角的影響，為下一步進(jìn)行斷開點(diǎn)位置優(yōu)化做好準(zhǔn)備。

3.1 斷開點(diǎn)X坐標(biāo)的影響

斷開點(diǎn)的X方向坐標(biāo)的前后移動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)向特性影響比較大，而對(duì)車輪跳動(dòng)時(shí)前束角的變化影響比較小，如圖1所示。斷開點(diǎn)的X方向坐標(biāo)的前移容易引起外輪轉(zhuǎn)角偏大，最小轉(zhuǎn)向半徑減小，斷開點(diǎn)的X方向坐標(biāo)的后移容易引起外輪轉(zhuǎn)角偏小，最小轉(zhuǎn)向半徑增大。

3.2 斷開點(diǎn)Y坐標(biāo)的影響

斷開點(diǎn)的Y方向坐標(biāo)的內(nèi)外移動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)向特性影響很小，而對(duì)車輪跳動(dòng)時(shí)前束角的值影響較大，如圖2所示。斷開點(diǎn)Y方向坐標(biāo)的外移容易引起車輪下跳時(shí)前束角的反向增加，斷開點(diǎn)Y方向坐標(biāo)的內(nèi)移容易引起車輪下跳時(shí)前束角的正向增加。

3.3 斷開點(diǎn)Z坐標(biāo)的影響

斷開點(diǎn)Z方向坐標(biāo)的上下移動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)向特性影響幾乎為零，但是對(duì)車輪跳動(dòng)時(shí)前束角的值影響比較大，如圖3所示。

綜上，斷開點(diǎn)的X方向坐標(biāo)對(duì)車輛的轉(zhuǎn)向特性影響較大，斷開點(diǎn)的Y、Z方向坐標(biāo)對(duì)車輪上下跳動(dòng)過(guò)程中前束角的影響較大。

4 轉(zhuǎn)向梯形斷開點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向梯形斷開點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求既能使車輛具有良好的轉(zhuǎn)向特性，又可以盡量減少車輪上下跳動(dòng)過(guò)程中前束角的變化量。為了對(duì)斷開點(diǎn)的位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分別以如上兩種設(shè)計(jì)原則為目標(biāo)函數(shù)，分別對(duì)斷開點(diǎn)的三個(gè)方向坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。

以阿克曼轉(zhuǎn)向特性為目標(biāo)的優(yōu)化：由阿克曼理論得到目標(biāo)外輪角度為，在Adams中利用mesure測(cè)量?jī)?nèi)、外輪的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角β和αa，創(chuàng)建目標(biāo)函數(shù)min（αa-α），即外輪轉(zhuǎn)角的實(shí)測(cè)值與理論值之間的差值最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)，將梯形斷開點(diǎn)的X方向坐標(biāo)設(shè)定為設(shè)計(jì)目標(biāo)變量，Y、Z方向坐標(biāo)不變。

以車輪上下跳動(dòng)過(guò)程中前束角為目標(biāo)的優(yōu)化：以前束角的值為設(shè)計(jì)目標(biāo)，將梯形斷開點(diǎn)的Y、Z方向坐標(biāo)設(shè)定為設(shè)計(jì)目標(biāo)變量，X方向坐標(biāo)不變。

通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行兩次優(yōu)化分析可以得到優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向梯形斷開點(diǎn)的X、Y、Z三方向的坐標(biāo)，繪制出斷開點(diǎn)優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向特性曲線以及車輪跳動(dòng)時(shí)的前束角曲線如圖4所示。通過(guò)曲線對(duì)比，可以得出斷開點(diǎn)優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向特性曲線以及車輪跳動(dòng)時(shí)的前束角曲線都優(yōu)于當(dāng)前斷開點(diǎn)位置下的曲線。

5 結(jié)論

綜上，通過(guò)在Adams中建立輪式車輛1/4懸架模型以及轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)化模型，分析了轉(zhuǎn)向梯形斷開點(diǎn)三個(gè)方向坐標(biāo)對(duì)整車轉(zhuǎn)向特性以及前束角的影響，結(jié)果表明梯形斷開點(diǎn)的X坐標(biāo)對(duì)轉(zhuǎn)向梯形的轉(zhuǎn)向特性有重要影響，斷開點(diǎn)Y、Z坐標(biāo)對(duì)車輪跳動(dòng)過(guò)程中前束角的變化有重要影響。利用參數(shù)化模型對(duì)梯形斷開點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以改善轉(zhuǎn)向梯形的轉(zhuǎn)向特性，同時(shí)減小車輪跳動(dòng)過(guò)程中前束角的變化，提高了轉(zhuǎn)向梯形與懸架運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)一致性，為輪式車輛轉(zhuǎn)向梯形的工程設(shè)計(jì)提供了有效的方法手段，可以極大的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)人員的工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭孔輝.汽車操縱動(dòng)力學(xué)[M].長(zhǎng)春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1991： 206～220.

[2] 毛務(wù)本，韓銳.雙橫臂獨(dú)立懸架轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)斷開點(diǎn)的優(yōu)化[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2004， 25（2）： 124-127.

[3] 王宵鋒，張小樂(lè)，胡濤.轎車轉(zhuǎn)向桿系的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2004， 44（11）： 1528-1531.

[4] 劉惟信.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001： 649～654.

[5] 李軍，刑俊文，覃文潔.ADAMS實(shí)例教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社， 2002.

[6] 陳黎卿，王繼先.基于ADAMS的懸架系統(tǒng)與整車匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2006， 29（7）： 814-817.