交叉變輪距車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

孟廣耀,生開明,黃居鑫,孟 行,石英訓(xùn)

(青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,山東 青島 266033)

交叉變輪距車輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

孟廣耀,生開明,黃居鑫,孟 行,石英訓(xùn)

(青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,山東 青島 266033)

基于國(guó)內(nèi)多數(shù)車輛為定輪距或輪距人工有級(jí)可調(diào),不能實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)輪距的現(xiàn)狀,提出一種將底盤車橋交叉布置,通過(guò)改變車橋夾角來(lái)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)輪距的方法.介紹了交叉變輪距車輛底盤結(jié)構(gòu),分析了車輛輪距調(diào)整和轉(zhuǎn)向原理,借助MATLAB對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并且分析了交叉變輪距車輛的轉(zhuǎn)向誤差.結(jié)果表明,轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化后的交叉變輪距車輛轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的誤差在允許范圍內(nèi),能夠使轉(zhuǎn)向更加接近理想狀態(tài),對(duì)交叉變輪距車輛的研究具有一定的參考價(jià)值.

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu); 優(yōu)化設(shè)計(jì); matlab; 交叉變輪距

就目前來(lái)看,國(guó)內(nèi)可調(diào)輪距的車輛一般都是人工有級(jí)調(diào)節(jié),費(fèi)時(shí)費(fèi)力,可靠性差,沒(méi)能在我國(guó)得到大范圍推廣應(yīng)用.可以預(yù)見,輪距能夠更加靈活的調(diào)整是未來(lái)車輛發(fā)展的一個(gè)方向.基于此,對(duì)傳統(tǒng)車輛底盤進(jìn)行改造,將平行式車橋改為交叉布置,通過(guò)改變車橋夾角實(shí)現(xiàn)輪距的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié),同時(shí)將對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置在交叉驅(qū)動(dòng)車橋上,配合完成車輛的正常行駛.

1 交叉變輪距車輛轉(zhuǎn)向原理

1.1 輪距調(diào)整原理

如圖1所示為交叉變輪距車輛[1]的輪距調(diào)整原理示意圖,與常見車橋的平行式布置方式不同,為使輪距實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié),將車橋設(shè)計(jì)為交叉布置,通過(guò)定量改變兩車橋間的夾角來(lái)間接調(diào)節(jié)輪距.具體的變輪距原理是:當(dāng)車輛正常行駛時(shí)的輪距為基本輪距,將基本輪距所對(duì)應(yīng)的車橋夾角設(shè)為θ,在無(wú)需變輪距時(shí)保持基本輪距不變.當(dāng)車輛需要變輪距時(shí),可以調(diào)節(jié)兩車橋間的夾角,調(diào)節(jié)方法有很多種,可以是液壓缸、電動(dòng)缸等可變長(zhǎng)度的機(jī)械元件,同時(shí)還需要能夠具有良好的自鎖特性和足夠的剛度,以保證能夠安全、可靠的改變輪距.當(dāng)需要增大輪距時(shí),通過(guò)伺服系統(tǒng)定量的增大車橋夾角達(dá)到θ′,即可使輪距達(dá)到b′,實(shí)現(xiàn)增大輪距的要求;同理,當(dāng)需要減小輪距時(shí),通過(guò)伺服系統(tǒng)定量的減小車橋夾角達(dá)到θ″,即可使輪距達(dá)到b″,實(shí)現(xiàn)減小輪距的要求.

圖1 交叉變輪距原理圖Fig.1 Schematic of crossing variable wheel track

1.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及底盤整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車輛能夠正常行駛很重要的一個(gè)條件是有良好的轉(zhuǎn)向系統(tǒng),基于傳統(tǒng)的定輪距車輛轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)[2]并結(jié)合車橋交叉布置的特點(diǎn),將轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置在其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)車橋的合適位置.采用機(jī)械式轉(zhuǎn)向方式,具有工作穩(wěn)定,可靠性高的優(yōu)點(diǎn),適用于交叉變輪距車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng).

根據(jù)車橋交叉布置的特點(diǎn),結(jié)合機(jī)械式轉(zhuǎn)向的要求,考慮平面連桿機(jī)構(gòu)具有良好的運(yùn)動(dòng)特性(傳遞和變換運(yùn)動(dòng))、傳力特性(力的傳遞和變換),且工作穩(wěn)定可靠,設(shè)計(jì)了如圖2所示的交叉變輪距車輛底盤,將傳統(tǒng)的平行式車橋交叉布置,兩車橋間鉸接若干平行四邊形連桿機(jī)構(gòu),便于傳遞轉(zhuǎn)向力矩,圖示為車輛前輪轉(zhuǎn)向時(shí)的情形,只需對(duì)主動(dòng)力臂8稍加改造即可變?yōu)樗妮嗈D(zhuǎn)向,原理簡(jiǎn)單,適用廣泛.

由圖2可以看出,當(dāng)車輛由直線行駛開始轉(zhuǎn)向時(shí),主動(dòng)力臂8在動(dòng)力裝置的作用下繞車橋絞點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度β,經(jīng)左側(cè)拉桿9的平動(dòng),換向搖臂10的轉(zhuǎn)動(dòng),左側(cè)驅(qū)動(dòng)桿11使左轉(zhuǎn)向節(jié)及左轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度β;同理,主動(dòng)力臂8將轉(zhuǎn)角β通過(guò)右側(cè)拉桿12的平動(dòng)作用傳入轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)7,經(jīng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的幾何變換后傳出轉(zhuǎn)角α,經(jīng)右側(cè)驅(qū)動(dòng)桿13使右轉(zhuǎn)向節(jié)及右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度α.當(dāng)左轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角β和右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角α的幾何關(guān)系近似滿足阿克曼轉(zhuǎn)向公式時(shí),車輛即能夠接近理想轉(zhuǎn)向.

1—驅(qū)動(dòng)車橋;2—車橋;3—左前輪;4—右前輪;5—左后輪;6—右后輪;7—轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu);8—主動(dòng)力臂;9—左側(cè)拉桿;10—換向搖臂;11—左側(cè)驅(qū)動(dòng)桿;12—右側(cè)拉桿;13—右側(cè)驅(qū)動(dòng)桿;α—外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角;β—內(nèi)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角;b—輪距;l—軸距;θ—兩車橋間夾角

圖2 交叉變輪距車輛底盤結(jié)構(gòu)
Fig.2 Chassis structure of crossing variable wheel track vehicle

2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

圖3為交叉變輪距車輛底盤的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)[4]示意圖。

14—轉(zhuǎn)入節(jié)臂;15—轉(zhuǎn)入梯形臂;16—轉(zhuǎn)向橫拉桿;17—轉(zhuǎn)出梯形臂;18—轉(zhuǎn)出節(jié)臂

圖3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意圖
Fig.3 Schematic of steering institution

當(dāng)車輛開始轉(zhuǎn)向時(shí),轉(zhuǎn)入節(jié)臂14將轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)角以同相位、同角度方式傳入轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),并且經(jīng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的幾何原理變換角度后,能夠傳給右轉(zhuǎn)向輪合適的轉(zhuǎn)角,使之正常轉(zhuǎn)向.因車輛輪距是無(wú)級(jí)可調(diào)的,常見定參數(shù)的轉(zhuǎn)向梯形[3]無(wú)法滿足要求,則需對(duì)圖3所示的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì),以適應(yīng)不同輪距變化時(shí)車輛的正常轉(zhuǎn)向.

為使轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)參數(shù)具有隨輪距變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整的特性,可使梯形臂15、17為優(yōu)化出的定值,即m為常數(shù);梯形底邊k為根據(jù)車輛底盤結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)置的合適值,也可視為定值;轉(zhuǎn)向橫拉桿16是長(zhǎng)度可變?cè)?即n為變量,能夠隨著輪距的變化而變化,可以是液壓缸、電動(dòng)缸等長(zhǎng)度可變的機(jī)械元件,而且能夠保證良好的自鎖性,在變輪距后的轉(zhuǎn)向過(guò)程中保持長(zhǎng)度不變.由幾何關(guān)系可知梯形底角γ隨轉(zhuǎn)向橫拉桿16長(zhǎng)度的變化而變化.這樣整個(gè)轉(zhuǎn)向單元的參數(shù)是隨著車輛輪距的變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整,從而可以適應(yīng)一定輪距范圍內(nèi)的車輛轉(zhuǎn)向.

由圖2可知,當(dāng)交叉變輪距車輛左前輪轉(zhuǎn)角為β時(shí),理論右前輪轉(zhuǎn)角可表示為:

(1)

式中α——右前輪轉(zhuǎn)角；

β——左前輪轉(zhuǎn)角；

θ——兩車橋間的夾角.

假定當(dāng)左前輪轉(zhuǎn)角為β時(shí),經(jīng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)作用傳出的右前輪轉(zhuǎn)角為α′,則可在圖3所示的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中由幾何關(guān)系表示出實(shí)際轉(zhuǎn)角α′:

(2)

2.2 轉(zhuǎn)向誤差計(jì)算

由實(shí)際轉(zhuǎn)角表達(dá)式可知,當(dāng)左前輪轉(zhuǎn)角為β時(shí),經(jīng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的幾何變換傳出給右前輪的實(shí)際轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向單元的梯形臂長(zhǎng)m、梯形底邊長(zhǎng)k、梯形底角γ有關(guān),而γ的取值隨車橋夾角θ的變化而改變.

結(jié)合實(shí)際情況及查閱相關(guān)資料[5],在常用的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)引入加權(quán)系數(shù),目的是為了能夠使車輛的轉(zhuǎn)向更加接近理想化.設(shè)β在0°～10°范圍內(nèi)的加權(quán)系數(shù)為1.5,在10°～20°范圍內(nèi)的加權(quán)系數(shù)為

(3)

將式(1)中的α與式(2)中的α′代入后，可得:

(4)

3 轉(zhuǎn)向誤差分析

3.1 確定轉(zhuǎn)向約束條件及參數(shù)優(yōu)化值

為保證轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)有良好的傳動(dòng)性能,確定性能約束為:

(5)

式中,ζmin為轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角,根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,取ζmin=40°.

在MATLAB[6]軟件中調(diào)用fmincon函數(shù)[7]進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,得到優(yōu)化后m的結(jié)果為80.103,數(shù)據(jù)圓整后可取梯形臂長(zhǎng)為80 mm.

3.2 轉(zhuǎn)向誤差對(duì)比分析

圖4表示交叉變輪距車輛車橋夾角在60°時(shí)的轉(zhuǎn)角變化曲線,圓圈實(shí)線表示車輛的理論轉(zhuǎn)角變化,五角星虛線表示經(jīng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的作用實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)角變化,可以看出兩條轉(zhuǎn)角曲線總體比較接近,說(shuō)明交叉變輪距車輛經(jīng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的作用能夠使轉(zhuǎn)向接近理想狀態(tài),滿足車輛的正常轉(zhuǎn)向要求.

圖4 轉(zhuǎn)角變化曲線Fig.4 The angle variation of crossing variable wheel track vehicle

更直觀的可以從轉(zhuǎn)角偏差曲線圖看出,圖5為交叉變輪距車輛外側(cè)轉(zhuǎn)角的理論值與實(shí)際值偏差曲線,從圖中看出,轉(zhuǎn)角偏差曲線大致有三個(gè)變化階段,第一階段在內(nèi)輪轉(zhuǎn)角15°以內(nèi),轉(zhuǎn)角偏差隨內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的增大而變大;第二階段在內(nèi)輪轉(zhuǎn)角為15°～23°之間,轉(zhuǎn)角偏差隨內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的增大而減小;第三階段在內(nèi)輪轉(zhuǎn)角大于23°以后,轉(zhuǎn)角偏差隨內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的增大而增大.考慮到交叉變輪距車輛的輪距能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié),省時(shí)省力,且常用小轉(zhuǎn)角的偏差在允許范圍內(nèi),說(shuō)明該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)能夠使車輛的轉(zhuǎn)向接近理想狀態(tài),滿足車輛的正常行駛要求.

圖5 轉(zhuǎn)角偏差曲線Fig.5 The angle error curve

4 結(jié)論

(1) 介紹了一種交叉變輪距的車輛底盤,采用車橋交叉的形式,通過(guò)改變兩車橋間的夾角來(lái)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)輪距;將轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)布置在驅(qū)動(dòng)車橋的合適位置,配合完成車輛的正常轉(zhuǎn)向.

(2) 對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使之滿足交叉變輪距車輛的正常轉(zhuǎn)向要求,借助MATLAB軟件優(yōu)化出梯形臂長(zhǎng)m,并且分析了兩車橋夾角為60°時(shí)車輪轉(zhuǎn)角的偏差曲線,表明轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后的車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)產(chǎn)生的偏差在允許范圍內(nèi),保證了車輛的正常行駛.

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Optimal design on steering mechanism for crossing and variable wheel-track vehicles

MENG Guang-yao,SHENG Kai-ming,HUANG Ju-xin,MENG Hang,SHI Ying-xun

(School of Mechanical Engineering,Qingdao Technological University,Qingdao 266033,China)

Due that the wheel-track most domestic vehicles are fixed or artificially-adjustable, not flexible to adjust wheel-track, a method is proposed across the chassis axle to change the axle angle to adjust wheel-track. Firstly, the chassis structure of crossing variable wheel-track vehicle is analyzed on wheel track adjustment and steering. By using MatlabTM for optimal design on steering mechanism, the steering error is then obtained. Finally, it is indicated that the errors are within the allowable range, whereas the steering approaches the ideal state.

steering mechanism; optimal design; Matlab; crossing variable wheel-track.

孟廣耀(1963-)男,博士,教授.E-mail:gymeng1963@163.com

TH 16

A

1672-5581(2016)06-0504-04