多軸汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

陳前有+常健

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)貨車的需求越來越大。多軸汽車作為承重能力良好的貨車，是改善我國(guó)貨物運(yùn)輸?shù)膹?qiáng)力工具。本次研究依據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)角的幾何原理與前輪定位參數(shù)的變化規(guī)律使用多目標(biāo)優(yōu)化的方法，進(jìn)行復(fù)核加權(quán)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合多軸汽車車輪轉(zhuǎn)向的特性，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型對(duì)優(yōu)化方法進(jìn)行分析。希望本次研究有利于完善多軸汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮減研發(fā)周期，促進(jìn)我國(guó)多軸汽車的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：多軸汽車；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.217

0 前言

多軸汽車，是指具有較多軸數(shù)的載貨汽車，與六軸、五軸的牽引半掛車的區(qū)別在于，多軸車是貨箱與車頭固定在一個(gè)底盤上的普通貨車。從市場(chǎng)上的情況來看，多軸車盡管具有強(qiáng)大的載重能力，銷量卻非常低，許多車主習(xí)慣了駕駛2軸車與3軸車，對(duì)4軸車與5軸車等多軸車的質(zhì)量存有疑慮。強(qiáng)化多軸汽車的性能，對(duì)提高車主對(duì)多軸車認(rèn)可度，改變其小車中的狀態(tài)，具有重要意義。汽車的轉(zhuǎn)向性能是保障汽車安全行駛的基本功能，而多軸汽車由于具有車身過長(zhǎng)的特點(diǎn)，對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具有更高的要求。因此，對(duì)多軸汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是提升多軸汽車性能的關(guān)鍵。

1 多軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理包括阿克曼轉(zhuǎn)向集合原理與系統(tǒng)性懸架干涉最小化原理。阿克曼幾何差，是指外轉(zhuǎn)向輪實(shí)際轉(zhuǎn)角與理想狀態(tài)下的轉(zhuǎn)角的差值。汽車以低速率進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，忽略其輪胎偏角的影響，為保持汽車轉(zhuǎn)向中保持純滾動(dòng)，內(nèi)外的轉(zhuǎn)向角度應(yīng)當(dāng)滿足阿克曼的集合關(guān)系。其中需要的數(shù)據(jù)有外向轉(zhuǎn)交輪的轉(zhuǎn)角度，內(nèi)輪轉(zhuǎn)角度，內(nèi)外輪中心延長(zhǎng)線與地面交點(diǎn)距離及軸距。汽車轉(zhuǎn)向時(shí)滿足阿克曼集合集合關(guān)系的程度代表轉(zhuǎn)角誤差，用該數(shù)據(jù)可以對(duì)誤差進(jìn)行驗(yàn)證。阿克曼轉(zhuǎn)角的誤差值越小，證明汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)越好，對(duì)轉(zhuǎn)角誤差要求一般小于3度。同時(shí)該原理可以計(jì)算出汽車最小轉(zhuǎn)彎的半徑，該數(shù)值還可以推出汽車機(jī)動(dòng)性能。

系統(tǒng)性懸架干涉最小化原理，是利用前輪定位參數(shù)，保證轉(zhuǎn)向穩(wěn)定，防治輪胎受損而設(shè)置的。包括前兩輪前束角，外傾角，后傾角等。轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)與懸架子系統(tǒng)，二者是相互獨(dú)立的。但是都可以作為整體進(jìn)行分析，對(duì)運(yùn)動(dòng)存在干涉。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)就是要最大限度減少干涉，保證兩系統(tǒng)的吻合，控制前輪定位參數(shù)在某種范圍變化，可以有效提升轉(zhuǎn)型系統(tǒng)的穩(wěn)定性能[1]。

2 多軸轉(zhuǎn)向優(yōu)化設(shè)計(jì)的模型構(gòu)建

2.1 平面轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)模型

汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)，要求汽車前方的兩車抽線相交與后輪的軸線延長(zhǎng)線上，這是為了減少輪胎測(cè)滑現(xiàn)象，防治輪胎磨損，減小轉(zhuǎn)向的摩擦力。構(gòu)建平面梯形結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，可以利用函數(shù)關(guān)系，更清晰的研究出同軸外輪轉(zhuǎn)角與內(nèi)輪角變化。建立梯形機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，可以簡(jiǎn)化成平面連桿機(jī)構(gòu)，利用每軸以前軸為例的方法。

計(jì)算左輪與由輪的的變化值。

2.2 縱向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型

縱向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的可根據(jù)各軸的實(shí)際變化，進(jìn)行分別獨(dú)立計(jì)算，每個(gè)相鄰的軸作為整體，構(gòu)建四軸連桿機(jī)構(gòu)。根據(jù)一軸二軸的轉(zhuǎn)向汽車縱向傳動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，建立二軸、三軸等簡(jiǎn)化模型，滿足關(guān)系后依照此類方式進(jìn)行。需要注意的是，各軸轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)擊初始叫的賦值為確定值。轉(zhuǎn)向連桿機(jī)構(gòu)的過度部分形成四邊形結(jié)構(gòu)，確定好第一軸與第二軸之間的角傳動(dòng)比。保證同側(cè)的車輪，圍繞同一個(gè)中心作滾動(dòng)。另外，角速度是關(guān)鍵系數(shù)，進(jìn)行傳動(dòng)臂的長(zhǎng)度對(duì)比是，首先需要優(yōu)化角傳動(dòng)比[2]。

3 多軸轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化

轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)包括幾個(gè)步驟。第一，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本次設(shè)計(jì)中，是要求將轉(zhuǎn)向梯形方面的梯形角與轉(zhuǎn)向桿長(zhǎng)度作為優(yōu)化目標(biāo)。第二，對(duì)于目標(biāo)函數(shù)的確立中，需要注意，計(jì)算出理論數(shù)值與實(shí)際的差值后，用其平方積分實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的理論值，若所得值與目標(biāo)值相同或者接近，就是達(dá)到優(yōu)化的目的。另外，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，具有一定的約束條件。當(dāng)轉(zhuǎn)向梯形臂的長(zhǎng)度值過小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向拉桿的平均受力加大，阻礙了正常的運(yùn)動(dòng)，球頭受到一定程度的磨損，這會(huì)引起轉(zhuǎn)向拉桿與車軸之間發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，對(duì)汽車的有效穩(wěn)定操縱造成影響。梯形越接近矩形，與優(yōu)化的目的函數(shù)要求的極小值結(jié)果越背離。另外，根據(jù)機(jī)械原理，梯形四聯(lián)拉桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)角度不能過小，否則會(huì)影響實(shí)際計(jì)算的結(jié)果[3]。

3.2 縱向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化

縱向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化中同樣分為優(yōu)化參數(shù)、目標(biāo)函數(shù)、約束條件等過程。優(yōu)化參數(shù)選擇一軸、二軸的傳動(dòng)比作為優(yōu)化變量。在使用理論值與實(shí)際差值的積分，越接近目標(biāo)函數(shù)理論值，越能達(dá)到優(yōu)化效果。其中左轉(zhuǎn)向與右轉(zhuǎn)向的內(nèi)側(cè)車輪最大轉(zhuǎn)角，既可以取正值，也可以取得負(fù)值。根據(jù)以上建立的數(shù)學(xué)模型，對(duì)比其角度的傳動(dòng)比，觀察是否滿足目標(biāo)函數(shù)關(guān)系。在約束條件方面，一般根據(jù)統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，定值參數(shù)選擇單位值最佳，根據(jù)一、二軸的轉(zhuǎn)角值，可以適當(dāng)增大[4]。

4 結(jié)論

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，建立簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型，是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化方案的前提。在生產(chǎn)、設(shè)計(jì)多軸汽車時(shí)，如果忽視了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和懸架干涉，就會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中前輪定位參數(shù)的浮動(dòng)很大，影響實(shí)際操縱的穩(wěn)定性。本文針對(duì)多軸汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，是以多軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理入手，結(jié)合阿克曼轉(zhuǎn)向集合原理與系統(tǒng)性懸架干涉最小化原理應(yīng)用，建立平面轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型與縱向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型。最后對(duì)兩種模型的進(jìn)行多軸轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計(jì)。并提出具體的優(yōu)化參數(shù)與約束條件等。本次的優(yōu)化結(jié)果可以證明構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的重要性，并且，優(yōu)化方法也是從相關(guān)原理得出，具有合理可行的性質(zhì)，達(dá)到了多軸汽車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化目的。為我國(guó)多軸轉(zhuǎn)向車輛的生產(chǎn)及設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]鮑時(shí)超，莫思劍.汽車起重機(jī)雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配計(jì)算及驗(yàn)證[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2016（02）：79-83.

[2]范珍珍.基于油缸鉸接點(diǎn)位置鉸接車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016（10）：110-113+117.

作者簡(jiǎn)介：陳前有（1988-），男，廣西玉林人，本科，助理工程師，研究方向：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)。