與獨(dú)立懸架配合的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化

刁云廣

（清華大學(xué)蘇州汽車(chē)研究院（相城））

商用車(chē)一般軸荷較大，轉(zhuǎn)向輪既要承擔(dān)很大的載荷又要完成轉(zhuǎn)向操作，所以輪胎磨損較為嚴(yán)重，當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)桿系設(shè)計(jì)不合理時(shí)，輪胎磨損將加劇。另外，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)桿系設(shè)計(jì)不合理，汽車(chē)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)跑偏、轉(zhuǎn)向盤(pán)振蕩、轉(zhuǎn)向桿系干涉、轉(zhuǎn)向力不均勻及轉(zhuǎn)向盤(pán)左右轉(zhuǎn)角不一致等問(wèn)題，對(duì)汽車(chē)操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)按照轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)一般分為2種，一種是循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，主要應(yīng)用在商用車(chē)上；另一種是齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，主要應(yīng)用在乘用車(chē)上。循環(huán)球式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)又可細(xì)分為2種類(lèi)型，一種是與非獨(dú)立懸架配合，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單；另一種是與獨(dú)立懸架配合，結(jié)構(gòu)桿系復(fù)雜，影響性能因素較多。項(xiàng)目車(chē)是一款中型巴士，采用雙橫臂獨(dú)立前懸架和循環(huán)球式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)難度較大。文章將利用ADAMS軟件對(duì)這種復(fù)雜的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能指標(biāo)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來(lái)保持或者改變汽車(chē)行駛方向的機(jī)構(gòu)，在汽車(chē)轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系[1]608。不同汽車(chē)的軸距和輪距不同，對(duì)轉(zhuǎn)向桿系的硬點(diǎn)要求也不同，幾乎每輛車(chē)的開(kāi)發(fā)都需要對(duì)轉(zhuǎn)向桿系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性是由轉(zhuǎn)向桿系的幾何關(guān)系決定的，根據(jù)轉(zhuǎn)向幾何定義轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如下性能參數(shù)。

1.1　阿克曼轉(zhuǎn)向幾何

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)角關(guān)系，如圖1所示。

圖1　汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)角關(guān)系圖

當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系滿足阿克曼轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系時(shí)，內(nèi)外輪的轉(zhuǎn)向中心點(diǎn)重合，落在后軸延長(zhǎng)線位置。此時(shí)汽車(chē)的4個(gè)車(chē)輪做純滾動(dòng)，輪胎沒(méi)有磨損[1]610。

1.2　理想轉(zhuǎn)角

在阿克曼轉(zhuǎn)向幾何下，內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系為理想的轉(zhuǎn)角關(guān)系，此時(shí)，外輪實(shí)際轉(zhuǎn)角與理想轉(zhuǎn)角相等，內(nèi)外輪在轉(zhuǎn)向時(shí)做純滾動(dòng)。根據(jù)圖1b可知，理想的轉(zhuǎn)角關(guān)系應(yīng)該滿足：cot β-cot α=K/L。

1.3　阿克曼

汽車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)角與外側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)角之差稱為阿克曼。

1.4　阿克曼百分比

阿克曼百分比是指實(shí)際阿克曼與理想阿克曼的比率，并且表示成百分?jǐn)?shù)的形式。它反映轉(zhuǎn)向時(shí)外側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)角與理想轉(zhuǎn)角的偏離程度，是表征轉(zhuǎn)向桿系性能的重要參數(shù)。

阿克曼百分比為0，是指內(nèi)側(cè)車(chē)輪實(shí)際轉(zhuǎn)角與外側(cè)車(chē)輪實(shí)際轉(zhuǎn)角相等。當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)滿足阿克曼幾何時(shí)，阿克曼百分比即為100%，即外輪實(shí)際轉(zhuǎn)角與理想轉(zhuǎn)角相等。

商用車(chē)在車(chē)輪20°轉(zhuǎn)角時(shí)，阿克曼百分比應(yīng)控制在70%～80%，以兼顧轉(zhuǎn)向靈敏性和減少輪胎的磨損。

1.5　轉(zhuǎn)向盤(pán)左右轉(zhuǎn)角差

實(shí)際轉(zhuǎn)向過(guò)程中，轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角輸入經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向器傳遞到搖臂，轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角與搖臂轉(zhuǎn)角存在線性關(guān)系，因此為了簡(jiǎn)化模型，通過(guò)優(yōu)化搖臂轉(zhuǎn)角差來(lái)優(yōu)化轉(zhuǎn)向盤(pán)左右轉(zhuǎn)角差。對(duì)于循環(huán)球轉(zhuǎn)向器，轉(zhuǎn)向盤(pán)左右轉(zhuǎn)角差應(yīng)控制在60°之內(nèi)。轉(zhuǎn)向盤(pán)左右轉(zhuǎn)角差=轉(zhuǎn)向器傳動(dòng)比×搖臂轉(zhuǎn)角差搖臂轉(zhuǎn)角差=左轉(zhuǎn)極限搖臂轉(zhuǎn)角-右轉(zhuǎn)極限搖臂轉(zhuǎn)角

1.6　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力傳動(dòng)比

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力傳動(dòng)比反映轉(zhuǎn)向力矩波動(dòng)情況，一般變化范圍應(yīng)在0.8～1.2。在ADAMS中可以分析出搖臂軸和主銷(xiāo)的力矩，然后根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算。

1.7　懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干涉量

懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)干涉量即懸架上下跳動(dòng)時(shí)的前束角變化范圍。針對(duì)于非獨(dú)立懸架配合的循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器，需要優(yōu)化直拉桿的前點(diǎn)或者后點(diǎn)；針對(duì)于獨(dú)立懸架配合使用的循環(huán)球轉(zhuǎn)向器，需要優(yōu)化橫拉桿的內(nèi)點(diǎn)和外點(diǎn)，屬于懸架優(yōu)化部分內(nèi)容，可以通過(guò)ADAMS/Car進(jìn)行分析和優(yōu)化。

2　ADAMS建模

2.1　搭建基礎(chǔ)模型

在ADAMS軟件View模塊中搭建轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型，根據(jù)硬點(diǎn)坐標(biāo)創(chuàng)建轉(zhuǎn)向直拉桿、三角臂、中間橫拉桿、橫拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)及車(chē)輪等part，桿系之間的運(yùn)動(dòng)副按照實(shí)際運(yùn)動(dòng)關(guān)系添加，驅(qū)動(dòng)添加在左主銷(xiāo)上。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部分參數(shù)，如表1所示。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型，如圖2所示。

表1　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部分硬點(diǎn)　mm

圖2　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

參與計(jì)算的其他參數(shù)：主銷(xiāo)中心距為1 700 mm，軸距為3 935 mm，車(chē)輪最大轉(zhuǎn)角為41°，前束角為0，外傾角為0。

2.2　編輯測(cè)量項(xiàng)

ADAMS軟件中View模塊是基礎(chǔ)模塊，與Car模塊有編輯好的公式不同，View模塊中的公式需要手動(dòng)編輯，工作量相對(duì)較大，但是View模塊更加靈活，可以通過(guò)手動(dòng)編輯公式的方式進(jìn)行一些特定的分析。根據(jù)以上介紹的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要性能參數(shù)，通過(guò)計(jì)算公式將所要關(guān)注的性能指標(biāo)編成測(cè)量項(xiàng)。

3　ADAMS分析

3.1　桿系運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

轉(zhuǎn)向桿系運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與桿系力學(xué)分析相對(duì)應(yīng)，主要針對(duì)桿系的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析。角度驅(qū)動(dòng)施加在左主銷(xiāo)旋轉(zhuǎn)副上，左輪即為內(nèi)輪，右輪即為外輪。仿真時(shí)間為1 s，仿真步驟數(shù)為500。仿真結(jié)束后，在后處理模塊，將編輯好的測(cè)量項(xiàng)生成曲線。

左輪轉(zhuǎn)角、右輪轉(zhuǎn)角和理想轉(zhuǎn)角隨內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的變化曲線，如圖3所示，圖3中右輪轉(zhuǎn)角與理想轉(zhuǎn)角偏差較大。

圖3　車(chē)輪轉(zhuǎn)角曲線

阿克曼百分比曲線，如圖4所示。從圖4可以看出，車(chē)輪轉(zhuǎn)角為20°時(shí)，阿克曼百分比低于55%，轉(zhuǎn)向桿系需要優(yōu)化。

圖4　阿克曼百分比曲線

搖臂轉(zhuǎn)角曲線，如圖5所示。在左轉(zhuǎn)極限和右轉(zhuǎn)極限位置，搖臂轉(zhuǎn)角相差7°，折算為轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角則相差137°，需要優(yōu)化。

圖5　搖臂轉(zhuǎn)角曲線

3.2　桿系力學(xué)分析

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力傳動(dòng)比分析是在搖臂旋轉(zhuǎn)副施加轉(zhuǎn)矩，分別測(cè)量傳遞到主銷(xiāo)上的轉(zhuǎn)矩，按照公式計(jì)算出力傳動(dòng)比。

力傳動(dòng)比曲線，如圖6所示。從圖6可以看出，轉(zhuǎn)向桿系的力傳動(dòng)比在0.9～1.1，滿足要求，不需要優(yōu)化。

圖6　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力傳動(dòng)比曲線

4　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化

4.1　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型參數(shù)化

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化之前需要將模型參數(shù)化。

1）運(yùn)動(dòng)副參數(shù)化。模型中直拉桿前點(diǎn)和橫拉桿內(nèi)點(diǎn)處的運(yùn)動(dòng)副為等速副，在優(yōu)化的過(guò)程中，當(dāng)硬點(diǎn)位置變化時(shí)，這種運(yùn)動(dòng)副就不再正確，所以需要對(duì)等速副進(jìn)行參數(shù)化。

2）硬點(diǎn)參數(shù)化。將需要進(jìn)行優(yōu)化的硬點(diǎn)坐標(biāo)通過(guò)“原值+變量”的形式表達(dá)出來(lái)，在進(jìn)行優(yōu)化的時(shí)候只需優(yōu)化“變量”即可。模型中橫拉桿內(nèi)點(diǎn)和直拉桿后點(diǎn)等需要進(jìn)行參數(shù)化。

3）搖臂參數(shù)化。在進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角對(duì)稱性優(yōu)化時(shí)，主要優(yōu)化搖臂初始布置角度，即搖臂與yz平面的夾角，同時(shí)要保證搖臂的長(zhǎng)度不變，所以要把搖臂的長(zhǎng)度和布置角度參數(shù)化。

4.2　優(yōu)化阿克曼百分比

通過(guò)對(duì)桿系的分析，橫拉桿內(nèi)點(diǎn)的x坐標(biāo)和橫拉桿外點(diǎn)的y坐標(biāo)對(duì)阿克曼百分比影響較大，但是橫拉桿外點(diǎn)的y坐標(biāo)往往受到轉(zhuǎn)向節(jié)的限制無(wú)法調(diào)整，優(yōu)化時(shí)主要考慮優(yōu)化橫拉桿內(nèi)點(diǎn)x方向，以此作為變量，將阿克曼百分比作為優(yōu)化目標(biāo)[2-3]。

優(yōu)化前后阿克曼百分比，如圖7所示。優(yōu)化后，阿克曼百分比為75%左右，滿足要求。此時(shí)，橫拉桿內(nèi)點(diǎn)的x方向坐標(biāo)增加20 mm。

圖7　優(yōu)化前后阿克曼百分比曲線

4.3　優(yōu)化搖臂前后轉(zhuǎn)角差

在進(jìn)行循環(huán)球式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)靈敏度分析和優(yōu)化時(shí)，一般將搖臂長(zhǎng)度固定，通過(guò)調(diào)整搖臂角度來(lái)使轉(zhuǎn)向盤(pán)左右轉(zhuǎn)角對(duì)稱。在調(diào)整搖臂角度時(shí)不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的阿克曼百分比造成影響，搖臂轉(zhuǎn)角差“設(shè)計(jì)研究”界面，如圖8所示。

圖8　搖臂轉(zhuǎn)角差“設(shè)計(jì)研究”界面

優(yōu)化后搖臂轉(zhuǎn)角曲線，如圖9所示，在左轉(zhuǎn)極限和右轉(zhuǎn)極限位置，搖臂轉(zhuǎn)角差為0.05°，轉(zhuǎn)向盤(pán)左右轉(zhuǎn)角差為1°，滿足要求。優(yōu)化后搖臂初始位置與yz平面的夾角由原來(lái)的10°變?yōu)楝F(xiàn)在的0.85°（搖臂向前擺動(dòng)角度為正）。

圖9　優(yōu)化后的搖臂轉(zhuǎn)角曲線

4.4　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果確認(rèn)

各項(xiàng)性能優(yōu)化過(guò)程中，硬點(diǎn)坐標(biāo)均有所變動(dòng)，可能對(duì)優(yōu)化好的性能造成一定的影響，因此所有性能優(yōu)化完成后，需查看全部性能曲線，確認(rèn)全部性能曲線全部滿足要求。

5　結(jié)論

在某中巴車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，基于與獨(dú)立懸架配合的循環(huán)球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的復(fù)雜性，使用ADAMS/View模塊對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行分析，并對(duì)阿克曼百分比和轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角對(duì)稱性進(jìn)行靈敏度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出：

1）轉(zhuǎn)向橫拉桿的外點(diǎn)y坐標(biāo)和內(nèi)點(diǎn)x坐標(biāo)對(duì)于阿克曼百分比影響較大，由于橫拉桿外點(diǎn)y坐標(biāo)受到車(chē)輪等限制，因此優(yōu)先選擇優(yōu)化橫拉桿內(nèi)點(diǎn)x坐標(biāo)；

2）轉(zhuǎn)向盤(pán)左右轉(zhuǎn)角對(duì)稱性主要受搖臂初始擺角影響較大，優(yōu)化時(shí)主要優(yōu)化搖臂初始擺角；

3）目前對(duì)于獨(dú)立懸架與齒輪齒條轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配合及非獨(dú)立懸架與循環(huán)球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配合的轉(zhuǎn)向性能分析研究較多，對(duì)于獨(dú)立懸架與循環(huán)球轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配合的情況研究較少，文章經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，在ADAMS軟件View模塊下對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行分析和優(yōu)化，提升了這種復(fù)雜轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能，且提高了設(shè)計(jì)效率；

4）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型中阿克曼百分比的測(cè)量并未考慮轉(zhuǎn)向時(shí)輪距和軸距的變化，與汽車(chē)實(shí)際轉(zhuǎn)彎情況稍有差異，后續(xù)研究可以在此方面進(jìn)一步提升。