分段式轉向梯形斷開點的優(yōu)化設計

王成玲 劉富強 張勇 李玉

摘 要：文章建立了某輪式車輛的前獨立懸架和轉向系統(tǒng)的參數化模型，闡述了分段式梯形斷開點設計需要遵循的兩點原則，分析了斷開點三個方向坐標對阿克曼轉向特性以及車輪跳動過程中前束角變化的影響，以實際外輪轉角與理論外輪轉角差值最小以及前束角變化最小為優(yōu)化目標，對斷開點位置進行了優(yōu)化分析。研究結果表明，斷開點坐標的優(yōu)化可以改善車輛轉向特性，同時提高轉向系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)的運動協(xié)調性，為輪式車輛轉向梯形的設計提出了較為合理的優(yōu)化方案。

關鍵詞：轉向梯形;斷開點;優(yōu)化設計

中圖分類號：U461.6 ?文獻標識碼：A ?文章編號：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

輪式車輛分段式轉向梯形機構斷開點的確定是轉向梯形設計的難點[1-3]。輪式車輛的雙橫臂獨立懸架與轉向機構組成的系統(tǒng)是空間桿機構，當轉向梯形斷開點位置選擇不當時，會造成副橫拉桿與懸架導向機構運動不協(xié)調，汽車行駛時會出現前輪擺振現象，增大轉向節(jié)臂的受力，破壞整車操縱穩(wěn)定性，加劇輪胎磨損。對雙橫臂式獨立懸架，確定轉向梯形斷開點位置的傳統(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)動力學理論為基礎，在Adams/view中建立輪式車輛樣車的懸架轉向系統(tǒng)參數化模型，分析轉向梯形斷開點對阿克曼轉向特性和車輪前束角變化特性的影響，利用Adams的優(yōu)化設計功能對轉向梯形斷開點位置進行優(yōu)化設計。

1 轉向梯形斷開點的設計原則

轉向梯形斷開點位置的設計，需同時考慮轉向時內外車輪轉角關系應盡量符合阿克曼轉向幾何條件的要求，同時需要使得車輪前束角在常用的跳動行程范圍內變化量最小。

1.1 滿足阿克曼轉向特性原則

滿足阿克曼轉向特性的車輛，轉向梯形的布置要滿足阿克曼轉向幾何條件：為了確保汽車在轉彎時四輪作純滾動而不產生滑移，必須使兩輪轉向前輪軸的延長線與后輪軸延長線的交點作為轉向中心進行轉向，即所謂的阿克曼理論轉向特性。

1.2 前束值變化最小的原則

轉向梯形斷開點的設計要滿足在車輪常用的跳動行程范圍內，車輪前束角變化最小，以保證轉向梯形和懸架之間的運動盡可能的協(xié)調，避免轉向桿系在車輪跳動過程中承受較大的附加阻力。

車輪的上下跳動引起轉向梯形和懸架之間的運動不協(xié)調，這種不協(xié)調性主要表現在：車輪跳動過程中，一方面轉向輪依靠懸架導向桿系來保證車輪與車身的相對運動關系，另一方面轉向機與轉向輪之間的傳動桿系也使車輪與車身之間有一定的相對運動關系。這兩種運動關系是由兩套獨立機構來實現的，因此，會出現運動的不協(xié)調性，進而引起車輪繞主銷發(fā)生旋轉，導致了在車輪跳動過程中，前束值發(fā)生了變化。通過調節(jié)斷開點的位置來調整轉向梯形和懸架之間的運動不協(xié)調性，進而調節(jié)車輪跳動過程中前束值的變化量。

2 轉向梯形參數化模型的建立

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

3 轉向梯形斷開點位置對轉向特性及車輪跳動時前束角的影響

依據上節(jié)建立的雙橫臂獨立懸架及轉向系統(tǒng)的虛擬樣機模型，通過改變斷開點三個方向的坐標值，利用Adams/view進行仿真分析， 繪制相應的轉向特性曲線以及車輪跳動時的前束角曲線，以確定斷開點各個方向坐標對轉向特性以及車輪跳動時前束角的影響，為下一步進行斷開點位置優(yōu)化做好準備。

3.1 斷開點X坐標的影響

斷開點的X方向坐標的前后移動對轉向特性影響比較大，而對車輪跳動時前束角的變化影響比較小，如圖1所示。斷開點的X方向坐標的前移容易引起外輪轉角偏大，最小轉向半徑減小，斷開點的X方向坐標的后移容易引起外輪轉角偏小，最小轉向半徑增大。

3.2 斷開點Y坐標的影響

斷開點的Y方向坐標的內外移動對轉向特性影響很小，而對車輪跳動時前束角的值影響較大，如圖2所示。斷開點Y方向坐標的外移容易引起車輪下跳時前束角的反向增加，斷開點Y方向坐標的內移容易引起車輪下跳時前束角的正向增加。

3.3 斷開點Z坐標的影響

斷開點Z方向坐標的上下移動對轉向特性影響幾乎為零，但是對車輪跳動時前束角的值影響比較大，如圖3所示。

綜上，斷開點的X方向坐標對車輛的轉向特性影響較大，斷開點的Y、Z方向坐標對車輪上下跳動過程中前束角的影響較大。

4 轉向梯形斷開點的優(yōu)化設計

轉向梯形斷開點的設計要求既能使車輛具有良好的轉向特性，又可以盡量減少車輪上下跳動過程中前束角的變化量。為了對斷開點的位置進行優(yōu)化設計，分別以如上兩種設計原則為目標函數，分別對斷開點的三個方向坐標進行優(yōu)化設計分析。

以阿克曼轉向特性為目標的優(yōu)化：由阿克曼理論得到目標外輪角度為，在Adams中利用mesure測量內、外輪的實時轉角β和αa，創(chuàng)建目標函數min（αa-α），即外輪轉角的實測值與理論值之間的差值最小為設計目標，將梯形斷開點的X方向坐標設定為設計目標變量，Y、Z方向坐標不變。

以車輪上下跳動過程中前束角為目標的優(yōu)化：以前束角的值為設計目標，將梯形斷開點的Y、Z方向坐標設定為設計目標變量，X方向坐標不變。

通過對模型進行兩次優(yōu)化分析可以得到優(yōu)化后的轉向梯形斷開點的X、Y、Z三方向的坐標，繪制出斷開點優(yōu)化后的轉向特性曲線以及車輪跳動時的前束角曲線如圖4所示。通過曲線對比，可以得出斷開點優(yōu)化后的轉向特性曲線以及車輪跳動時的前束角曲線都優(yōu)于當前斷開點位置下的曲線。

5 結論

綜上，通過在Adams中建立輪式車輛1/4懸架模型以及轉向梯形參數化模型，分析了轉向梯形斷開點三個方向坐標對整車轉向特性以及前束角的影響，結果表明梯形斷開點的X坐標對轉向梯形的轉向特性有重要影響，斷開點Y、Z坐標對車輪跳動過程中前束角的變化有重要影響。利用參數化模型對梯形斷開點進行優(yōu)化設計可以改善轉向梯形的轉向特性，同時減小車輪跳動過程中前束角的變化，提高了轉向梯形與懸架運動的協(xié)調一致性，為輪式車輛轉向梯形的工程設計提供了有效的方法手段，可以極大的簡化設計人員的工作。

參考文獻

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