特種車輛多軸轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化

陳 慶，郝 亮*，劉叢浩，張 勇，呂永津，劉 超，付長濤

（1.遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.北京航天科技一院十五所，北京 100000）

近年來，隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對民用基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和國防軍事現(xiàn)代化的要求越來越高，激發(fā)了特種車輛的市場需求，使特種車輛技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。特種車輛多應(yīng)用多軸轉(zhuǎn)向技術(shù)，由于我國多軸轉(zhuǎn)向技術(shù)的研發(fā)起步較晚，同時又受限于軍事領(lǐng)域，外加國外對我國實行長期技術(shù)封鎖政策[1]，造成我國在該領(lǐng)域發(fā)展緩慢滯后，推進特種車輛多軸轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展仍迫在眉睫。特種車輛多軸轉(zhuǎn)向方式一般有以下幾種[2]：機械轉(zhuǎn)向、液壓轉(zhuǎn)向、機械液壓轉(zhuǎn)向、電控轉(zhuǎn)向、電控液壓轉(zhuǎn)向，各種轉(zhuǎn)向方式各有其優(yōu)缺點。本文采用機械液壓式轉(zhuǎn)向方式對特種車輛多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行設(shè)計。

2021年，筆者參與設(shè)計了一特種車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開發(fā)工作。該車輛總重80 t，采用六軸布置，一橋為固定橋，二、四橋為轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋，三、五、六橋為轉(zhuǎn)向橋，除二、四橋采用液壓制動外，其余橋均采用氣壓制動。本論文則根據(jù)設(shè)計要求，匹配設(shè)計多軸汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)，利用三維建模軟件建立多軸轉(zhuǎn)向車輛轉(zhuǎn)向機構(gòu)三維結(jié)構(gòu)模型，再通過多體動力學(xué)仿真軟件建立多軸轉(zhuǎn)向機構(gòu)運動模型，將機構(gòu)聯(lián)接點坐標參數(shù)化處理，將各車輪理論轉(zhuǎn)角和實際轉(zhuǎn)角差的絕對值設(shè)定為目標函數(shù)，并對其進行優(yōu)化，在滿足設(shè)計要求的前提下，得到最接近理論要求的連桿和梯形機構(gòu)的尺寸。將理論體系知識，運用到實際的工程設(shè)計工作當中，解決實際的工程設(shè)計問題。

1 多軸汽車的轉(zhuǎn)向特性

1.1 阿克曼轉(zhuǎn)向原理

阿克曼轉(zhuǎn)向原理的要求是汽車在轉(zhuǎn)彎的過程中，每個車輪的轉(zhuǎn)向半徑都不相同，各轉(zhuǎn)向輪軸線延長線應(yīng)交在兩后輪軸的延長線上O點，從而使所有車輪的運動軌跡與其自然運動軌跡相同，這樣才能保證輪胎與地面之間處于純滾動而無滑移現(xiàn)象[3]，讓車輛順利轉(zhuǎn)彎，從而控制輪胎的早期磨損[4]，如圖1所示。

圖1 阿克曼轉(zhuǎn)向原理圖

1.2 轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化思路

通過對轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)運動學(xué)分析[5]可知，轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)尺寸可決定左右輪轉(zhuǎn)角關(guān)系，若轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的幾何尺寸固定，則外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角與內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系也隨之確定。針對系統(tǒng)的優(yōu)化過程，即減小實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角曲線的差異，并使之最大程度地重合的過程。與單橋的轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化不同，整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化，需要考慮的東西更多更復(fù)雜，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）需要更多地考慮空間需求的情況，以避免出現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果無法通過實際生產(chǎn)來實現(xiàn)的情況。

2）由于系統(tǒng)變量過多，針對所有的變量進行優(yōu)化，必然大大增加運算量，降低運算效率。同時，也有一部分運算對整體優(yōu)化無意義。因此，還要考慮到各個變量對優(yōu)化結(jié)果的影響程度問題。

2 多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模

2.1 多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動設(shè)計

對于大型特種車輛，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置和設(shè)計難度較大，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）布置困難。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部件應(yīng)布置在同一平面上，同時還要保證在橫向平面內(nèi)運動件之間不能產(chǎn)生干涉。

2）縱梁強度削弱。需要在縱梁上設(shè)計相應(yīng)的孔洞，才能保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)順利裝配和工作，這將直接削弱縱梁的強度造成應(yīng)力集中。

3）回轉(zhuǎn)空間較大。車輛越寬，所需的回轉(zhuǎn)空間就越大，為了能夠滿足車輛的轉(zhuǎn)向要求，中心轉(zhuǎn)向板的回轉(zhuǎn)空間要足夠。

根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計要求，本文采用液壓拉桿轉(zhuǎn)盤式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，對轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)進行設(shè)計，系統(tǒng)主要由液壓油缸、中心轉(zhuǎn)向盤、中心轉(zhuǎn)向板、轉(zhuǎn)向節(jié)板和轉(zhuǎn)向拉桿組成，如圖2所示。

圖2 六軸車輛轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng)連接示意圖

2.2 多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模

根據(jù)合作車企提供的主要數(shù)據(jù)，實車共六軸，以第一軸為基準，其余五軸均為轉(zhuǎn)向軸。相鄰兩根軸的間距為 1 550 mm，同一根軸間，輪距為1 820 mm，轉(zhuǎn)向機構(gòu)具體細節(jié)根據(jù)公司實物圖紙尺寸而來。因涉及公司機密，在此不一一展開。

根據(jù)已有數(shù)據(jù)，利用CATIA軟件進行多軸系統(tǒng)的建模，如圖3所示。

圖3 特種車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的裝配圖

3 多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運動建模與仿真分析

將上文所示CATIA模型轉(zhuǎn)換為只描述運動關(guān)系的簡化模型，如圖4所示，該圖為特種車輛轉(zhuǎn)向機構(gòu)中的轉(zhuǎn)向中心板、轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂各部件連接關(guān)系的簡化圖，圖中轉(zhuǎn)向節(jié)板和轉(zhuǎn)向輪連接到一起，中心轉(zhuǎn)向板安裝在汽車車架縱梁上，左右擺角為20°。該圖扭矩傳遞路線：轉(zhuǎn)向助力缸帶動中心轉(zhuǎn)向板繞縱梁旋轉(zhuǎn)，將動力傳給轉(zhuǎn)向橫拉桿，轉(zhuǎn)向拉桿帶動轉(zhuǎn)向節(jié)臂擺動從而控制車輪實現(xiàn)左右擺動。

圖4 轉(zhuǎn)向機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡化圖

對中心板施加一個20°的正弦驅(qū)動轉(zhuǎn)角，測量左側(cè)車輪轉(zhuǎn)角及其垂直方向的轉(zhuǎn)角變化與實物對比，以驗證模型的準確性，為后續(xù)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 仿真結(jié)果

4 多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化匹配及實車驗證

4.1 車輪轉(zhuǎn)角匹配優(yōu)化

在對車輪轉(zhuǎn)角進行優(yōu)化設(shè)計時，要確定優(yōu)化目標[6]，因此，將特種車輛第六軸的右側(cè)車輪實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角的差為優(yōu)化目標，使理論轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角絕對值差值達到最小，即曲線達到最大重合度。取第六軸右側(cè)車輪仿真轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角的差值平方數(shù)值最小化為目標函數(shù)[7]，確定約束條件，最后得出優(yōu)化結(jié)果，如圖6所示。

圖6 六軸左側(cè)車輪轉(zhuǎn)角差優(yōu)化曲線

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前理論與實際差值最大達到16.77°；優(yōu)化以后，實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角的差值最大處為 1.6°，差值平均控制在 2°以內(nèi)。因此，優(yōu)化后，車輪基本能保證在運動時處于純滾動狀態(tài)，可有效減少輪胎磨損，轉(zhuǎn)向特性得到明顯改善[8-9]。

4.2 實車驗證

運用多輪定位測量系統(tǒng)，將特種車輛各車輪放在定位系統(tǒng)的托盤上，用專用儀器測量各車輪的實際轉(zhuǎn)角。避免數(shù)據(jù)過度，表1只展示了部分實驗數(shù)據(jù)。

表1 車輛原地轉(zhuǎn)向各車輪實測轉(zhuǎn)角 單位：(°)

通過將各車輪轉(zhuǎn)角的實驗轉(zhuǎn)角值與仿真轉(zhuǎn)角值進行對比分析可以發(fā)現(xiàn)，各轉(zhuǎn)向輪實驗轉(zhuǎn)角值與仿真轉(zhuǎn)角值差異不大，因此，可以驗證通過運用 ADAMS軟件來優(yōu)化各車輪的轉(zhuǎn)角這種方法是比較可靠的，精確度較高。

5 結(jié)論

本文結(jié)合汽車車型，完成了特種車輛多軸轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化，將理論知識與實際運用相結(jié)合，匹配設(shè)計多軸汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)，通過三維建模軟件建立多軸轉(zhuǎn)向車輛轉(zhuǎn)向機構(gòu)三維結(jié)構(gòu)模型，再通過多體動力學(xué)仿真軟件建立多軸轉(zhuǎn)向機構(gòu)運動模型，將機構(gòu)聯(lián)接點坐標參數(shù)化處理，將各車輪理論轉(zhuǎn)角和實際轉(zhuǎn)角差的絕對值設(shè)定為目標函數(shù)，并對其進行優(yōu)化，在滿足設(shè)計要求的前提下，得到最接近理論要求的連桿和梯形機構(gòu)的尺寸。將理論體系知識運用到實際的工程設(shè)計工作當中，解決實際的工程設(shè)計問題。