某多軸載重汽車轉(zhuǎn)向橋轉(zhuǎn)角關(guān)系匹配的優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)某多軸載重汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在ADAMS/VIEW搭建轉(zhuǎn)向系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型并對(duì)其進(jìn)行模擬，得到轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角變化曲線。同時(shí)與通過阿克曼定理獲得的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角理論值進(jìn)行比較，分析、優(yōu)化各轉(zhuǎn)向橋左右輪以及橋與橋之間的轉(zhuǎn)角匹配關(guān)系，使得轉(zhuǎn)角模擬值與通過阿克曼定理獲得的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角理論值趨近一致。

關(guān)鍵詞：多軸汽車；ADAMS/VIEW；轉(zhuǎn)角關(guān)系匹配

中圖分類號(hào)：U463.45"收稿日期：2024-10-17

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.007

1前言

隨著時(shí)代的發(fā)展，大噸位、多軸軍車的地位不斷提高，軍用汽車已不僅是支援勤務(wù)、保障物資裝備的運(yùn)輸工具，而且是運(yùn)載重型裝備的載體，更是現(xiàn)代化機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)平臺(tái)和武器系統(tǒng)的組成部分[1-2]。作為底盤構(gòu)成之一的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是保障其操縱穩(wěn)定性與動(dòng)力性的關(guān)鍵因素。多軸車一般有兩個(gè)以上的轉(zhuǎn)向橋，為避免輪胎的側(cè)向磨損，減小轉(zhuǎn)彎直徑，提高復(fù)雜路面適應(yīng)性，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)應(yīng)使所有軸的瞬時(shí)中心在同一點(diǎn)上。

以某型八軸汽車為例，該車的轉(zhuǎn)向分為前組轉(zhuǎn)向與多輪轉(zhuǎn)向，前組轉(zhuǎn)向模式為前三軸參與轉(zhuǎn)向，前組轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)彎簡圖如圖1（a）所示；多輪轉(zhuǎn)向模式為前三軸、后三軸參與轉(zhuǎn)向，多輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)彎簡圖如圖1（b）所示。

2載重汽車各轉(zhuǎn)向軸內(nèi)外輪理論轉(zhuǎn)角

2.1前組轉(zhuǎn)向時(shí)各轉(zhuǎn)向軸內(nèi)外輪理論轉(zhuǎn)角計(jì)算

為避免汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)輪胎的側(cè)向磨損，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)應(yīng)使所有軸的軸線都在同一點(diǎn)上，這一點(diǎn)被稱為瞬時(shí)中心。當(dāng)汽車為前組轉(zhuǎn)向時(shí)，選取的瞬時(shí)中心的軸線為六橋中心線，前組轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)角關(guān)系見圖1（a）。根據(jù)阿克曼定理，可以得到汽車的理論轉(zhuǎn)角。

前組轉(zhuǎn)向時(shí)，汽車前三橋的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)向需滿足以下公式[3-4]：

[cotαi-cotβi=Bi5Li]"""""""""""""""""""""""（1）

式中，B為左右輪主銷延長線與地面交點(diǎn)之間的距離；Li為i橋中心線與i+1橋中心線軸距；αi為i橋外輪轉(zhuǎn)角；βi為i橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角。

并且，前i橋與前i+1橋的內(nèi)外轉(zhuǎn)角還需滿足以下公式：

[tanαitanαi+1=tanβitanβi+1=i5Lii+15Li+1]"""""""""""""""""""（2）

由式（1）、式（2）可得前組轉(zhuǎn)向時(shí)前三橋的內(nèi)外輪理論轉(zhuǎn)角，如表1所示。

2.2多輪轉(zhuǎn)向時(shí)各轉(zhuǎn)向軸內(nèi)外理論轉(zhuǎn)角計(jì)算

當(dāng)汽車為多輪轉(zhuǎn)向時(shí)，選取的瞬時(shí)中心的軸線為4橋中心線，多輪轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)角關(guān)系見圖1（b）。根據(jù)阿克曼定理，可以得到汽車的理論轉(zhuǎn)角。

多輪轉(zhuǎn)向時(shí)，汽車前三橋的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)向同前組轉(zhuǎn)向前三橋的計(jì)算方法。

多輪轉(zhuǎn)向的后三橋內(nèi)外輪轉(zhuǎn)向需滿足以下公式：

[cotγi-cotδi=B4i-1Li-1]""""""""""""""""""""""（3）

式中，γi為i橋外輪轉(zhuǎn)角；δi為i橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角。

并且，前i橋與前i+1橋的內(nèi)外轉(zhuǎn)角還需滿足以下公式（后三橋）：

[tanγitanγi+1=tanδitanδi+1=4i-1Li4iLi+1]"""""""""""""""""""（4）

由式（3）、式（4）可得多輪轉(zhuǎn)向時(shí)各軸的內(nèi)外輪理論轉(zhuǎn)角，如表2所示。

2.3載重汽車各轉(zhuǎn)向軸內(nèi)外理論轉(zhuǎn)角

由于受到傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的制約，同一套轉(zhuǎn)向機(jī)械結(jié)構(gòu)帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)向，車輪轉(zhuǎn)彎角度只有唯一值，該車設(shè)計(jì)的前三橋理論轉(zhuǎn)角取前組轉(zhuǎn)向、多輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角的平均值。根據(jù)表1、表2設(shè)計(jì)該載重汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的理論轉(zhuǎn)角如表3所示。

2.4載重汽車的最小轉(zhuǎn)彎直徑

2.4.1最小轉(zhuǎn)彎直徑的概念

最小轉(zhuǎn)彎直徑是指方向盤轉(zhuǎn)到左右轉(zhuǎn)彎極限位置時(shí)，汽車輪胎中心線在平整地面上的軌跡圓直徑中的較大者。

2.4.2最小轉(zhuǎn)彎直徑的計(jì)算

該車要求的最小轉(zhuǎn)彎直徑≤37m。

載重汽車的最小轉(zhuǎn)彎直徑由以下公式求得：

[D=L1+L2+L3sinγ+0.268×2+2=35.4（m）lt;37（m）]

故滿足最小轉(zhuǎn)彎直徑要求。

3轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真分析

3.1使用Pro/E測量硬點(diǎn)坐標(biāo)

硬點(diǎn)是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型的重要組成要素之一。在Pro/E三維模型中建立統(tǒng)一坐標(biāo)系，測量各個(gè)硬點(diǎn)的參數(shù)值，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一橋左側(cè)的硬點(diǎn)坐標(biāo)如表4所示，根據(jù)硬點(diǎn)坐標(biāo)在ADAMS中搭建的一橋左側(cè)模型如圖2所示。

3.2運(yùn)用ADAMS搭建虛擬樣機(jī)模型

本文仿真載重汽車的前三橋，在ADAMS/VIEW中仿真模型如圖3所示，方法如下：

a.將在Pro/E中測量的硬點(diǎn)參數(shù)值輸入ADAMS的TableEditorforpoints中，建立上下橫臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向搖臂、橫拉桿、過渡擺臂等各個(gè)部件。

b.在ADAMS大地上創(chuàng)建各個(gè)轉(zhuǎn)向輪測試平臺(tái)。

c.建立各個(gè)Part之間的運(yùn)動(dòng)副：建立上下橫臂與橋的球副、轉(zhuǎn)向節(jié)臂與橫拉桿的球副、橫拉桿與轉(zhuǎn)向擺臂的球副等連接。

d.以轉(zhuǎn)向擺臂固定點(diǎn)與地面之間的旋轉(zhuǎn)副創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)。

e.創(chuàng)建相關(guān)函數(shù)測量車輪的左右輪轉(zhuǎn)角、前輪前束角等曲線。

3.3仿真分析

將一、二、三橋作為整體，在ADAMS模型中以一橋左擺臂固定點(diǎn)與大地之間的旋轉(zhuǎn)副作為驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)時(shí)間1s、步數(shù)100。創(chuàng)建相關(guān)的測量函數(shù)，調(diào)整驅(qū)動(dòng)的輸入值，確定當(dāng)一橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角值為36°時(shí)，得到一橋外輪轉(zhuǎn)角以及二、三橋內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角相關(guān)參數(shù)曲線，如圖4～圖9所示。其中圖4為一橋外輪轉(zhuǎn)角曲線，圖5為二橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角曲線，圖6為二橋外輪轉(zhuǎn)角曲線，圖7為三橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角曲線，圖8為三橋外輪轉(zhuǎn)角曲線，圖9為各橋轉(zhuǎn)角相對(duì)于一橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角變化曲線。模擬值與理論值對(duì)比見表5。

由表5可以看出，將一、二、三橋作為整體對(duì)模型進(jìn)行模擬，得到的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角存在差異。

在ADAMS軟件中，單獨(dú)模擬一橋、二橋、三橋，以各橋左擺臂固定點(diǎn)與大地之間的旋轉(zhuǎn)副作為驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)時(shí)間1s、步數(shù)100。

調(diào)整驅(qū)動(dòng)的輸入值，模擬當(dāng)一橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角為36°、二橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角為30°、三橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角為24°時(shí)，記錄各橋相對(duì)應(yīng)的外輪轉(zhuǎn)角值。

創(chuàng)建相關(guān)的測量函數(shù)，調(diào)整驅(qū)動(dòng)的輸入值，模擬當(dāng)一橋左輪轉(zhuǎn)角分別為36°、32°、二橋左輪轉(zhuǎn)角分別為30°、27°、三橋左輪轉(zhuǎn)角分別為24°、20.5°時(shí)，記錄各橋相對(duì)應(yīng)的過渡擺臂固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的角度以及此時(shí)驅(qū)動(dòng)的輸入值。

單獨(dú)模擬一橋時(shí)，當(dāng)左輪轉(zhuǎn)角為36°時(shí)得到右輪轉(zhuǎn)角度數(shù)如圖10所示。當(dāng)左輪轉(zhuǎn)角分別為36°、32°時(shí)，此時(shí)ADAMS設(shè)定的一橋擺臂點(diǎn)輸入角度為27.12°、23.72°，一橋過渡擺臂旋轉(zhuǎn)角度如圖11、圖12所示。

單獨(dú)模擬二橋時(shí)，當(dāng)左輪轉(zhuǎn)角為30°時(shí)得到右輪轉(zhuǎn)角度數(shù)如圖13所示。當(dāng)左輪轉(zhuǎn)角分別為30°、27°時(shí)，此時(shí)ADAMS設(shè)定的二橋擺臂點(diǎn)輸入角度為29.3°、24.25°，二橋過渡擺臂旋轉(zhuǎn)角度如圖14、圖15所示。

單獨(dú)模擬三橋時(shí)，當(dāng)左輪轉(zhuǎn)角為24°時(shí)得到右輪轉(zhuǎn)角度數(shù)如圖16所示。當(dāng)左輪轉(zhuǎn)角分別為24°、20.5°時(shí)，此時(shí)ADAMS設(shè)定的二橋擺臂點(diǎn)輸入角度為14.96°、11.66°，三橋過渡擺臂旋轉(zhuǎn)角度如圖17、圖18所示。

仿真結(jié)果以及模擬值與理論值對(duì)比見表6。

由表6可以看出，單獨(dú)模擬各橋時(shí)，得到的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角仍存在差異。

3.4優(yōu)化模型

斷開式梯形轉(zhuǎn)向系統(tǒng)影響左右輪轉(zhuǎn)角關(guān)系為中間拉桿的兩個(gè)硬點(diǎn)，通過調(diào)整中間點(diǎn)的值即可優(yōu)化最終左右輪的模擬值；影響橋與橋之間的轉(zhuǎn)角匹配則是過渡擺臂上硬點(diǎn)，調(diào)整過渡擺臂硬點(diǎn)值即可優(yōu)化橋與橋之間的轉(zhuǎn)角匹配。

運(yùn)用三維軟件Pro/E優(yōu)化各橋中間點(diǎn)坐標(biāo)以及橋與橋之間的過渡擺臂點(diǎn)坐標(biāo)，在三維軟件Pro/E中，將一橋與二橋的過渡擺臂相關(guān)的點(diǎn)投影在其草繪界面中，如圖19所示，其中OA、OB表示過渡擺臂長度，AB表示拉桿長度。通過在Pro/E草繪界面中約束相關(guān)條件即可得到優(yōu)化后的點(diǎn)坐標(biāo)值，優(yōu)化結(jié)果見表7。

各橋中間點(diǎn)坐標(biāo)的調(diào)整方法與過渡擺臂點(diǎn)坐標(biāo)的調(diào)整方法相同。

將更改后的坐標(biāo)代入ADAMS的TableEditorforpoints中，重新將一、二、三橋作為整體，模擬虛擬樣機(jī)模型，當(dāng)一橋內(nèi)輪轉(zhuǎn)角為36°，得到的一橋外輪轉(zhuǎn)角為32°，二橋內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角為30°、27°、三橋內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角為24°、20.5°。

各橋優(yōu)化前后結(jié)果與理論值對(duì)比如表8所示。

從以上結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化之后的坐標(biāo)點(diǎn)使各轉(zhuǎn)向橋的模擬值與理論值相同，達(dá)到了優(yōu)化的目的。

4結(jié)語

本文介紹一種基于ADAMS平臺(tái)的八軸汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)械桿系部分的設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法經(jīng)過實(shí)車驗(yàn)證，設(shè)計(jì)可靠。將Pro/E中測量的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)的坐標(biāo)導(dǎo)入ADAMS表格中，在ADAMS中創(chuàng)建Part，添加約束，施加驅(qū)動(dòng)，建立相關(guān)函數(shù)測量各轉(zhuǎn)向橋左右輪轉(zhuǎn)角，進(jìn)行仿真模擬；利用Pro/E建立各硬點(diǎn)之間的投影模型，優(yōu)化過渡擺臂點(diǎn)、中間點(diǎn)的初始位置；優(yōu)化后模型的模擬轉(zhuǎn)角值與理論轉(zhuǎn)角值一致，達(dá)到優(yōu)化的目的，提高了汽車的運(yùn)動(dòng)安全性，同時(shí)也保障了本長軸距車輛對(duì)復(fù)雜路面的適應(yīng)性，減小了輪胎的磨損，增加了輪胎的使用壽命。

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作者簡介：

袁梓恒，男，1999年生，助理工程師，研究方向?yàn)檐囕v轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)。