特種汽車多軸轉(zhuǎn)向技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計

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摘要：本文介紹了特種汽車多軸轉(zhuǎn)向技術(shù)的設(shè)計和優(yōu)化內(nèi)容，簡要分析了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向傳動、轉(zhuǎn)向助力匹配和轉(zhuǎn)向零部件分析等方面，總結(jié)了平面投影法、多體動力學(xué)優(yōu)化法、梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計和縱向傳動系統(tǒng)等優(yōu)化目標(biāo)，以及在應(yīng)用數(shù)學(xué)模型和約束時要考慮的因素。

關(guān)鍵詞：特種汽車；多軸轉(zhuǎn)向；優(yōu)化設(shè)計

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，用戶要求大型特種車輛具有更高的轉(zhuǎn)向性能。因為轉(zhuǎn)向性能直接影響汽車可控制性[1]，操縱穩(wěn)定性和效率，因此對特種車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計提出了更高的要求。根據(jù)用戶需求，大多數(shù)大型特種車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)都設(shè)計用于多軸轉(zhuǎn)向。一般的設(shè)計方法是基于現(xiàn)有產(chǎn)品，經(jīng)過并行分析后進(jìn)行部分更改，這些變化不能滿足估計的運(yùn)行要求，并且不能提高整車的經(jīng)濟(jì)性。伴隨零部件改進(jìn)結(jié)構(gòu)的同時，特種汽車的批量開發(fā)和產(chǎn)品升級也在加速，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計過程將大大縮短。因此，為更深入了解特種汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的合理性，有必要分析其性能，并開發(fā)設(shè)計優(yōu)化的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和功能。

1多軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和原理

對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的主要目的是分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)。可通過結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化函數(shù)變量，并通過對轉(zhuǎn)向桿系進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析優(yōu)化傳動機(jī)構(gòu)。另外，從轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向時前后輪同步軌跡協(xié)調(diào)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。1.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化平面投影法是將轉(zhuǎn)向搖臂系統(tǒng)細(xì)分為多個子系統(tǒng)，并將搖臂伸入垂直面，而轉(zhuǎn)向節(jié)臂伸入水平面，假設(shè)搖臂在垂直面上旋轉(zhuǎn)，在水平面旋轉(zhuǎn)，然后建立多個子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后與轉(zhuǎn)向梯形系統(tǒng)組合形成系統(tǒng)的完整模型。圖1中所示的雙前橋轉(zhuǎn)向搖臂系統(tǒng)可以分為第一軸節(jié)壁至搖臂，搖臂至中間臂，中間臂至第二軸搖臂，第二軸搖臂至轉(zhuǎn)向節(jié)臂四個系統(tǒng)。這樣，可以獲得每個轉(zhuǎn)向輪的旋轉(zhuǎn)角度以及兩個梯形機(jī)構(gòu)[5]，然后可以使用Ackerman轉(zhuǎn)角關(guān)系來執(zhí)行優(yōu)化函數(shù)。多體動力學(xué)優(yōu)化法是利用多剛體動力學(xué)知識，首先通過對轉(zhuǎn)向桿連接點(diǎn)坐標(biāo)的參數(shù)化來確定連接點(diǎn)的空間布置，再進(jìn)一步確定待優(yōu)化桿件的空間初始角度和長度模型參數(shù)，最后建立誤差目標(biāo)函數(shù)，確定待優(yōu)化變量的初始值，最終優(yōu)化目標(biāo)是以目標(biāo)函數(shù)的最大值進(jìn)行最小化控制，進(jìn)而對各設(shè)計變量進(jìn)行優(yōu)化。1.2轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計首先是轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的設(shè)計。這是通過根據(jù)特定條件選擇合適的參數(shù)來設(shè)計梯形機(jī)構(gòu)。梯形機(jī)構(gòu)是必要的，以確保在轉(zhuǎn)向過程中所有車輪都在同一瞬時中心旋轉(zhuǎn)，以減少輪胎磨損和功耗。梯形機(jī)構(gòu)必須滿足左右車輪的最佳比率，以使每個車輪執(zhí)行純滾動轉(zhuǎn)向。由于當(dāng)前的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計有待優(yōu)化，因此實際轉(zhuǎn)向特性和理論轉(zhuǎn)向特性曲線可能不會完全重疊。因此，在轉(zhuǎn)向角不大的情況下，要求兩者盡可能地接近以滿足車輛轉(zhuǎn)向優(yōu)化設(shè)計需求。特種車輛通常具有多軸轉(zhuǎn)向[4]，因此需要優(yōu)化每個轉(zhuǎn)向軸上的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)分為整體轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)和斷開梯形機(jī)構(gòu)。它們的數(shù)學(xué)模型不同，但優(yōu)化目標(biāo)相同。梯形機(jī)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：可得：縱向傳動機(jī)構(gòu)[6]是轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的另一部分。在轉(zhuǎn)向過程中，應(yīng)以最佳方式將轉(zhuǎn)向器的角度轉(zhuǎn)向至車輪的轉(zhuǎn)向角，并且在確保車輪達(dá)到目標(biāo)角度時，轉(zhuǎn)向器應(yīng)具有足夠的夾角。同時，在設(shè)計轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)時，有必要考慮轉(zhuǎn)向角、橫向變速比、動力傳遞比和其他因素。在特種汽車多軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計中，除前軸外的后多軸同樣參與整車轉(zhuǎn)向，以及使用各種后轉(zhuǎn)向功能而導(dǎo)致車輛響應(yīng)發(fā)生變化，因此存在差異。前軸和后軸之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動關(guān)系包括車輪旋轉(zhuǎn)角度與前軸和后軸控件之間的反應(yīng)時間。由于普通汽車上的軸數(shù)較少且機(jī)身較短，因此在汽車轉(zhuǎn)彎時，后軸的外輪軌跡不會超過前軸的外輪軌跡。因此，在觀察特種汽車的轉(zhuǎn)向性能時，不必考慮外輪胎與后軸的偏差以及外輪胎與前軸的偏差。但是對于多軸特種汽車來說，由于車身長且是多軸，復(fù)雜的轉(zhuǎn)向以及主動地參與整車轉(zhuǎn)向的多軸車橋，車身的前部會感覺良好，而車身的后部有可能會偏移道路軌跡。為了防止這種情況的發(fā)生，有必要考慮轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)的響應(yīng)和延遲時間。假設(shè)自變量是前輪角度α；旋轉(zhuǎn)時間是t，其是縱向傳動系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計的客觀作用，縱向傳動機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)：在車輛轉(zhuǎn)向動力學(xué)方面，左右旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)向力和動力之間的差異很小。在優(yōu)化轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)設(shè)計時，在設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)時，應(yīng)考慮動力傳遞比不應(yīng)太大，還應(yīng)考慮總體規(guī)劃要求。在優(yōu)化轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)時，重要的是建立正確的數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型的質(zhì)量直接影響優(yōu)化結(jié)果和優(yōu)化過程中的計算量。現(xiàn)在正在創(chuàng)建的數(shù)學(xué)模型，其基本上是局部模型。當(dāng)然，即使對結(jié)果的影響很小，也可以使用簡化模型。優(yōu)化現(xiàn)有車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時，必須使用準(zhǔn)確的空間模型，以達(dá)到優(yōu)化目的。1.3轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)匹配優(yōu)化。大多數(shù)特種車輛的轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)使用液壓動力轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)主要分為機(jī)械液壓助力和電控液壓助力兩種不同的方式。機(jī)械液壓助力大部分是整體式轉(zhuǎn)向器集成液壓助力系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有集成的液壓控制系統(tǒng)，其匹配程度主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)向阻力、動力轉(zhuǎn)向特性和效率以及良好的轉(zhuǎn)向感等方面。選擇轉(zhuǎn)向器的特性時，請考慮車輛轉(zhuǎn)向輪的回正力矩大小和車輛工作的側(cè)向加速度范圍。動力轉(zhuǎn)向缸根據(jù)每個動力缸的加力進(jìn)行合理匹配，并通過分析轉(zhuǎn)向時助力缸的受力情況來進(jìn)行選擇。液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理如圖2所示。電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與機(jī)械液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本相同。其區(qū)別在于，將車輛的速度和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角用作控制參數(shù)，從而改善液壓轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)中路感和輕便特性間的矛盾。圖3是電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制示意圖。

2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各子構(gòu)件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各子構(gòu)件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的主要途徑是對整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)大的分析。轉(zhuǎn)向器不僅必須在轉(zhuǎn)向過程中實現(xiàn)均勻運(yùn)動，而且還必須具有足夠的強(qiáng)度，以確保其部件不會在各種復(fù)雜的力作用下受到損壞。在上述要求的情況下，應(yīng)盡可能減少質(zhì)量，以減輕車輛的重量，并減少材料的使用。特別是對于特種車輛，由于方向盤中涉及的車輪數(shù)量眾多，操縱轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的連桿結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，并且部件眾多，在滿足使用要求的同時減少材料消耗非常重要。因此，有必要選擇合適的算法來分析轉(zhuǎn)向器的動態(tài)特性，從而為轉(zhuǎn)向器的設(shè)計和制造提供理論依據(jù)。操作系統(tǒng)每個子組件的優(yōu)化設(shè)計的結(jié)構(gòu)通常分為兩個過程，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功率水平分析和組件的最終分析。2.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的受力狀況分析。為了分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部分的強(qiáng)度，有必要分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)受力的位置，而轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力位置與轉(zhuǎn)向齒輪系統(tǒng)的運(yùn)動位置有關(guān)。在各種地面負(fù)載和行駛條件下，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的負(fù)載會隨著時間變化。除了在轉(zhuǎn)向過程中作用在轉(zhuǎn)向器上的力外，路面還將力反饋給車輪和轉(zhuǎn)向器。同時，考慮到輪胎的柔韌性，動力條件將變得更加復(fù)雜，并且在所有工作條件下都無法通過精確的計算方法來診斷應(yīng)力條件。在實際的工程設(shè)計中，通過大量案例的分析工作，以來確定每個組件的最大負(fù)載，以及最大負(fù)載時的位置分析。2.2零部件的有限元分析。有限元是增強(qiáng)零部件受力分析準(zhǔn)確程度和提高分析效率的有效方法。在分析過程中，通常會建立零部件的靜態(tài)模型，通過系統(tǒng)計算施加有效負(fù)荷，這等于零部件的最終主節(jié)點(diǎn)，其形式為壓縮力或分布力。同時，加上相應(yīng)的極限，零部件結(jié)構(gòu)受到限制。優(yōu)化設(shè)計通常是改變零部件的橫截面尺寸，以達(dá)到減輕特種車輛重量和減少材料消耗的目的。

3結(jié)束語

特種汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)優(yōu)化設(shè)計的研究內(nèi)容是多方面的，本文從特種汽車多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳動結(jié)構(gòu)、助力轉(zhuǎn)向匹配和轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)件優(yōu)化等方面綜述了特種汽車多軸轉(zhuǎn)向技術(shù)優(yōu)化設(shè)計的主要研究內(nèi)容。特種汽車多軸轉(zhuǎn)向性能有必要進(jìn)行進(jìn)一步提升和研究。今后特種汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計順應(yīng)集成化和專業(yè)化的車輛發(fā)展方向，可進(jìn)行更深入的開發(fā)和研究，創(chuàng)建更準(zhǔn)確的計算模型并全面研究車輛的穩(wěn)定性，以確保進(jìn)一步的發(fā)展。

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作者:李本堂 曹傳福 單位:泰安航天特種車有限公司