（光学工程专业论文）可变多轴线半挂车转向系统优化设计研究.pdf

； j f ，h 轨 t， ；。， 、lo，一 ；r卜1蠡；影尊慧弋_-，参p睁弩栽审 _ 能 o ， 一 l 、茸 - t r 。 ， 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许 论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论 文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本 论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布 ( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密蛔。 ， 学位论文作者签名：岛寺磊 为1 1 年6 月1 2 日 可变多轴线半挂车转向系统优化设计研究 t h e o p t i m i z a t i o no nt h es t e e r i n gs y s t e mo f t h em u l t i a x l es e m i t r a i l e r 指导教师姓名旦置题麴援 作者姓名彭堂磊 申请学位级别工堂亟专业名称奎牺工程 论文提交日期2 q 曼! 生垒旦论文答辩日期垫! 堇生鱼目 学位授予单位和日期 江菱太堂垫! 至生鱼旦 答辩委员会主席 评阅人 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 本文结合多轴线半挂车的发展趋势，阐述了本课题研究的必要性 和迫切性，在详细分析了多轴车辆转向系统结构和国内外研究现状的 基础上，提出了本文研究的主要内容。 可变多轴线半挂车的轴线数可以根据不同的货物的载重及外形 轮廓而改变，因此各车轮的转向角度对于不同的轴线形式具有不同的 要求，而如何设计出满足变轴线多轴半挂车转向特性的转向系统对于 半挂车的整体性能来说至关重要。 首先针对能满足多轴线半挂车转向特性的“机一液”转向机构进 行了介绍，然后从阿克曼原理出发分析了多轴转向和全轮转向车辆的 理论转向特性，针对7 轴线半挂车，推导了半挂车的全轮转向理论转 角公式，进而得出半挂车列车转向时的牵引车与挂车的转角关系。其 次，从平面连杆机构综合出发，运用解析法分析了各轴线转向连杆机 构的数学模型，从运动学的角度实现了半挂车转向机构连杆的优化设 计。 然后，应用机械系统动力学软件a d a m s v i e w ，结合半挂车转向 机构的结构特点，建立了7 轴线半挂车转向机构的参数化模型。应用 所建模型进行运动仿真，得到了车轮实际转角与理论转角的偏差，从 而为下一步的优化打下了基础。 再者，运用a d a m s 的对挂车拉杆铰接点进行了优化分析，得出 满足目标函数的一系列参数。用该参数相对于原参数的结论进行对比 分析，发现优化后参数能够减少车轮理论转角与实际转角的差值。优 化结果表明，适当调整转向系统拉杆铰接点的参数，可以减少转向系 统转向轮异常磨损。因此，通过仿真优化得到在不同轴线形式下的铰 可变多轴线半挂车转向系统优化设计研究 接点，结合实际应用情况，在中心转向板和转向节板设置相应的孔洞， 然后针对不同轴线形式进行相应的连接，可以满足轴线变化时半挂车 对转向的要求。 最后对于多轴线半挂车转向液压系统工作机理进行了介绍，并对 随动转向和控制转向进行了建模仿真分析，得到了前后模块转向油缸 以及液压鹅颈转向油缸的运动规律，并进一步研究了前后模块转向油 缸的同步特性。 关键词：半挂车，可变多轴线，转向机构，优化设计，a d a m s ， 同步性 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m b i n i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h em u l t i - - a x l es e m i - t r a i l e r , t h en e c e s s i t ya n du r g e n c ya sw e l la st h em a i np u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c e s o ft h er e s e a r c ha r ed i s c u s s e di nt h et h e s i s i nad e t a i l e da n a l y s i so fs t u d y s t a t u so fv e h i c l es t e e r i n gm e c h a n i s ma n dr e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n d a b r o a d ，t h ep r i n c i p a lc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ep u tf o r w a r d f o rt h em u l t i - a x l es e m i - t r a i l e r , t h en u m b e ro ft h ea x l ed e p e n d e do n t h el o a da n do u t l i n eo ft h ed i f f e r e n tk i n do fg o o d s ，s oe a c ht i r e st u r n i n g d e g r e eh a sd i f f e r e n tr e q u i r e m e n tt od i f f e r e n tk i n do fa x l ew h e nt u r n i n g i t s v e r yi m p o r t a n tt o t h ew h o l e p e r f o r m a n c e o ft h em u l t i - a x l e s e m i - t r a i l e rt h a td e s i g n sak i n do fs t e e r i n gs y s t e mt os a t i s f yt h et u r n i n g r e q u i r e m e n t f i r s t l y , t h ek i n do f “m e c h a n i c - h y d r a u l i c s t e e r i n gs y s t e mw h i c h c a l l s a t i s f yt h et u r n i n gr e q u i r e m e n t t oc h a n g e a b l e - a x l es e m i t r a i l e ri sa n a l y z e d a f t e r w a r d s ，s t a r t i n gf r o ma c k e r m a n np r i n c i p l et h et h e o r e t i c a ls t e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i a x l ea n da l lw h e e ls t e e r i n gv e h i c l e sa r ea n a l y z e d t og i v ea ne x a m p l eo f7 - - a x l es e m i - - t r a i l e r , t h et h e o r e t i c a ls t e e r i n ga n g l e f o r m u l a so fs e m i - t r a i l e ra n da l l - w h e e lt u r n i n go ft h et r a c t o r - s e m i t r a i l e r a r ed e r i v e d a n dt h e n ，s t a r t i n gf r o mp l a n el i n ks y s t e m ，t h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fe a c hs t e e r i n gr o dm e c h a n i s mi s a n a l y z e db a s e do na n a l y s i s m e t h o d ，i tr e a l i z e dt h a tt h eo p t i m a ld e s i g no ft h es t e e r i n gs y s t e mo ft h e s e m i t r a i l e ri sr a t i o n a lb a s e do nt h ek i n e m a t i c s c o m b i n i n gw i t h s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fs t e e r i n gm e c h a n i s m ， t h e p a r a m e t r i cm o d e lo ft h es t e e r i n gs y s t e mo f7 - - a x l es e m i - - t r a i l e ri sb u i l t i nt h em e c h a n i c a ls y s t e ms i m u l a t i o ns o f t w a r eo fa d a m s v i e w m a k i n g t h es i m u l a t i o nb a s e do nt h em o d e l ，t h ed e v i a t i o n sb e t w e e na c t u a lt u r n i n g d e g r e e sa n dt h e o r e t i c a lt u r n i n gd e g r e e sa r ea t t a i n e d ，i tm a d eaf o u n d a t i o n i n 可变多轴线半挂车转向系统优化设计研究 f o rt h en e x to p t i m i z a t i o n a n dt h e n ，u s i n gt h eo p t i m i z a t i o no fa d a m s ，t h el i n k a g e s h i n g e p o i n t sa r eo p t i m i z e da n da n a l y z e dt om e e tt h eo b j e c t i v ef u n c t i o n o fas e t o fp a r a m e t e r s t h ec o m p a r i s o n so ft h ep a r a m e t e r so ft h eo r i g i n a la n a l y s i s b e f o r ea n da f t e rw e r ef o u n dt h a tt h e o p t i m i z a t i o n c a nr e d u c et h e t h e o r e t i c a la n dt h ea c t u a ls t e e r i n ga n g l eo ft h em a r g i n t h eo p t i m i z a t i o n r e s u l ts h o w st h a tt h ea p p r o p r i a t ea d j u s t m e n t so ft h el i n k a g e s h i n g ep o i n t s c a nr e d u c et h es t e e r i n gs y s t e ms t e e r i n gw h e e la b n o r m a lw e a ra n d t e a r s o ， a c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z a t i o nt h eh i n g ep o i n t so nt h ed i f f e r e n ta x l e sa r e d e r i v e d ，s e tt h ec o r r e s p o n d i n gh o l e so nt h ec e n t r es t e e r i n gp l a t ea n d s t e e r i n gj o i n tp l a t e ，a n dm a d et h ej o i n tb yt h es t e e r i n gr o do nt h ed i f f e r e n t a x l e s ，i tc a nr e a l i z e dt h ed e m a n do ft h es t e e r i n go ft h em u l t i a x l e s e m i t r a i l e r a tl a s t ，t h eh y d r a u l i cs y s t e m sw o r k i n gm e c h a n i s mo ft h es t e e r i n g s y s t e m o ft h em u l t i - a x l es e m i t r a i l e ri s i n t r o d u c e d ，t h es i m u l a t i o n m o d e l i n ga n da n a l y s i so ft h eh y d r a u l i cl o o po fs e l f - s t e e r i n gs y s t e ma n d c o n t r o l l e d s y s t e ma r em a d e ，t h em o v e m e n tl a wo ft h ef r o n t - b a c k c y l i n d e r sa n d t h eh y d r a u l i cg o o s e n e c k s t e e r i n gc y l i n d e ra r ed e r i v e d k e yw o r d s ：s e m i t r a i l e r , t h ec h a n g e a b l em u l t i - a x l e ，t h e s t e e r i n g m e c h a n i s m ，o p t i m a ld e s i g n ，a d a m s ，s y n c h r o n i s m i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 l 1 1 弓i 言1 1 2 可变多轴线半挂车转向系统综述5 1 2 1 液压鹅颈。5 1 2 2 转向机械系统。6 1 2 3 转向液压系统6 1 3 国内外的研究现状及分析7 1 3 1 国外研究现状7 1 3 2 国内研究概况8 1 4 本课题的研究目的与意义1 0 1 5 本课题的研究内容1 1 1 6 本章小结1 2 第二章可变多轴线半挂车转向特性及数学模型分析 2 1 多轴汽车转向特性1 3 2 1 1 同一转向轴的内外轮转角关系。1 4 2 1 2 不同转向轴的同一侧车轮的转角关系。1 4 2 2 多轴线半挂车全轮转向特性。1 5 2 3 半挂车全轮转向理论转角的程序计算1 7 2 4 半挂车列车全轮转向的实现1 7 2 5 转向机构的数学模型分析1 8 2 5 1 函数综合机构的解析法设计1 9 2 5 2 第一轴转向机构模型的迭代求解2 0 2 5 3 第二轴转向机构模型的迭代求解2 2 2 5 4 第三轴转向机构模型的迭代求解2 3 2 6 本章小结2 4 第三章基于a d a m s 的转向机构参数化建模及仿真分析 3 1a d a m s v i e w 简介2 5 3 2 基于a d a m s w 的转向机构参数化建模。2 5 3 2 1 仿真模型的建立2 6 3 2 2 测量与传感器的添加2 9 3 2 3 驱动和约束的添加3 0 3 3 基于a d a m s 的转向机构仿真分析3 0 v 可变多轴线半挂车转向系统优化设计研究 3 4 本章小结3 4 第四章可变多轴线半挂车转向机构的优化研究 3 5 4 1 优化设计的原理简介3 5 4 2 转向机构的优化问题研究3 6 4 2 1 转向系统优化思想及目标函数3 7 4 2 2 优化变量及约束条件3 8 4 2 3 优化设计数学模型的建立3 9 4 3 优化分析4 0 4 4 可变轴线时的拉杆杆系布置4 5 4 5 本章小结4 7 第五章基于a m e s i m 的液压转向系统建模与仿真 4 8 5 1 半挂车液压转向系统工作机理分析。4 8 5 1 1 随动转向。4 8 5 1 2 控制转向4 9 5 2 液压系统仿真模型的创建4 9 5 3 仿真参数的设置5 3 5 4 查看仿真结果5 3 5 5 本章小结5 6 第六章总结与展望5 7 6 1 总结5 7 6 2 展望5 8 致谢 参考文献 研究生期间发表的论文 5 9 6 0 6 2 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 近年来随着我国国民经济持续高速发展，基础设施建设投入力度的不断加 大，极大地拉动了重型专用汽车市场需求的增长。在各类货物的运输中，如大型 变压器、工程车辆等大型设备通常采用重型挂车运输的方式，以提高生产效率。 据中国汽车技术研究中心最新统计数据，2 0 1 0 年我国挂车产量为4 9 6 7 万辆， 同比增长6 0 5 2 ，其中：半挂车4 8 5 4 万辆，同比增长5 8 5 9 ；全挂车1 1 2 3 3 辆，同比增长2 3 7 8 3 。2 0 0 6 m 2 0 1 0 年我国挂车产量走势如图1 1 所示( 因基本 是以销定产，故产量情况基本可以反映市场情况) ，除2 0 0 8 年受金融危机影响外， 其他年份均为超高速增长，挂车的生产资料属性决定了其市场发展与国民经济宏 观走势紧密相关。我国经济目前属于高速发展期，但东西部发展差距较大，基础 建设仍然如火如荼。未来相当长的一段时间内，我国经济仍将保持较高增长势头， 这给我国挂车行业发展带来很好的机会。 1 睾攘车1 套挂攀一串攘车增长嗣魄- - 一垒挂车增长麓缘 图1 12 0 0 6 2 0 1 0 9 - 我国挂车产量走势图 1 7 i 9 1 1d r a w i n gl i n e so ft h eo u t p u to ft r a i l e r so fc h i n ai n2 0 0 6 - 2 0 1 0 挂车的用途已经从载货和送客等运输任务发展到旅游、社会服务、地质勘探、 工程建设等多个方面，尤其在超限运输领域，如厂房、仓库、车厢、混凝土梁、 大型设备等的整体运输，大型设备往往在生产厂家组装完以后，再进行整体运输， 减少现场装备的工作量乜1 。挂车相比其他运输车辆有着自身的诸多优势，凭借其 簪宰警 艚辩触舶傩鳓釉 3 2 誊 l 奎 _ 雒 秘 铺 拍 糟 静 嚣每豁致 可变多轴线半挂车转向系统优化设计研究 载重量大、能耗省、车辆制造成本和使用成本低等优点受到越来越多的重视。挂 车作为公路物流的主要方式，以其甩挂运输的特点，可以大大减少运输装卸时间， 缩短货物周转期，提高运营效率，降低运输成本。据统计，美国货物周转量的 8 0 由汽车列车承担，其中7 0 又是由挂车完成，而目前我国这一比例还相当低 口1 ，如图1 2 为国外先进重型多轴半挂车。随着挂车种类越来越多，产量越来越 大，用途越来越广，已经成为公路运输的重要角色。因此，给我国现有挂车车辆 设备提出了更新、更高的要求。 磁渤 图1 2 国外先进多轴半挂车列车 f i 9 1 2t h ef o r e i g na d v a n c e d t r a c t o rs e m i - t r a i l e r 挂车是汽车列车组合中的载货部分，在牵引车的带动下实现货物的运输和转 移。根据牵引连接方式，挂车一般分为二类：半挂车和全挂车。全挂车是一种完 全靠拖运的车辆，它通过牵引杆与牵引车相连接，自身重量和装载重量不作用在 牵引车上，所以其具有装载质量大的优点，但由于牵引杆较长，且有两个回转副， 因此转向不灵活，高速时控制不稳定。此外为了增加牵引车驱动轮的附着力，避 免打滑，就必须在牵引车后部附加压块，这就增加了整车重量，增加功率消耗。 国标g b 3 7 3 0 1 8 3 对半挂车定义为，由半挂牵引车牵引，并且挂车最大总质量 的相当一部分由牵引车承受的挂车。由此可以认为，用于承载货物的货箱及其底 架，前端牵引座支撑于牵引车，后端通过悬挂、半挂轴和车轮支撑于行驶路面， 这种形式的挂车称为半挂车，它与牵引车组合成半挂汽车列车。由于半挂车是通 过鞍式牵引座与牵引车连接，其部分重量通过牵引座由牵引车承担，这就使得半 挂车载重量受到一定的限制，但因其机动性较好且需配置压块而得到了越来越广 泛的应用。 本课题所研究的装备液压鹅颈的可变多轴线半挂车，结合了挂车和半挂车的 2 江苏大学硕士学位论文 优点，货台平面在液压鹅颈之后，具有很低的承载平面和较小的离地间隙，便于 货物的装卸及通过桥涵；同时液压鹅颈可为牵引车提供适当的五轮载荷( 即可调 节第五轮载荷的大小) ；且鹅颈可脱开，工程车辆可从挂车前端上车。主要适合 运输各种受道路交通法规限制的超高、大型设备。另外装备液压鹅颈的多轴线半 挂车区别于普通车辆，没有实际车轴的概念，其轴线是指每排车轮的轴心连线； 挂车沿纵向分为左右两列车轮，每列车轮形成一纵列，如图1 3 。 卜牵引车车架；2 一牵引车轮轴总成；3 一鹅颈纵梁；4 一加载油缸缸筒；5 _ 加载油缸活塞； 6 一加载油缸用铰销；7 一鹅颈纵梁用铰销；8 一货台前模块；9 一货台；1 0 一货台后模块； 1 1 - 挂车轮轴总成；1 2 - 悬挂架；1 3 一悬挂用铰销；1 4 - 悬架叉；1 5 - 悬挂油缸缸筒； 1 6 - 悬挂油缸柱塞；1 7 - 牵引座座台；1 8 - 纵向摆动销轴；1 9 - 牵引座底座； 图1 3 带有液压鹅颈的多轴线半挂车结构图 f 螗1 - 3t h es t r u c t u r em a p o fm u l t i - a x l es e m i - t r a i l e rw i t hh y d r a u l i cg o o s e n e c k 多轴线半挂车是“机一电一液”一体化产品，全车采用液压鹅颈、液压悬挂、 全轮转向和车架液压调平等技术。挂车采用液压鹅颈牵引，在液压鹅颈转盘内部 通常采用的是油缸转向机构；同时采用了平板承载货台式车间、中间设置箱形主 梁；主梁两侧为带液压悬挂的轮轴，所有液压悬挂进行编组形成三点或四点支撑， 以满足载荷分配和稳定性要求；半挂车货台采用模块化设计，前后模块配备有机 械转向装置和液压悬挂装置，中间模块可视载货需要配备平板梁或凹型梁，货台 可通过液压悬挂油缸实现升降。挂车的悬挂和转向系统由于采用液压系统，能够 满足运输的大件、重件货物外形、重量的不确定性；根据运输不同尺寸、不同质 量货物的不同需求，可制造和拼接成为不同长度、不同宽度的车体h 1 。 可变多轴线半挂车与普通挂车相比最大特点是其货台部可根据货物的载重 及外形轮廓采用一定模块进行合理拼接，拼接形式丰富多样，能够满足各种特殊 运输需求。根据目前已有的拼接形式，对于可变多轴线半挂车，一般只进行纵向 拼接，即可以改变他们的轴线数目，货台部可以是前中后模块的组合，也可以由 中间模块和后模块拼装，取消了前模块。多轴线半挂车常见拼接形式有单车模块 3 可变多轴线半挂车转向系统优化设计研究 纵拼、模块+ 低货台+ 模块、模块+ 平板+ 模块、低货台+ 模块及平板+ 模块等几种组 合方式，如图1 4 所示。以上其它各种轴线的组合形成了形式各异的半挂车，从 而能够完成运输形状各异、尺寸各异的各种大型货物。通过随机组合( 纵或横向 拼接) 可派生出多种尺寸型号的半挂车，如3 轴、4 轴、5 轴直至1 0 轴或 2 0 轴以上，拥有1 辆这种多轴线半挂车，就相当于拥有数辆乃至1 0 辆或2 0 几 辆的普通半挂车，它既能适应不同尺寸的巨型物资运输的需要，也能减少对单一 尺寸型号运输半挂车的购置成本，还能大大减少库容面积。 图1 4 半挂车常见拼接形式 f i 9 1 4t h e c o m m o n s p l i tj o i n ts t y l eo f s e m i - t r a i l e r + 转向系统作为多轴线半挂车主要系统之一，主要作用是保证挂车在转向过程 中要求尽量减少轮胎的滑动移动，减少轮胎磨损、爆胎或轮胎脱落等严重事故。 可变多轴线半挂车的转向系统设计是半挂车设计中的一个重要部分，其转向性能 直接影响到整车的机动灵活性，操纵稳定性和使用经济性。合理的转向机构能减 小转向阻力，同时可以使车轮在车辆行驶过程中滑移最小，进而减小车轮的磨损， 降低车辆的使用成本，提高车辆的操纵稳定性和安全性喳3 。转向时要求各轴线绕 同一瞬时中心旋转，且当转向中心线落在总长的二分之处时转弯半径最小。 可变轴线挂车可根据高速公路运输队机动性的要求，结合具体运输物品的特 点，随时改变车型构造，按照需要进行不同的轴线形式拼接组合。而对于普通半 挂车，可设计一套固定的转向机构从而达到使各轮转向中心尽可能逼近理想转向 中心的目的。但对于可变多轴线半挂车，当进行其他轴线组合时，每一种轴线方 式，都对应不同的转向特性。而固定的转向机构就不能满足新拼接形式对转向中 心、转弯半径及轮胎滑移量等方面的要求，如果对于每种拼车组合方式，都设 计一套不同的转向机构，这不仅增大的设计人员的工作量，而且给用户在拼装组 4 江苏大学硕士学位论文 合时带来了根大的装配困难。 1 2 可变多轴线半挂车转向系统综述 半挂车通过“液压机械联动机构可实现汽车列车行驶时的全轮牵引转向 和倒车等情况时的手动控制转向。通过安装在液压鹅颈内的转向油缸，当牵引车 转弯时，通过传递机构使活塞杆作相应的伸缩，排出的压力油经控制阀而流向后 转向缸的活塞杆腔，使活塞杆产生相应的伸缩，转向杆系中的转向臂转动，从而 使半挂车各轮轴偏转不同角度。前、后模块转向缸中的液压油通过相应换向阀的 中位在封闭的油路中循环流动，这就是半挂列车行驶时的随动转向。当半挂车需 要手控转向时，首先启动动力机组，使油泵供油，扳动转阀，操作相应的手动换 向阀，半挂车各轮轴即可转向。这时二只液压鹅颈转向油缸通过转阀、手动换向 阀与油泵、油箱形成开式循环，因而主、挂车转向就各自独立而不存在传动关系。 1 2 1 液压鹅颈 根据半挂车类型及液压鹅颈设计理论并结合货台中模块与前模块的可脱开 性，带货台前模块之液压鹅颈结构一般以下组成，如图1 5 所示： 卜带牵引销转盘；2 一转向油缸；3 一鹅颈纵梁；4 一加载油缸；5 一货台前模块；6 一牵引车；7 一 牵引座； 图1 5 带货台前模块液压鹅颈结构图 f i g l t h es t r u c t u r ed i a g r a mo ff r o n t - m o d u l eo fh y d r a u l i cg o o s e n e c kw i t hf l o o r 液压鹅颈通过牵引销和牵引车上安装的牵引座的接合来实现与牵引车的连 接的。牵引销转盘相对鹅颈纵梁可以转动，以满足车辆转向的要求。两个转向油 缸( 单活塞杆) 的活塞杆分别通过铰销与转盘相连，缸筒则与鹅颈纵梁铰接。当牵 引车转向时，通过牵引座带动转盘转动，进而使转向油缸的缸筒与活塞产生相对 5 可变多轴线半挂车转向系统优化设计研究 运动，通过液压管路，使半挂车前、后模块转向油缸产生动作，最后带动机械转 向机构运动，即可实现半挂车的全轮转向。 1 2 2 转向机械系统 多轴线挂车的转向机械系统主要是由一些拉杆、转向板等组成。如图1 6 ， 转向杆系布置前后对称，可实现全轮转向。半挂车的转向信号最终通过液压鹅颈 的转向油缸传递给前后模块转向油缸。前后模块转向油缸3 、6 接收到转向液压 信号，然后带动中心转向板，再由纵向拉杆1 、2 和牵引转向节板带动整车转动。 中心转向板7 通过固定铰支座8 铰接于车架上并可绕其旋转，同时各轴之间的转 向拉杆的长度也各不相同。同时转向杆系分布在整车宽度方向的中部，这样使得 整车可随液压悬挂降低高度。 图1 6 所示的7 轴线半挂车，第1 、2 轴和6 、7 轴之间的液压油缸起作用，3 轴和4 轴、4 轴和5 轴之间没有直接的拉杆连接，前三轴车轮和后三轴车轮的转向 相对独立，分别靠各自的液压油缸和转向拉杆驱动。 卜转向拉杆总成一；2 一转向拉杆总成二；3 一前模块转向油缸；4 一转向拉杆总成三；5 一转向节 板；6 一后模块转向油缸；7 一中心转向板；8 一中心转向板固定铰支座： 图1 6 多轴线半挂车转向机械机构 f i 9 1 6t h es t e e r i n gm e c h a n i cs y s t e mo ft h em u l t i a x l es e m i - t r a i l e r 1 2 3 转向液压系统 如图1 7 所示，多轴线半挂车转向液压系统由液压动力组、液压鹅颈转向油 缸、前后模块转向油缸、截止阀以及手动换向阀等组成。半挂车转向方式分为随 动转向和控制转向两种，当半挂车转向信号来自于牵引车时称为随动转向；当由 液压动力机组来控制转向时称为控制转向，具体液压转向机理见第五章详细介 绍。 6 一审 垂 江苏大学硕士学位论文 卜液压鹅颈；2 一液压动力机组；3 - 后模块转向油缸 图1 7 多轴线半挂车转向液压系统 f i 9 1 7t h es t e e r i n gh y d r a u l i cs y s t e mo ft h em u l t i a x l es e m i - t r a i l e r 1 3 国内外的研究现状及分析 1 3 1 国外研究现状 国外半挂车的研发技术水平相对较高。国外挂车工业已经向组合式，多用途 方向发展，具有以下优点1 ： 半挂与全挂运输形式可转换使用； 适用于高速公路的运输； 变一车专用为一车多用； 变固定车型为可变轴线式车型； 轴距、轮距、载重可根据货物的变化而变化； 国外各主流厂商如n i c o l a s ( 尼古拉) ，s c h e u e r l e ( 索埃乐) ， g o l d h o f e r ( 歌德浩夫) 等近年来对组合式多轴半挂车进行了大量研究，实现了 系列化的定型产品，但其设计原理和结构属于商业机密，基本没有申请专利。在 组合挂车设计研究方面，德国的g o l d h o f e r 公司已公布m o d u ia r d a t a 和 e a s y l o a d 等常规设计软件。其中m o d u l a r d a t a 软件可根据拼接轴数或货物重 量，对承载能力、货台倾斜角度、转弯半径、坡度角、牵引力等多个参数进行分 析计算。e a s y l o a d 软件可计算不同类型货物的最佳装载位置和装载方法等。但 是，国外的设计软件由于都是对应产品的商用软件，并没有提供针对计算的相关 理论。 7 可变多轴线半挂车转向系统优化设计研究 转向系统研究中一个关键内容是关于转向机构的优化设计。g o l d h o f e r 公司关于车辆转向杆系优化设计方法文献曾提出了“阿克曼校正率 的概念，阐 述了最优内、外侧转向轮转角关系，即内、外侧转向轮的侧偏角相等时的转角关 系。该文认为，轮胎的磨损率与侧偏角的2 4 次方成正比，当内、外侧转向轮的 侧偏角相等时，前轮轮胎的磨损虽小，所以应以此时的内、外侧转向轮转角关系 作为转向系统的优化目标。该文通过模拟计算和试验总结出不同工况下对应的最 优阿克曼校j 下率。也提出了“转向误差 ( s t e e r i n g e r r o r ) 僦田1 ，即内、外侧转 向轮平面的垂线与后轴延长线的地面交点之间的距离。文中对不同的齿条移动距 离和车身侧倾情况下的转向误差进行平方和加权，并以此为优化目标，设计出转 向器横拉杆两端连接点的空间位置。 关于最优化理论和算法，国外从5 0 年代中期才开始有关的研究。经过六十 余年的工程设计理论和方法的研究，从经验的、感性的、类比的传统设计方法转 变为科学的、理性的、立足于计算分析的设计方法四1 。特别是近十年间，随着有 限元法，可靠性设计，模糊设计，c a d 理论及方法的发展与优化设计方法的结 合应用，使整个工程设计逐步向自动化、集成化、智能化发展。 1 3 2 国内研究概况 作为发展中国家，我们不得不承认我国特种挂车的产品单一，技术含量低下。 挂车生产、运输方式与国外发达国家之间的差距。在大件运输重型半挂车的研发、 制造方面，国内还处于起步阶段。根据已有的实践经验进行研发，可以进一步提 高我国重型挂车的生产水平，满足日益发展的运输需要。 鉴于目前我国挂车工业的现状，主要相应的措施就是引入国际先进的车辆装 备技术，包括可组合的车辆模块、动力鹅颈突破了全挂车和半挂车的区分界限、 连接梁等，此外还有为适应不同装货要求的轴数可变、轴距可变、宽度可变的特 种车辆装备。目前，国外大型、特种挂车技术先进，在避震性、安全性、可靠性、 可载性和通过性上都大大优于国内挂车，并能适应和满足各类物件的运输。在特 种车辆更新改造上，由于产品性能、产品价格、零件供应、售后服务等因素，在 选型上国内公司将首先考虑立足国内，这是因为国内的生产厂家，已经掌握了国 外的一些基本挂车制造技术，具备了一般挂车的制造能力。 在大件运输组合挂车的研究、制造等方面，我国还处于初级阶段。国内专用 8 江苏大学硕士学位论文 汽车厂商也较少，关于可变多轴线挂车的文献也不多。虽在采用进口车辆下，国 内在大件运输方面可以达到千吨以上水平，但自主研发能力还很薄弱。对于转向 性能的研究过去主要集中在对两轴线汽车前轴转向梯形机构的研究上，对于多 轮、多轴的汽车转向机构的研究较少，而对于挂车变轴线的转向机构的研究就更 少n 们n 邮羽。随着计算机技术的发展和各种仿真技术和仿真软件的不断普及，目 前在设计过程中广泛采用动力学仿真软件a d a m s ，对转向系统进行运动学仿 真。今后的趋势是利用仿真优化、或各种规划方法，对多个参数进行优化从而达 到更好的满意结果。对转向系统驱动方式的研究，现在主要还停留在机械传动的 基础上。而可变多轴线挂车主要采用机械、液压传动形式，由机械带动转向动力 油缸来完成挂车的转向。目前随着电控的进一步发展，也出现了电液转向控制方 式，其转向形式具有很高的技术含量，而且成本很高。 对于传统转向机构转向梯形的设计，国内的研究已经比较成熟。对可变多轴 线半挂车的研究，国内技术水平相比国外差距还较大。国内对于变轴线挂车的研 究、制造等方面还处于起步阶段，设计还停留在仿制、估算阶段。 2 0 0 3 年4 月，赵礼东、杨新明利用有关汽车理论和连杆机构运动学的有关 知识，系统全面地对多轴转向汽车的转向梯形，纵向传动机构进行理论分析，建 立多轴转向汽车的运动模型。首先利用优化设计的思想和方法对转向梯形，转向 连杆机构的主要参数进行优化设计。然后利用运动仿真软件a d a m s 对优化前后 的结果进行对比，实践证明取得了良好的经济效益。 2 0 0 5 年1 2 月，李海鹏等人分析了多轴液压悬挂挂车转向系统的结构，推导 出了转向机构各部件之间的运动关系式在此基础上给出了这类挂车转向系统机 构设计的计算方法，并用m a t l a b 实现了该计算方法，通过对某种国产拼接式 多轴挂车转向机构的计算，证明了该方法的合理性和实用性n 4 i 。 2 0 0 6 年2 月，田增等人在对组合式多轴挂车的转向机构进行分析后，建立 了挂车转向系统机构的优化设计模型。应用m a t l a b 的优化工具箱对设计模型 进行了优化求解，给出了针对任意一轴线上转向机构的m a t l a b 优化程序。使 用该优化程序对某专用车辆厂生产的多轴挂车转向机构进行了优化设计，计算结 果表明该方法是正确的、实用的n 5 1 。同年，李海鹏等人对重型组合式多轴挂车建 立了转向系统的优化设计模型。应用复合形优化算法对建立的优化模型进行优化 求解，并使用v b 语言编写了图形用户界面程序。使用该优化程序对某专用车辆 9 可变多轴线半挂车转向系统优化设计研究 厂生产的多轴挂车转向机构进行了优化设计，计算结果表明该方法正确实用n 刚。 2 0 0 6 年3 月，上海交大的张鹏首次在其硕士论文中在考虑到机构形式、连 接要求的条件下，利用a d a m s 软件建立组合全挂车转向模型，得到了针对性的 优化解。但文章主要以全挂车为对象展开研究，对半挂车的转向研究尚有待发展 【1 7 】 o 2 0 0 6 年9 月，中国农业大学鲍远通在其硕士论文中分析了1 0 0 吨全轮转向 组合式半挂车的要求和特点，着重研究了牵引车与半挂车前后同步转向以及车架 任意拼接等技术问题n 引。 2 0 0 8 年9 月，张卫东、莫旭辉等人建立了液压平板铁水包车多轴转向机构 的运动学分析模型，对转向机构进行了运动学分析，分析结果表明该转向机构与 阿克曼原理偏差较大。根据阿克曼转向原理和梯形转向机构特点，提出了改进的 多轴转向机构方案，新的转向机构优化仿真结果表明，方案能够更好的协调转向 轮转角，降低轮胎磨损，改进的转向机构比原转向机构方案能够更好的满足转向 原理，结构更加简单n 引。 2 0 0 9 年5 月，乔媛嫒利用a d a m s 的二次开发功能设计实现了转向杆系优 化设计的专用模块髓们。2 0 1 0 年3 月，方志刚等人针对多轴半挂车转向时常见的 车轮易侧滑轮胎易磨损的问题，运用m a t l a b 优化工具箱对多轴半挂车的转向 传动机构进行优化使其在转向时各转向轮的运动尽量接近纯滚动并分析对比优 化前后半挂车转向的稳定性，证明优化方法的可行性瞳。 目前，我国在多轴转向技术已经有了一定的发展，但是在变轴线数的半挂车 转向系统的研究还相对落后，因此本课题的开展尤为迫切，课题研究内容具有重 要意义。 1 4 本课题的研究目的与意义 目前解决可变多轴线挂车转向问题的大部分方向都是某一固定轴数挂车进 行研究，从某一具体轴线挂车出发，进行了系统的分析与研究，从而进行可变轴 线挂车的转向特性时，具有如下现实意义： 1 ) 国内可变多轴线挂车的生产厂家数量少，技术人员缺乏，没有对转向系统 装置进行系统的分析与设计。本文所进行的可变多轴线的分析与优化设计方面的 探索，可供国内其他挂车的生产厂家借鉴。 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 ) 转向系统是可变多轴线半挂车的核心问题，其设计质量与结构的优劣直接 影响挂车的转向灵活性、操纵稳定性和使用经济性，所以，本课题对挂车的分析 与设计研究有益于改善和提高国产挂车的转向性能。 3 ) 运用了先进的现代化设计工具和更加科学快捷的设计方法，可以显著提高 企业的设计水平和自主研发能力；其相关理论的分析与研究，尤其是转向系统的 理论研究、公式推导、数学模型的建立和优化模型的建立可以为企业的设计提供 良好的理论参考和技术指导。 4 ) 丰富了企业的设计理论和设计水平，能够使企业大幅度缩短开发周期，大 量减少开发费用和成本，明显提高产品质量，增加企业的竞争力和自主研发能力。 5 ) 本文的研究方法和结果必将为公司的产品升级提供有力的技术支撑，得以 创收长远的经济效益，为国内重大装备制造的相关行业增强自主研发能力和提高 开发设计水平做出积极的贡献。