（机械电子工程专业论文）电动固定平台搬运车四轮转向机构的设计与研究.pdfVIP

摭嚣 电动固定平台搬运车四轮转向机构的设计与研究 研究生：废学功 导师：钱瑞明 学校：东南大学 暇轮转向( f o u r - w h e e l s t e e f i n g ，4 w s ) 技术是改善车辆操纵稳定性盼主要手段之一- ， 遣楚车辆圭动底盘技零瓣鬃要缰残部分。 本文针对电动固定平台搬运车的应翊特点，对其转向祝构避行分析和优化设计，运 用虚拟样机技术，研究虚拟环境下的建模及其动力学特性。 1 提出了电动固定平台搬运车四轮转向机构的总体结构方案，分析和推导出反映 前、后轮转向角及其相互关系的计算公式，并以此建立了转向梯形机构优化设计的数学 模型，运竭m a t l a b 软俘糖襄诗算，褥蘩雹j 乏纯结果。 2 建立了西轮转向车辆的二自出度模型，导出了采露重心零翻偏螽控翎策滔戆摄 纵动力学模型的传递函数，对前轮角阶跃输入下的车辆时域特性和频域特性进行了研 究，对车速、轮胎侧偏刚鹰、蹩车质量、重心位鬣对整车操纵稳您性的影响进行了仿真 分析。 3 运震多传动力学壤论窥a d a m s 软件，在电动固定平台搬运车努橱模型静基懿 上，建立了包菇籍屠轮转溺系统、蓠后钢叛弹簧惑絮系统、轮鼯穰爱帮路嚣貘墅在淘鹣 整车多体参数化模型，并且对其中部分模型避行了动力学仿真。 4 在建立多体模型的过程中，提出了钢板弹簧等效中性面模测的新方法。 本文研究结果为推动4 w s 技术尽早应用于电动固定平台搬运车的升级换代，提升 产品的市场竞争力以获褥嶷好的经济效懿奠定了基础。 关键谰：电动固定平台搬运车 四轮转向；机构优化设计；m a t l a b ；a d a m s ；多体 动力学；车辆动力学 东南大学硕士学位论文 d e s i g na n ds t u d yo ff o u r - w h e e l s t e e r i n gm e c h a n i s m f o re l e c t r i c a l l yo p e r a t e ds t a t i o n a r yp l a t f o r mv a n z h u a n gx u e g o n gs u p e r v i s e db yp r o f q i a nr u i m i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o u r - w h e e l - s t e e r i n g ( 4 w s ) f o rv e h i c l ei s o n eo ft h ea c t i v ec h a s s i sc o n t r o lt e c h n o l o g i e sw h i c hc a r l i m p r o v et h ec o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , c o n s i d e r i n gt h ea p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c n i c a l l yo p e r a t e ds t a t i o n a r yp l a t f o r mv a n ，t h e s t e e r i n gm e c h a n i s mu s e di n i ti s a n a l y z e da n do p t i m a l l yd e s i g n e d b yu s i n go ft h eh y p o t h e s i z e d p r o t o t y p i c a lt e c h n o l o g y , h y p o t h e s i z e de n v i r o n m e n tm o d e l i n ga n dd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i co ft h e4 w s m e c h a n i s na r er e s e a r c h e d 1 t h eo v e r a l ls t r u c t u r ep l a no f f o u r - w h e e l s t e e r i n gm e c h a n i s mf o rt h ee l e c t r i c a l l yo p e r a t e ds t a t i o n a r y p l a t f o r mv a ni sp r o p o s e d t h ef r o n tw h e e ls t e e r i n ga n g l e s ，t h et r a i l i n gw h e e ls t e e r i n ga n g l e sa n dt h e i r r e l a t i o n s h i p sa r ed e d u c e d t h eo p t i m i ld e s i g nm a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h es t e e r i n gt r a p e z o i d a lm e c h a n i s mi s e s t a b l i s h e d t h eo p t i m i z e dr e s u l t sa r eo b t a l n e db yu s i n gt h em a t l a bs o f t w a r e 2 t h et w o - d e g r e e o f - f r e e d o ms t e e r i n gd y n a m i cm o d e lo ff o u r - w h e e l - s t e e r i n gv e h i c l ei sd e v e l o p e d t h et r a n s f e rf u n c t i o no ft h em o d e li sd e r i v e d ，b a s e do nt h ez e r os i d e s l i pa n g l ec o n t r o ls t r a t e g y t h e r e s p o n d i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev e h i c l ei nb o t ht i m ea n df r e q u e n c yd o m a i na r ea n a l y z e d t h ec o m p u t e r s i m u l a t i o no ft h ei n f l u e n c e so ft h ev e h i c l es p e e d ，c o r n e r i n gs t i f f n e s so ft i r e ，m a s so ft h ef u l lv e h i c l ea n d p o s i t i o no f t h eg r a v i t yc e n t e ro nt h es t e e r i n gs t a b i l i t yi sc a r r i e do u t 3 i nt e r m so fm u l t i b o d yd y n a m i c sa n dt h ea d a m ss o f t w a r e t h em u l t i - b o d yp a r a m e t r i cm o d e l so f t h ep r o t o t y p ev e h i c l ea r eb u i l t ，i nw h i c ht h ef r o n ta n dr e a rs t e e r i n gs y s t e m s ，t h el e a f s p r i n gs u s p e n s i o n s ，t h e t i r e sc o m p u t i n gm o d e l sa sw e l la st h er o a dm a pa r ec o v e r e d 4 i nm o d e l i n gt h ev e h i c l em u l t i - b o d ys y s t e m ，an e wa p p r o a c hf o rs i m u l a t i i n gt h ec o m p l i c a t e dl e a f s p r i n g sm a d eb ys e v e r a ls i m p l eb e a m si sp r o p o s e d t h ea b o v er e s e a r c hr e s u l s t sl a yaf o u n d a t i o nf o ra p p l y i n g4 w s t e c h n o l o g yt ot h ee l e c t r i c a l l yo p e r a t e d s t a t i o n a r yp l a t f o r mv a n ，a n dp r o m o t i n gi t sm a r k e tc o m p e t i t i v ep o w e r k e yw o r d s ：e l e c t r i c a l l yo p e r a t e ds t a t i o n a r yp l a t f o r mv a n ；f o u r - w h e e l - s t e e r i n g ；o p t i m a ld e s i g no f m e c h a n i s m ；m a t l a b ；a d a m s ；m u l t i b o d yd y n a m i c s ；v e h i c l ed y n a m i c s i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学使论文是我个人在爵师指导下进行的研究工作及取得的研究 成豢。尽我瑟魏，狳了文孛特囊燕强搽注裁羧落戆遮方努，论文中不包含冀 宅太已缀发 表或撰写过的研究成果，识不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而後爝 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 蘑丹究生签名：座詈功日期：兰堕，) ，碍 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、强家图书馆有权谦觏本入所送交学位论文的 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敬。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公务( 包括到登) 授权东南大学霹 窥生院办理。 研究生签名：2 圣童堑导师签名：讷碡甥： o 节，| ) 一t 毫 第一章绪论 第一章绪论 1 1 车辆四轮转向技术概述 1 1 1 车辆四轮转向技术发展的历史、现状和趋向 在本世纪初，人们就设想通过采用前后轮同时转向的办法来减小汽车转弯半径。1 9 0 7 年，日本 政府颁发了一个关于四轮转向( f o u r - w h e e l ，s t e e r i n g ，4 w s ) 系统的专利。这种结构通过一根轴将前 后轮的转向机构连接起来，在汽车低速运行驶转向时让后轮与前轮反相转动来获得较小的转弯半 径。最初这种结构被用在军用车辆和工程车辆上面。这些车辆运行时状况比较恶劣，而且对车辆的 机动性要求也比较高，所以。很早以来人们就在这些车辆上应用这种结构。而将4 w s 技术运用客车 上则比较晚。直到人们对车辆动力学的研究和分析日渐深化，尤其是认识到4 w s 技术对提高车辆高 速的稳定性有重要意义时，这项技术才逐渐在客车得到推广应用。 1 9 8 5 年，日本的n i s s a n 公司在客车上应用了世界上第一例实用的4 w s 系统，它应用在该公司 一个车型的高性能主动控制悬架( h i c a s ) 上。这种悬架采用一个电子控制的液压系统来主动控制 后车轮的转向角度，因而比较明显地改善了车辆在中高速范围内的操纵性和i 稳定性。1 9 8 7 年，n i s s a n 公司又推出了h i c a s 的第二代产品，进一步提高了它的性能。1 9 8 9 年，该公司设计出的s u p e r h i c a s 系统，主要是为了获得对后轮反相转向角度的主动控制，以便获得更有效的动力响应特性。 在这个系统中除了使用液压系统外还使用了转向轮转向角度传感器和车速传感器。这个系统能够使 车辆按照驾驶员的意愿进行自应。到目前为止，h i c a s 系统和s u p e r h i c a s 系统的装车数量已经 超过了1 0 万辆，而且n i s s a n 公司正致力于在其他车型上进一步安装这种装置。 随着人们对四轮转向这一领域研究的不断进展，各公司在提高汽车稳定性方面所持的侧重点也 各不相同。在4 w s 客车的研究和开发方面主要是探索由于厉轮参与转向而带来的车辆响应变化以及 采用各种转向控制策略而产生的差异。但到目前为止，4 w s 还是一种新的机构，人们对它的研究途 径很多，这些将会使4 w s 系统更加完善。4 w s 系统按其结构可分为四类：机械式、液压式、l b 动 式和复合式。后轮的转向与前轮的转向关系可以有多种，这就是转向的控制方法。转向控制方法发 展到现在为止，主要有以下几种”i ： 1 ，f i 彳轮与前轮逆向的前轮转角比例控制方式。后轮的这种控制方式除了横摆角速度增益增大， 转向灵敏度提高以外，汽车的圃有特性并没有改变，而且还使侧向加速度和横摆角速度幅频特性的 振幅增人，车体的摆动量增大，增加了高速转向时的危险性。所以，这种方式只适用于低速大转角 转向时，以提高汽车的机动性： 2 后轮与前轮同向的前轮转向比例控制方式。汽车的固有特性不变，瞬态横摆角速度增益减小， 转向灵敏度下降。而且横摆角速度频率响应的相位滞后增大，不利于汽车的转向特性。但是由于前 轮与，f 亓轮同向偏转，减小了侧向加速度和横摆角速度幅频特性的振幅，车体的侧偏角减小。此方式 一般与其他的后轮转向控制方式组合使用； 3 后轮延时控制和前轮相位提前控制方式。针对后轮与前轮同向的前轮转角比例控制方式在汽 车有不足转向特性的情况下，横摆角速度频率响应和相位滞厉增大使转向特性恶化的问题，可采用 后轮延时控制，使转向的初期相当于2 w s 汽车，随后转化为前后轮同向，可改善横摆角速度频率响 应： 4 后轮位相反转控制方式。后轮位相反转控制就是在转向初期让后轮与前轮逆向以得到较大的 末南大学碛学位论文 横摆角速度，随后后轮徽快就转到与前轮同向，以减小车体的侧偏角。如果比例常数随着率速而改 畿，这种控制方式可以使午体的质心倒偏角为零，这意味着汽车的速度方向与车体的方向敬。但 魁鼍圩究表明这种汽车具谢过度的不足转向； 5 兹轮转燕毙翻( 嚣耱糖摇反转挫镧) + 褴摆角速麦晓铡控铡方式。螽轮蕴攘反转控巷l 方式可 酷经车俸鲍震心秘犏热为零，横摆角速凄魄铡羧镶：寿式疆髓提赢汽车转囱静国有特性，又靛教善汽 车转向的频率响应特性。角速度传感器的使塌为这种控制方式提供r 前提条件。男， 采用横拦角速 度比例控制方式的汽车在受到侧向力作用时，由丁后轮的主动控制，使汽车有一定的自棒机制。这 种方式也叫主动控制四轮转向。 目前以日本的n i s s a n 公司为代表的西方隔家的各大汽车公司都开始致力t - 4 w s 的研究。n i s s a n 公镯为它的n i s s a n 3 0 0 z x 和i n f i n i f i 汽车设诗了s l i p e rh i c a s 系统，w 以根据车速和方肉擞赡转向 条 孛寒控裁螽轮瓣转囱。n i s s a n 公司翡f u k u n a g a 发表戆论文骚究了至静不竭控鬟方式f 幻汽车翡态 晦庵特性 2 1 ，并试圈找滋鼹优化静控镪方法。m a z d a 公司在位的耨鬻豪华s e n t i a 轿车上安装了电控 的凹轮转向系统，它可以根据前轮转角和车速来转动后轮。m a z d a 公司的n a k a m o t o ，m a s a t o m e 和 k a n e s h i n a 提出了车辆横摆中心的概念。荚园c a l i f o m i a 大学的j o h nc w h h e h e a d 采用转向盘的转动 力矩作为系统的输入而不是传统的转向角输入p j ，研究了4 w s 的稳定性结果。还说明了在纵列式驻 率这样的情形f ，车辆的操纵灵活性不会得到姓著的改善。现在已投入的4 w s 汽车普遍受到各界的 关注帮认嗣，但劳不究全致。 餮盎对于4 w s 系绫瓣磷究主要集中在足凝夫学量进嚣涎，象l l 裒邂工丈学、吉蒋下照夫学、上 海交通大学等高校，在豳内的汽车及工程车辆彳亍渡中基本上还没有袋开4 w s 的研究和开发j ：作。高 校由丁i 条件的限制特别怒试验条件和试验经赞的限制，对于4 w s 的研究基本还处于初级阶段，其研 究的重点主要是4 w s 车辆的动力学响应和控制方法的研究。其中北京理工大学则在b j l 3 0 轻型卡车 上安装了4 w s 系统，并进行了一些试验尝试。总的说来，国内对于4 w s 系统的研究基本逑处在理论 研究阶段。 鹫翦萤逸羚已有至少6 零孛不同麴4 w s 系缆歪处予不同鹭投产霸掰 鞠除段。这些系统麓蔓三簧区别 在于冀驱动后轮转肉的羧稍器蟊控喜l 策磅瓣不嗣，暖及采蠲的控南l 方式的差剐。餐是这些4 w s 系统 的研究基本是基于个简单两自由度的车辆镞型。这种模型在研究时忽略了诸如悬架运动、侧向质 髓转移和底盘转动等很多重要因素的影响，因而不是非常精确的，对汽车4 w s 系统的进一步研究还 有待于深化。目前随着电子技术的发展，汽车上也越来越广泛地应用了各种电子设备。而4 w s 作为 改善汽车操纵稳定性的照磐途径，也不仅仅单独应 j 在汽车上，它往往与4 w d 、a b s 等共同应用， 从两改善汽车的操纵稳定憔、动力性、制动瞧等汽车的综台性能，柬满足人嚣j 对车辆越来越商躲要 蔽。 1 1 2 四轮转向的纂本原理 四轮转向汽车在低速时，在后轮上附加一个与前轮转角反向的转角，可以减小车辆的转弯半径 ( 见图1 - 1 ) 。 由a c k e r m a n 转向模型1 4 】即可得山这样的络论：当前后轮转角相同时，四轮转向车( 4 w s ) 转弯 半径明显小于翦轮转囱车( 2 w s ) 。近年泰蟒巍也指出了4 w s 车低邋转淘的缺点，当在有戳空阉墨 转弯辩4 w s 车邃部更笛子蓬到簿碍穆曩这一方瑟是鑫子理论上簿嚣遴( 冕蚕l 一2 ) ，晏方嚣宙予 4 w s 车的车身尾部的厩惑部位较2 w s 车律出要长一些。 四轮转向系统在车辆转弯时能够基本保持车辆重心侧偏角为零【“。传统的前轮转向车辆在转弯 时苒潮的前进方向与其纵向中心线的方向不设，其夹角就是车辆麓心侧偏角。2 w s 车的车辆重心 侧偏角对前轮转向角的增益 第一章绪 论 图1 1 a c k e r m a n 转向原理图i - 2 前轮转向与后轮转向的对比 三，一v 2 c 2 唧2 i 再夏万 式中： 世= 堕k 葛kl 掣；c ：= 慧 ，2 。 k ，k ，三 如图1 - 3 所示，在某一车速下车辆重心侧偏角口= 0 ，此时车辆的前进方向( 即车辆重心的运动方 向) 与车辆纵向对称线方向一致。当低丁- 这一车速时，重心向与前轮转角方向相同的方向偏移；当 高于这一车速时，重心向与前轮转向角方向相反的方向偏移。当后轮附加某一特定的转角时，将产 生与前述相反方向的重心侧偏角，与前轮产生的重心侧偏角叠加，使车辆侧偏角基本为零。 u 声。 07 、) 1 削1 - 3 车辆重心侧偏角对前轮转向角的增益与车速的关系 1 2 课题研究的目的、意义及其相关发展 全球化、网络化和虚拟化已经成为机械制造业发展的重要特征。随着计算机技术的高速发展与 普及应用，这种虚拟化的设计思路和设计方法人人缩短了产品设计与开发周期，并且可以有效地降 低成本，提高设计质量，其经济性、通用性和设计的直观性、简化性成为一种可靠的，行之有效的 辅助设计技术。 目前在车辆上业中，这种设计方法同样成为种趋势，并且正在逐步发展成熟之中。各种三维 建模造型软件以及仿真分析等处理模块的出现和应用，“虚拟现实”技术的引入使车辆行业这一几 基幽 东南大学颤+ 学锭论文 乎涉及了，图家大多数基础工业与生产领域的产业焕发出新的活力。 在车辆的设计与制造中，工程车辆是一个重要的组成部分。它除了包括一般车辆的行驶系，转 向系、锩幼系，制动系等共同的结构组成以外，由于谯用目的及行驶条件的麓异，还有其特殊性， 以透应孪誓定的使疆场蹰及恶劣瓣行驶条襻。对照类车辆遂行安全性、可靠健，及壤动灵活性的援傀 覆诗与荟薛究楚+ 努必要懿。 本课灏针对工释车辆阻轮转向系统机械机构复越，攮数性能要求高等特点，在计算机三维建穰 造型和艘拟技术逐步发展成熟的艇础上，进行参数化和可视化的设计。通过对四轮转向系统的运动 学和动力学仿真进一步分析研究其性能，从而探索解决目前在工程车辆转向系统设计上的落后手段。 提高设计质量和设计效率，为相关产品的开发打下良好撼础。 转向系统汁算机辅助设计的尝试与研究最先在美闲、德国等汽车工业舱先进匿家开展，特别是 许多三缎建模仿囊设计软餐二弱国璐，受热推动。了这一磷突方淹的遘曩。波兰粒z b i g n i e w l o z i a 在s a e 中发表熬车辆动力学摸瓠和与试验豹比较一文中簸通过a d a m s 仿真软搏对其商独立悬絮的车 辆转向系统的动力学进行了计算机仿真分析，建立了撼车转向系统韵分析模型。同时考虑悬絮导向 系统以及路面不平度对转向系统的影响，并在相同输入条件的基础上比较丁模型、模拟结果与试验 结果，在低速条件( v = 1 0 k m h ) 下模型具有较高的模拟精度。在他的另一篇文章车辆运动模拟研 究中则讨论了车辆在不同行驶状况下计算机仿真分析的模型处理，提供了椴好的简化模型的思路 秘方寨。 贯辨，戆莓豹k o r t u e m w 窝s e b i e h l e n w 撰文系缝赍绥了采矮诗篓凌辍翳软佟瘟爱在车辆动岛 学研究中的情况，在健们的鏊予多剐体运费方程的车辆系统动力学软件意用的普遍意义一文中， 详细阐述了建立在多刚体运动方程基础上的仿真软件对车辆各系统动力学分析的参考价值和指导作 用，以及优化没计对设计效率的提高等等。 在国内，对于虚拟漫计这一现代设计方法的研究以及在机械包括汽车领域的应用也日趋成熟， 已取得了一些这方面的应用成粱。机械t 业c a d 中心的王宣涛对计算机辅助设计尤其是国内的发展 应岗媾溅避行了概述；中国工程蕊豁孔辉院士崔汽枣撩缀稳定性中不莰对车辍转囱系统，包摄 基絮帮轮瓣进行了系统魏理论分褥研究，嚣靖毽王缝合7 计冀撬辘勃诗冀对数攀搂型如疆讨论，劳获 得比较满意的分析结果。北京璎工太学林程博士所在谍题组以b j l 3 0 轻型赞车为基础，将其转向系统 改造为四轮转向的样本，并运用a d a m s 软件对其仿真模型进行系统的运动学和动力学仿真与试验 研究，取得了阶段性研究成果。 但是囡前四轮转向机构的计算机辅助设计和仿真分析主要还集中在轿车铸轻型、微型车辆的开 发研制上。在工程车辆设计中连麻划很少，没有将工程车辆四轮转向系统垮跨箕机仿真分析相结合 静臻巍孝瑟遴。 1 3 本课题研究的内容和方法 在本课题中，将以某公司设计开发的b d 2 0 型电动固定平台搬运车为例进行研究分析和优化设 计。原车辆采刚两轮转向机构，转向器采用效率较高的循环球式整体式结构，车辆的悬架采用非独 立式悬絮，通过板簧进行避震，篡主要参数如f ：前轮轮胎4 0 0 8 ( 车轮直径4 0 0 r a m ) ，后轮轮胎5 0 0 - 8 ( 车轮盛经为5 0 0 r a m ) ，毒 | l 撼1 4 5 0 m m ，车轮中心鼹9 6 0 m m 。钢投弹簧中心掇5 2 0 m m ，载重力 2 0 0 0 k g ，行驶速度( 满载，空载) 2 0 3 0 ( k i n h ) 。瑷褥蔟改造为疆辘转岛壤襁。 奉谦越前半部分，进行豳轮转向机构的优纯结构布置，对转向梯形梳构建立目标函数和优化设 计的数学模型，运用m a t l a b6 5 软件辅助优化计辫与设计，结台优化结果璐行运动分析。根据现 有的电动i 酬定平台搬运车的原理样车，建立整车数学模掣和多体动力学模型，对采用比例控制方 裘 的四轮转向的转向特性进行仿真研究；本课题后半部分，我们将采用a d a m s 动力学分析软件，对 一4 第一章绪论 现有的2 2 自由度转向系统理论模型进行模拟，验证模塑在a d a m s 软件分析中的可行性与可靠性， 定量得到四轮转向系统操纵稳定性的力学特性，分析车辆转向不足、中性转向以及速度性能。同时 在现有模型的基础上发展研究车辆侧倾和悬架系统对转向系统的影响，得到相应的动力学分析特憾， 并在仿舆计舞的基础k 讨论搂型浆实用可能，为今瓣深入研究和开发四辕转向技术，推动这一技术 在工疆车辍上秘瘟溪蠡下蕊藏。 本课题在理论联系实隧鞠基础土，将专业计繁机鞴助设计软件应翊潮软件的二次开蓑鞠结合， 通过计算机辅助设计手段，参考目前的转向系统的设计方法，研究探索袋阁适当的专用软件进行三三 维造到和建模，在实体模型中进行机构的运动学和渤力学分析，模拟系统在不同条件和转向要求时 的转向情况，并对系统进行理论研究和优化处理，宓现计算机辅助的参数化和可视化设计。 5 东南大学硕士学位论义 第二章电动固定平台搬运车四轮转向机构的分析与设计 2 1 引言 转向系统是工程车辆的主要部件之一，其功能是改变车辆的行驶方向或保持车辆的直线行驶。 转向系统的性能直接关系到车辆的行驶安全、作业效率和驾驶员的劳动强度。目前，普通汽车一般 采用两轮转向，有前轮转向和后轮转向两种形式，适用于直路或大半径弯路上的行驶。为了提高车 辆转向的机动灵活性和行驶平稳性，人们很甲就设想通过采用前、后轮同时转向的办法米减小汽车 转弯半径。早在1 9 0 7 年，日本即发布了一个关于四轮转向系统的专利【6 j ，提山通过使前轮与后轮同 时作反向偏转米获得较小的转弯半径。该专利最初被用在军用车辆和t 程车辆上，以提高此类车辆 的机动性。将四轮转向技术应用到客车上则比较晚。直到人们对车辆动力学的研究和分析日渐深化， 尤其是认识到四轮转向技术对提高车辆高速时的操纵稳定性有重要意义时，这项技术才逐渐得到推 广应用。本文研究的电动固定平台搬运车系某企业氏期生产的一种t 程车辆类主导产品，主要片j 于 物流仓储中的物资搬运作业，设计时速较低( 4 0 k m h ) 。该产品在新近改型设计中提出引入四轮转 向技术，以进一一步提高车辆在狭窄通道中的机动性和作业能力，同时要求具有较好的经济性。本文 考虑采用一种四轮转向机构来实现这一设计目标，并对该机构的结构和运动性能进行分析与设计， 为新品开发中关键技术的解决奠定基础。 2 2 电动固定平台搬运车四轮转向机构的组成 幽2 - 1四轮转向机构的组成 如图2 - 1 所示，电动固定平台搬运车的四轮转向执行机构由两套交叉式烈梯形转向机构组成， 两套机构之间通过氏拉杆e e 联接( 车辆直行时o e 和0 7 f 均垂直丁0 0 7 ) ，以使前、后轮作逆相位 转向。整个机构属于一种机械式四轮联动转向系统，它与采用齿轮齿条传动的机械式四轮转向系统 相比，不仅结构简单，维修保养方便，而且经济适用。 6 第二章 电动同定平台搬运车旧轮转向机构的分析与设计 2 3 交叉式双梯形转向机构运动分析 2 3 1 前转向轮转角关系 图2 - 2 交叉式双梯形前轮转向机构运动参数 图2 - 3 交叉式双梯形前轮转向机构的等效梯形机构 前轮转向机构的运动尺寸参数和车辆直行时的位置参数如图2 2 所示。为便丁分析，将图2 2 中的前轮转向机构分解为图2 - 3 所示左分开的两套四杆机构，并使0 岛、0 0 2 各旋转妒角成剧示 水平位置。市辆直行时梯形臂o a ( 或0 2 1 ) ) 和主动摇臂o b ( 或o c ) 在图2 - 2 与图2 3 中的位置 角之间存在如下关系： o = 0 0 一p ，五= 厶一p( 2 1 ) 当通过主动摇臂1 逆时针转过v 角使车辆左转弯时，两套四杆机构由车辆直行时的实线位置( 图 2 - 3 ) 运动到虚线位置，此过程对应于梯形臂o i 爿转过d 角( 为外转向轮偏转角) ，梯形臂0 2 d 转过 口角( 为内转向轮偏转角) 。以o 为原点建立直角坐标系，则a ，a7 、b 、b7 ，c ，c7 、d 、d7 的坐 标分别为： a ：【厂一ms i n o , - m c o s o j a ：i f + ms i n ( a 一口) ，一m c o s ( d 一目) j b ：l 一，s i n 丑，一，c o s z l b l ： - r s i n ( 2 一p ) ，一r c o s ( 2 一) 】 c ：l ，s i n 五，一r c o s 五l c ： rs i n ( 兄+ p ) ，一，c o s ( 2 + v ) j d ：bs i n 口一f ，一mc o s o j d ：bs i n ( f l + 0 ) 一v , - - mc o s ( , a + 目) j 由a b = a l b ，可得 ( 厂一7 ”5 i “目+ 75 i “五) 2 + ( - m c o s 0 + rc o s a ) 2 f 2 2 1 = ，+ ms i n ( a 一日) + rs i n ( a y ) 2 + 一mc o s ( a 一目) + r c o s ( 见一) 】2 查堕查兰里主竺堡兰兰一 化简后得 户一f i ns i n ( a 一0 ) s i n ( z p ) 一m r c o s ( a o ) c o s ( 丑一) ：一f ms i n o + f rs i n 2 一m r c o s ( a 一0 ) 一”s i n ( f ：z 一0 ) 令 a = m r c o s ( 0 + a 1 口= f r + f m s i n p + “) c = f r o s i n ( 0 + a ) 一s i n 0 + m r c o s ( o 一丑1 2 s i n , i 将a 、b 、c 代入上式则有 a c o s ( 2 一) 一b s i n ( 2 一) = c 等式两边同除以4 2 十b 2 得 本专c o s ( 2 - 妒) - 志s i n ( 2 - g t ) = 志 s 吣c o s ( 丑训s 洲丑训2 志 濮中f 一劬詈 s i n f 一( a 一咿) 】= 产亏每 q a 2 上b y5 孝+ 8 。8 1 “赢+ 五 v = a r c t a n - a b - a r c s i n 南珠他 眇 予 v 2 丽一九2 。1 d 。“、i ( 2 - 3 ) 同样由c d = c f ，d f 得 ( rs i n a + f m s i n 0 ) 2 + ( 一r c o s 3 + m c o s o ) 2f 2 4 1 ： r s i n ( a + w ) + f m s i n ( f l + 目) 2 + 【_ r c o s ( a + p t ) + m c o s ( f l + 6 2 化简后得 一 f r s i n 2 一s i n ( 2 + q o l s i n ( f l 一目1 一m r c o s ( a + q ) c o s ( ? 一目) ；f r s i n 兄一砌s i n 0 一r m c o s ( g - 印一步s i n ( 2 + q ) 令 其中 d = 一m r c o s ( a + _ ! f ，) e = 加+ ，饼s i n ( + y ) f = f r s i n 2 一s i n ( 2 + v ) 一f ms i n 0 一r m c o s ( 2 一日) 一e s i n ( f l 一0 、+ d c o s ( f l 一0 1 = f 一意杀s i n ( f l - 0 ) + 赤c o s ( p - 0 ) = 孝寿 s i n j 一( 卢一目) 2 寿 d = m c t a n d e - c o s j s i n ( 卢一目) + s i n , i c o s ( , a 一目) 2 了寺 第二：章电动同定平台搬运车四轮转向机构的分析与殴计 对上式整理得 n f 卢28 ”诅“e - a r c s i n 赢+ 8 2 j ( ) ( 2 - 5 ) 将式( 2 3 ) 代入式( 2 5 ) ，即得前轴 勺轮转向卢与外轮转向角n 之间的函数关系 卢= 【_ ( 口) = ，( “)( 2 - 6 ) 由上述分析过程可知，在k 、e 一定的情况下，影响式( 2 6 ) 函数关系的机构参数有主动摇臂臂长 r 及其初位角山和梯形臂km 及其初位角岛。 2 3 2 前、后转向轮转角关系 因前、后轮采崩了的结构和运动尺寸均相同的转向机构，所以后转向轮之间的转角关系同前转 向轮，即有= 一( 口7 ) 、卢7 = 正( ) 年n 卢= f ( a7 ) 。 如图2 - 4 所示，前、后轮转向机构通过拉杆e e 实现联动。当o e 逆时针转动v 角到o e l 位置时， 通过拉杆e 带动o e 顺时针转动角到达d 伍；位置。设o o = m ，d e = ，取o e ：2 l ，则 e 、e pe 、e 四点的坐标为： e ( - l ，0 ) 既( 一，c o s w ，- i s i n ) e 7 ( 2 1 ，一l 一2 e ) 既( 2 1 c o s v t - - l 一2 e 一2 1 s i n ) 由e e = e ，群可得 ( 2 ，+ ，) 2 + 彳2 = ( 2 1 c o s t + l c o s v ) 2 + + 2 l s i n v 7 一l s i n ) 2( 2 7 ) 上式经处理得 7 = a r c c o s 了万芋 尹+ a r c t a n u=g(y)=g(_(a)(2-8)-y = 了孑i 2 i 歹亍+ = g y = g ，口 式中：u = 2 m 一2 1 s i n 妒，v = 2 1 c o s v ，w = 2 l + m s i n 炒。 图2 4 前、后转向轮转角关系图2 - 5四轮转向瞬时转动条件 2 3 3 转向梯形角计算 如图2 - 3 所示，等效梯形机构梯形角门、弛的大小影响到机构的传力特性和运动灵活性，设计时 需对其变化范同加以限制。梯形角与机构尺寸和运动位置的关系如下： o s - 1 立丛生乞笋型塑! l ( 2 _ ，) 9 东南大学硕士学位论文 n ：c 。s 一，竺：! ! ：二【：! ：二! 业! 箜( ! ! ：! 墨坚卫r 2 一1 0 1 2 m l 、7 2 4 电动固定平台搬运车四轮转向机构的优化设计 2 4 1 四轮转向瞬时转动条件 为使电动固定平台搬运车在四轮转向过程中车轮只作滚动而无侧滑，整个转向过程中全部车轮 必须围绕同一瞬时中心相对于地面作圆周滚动，此即四轮转向瞬时转动条件。如图2 - 5 所示，当转 向过程中四个车轮的轴线汇交于一点p 时，有 三一面而k ( c o t a - c o t = 世 ( 2 - 1 1 ) 上式整理后得 f l = c o t - 1 c 。t 口一k ( c o t ，a - 。c o t f l ) ：，( 8 ) ( 2 - 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 即为四轮转向瞬时转动条件对应的前内轮转角口与前外轮转角砣问应满足的理论关系。 2 4 2 优化设计数学模型 对于图2 - 1 四轮转向机构，优化设计中的已知参数有：前、厉轮轴距三，左、右车轮转向主销轴 线与地面交点0 1 、0 2 之间的距离丘，前轮转向臂o e 、后轮转向臂0 一e 和长拉杆e e ，的长度；e 、厂 ( 绒p ) ( i 割2 - 2 ) ，前轮最大转向角口( 或风。) 。取设计变量为 x = x 1 ，x 2 ，x 3 ，x 4 1 = m ，岛，凡 。( 2 1 3 ) 约束条件为： g l ( x ) = 一x 】 0 9 2 ( ) = 一z 3 0 如( 盖) = s i n 7 卜s i n 鹕( x ，d ) 0 9 4 ( ) = s i n y 一s i n 欢( ，口) 0 优化设计的目的是由式( 2 6 ) 确定的前内、外轮转向角关系，位) 尽可能接近式( 2 1 2 ) i ￥j f m ) ， 其偏差在最常用的小转向角范围内应尽量小，而在不常用的人转向角时可放宽要求，因此再引入加 权因子c o ( a ) 。若将外转向角a 在最大值口。a x 的范罔内离散化，则此四轮转向机构的优化设计目标函 数7 1 可表示为 m i 州( 耻m i n 砉删巡蔷赫继 ( 2 - 1 4 ) 卢0l o 、“j 川 2 4 3 优化结果与分析 解决图2 - 1 所示四轮转向机构的优化设计问题，可j j = f 结为寻求上述带有非线性约束的四维问题 的最优解。可采用混合惩罚函数法，并借助于m a t l a b 软件9 】加以实现。电动固定平台搬运下优化 设计的己知数据为：k = 1 0 0 0 m m ，l = 1 5 0 0 m m ，取l o e = 1 2 0 m m ，岛w ，= 2 4 0 m m ，m = - 1 6 9 1 m m 、厂_ 5 0 9 m m ( 或妒= 1 2 。) ，口。a x = 属。= 2 8 。， 州= 1 7 5 。取加权因子为 l o 第二章电动同定平台搬运车四轮转向机构的分析与设计 o 。 口1 0 。 1 0 。 口2 0 0 2 0 。 口2 8 0 表2 - 1 不同初值时优化结果参数表 r 2 - 1 5 、 p ? 与反钓 初始值优化解 相对偏差 梯形臂艮梯形底角 中央摇臂 中央摇臂夹梯形臂长梯形底角 中央摇臂 中央摇臂 臂长臂殴 m ( m m )o o ( o ) 角凡( 。)m l ( m m )6 b ( 。)夹角凡，( 。) r ( m m )烈m m 2 0 02 54 0 0 3 0 2 0 1 1 2 52 4 8 7 04 0 2 5 3 22 9 5 5 71 2 5 2 2 02 5 4 3 03 02 2 0 5 8 22 5 0 8 3 4 3 1 7 1 52 9 8 9 51 9 1 2 4 02 54 6 03 02 4 2 7 7 42 5 3 6 94 6 0 8 2 53 0 4 2 72 2 2 2 6 02 54 9 03 02 6 3 2 5 82 5 6 7 54 9 5 7 8 03 0 5 1 63 5 9 2 8 02 55 1 03 02 8 4 4 3 62 5 ，5 8 45 1 7 5 4 83 0 8 8 04 7 5 3 0 0 2 55 4 03 03 0 0 8 2 52 5 3 3 75 4 8 9 2 43 0 8 9 55 0 5 当取不同的初始值进行优化计算时，计算结果如表2 - 1 所示。由表中可看出，当初始值取x = 2 0 0 ， 2 5 ，4 0 0 ，3 0 t 时，误差最小。随着梯形臂长或中央摇臂长的增大，误差逐步增大。利用优化计算结 果作为输入数据绘制外转向轮实际转角p 和理论转角b t 随输入角的变化曲线，如图2 - 6 所示，图 中实线为p n 曲线，虚线为b t 一曲线。同时可得出误差曲线如图2 7 所示。 图2 - 6x = 2 0 0 ，2 5 ，4 0 0 ，3 0 时的内外轮 转向角关系曲线 图2 - 7x = 2 0 0 ，2 5 ，4 0 0 ，3 0 7 时实际转 向角理论转向角之误差曲线 电动固定平台搬运车四轮转向系统具有转弯、r 径小，机动灵活，行驶安全平稳，深入研究并且 积极开发这一系统，适应了物流技术装备市场的需要，它代表了新的发展方向，其产品必将成为企 业新的利润增氏点。运用计算机辅助设计，具有简沽、高效、适用性强的特点，将快速提升人们对 产品的设计速度和设计质量。 5 5 1 1 0 。r，、【 = ) 口 ( 东南大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章基于机构运动学理论、车辆转向技术以及机构优化设计技术研究的电动固定平台搬运车四 轮转向系统，具有转弯半径小、机动灵活、行驶安全平稳等优点，应深入研究并且积极开发这一系 统，以适应物流技术装备市场快速发展的需要。可以预见，代表着四轮转向技术的新产品一日进入 市场，必将具有强大竞争力，成为企业新的利润增长点。 第三章p u 轮转向车辆二自由度模型的建立及转向特性研究 第三章四轮转向车辆二自由度模型的建立及转向特性研究 本章将对四轮转向车辆二自由度模型的建立及转向特性进行理论分析，并参考原设计样车参数 进行数学仿真，对比研究采用重心零侧偏角控制策略的四轮转向车辆与传统前轮转向车辆的转向响 应特性，以及不同因素和控制实现方法对转向响应特性的影响趋势。以此研究在二自由度条件f 四 轮转向车辆的操纵稳定性特性，为后续的多体模型计算机仿真分析提供参照。 3 1 四轮转向车辆二自由度模型的建立 操纵稳定性的研究和评价方法多种多样，所涉及的问题十分广泛