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双前桥重型汽车转向系优化与钢板弹簧有限元分析 摘要 c a e 是计算机辅助工程( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 的英文简称，随着计 算机技术的发展，企业可以建立产品的数字样机，并模拟产品及零件的工况， 对零件和产品进行工程校验、有限元分析和计算机仿真。在产品开发阶段，企 业应用c a e 能有效地对零件和产品进行仿真检测，确定产品和零件的相关技术 参数，发现产品缺陷，优化产品设计，并极大降低产品开发成本。虚拟样机技 术和有限元技术均属于c a e 。 虚拟样机技术作为一项新的产业技术，己经开始应用到各个领域，显示出 了巨大的技术优势和经济效益。本文从分析虚拟样机技术的特点和优势出发， 针对现有双前桥汽车转向系统设计评价手段存在的不足，将虚拟样机技术引入 重型汽车设计开发领域。应用机械系统动力学自动分析软件a d a m s ( a u t o m a t i c d y n a m i ca n a l y s i so f m e c h a n i c a ls y s t e m s ) ，针对某型号重型汽车双前桥系统为研 究对象，建立包括转向盘、循环球式转向器、双前桥、双摇臂、主销、钢板弹 簧等在内的双前桥系统多体模型。依据建立的虚拟模型和仿真结果，对转向系 统进行了相关的运动学分析、干涉校核分析和动力学分析，并运用a d a m s 软 件对两转向梯形和双摇臂机构进行了优化设计。 有限元分析f e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 正逐渐成为汽车设计的主流。有限 元法的最大优点之一就是可以仿真设计对象的实际工作状态，因而可以部分代 替实验，指导精确设计。汽车钢板弹簧存在非线性和迟滞特性。应用f e a 分析 方法法进行钢板弹簧设计可以同时考虑到结构的大变形、摩擦、簧片间的接触 以及组装时的预应力和工作应力的结合，从而实现对钢板弹簧的精确设计。几 何非线性和状态非线性将使得计算不容易收敛，因而需要较高的求解技巧及分 析策略。本文采用a b a q u s 软件的s t a n d a r d 和e x p l i c i t 分析模块分析了某钢板弹簧 的动静刚度特性和应力分布状态，讨论了摩擦对其性能的影响，其分析流程及 结果可以为同类型产品的设计提供参考。 关键词：虚拟样机技术有限元双前桥转向机构运动学动力学钢板弹簧 非线性 o p t i m i z a t i o no fs t e e r i n go ft h ed u a l - f r o n t - a x l eh e a v y t r u c k sa n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fl e a f - s p r i n g a b s t r a c t c a ei st h ea b b r e v i a t i o no fc o m p u t e r - a i d e de n g i n e e r i n g w i t ht h eg r o w i n g c o m p u t e rt e c h n o l o g y , e n t e r p r i s e sc a nb u i l dt h ed i g i t a lp r o t o t y p eo ft h e i rp r o d u c t s ， s i m u l a t et h ep r o d u c tu s i n gc o n d i t i o n s ，a n dd ot h ee n g i n e e r i n gv e r i f i c a t i o n s ，f e a a n a l y s e se t c s i m u l a t i o nt e s t i n g ，p a r a m e t e r sc o n f i r m i n g ，d e f e c t i o nd e t e c t i n g ， o p t i m i z a t i o nd e s i g n i n ga n dc o s tr e d u c i n g ，a l lc a nb ea c h i e v e db ye n t e r p r i s e sw i t h u s i n gc a ed u r i n gp r o d u c td e v e l o p m e n ts t a g e v i r t u a lp r o t o t y p i n g ( v p ) a n df i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) t e c h n o l o g ya r eb e l o n g e dt oc a e a san e wi n d u s t r yt e c h n o l o g y , v i r t u a lp r o t o t y p i n g ( v p ) t e c h n o l o g yh a sb e e n u s e di nm a n yf i e l d sa n ds h o w ng r e a tt e c h n i c a la d v a n t a g e sa n de c o n o m i cb e n e f i t s d u et ot h ea d v a n t a g eo ft h en e wt e c h n o l o g yv p ，i no r d e rt oi m p r o v et h e u n c o m p l e t e da s p e c t s i nt h et r a d i t i o n a l d e s i g n o fs t e e r i n g s y s t e m o ft h e d u a l f r o n t a x l eh e a v yt r u c k s ，t h en e wt e c h n i q u ei sa p p l i e di nt h ef i e l do ft h eh e a v y t r u c k sd e s i g np r o c e s s t h em u l t i b o d ys t e e r i n gs y s t e mm o d e lo fad u a l f r o n t - a x l e h e a v yt r u c k su s i n ga d a m ss o f t w a r ew a se s t a b l i s h e d ，w h i c hc o n t a i n ss t e e r i n g w h e e l ，r e c i r c u l a t i n gb a l ls t e e r i n gg e a r ，d o u b l e f r o n ta xl e ，d u a l r o c k i n ga r m s ，k i n g p i ne t c a c c o r d i n gt ot h ec r e a t e dv i r t u a lm o d e la n ds i m u l a t i v er e s u l t ，w ea n a l y z e t h ek i n e m a t i c sc a p a b i l i t yo fs t e e r i n gs y s t e mo ft h ed u a l f r o n t - a x l eh e a v yt r u c ka s w e l la st h ec h e c ko fi t si n t e r v e n em o v e m e n t ，e s p e c i a l l yd i s c u s s i n gt h ed y n a m i c s a n a l y s i so fs t e e r i n gs y s t e mu n d e rt h ei n s t r u c t i o no fv i r t u a lp r o t o t y p i n g ，m o r e o v e r ， w ed os o m eo p t i m i z a t i o no nt h ed u a l - s t e e r i n gt r a p e z o i d sa n dd o u b l er o c k i n ga lm s f e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) i sb e c o m i n gt h em a i ns t r e a mi na u t o m o b i l e d e s i g n i n g o n eo ft h em o s tb e n e f i t so ff e a i st h a ti tc a ns i m u l a t et h er e a lp r o d u c t o p e r a t i o nc o n d i t i o n s ，p a r t i a l l ys u b s t i t u t et h et e s t sa n di n s t r u c tp r e c i s ed e s i g n i n g t h e r ea r en o n l i n e a ra n d s l u g g i s hp r o p e r t i e s i n l e a f - s p r i n go p e r a t i o n g r e a t d i s t o r t i o n ，f r i c t i o n ，c o n t a c tb e t w e e nl e a v e s ，c o m b i n a t i o no fp r e - a s s e m b l ys t r e s sa n d w o r k i n gs t r e s sa l lc a nb ei n c l u d e dw h e na p p l y i n gt h ef e am e t h o d st od e s i g n l e a f - s p r i n g ，a n dt h e np r e c i s ed e s i g nc a nb ei m p l e m e n t e d n o n l i n e a r i t yo fg e o m e t r y a n ds t a t u se a s i l yl e a dc o n v e r g e n c ed i f f i c u l t y , s ot h e r en e e dm o r er e q u i r e m e n t si n a n a l y z i n gs k i l la n ds t r a t e g y w ea n a l y z e dt h es t a t i c d y n a m i cs t i f f n e s sa n ds t r e s s d i s t r i b u t i o no fo n el e a f - s p r i n gb yu s i n gt h es o f t w a r e a b a q u s s t a n d a r da n d a b a q u s e x p l i c i t ，s t u d i e dt h ef r i c t i o ni n f l u e n c et ol e a f - s p r i n gp e r f o r m a n c e t h e m e t h o da n dc o n c l u s i o ni nt h i sp a p e rc a nb eu s e df o rt h ed e s i g na n da n a l y s i so ft h e s i m i l a rp r o d u c t s k e y w o r d s ：v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s d u a l f r o n ta x l e s t e e r i n gs y s t e m k i n e m a t i c s d y n a m i c sl e a f - s p r i n gn o n l i n e a r i t y 插图清单 图2 - 1 双前桥4 轴汽车的理想内、外转角关系6 图2 - 2 汽车整车转向模型中瞬时转动中心示意图7 图2 - 3 转向传动机构运动校核图7 图2 - 4 双前桥转向摇臂及梯形机构示意简图9 图2 - 5 转向轮转角随第一摇臂摆角的变化曲线1o 图2 - 6 一桥二桥左轮转角关系的实际值与理论值的对比10 图2 - 7 转向器摇臂到各个转向轮间的传动比1 2 图3 - 1 第一前桥转向梯形转向特性18 图3 2 第二前桥转向梯形转向特性1 8 图3 - 3 转向双摇臂转向特性18 图3 - 4 双桥综合转向特性，1 9 图3 - 5 两前桥转向梯形结构示意及其特征参数1 9 图3 - 6 一桥右轮转角实际值与理想值之差2 0 图3 - 7 二桥右轮转角实际值与理想值之差一2 l 图3 - 8 一桥右轮转角实际值与理想值之差2 1 图3 - 9 二桥右轮转角实际值与理想值之差2 1 图3 1 0 第一前桥转向梯形转向特性2 1 图3 1 1 第一前桥转向梯形转向特性2 2 图3 1 2 双前桥摇臂机构示意图2 2 图3 1 3 二桥左轮转角实际值与理想值之差2 4 图3 1 4 二桥右轮转角实际值与理想值之差2 4 图3 15 第一摇臂a 点的z 坐标对目标函数1 的影响曲线2 4 图3 16 第一摇臂a 点的z 坐标对目标函数2 的影响曲线2 4 图3 17 第一摇臂b 点的z 坐标对目标函数1 的影响曲线2 5 图3 1 8 第一摇臂b 点的z 坐标对目标函数2 的影响曲线2 5 图3 - 1 9 中间过渡摇臂c 点的z 坐标对目标函数1 的影响曲线2 5 图3 - 2 0 中间过渡摇臂c 点的z 坐标对目标函数2 的影响曲线2 5 图3 - 2 1 中间过渡摇臂d 点的z 坐标对目标函数1 的影响曲线2 5 图3 - 2 2 中间过渡摇臂d 点的z 坐标对目标函数2 的影响曲线2 6 图3 - 2 3 第二摇臂h 点的z 坐标对目标函数1 的影响曲线2 6 图3 - 2 4 第二摇臂h 点的z 坐标对目标函数2 的影响曲线2 6 图3 - 2 5 第二摇臂j 点的z 坐标对目标函数l 的影响曲线2 6 图3 2 6 第二摇臂j 点的z 坐标对目标函数2 的影响曲线2 6 图3 - 2 7 二桥左轮转角实际值与理想值之差2 7 图3 2 8 二桥右轮转角实际值与理想值之差2 7 图3 2 9 转向双摇臂转向特性2 7 图3 3 0 双桥综合转向特性2 8 图4 1 液压转向助力系统示意图2 9 图4 - 2 第一桥左轮及主销位置图3 0 图4 3 重力回正力矩随车轮转角的变化曲线3l 图4 - 4 一桥左转向节总成受力示意图3 2 图4 5 动力转向器静特性3 4 图4 6 动力转向器静特性3 4 图5 1a b a q u s 产品。3 8 图5 - 2 有限元分析软件a b a q u s 分析过程i 。3 9 图5 3 约束部分与非约束部分定义4 2 图5 - 4 改进的集中载荷法示意4 3 图5 - 5 全牛顿一拉普森平衡迭代示意4 4 图5 - 6 接触逻辑。4 6 图5 - 7 钢板弹簧自由状态下1 4 几何模型4 7 图5 8 接触属性设置模块4 8 图5 - 9 面面接触设置模块4 9 图5 - 10 摩擦行为5 0 图5 1 1 板簧的1 4 有限元模型5 0 图5 一1 2 钢板弹簧装配后所产生的预变形图5 1 图5 1 3 钢板弹簧装配后所产生的等效预应力云图。5 l 图5 1 4 钢板弹簧满载状态下节点位移云图5 2 图5 1 5 钢板弹簧满载时的等效应力云图5 2 图5 - 1 6 钢板弹簧满静态载荷一位移曲线5 3 图5 1 7a b a q u s e x p l i c i t 中面面接触设置模块5 4 图5 1 8 钢板弹簧装配后所产生的预变形图5 6 图5 1 9 钢板弹簧装配后所产生的等效预应力云图5 6 图5 2 0 钢板弹簧在动态载荷为幅值状态下的节点位移云图5 7 图5 - 2 1 钢板弹簧在动态载荷为幅值状态下的等效应力云图5 7 图5 - 2 2 钢板弹簧动载荷及第一片叶片自由端位移响应时间历程5 7 图5 - 2 3 钢板弹簧满动态载荷一位移曲线5 8 表格清单 表2 1 双前桥转向汽车结构参数1 0 表3 1 重型汽车重要铰接点的坐标1 5 表3 - 2 车轮定位参数表1 5 表3 - 3 轮胎特性1 6 表3 - 4 一二桥梯形结构参数初始值及取值范围2 0 表3 5 设计变量与两桥梯形顶点的对应关系2 0 表3 - 6 梯形的结构参数的最终优化结果2 2 表3 - 7 双前桥摇臂机构参数初始值及取值范围2 3 表3 8 设计变量与各摇臂端点y 坐标的对应关系2 3 表3 - 9 双前桥转向摇臂结构参数的最终优化结果2 8 表5 1 钢板弹簧几何尺寸表4 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果。也不包含为获得 金b 曼墨些态堂 或其他教育机构的学位或证书两使 用过的材料。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 明并表示谢意。 学位论文作者签字兹d 每签字日期：m 年妒月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金匿王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 盒胆王些盍堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者弛稚心】侈 签字日期：如码年缈月枷日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地五e ： 导师签名：淞盹 签字日期：砂两罗年年月z o 日 电话： 邮编： 致谢 感谢我的导师张代胜教授，他使我对如何学习、工作和做人有了更深的了 解。张老师深厚的学术功底、严谨的治学态度、虚怀若谷的学术作风对我的研 究生阶段教育起到了重要的作用。攻读硕士学位期间我取得的每一次学业上的 进步都与导师在背后默默耕耘是分不开的。张老师不仅传授我很多学术知识， 使我受益匪浅；在我困顿和迷茫时，也深深鼓励我、鞭策我，激励着我不断向 前，教会了我永不言败。感谢导师在我的研究生学习、工作和生活上给予的亲 切关心和帮助! 感谢陈朝阳校长、陈无畏教授、石琴教授、谭继锦副教授、尹安东副教授、 姜武华讲师以及其他关心、帮助过我的老师们，谢谢你们! 感谢汽车实验室的温千宏老师、徐建中老师、在学习上给予我的大力支持 和帮助! 感谢李进、初长宝、仇彬、张林涛、夏国林、汪成明等师兄，怀自力、李 强、陆昌年、路瑞刚、芦伟、李波、王毅、刘闪闪、朱轶、刘丹、邓超、刘钊、 卢利平、朱清君、陈娜、柏林等同学在学习上和生活上对我的帮助! 感谢我的的父母、姐姐和妹妹! 是他们长期在背后默默支持着我，给予我最 深厚、最真切、最平凡却又最伟大的爱。 感谢在我成长过程中给过我关心和帮助的人们! 作者：程小虎 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 双前桥重型汽车转向系研究的意义 随着国民经济建设中物资流量迅速猛增，公路运输业对重型汽车的需求就 日益增大。对于重型汽车的设计，必须考虑其轴荷限制，使其既在结构上可行， 又符合道路交通法规的要求，提高行驶安全性和稳定性，简单易行的方法就是 增加轴数，将载货车辆的轴数由两轴发展到三轴或、四轴乃至多轴。然而，随 着重型汽车转向轴轴数的增多，必然会使转向系统结构上变得复杂，转向系统 与悬架的干涉问题加重，转向时转向轮和地面之间的滑移量增大而使轮胎的胎 面磨损增加以及最小转弯半径增大、转向阻力增大等一系列的问题，导致整车 的转向性能的下降。这就给多桥转向装置的设计提出了更高的要求。因此在 多轴车辆中，转向系统优化设计的目标可明确为：对转向系统构件从结构上进行 优化设计，从而减少转向阻力、减小转弯半径、提高操纵稳定性和轻便性、延 长轮胎及各构件的使用寿命，来提高整车转向性能1 2 j 。 汽车某一结构参数对整车转向性能的影响，仅仅是一个趋势上或程度上的 变化。具体到双前桥转向系统中，梯形机构用以保证左、右轮按一定的规律偏 转，实现同一轴上左、右轮的转角关系。同时，不同转向桥之间需要设计相应 的传动机构，以保证各转向桥间的运动协调，实现不同转向桥之间正确的车轮 转角关系【3 4 】。另外，传动机构中传动摇臂机构的布置会影响转向系统的力和力 矩的传递问题，对方向盘转向力的均匀性和转向的轻便性能有很大的影响；在 转向过程中，摇臂机构各构件要受到拉压力、弯矩和扭矩等组合力矩的影响， 为了保证行驶安全，其应有足够的强度【5 】。因此，合理设计重型汽车双前桥转 向系统中的双摇臂传动机构对整车转向性能的影响至关重要。 整车转向性能是各个相关因素的综合反映，影响转向性能的因素有很多， 如转向车轮的定位参数，梯形机构的结构参数，转向传动机构的布置，悬架机 构的轴转向，以及弹性车轮偏离转向等等【o j 。 另外，随着计算机技术的迅猛发展和进步，其在工业中应用的深度和广度 不断拓展，推动着生产力的不断提高。汽车工业中产品的研发、生产技术方法 手段等与时俱进，不断进步。在产品开发设计，建模以及简单分析向c a d c a e c a m 发展，产品的开发过程从设计一一试制一一修正这样一个多重循环过程向虚拟 样机技术方向转化。数字化虚拟样机技术是缩短车辆研发周期、降低研发成本、 提高产品设计和制造质量的重要途径。它利用系统仿真的概念，从设计一一试 验一一改进设计一一再试验一一再设计的设计理念转化为设计一一仿真一一试 验。因为虚拟样机技术可以部分代替样机试制和台架试验，所以使设计中的主 要问题利用数字化样机技术在设计初期得以解决。同时在设计验证的过程中对 部件及子系统进行有限元分析，校核部件的强度等指标能否满足要求，使得产 品的功能及可靠性有进一步的提高。这种以现代电子计算机软硬件技术为支撑 的c a d c a e c a m 方法代表了一种更先进的设计方法。它能把工程技术人员从繁重 的设计计算中解放出来，去从事更具有创造性的工作。更为重要的是它能综合 汽车工业几十年积累的大量实践经验，帮助设计人员尽可能多地节省从产品设 计初稿到产品定型所花费的工作时间。 本课题，在重型汽车双前桥转向系统的研究基础上，对转向系统进行了运 动学分析并完成对双前桥转向系的优化，且对此转向系统进行了动力学分析来 校核构件强度、提高汽车行驶安全性和整车操纵轻便性。本研究充分利用数字 模拟仿真技术，减少了开发中物理试验的次数，缩短了开发周期，节约了成本， 可以为汽车企业的设计提供技术参考。 1 2 双前桥重型汽车转向系国内外研究现状 早在上世纪8 0 年代，国内就对重型汽车双前桥转向系统进行了研究探索， 提出了多种行之有效的设计方法。传统的转向系统设计一般是以平面投影设计 方法为主。对于具有双前桥转向系统的重型汽车来说，转向系统结构复杂，要 想设计出性能理想的双前桥转向系统，就必须在三维空间中进行校核、调整、 优化。随着多刚体运动学理论的发展，它已经成为对复杂空间进行运动学分析 的通用方法【7 1 。目前，多刚体系统动力学的研究方法主要有：工程中常用的以拉 格朗日方程为代表的分析力学方法、以牛顿一欧拉方程为代表的矢量力学方法 等。 双前桥转向重型汽车的整车转向性能主要是由传动摇臂机构和转向梯形机 构参数决定的。而影响多轴转向特性的主要是传动摇臂机构，因此传动摇臂机 构成为了大多数双前桥转向机构优化设计的重点。 目前，重型汽车生产商还考虑到转向车轴设计、整车性能合理匹配、转向 液压系统以及悬架设计等对转向系统的影响，以进一步地提高双前桥转向汽车 的转向性能，如：德国( b p w ) 贝尔吉斯车轴公司与济南塞夫车桥有限公司( t a s f ) 等生产的自转向车轴，自动向车轴的轮胎使用寿命较普通车轴可延长2 3 倍。东 风汽车有限公司商用车公司通过整车性能合理匹配设计的方法来改善双前桥、 双转向轴汽车轮胎磨胎状况：另外，东风汽车专有的卡车随动转向技术，同步转 向，使双前桥转向更安全可靠、更灵活轻便。北方奔驰研发人员自主创新出结 构独特的双前桥悬挂和特殊的转向连杆机构：采用双回路动力转向，对于带有 应急转向系统的车辆可以确保汽车在发动机突然熄火等特殊工况下仍能安全转 向：在前悬架的设计上，采用第一和第二桥悬架共用一个支撑点的方式进行优 化设计，同时保证了两个前桥承载的均衡性。并在前桥悬架上装扭杆稳定器， 提高了汽车的操纵稳定性。 重型汽车双前桥转向系统是一个极其复杂的多体系统，对它的动力学分析 2 的精确度决定着汽车的整车转向性能。计算机辅助设计的研究，特别是三维建 模仿真软件的出现，推动了车辆动力学仿真研究的快速发展 8 1 。在文献资料中 可以找到相关研究论文，如波兰的z b ig n ie w l o z i a 在s a e 中发表的车辆动力 学模拟与试验的比较，德国的k o r t y u e w 和s c h ie h l e n w 撰写的基于多刚体 运动方程的车辆系统动力学软件应用的普遍意义等等。 汽车工业十分重视和迫切需要缩短产品的开发周期，因此，欧美、日本等 国外各大汽车制造商( 如克莱斯勒、福特等公司) 都在实现虚拟样机现实产品开 发战略。国内采用虚拟样机技术研究汽车动力学的工作虽然起步较晚，但发展 还是较快。上海汇众、一汽解放、中国重汽等国内大型汽车制造公司也在攻关 车辆动力学仿真研究。但是目前此方面的研究还主要集中在轿车、客车等车辆 的开发研制上，在重型汽车设计中的应用较少。 1 3 我国钢板弹簧设计的研究现状 自从我国有自己的汽车工业开始，传统的多片式钢板弹簧就一直是设计中 唯一采用的板簧结构型式，八十年代中期少片簧的采用打破了多片簧一统天下 的局面，但是多片簧仍在我国的板簧生产中占有相当大的比重。由于多片簧有 着体积大，重量大的缺点，在提倡环保，节约能源、材料，力求汽车轻量化的 今天，以及对汽车平顺性的要求下，应当尽量多的使用少片簧来取代多片簧。 在国外越来越多的汽车上己采用一片或几片变厚断面组成的少片板簧。目前欧 洲约有5 0 的大、中型载重汽车安装了少片弹簧。在美国、日本等国家也都大量 的生产了这种弹簧。少片簧是今后的发展趋势。 我国多片簧的设计沿用了文献【9 1 中所推荐的设计方法【1 0 ，1 ，即先根据总成 刚度、弧度及应力的要求依某一线性模型确定板簧的几何参数，再校核极限工 况下的最大应力。在长期的工程实践中，我国的工程技术人员一直致力于对文 献 9 】中所推荐的设计模型进行改进，提出了许多改进的模型，使设计精度得到 了不同程度的改善：同时还开展了一些优化设计，减少了设计人员的手算量。但 是由于设计模型中总是存在着各种偏差，并因此而导致了设计过程中反复次数 多，试制周期长，试制费用高的弊端，同时最后得到的也不可能是较理想的设 计方案。 对于板簧的预压负荷选取，到现在为止国内一般全靠经验、试验来进行， 由于负荷选取不当，有时不得不进行多次预压才能达到设计要求，极为费时费 工。 对于板簧的弹性特性曲线的非线性研究，国内一些专家进行了实验拟合和 数值模拟，但由于数据不足，模型存在各种理论缺陷等原因，使得这些研究都 不够精确。在板簧的疲劳寿命方面，基本上是空白，很多情况下，直到整车可 靠性试验时才发现钢板弹簧的疲劳寿命不足而不得不重新设计。 综上所述，我国板簧设计，基本上是人工通过一定的模型进行设计，设计 出产品后，再进行试验，校核各种设计要求，如果不能达到要求，只好再次进 行设计，结果导致整个设计周期长、消耗大，设计结果不合理。随着计算机的 飞速发展，计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助工程分析( c a e ) 等新技术方兴未 艾，设计的方法发生了显著的变化，以往一直靠手工完成的许多简单工作，现 在都可通过计算机实现高效化、高精度化、及自动化设计、分析。这种自动化 设计、分析方法分别称之为：c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，计算机辅助设计) 和c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ，计算机辅助工程分析) 。很多情况下常 常将c a d ，c a e 合起来写成c a d c a e ，但不能认为这只是简单组合在一起，而是 有机的进一步提供效率的结合。c a d 是指利用计算机进行几何模型设计、修改、 和绘图。c a e 是指利用计算机进行模拟分析计算。将计算机技术引入传统设计中 己变成了大势所趋，计算机技术能够大大提高设计效率，使虚拟设计成为可能， 以往需要进行的实验都可以在计算机上进行模拟分析，而利用最新的最优化方 法以及智能搜索算法可以很快解决设计中的择优问题。使用计算机虚拟设计不 但能够极大提高效率，也极大的提高了设计精度，解决了传统设计中的算不准 的问题。 1 4 课题来源和研究的主要内容 本论文研究的主要内容如下： 以某载重汽车为研究对象进行研究分析。该载重汽车采用液压助力转向， 钢板弹簧非独立悬架。 ( 1 ) 介绍虚拟样机技术及其代表软件a d a m s 的特点、功能、理论基础及利用 a d a m s 软件对双前桥重型汽车转向机构系进行分析和优化； ( 2 ) 运用多体理论对双前桥转向系统进行动力学分析，以及对转向系与悬架 运动干涉的分析； ( 3 ) 介绍有限元分析软件a b a q u s 的特点、功能及利用a b a q u s 对双前桥的钢 板弹簧进行有限元分析。 4 第二章双前桥重型汽车转向系运动学分析 2 1 双前桥转向汽车基本转向理论 对于双前桥转向汽车来说，转向时除了要考虑同轴左右车轮之间的转角关 系之外，还要考虑不同车轴之间的转向轮转角关系。为了尽可能实现汽车做转 向运动时转向车轮的纯滚动，各转向轮应绕着汽车瞬时转动中心0 点转动。这 样既能减少轮胎磨损，还可以减轻转向阻力，此外在一定程度上还缩小了汽车 最小转弯半径，从而提高了汽车的机动性【1 4 】。 首先，对双前桥转向系统做如下假设： ( 1 ) 转向时车速较低，匀速行驶，侧向惯性力较小，忽略不计： ( 2 ) 不考虑轮胎的侧偏： ( 3 ) 由于主销后倾角及主销内倾角的存在，车轮在水平面上的转角与绕主 销的转角并不相同，但十分接近，认为车轮在水平面上的转角与绕主销的转角 相同。 如图2 - 1 所示，以右转向汽车为例，转向车轮纯滚动时，内外轮转角之间应 该满足： c t g a l - c t g , = 号 ( 2 1 ) 1 - , 1 d l 矿 c t g a 2 一c t g f l 2 = 导 ( 2 2 ) , l p 2 同时，一、二轴转向轮之间的转角关系应该满足： t g a _ _ _ l ：盟：红 t g a 2t g f l 20 2 ( 2 3 ) 式中：q 一一第辞由外轮转角； 肛一一第i 轴内轮转角： 置一一转向主销中心延长线与地面交点之间的距离： b 一一考虑主销后倾时第i 轴到瞬时转动中心0 点的纵向距离( 其 中：i = l ，2 ) 。 其中，式( 2 - 1 ) 、式( 2 2 ) 是用以保证实现同轴左右车轮之间的转角关系， 因此，它是转向梯形设计的重要准则。式( 2 - 3 ) ，用以实现不同轴车轮之间的转 角关系，它是双前桥转向系统中，双摇臂传动机构设计的主要依据【1 2 】。 五 弦、 ， n二 z 、 “1 琶 i 1 u1 j 宅 q 一 _- 旦 一 1 髟 图2 - 1 双前桥4 轴汽车的理想内、外转角关系 值得注意的是，瞬时转动中心d 点，并不是在后两轴纵向中心线上，而是 后移了一段距离。参考文献 4 给出了瞬时转动中心0 点的确定方法，如图2 - 2 所示，瞬时转动中心o 到后轴距离为c ，到纵向车身中心线距离为r ，只要知道r 和c 的数值后，就可以确定瞬时转动中心的位置。其中，r 和c 的表达式如下： c ：鳢竺! 刍二三蚴墅鱼丝呈丝二丛生生! 二塾g 生迪刍( 2 4 ) t , s i n ( o ：一日) 一4 s i n s , 卜2 ( s i n o l + s m 皖) ( 2 厶+ 厶) r ：【兰! 生! ：兰垡生2 刍三笠3 竺! 刍! 兰笠兰笠兰垒生2 1 1 1 垒笙! ! ! 刍! 竺! 刍! 垡 l l s i n ( o i 一岛) + ( 4 ：+ 2 3 ) ( s i n 0 1 + s i n 岛) + 4 1 1s i n o l ( 2 5 ) 其中：，一一相邻车轴之间的轴距( i = l ，2 ，3 ) ；( 详见图2 2 ) 一一第f 轴的转向角( i = 1 ，2 ) ； 在本论文中，c = 5 7 5 5 8 6 m m ，r = 6 0 1 m m ，厶= 13 5 0 m m ，即瞬时转动中心0 点 从后两轴纵向中心线上后移了一段距离7 4 m m 。对公式( 2 - 4 ) 和式( 2 - 5 ) 的进一步 研究，可以发现： c 值随着后二轴距离厶的增大而增大，但c 值永远小于2 ，瞬时转动中 心总是位于后二轴中心线的后方，且偏移量( 等一c ) 随着f 3 的增大而增大【4 】。 当重型汽车一二轴轴距变化时，c 值亦会随着f 1 的增大而减小，瞬时转 ， 动中心不在后二轴中心线上而是偏向后方，且( 厶不变时) 偏移量( 鲁一c ) 亦随着 二 f 1 的增大而增大。 6 图2 2 汽车整车转向模型中瞬时转动中心示意图 2 2 转向系统与悬架干涉校核 双前桥转向系统中各桥的转向纵拉杆与桥的悬架运动干涉 4 2 4 3 ，如图2 3 所示。图2 - 3 中4 ，是转向节与纵拉杆连接点，d 是纵拉杆与转向摆臂连接点，u 为悬架的前吊悬点，d - 4 为纵拉杆，d 为悬架动扰度。4 一方面围绕悬架中的 点沿刀轨迹运动：另一方面绕q 点沿k k 轨迹运动。过4 点作垂线删，并从4 点向上截取距离为悬架动扰度j d 的点，向下截取距离为悬架静扰度，一的点。通 过这两点作水平线与圆弧川和k _ k 分别交于g 、h 、g 和h 四点。g h 和g 日即 是运动不协调造成的轨迹偏差，这一偏差越小越好，只有两轨迹完全重合时才 无干涉运动。因此，在汽车总体布置设计中，要考虑到转向传动装置与悬架导 向机构运动是否发生干涉；对己设计好的样车，要进行运动干涉检查。 飞蕊求村$ 洙代求陈 图2 - 3 转向传动机构运动校核图 7 2 3 双前桥转向系统简介 ( 1 ) 双前桥转向系统的组成 汽车的运动主要由直线运动和曲线运动两部分组成。转向系统是使车辆能 够进行曲线运动的基本装置。无论是两轴、三轴或四轴汽车，转向系都是用来 保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，既要保证各转向轮之 间有协调的转角关系，同时又要转向操作轻便可靠。多轴汽车的转向形式有双 前桥转向，前、后桥转向和全轮转向等几种形式。具体到双前桥转向的重型汽 车，气转向系统主要有转向操纵系统、转向器和转向传动系统三部分。 转向操纵系统由转向盘到转向器之间的一系列部件和零件组成，包括方 向盘、转向柱管、转向轴、上万向节、下万向节和转向传动轴等。 转向器是转向系的减速传动装置，它除了变换位移之外，还具有放大方 向盘的操作力矩并传递给转向摇臂的作用。另外，在载重车辆中为了减轻方向 盘的操作力还采用了动力转向装置。 转向传动机构包括一、二桥转向梯形和转向梯形的驱动机构两部分。转 向梯形的驱动机构即转向摇臂机构，它是由转向垂臂、转向直拉杆和中间过渡 拉杆等组成。 ( 2 ) 转向摇臂机构简析 转向运动时，方向盘的旋转通过转向器和双摇臂机构变成转向节绕主销的 转动，从而实现汽车的转向。双摇臂机构的空间布置尤为重要，它对整车转向 性能有很大的影响。 首先，双前桥汽车一般采用非独立悬架。考虑到与汽车悬架系统的运动相 协调，摇臂机构类型的选择，不单单要考虑摇臂与直拉杆连接点的位置，还要 考虑尽量缩小和消除转向节臂与转向直拉杆的连接点随悬架运动轨迹和绕转向 直拉杆与摇臂的连接点摆动轨迹的偏差，提高传动机构与悬架在运动关系上的 协调性和一致性。 其次，摇臂机构对转向系统的力和力矩的传递有一定的影响，从而影响到 驾驶员方向盘力( 操舵力) 的均匀性和汽车转向轻便性。 再次，摇臂机构空间布置问题，还可能会引起转向轮摆振、跑偏现象。 另外，在转向过程中，摇臂机构的各构件会受到拉压力、弯矩和扭矩等组 合力和力矩的作用，其构件设计强度将会影响到转向系统使用寿命和使用安全 性等问题。 本课题研究某重型汽车厂的双前桥转向系统，如图2 4 ( 双前桥转向摇臂及 梯形机构示意简图) 所示。摇臂机构结构上选用双摇臂机构。 幽24j 叹前桥转向摇臂及梯彤机构示意简幽 2 4 双前桥转向系统运动学分析 24 l 基t 笛卡尔半标系统下的取前桥转向系统运动学数学模型 _ 以汽车右转向运动为倒，利用笛卡尔牮标建立双前桥转向系统数学模型如 口，= f 佃) 口，= 只( 臼) 3 一一s “7 i i i 眷一c o s i i 5 ；鬻 岛2 戎一a r c s l 。7 i ；i 豢一a r c c o s i i i i 鬻 242 转向轮转角关系分析 本课题在对此重型汽车进行分析研究时，将系统啦标原点设置在车架上平 面、车架对称中面和通过车身前端点的垂直平面三者的交点上，汽车行驶方向 的反方向为x 轴正向，z 垂直向上为正，坐标系统符合右手定则，y 轴的方向由x ， z 轴决定。 己知第一摇臂、中间过渡垂臂、第二摇臂与车架的连接点0 、e 、f 的坐标 分别为： o ( x o ，y o ，z o ，、e ( 矗，y e ，) 、，( 坼，y ，z ，) ，详见图2 4 。 另外，此重型汽车的机构参数见表2 1 。 表2 1 双前桥转向汽车结构参数 主销后倾角y2 5 。主销内倾角 6 。 第一摇臂长k 2 8 8 m m 第二摇臂长0 2 8 8 m m 一轴直拉杆长0 1 0 2 5 m m 二轴直拉杆长k 4 8 4 m m 第一摇臂初始角o o 2 。 第二摇臂初始角 2 。 摇臂o a 长乙 1 4 8 摇臂f h 长o 1 5 8 m m 拉杆a c 长以c 5 7 4 m m 拉杆d h 长 1 9 2 4 m m 过渡摇臂e c 长k 、 1 8 7 m m ，1 5 3 m me c 初始角瓯 o 。 一桥梯形底角a 7 8 7 o 二桥梯形底角欢 7 8 7 。 一桥梯形臂长m 2 4 2 m m 二桥梯形臂