（车辆工程专业论文）轮轴复合转向系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 转向系统作为车辆的五大系统之一，主要作用是按照驾驶员的意愿，保持 或改变车辆行驶的方向。转向系统的整体性能对车辆的操纵稳定性和安全性等 都有很大的影响，是现代车辆中不可或缺的重要组成部分。目前对于两轮转向 系统的研究主要偏重于转向器型式的改变和执行机构尺寸的优化等方面，基本 转向原理以及两轮偏转实现的方式并没有改变。 本文主要针对一种全新的转向理念进行了深入研究，设计出一种新型转向 系统轮轴复合转向系统，其主要突破在于改变了传统两轮偏转方式及车轴 与车架的连接方式，使车轴可相对车身旋转一定角度。该系统是一种复合型转 向系统，系统中有机的结合了两种转向方式横置油缸式轮转机构与可控轴 转机构。在轮转机构中，以一双作用双向推力液压缸代替刚性的转向横拉杆， 推动对顶曲柄机构实现车轮的转动，使得转向更为平稳可靠；而可控轴转机构 中，通过一种悬转装置同时实现了轴转向及轴摆动，轴转向运动显著减小了车 辆的最小转向半径，而轴摆动可以减轻路面不平对车辆平顺性造成的影响。该 系统兼有普通转向和灵活的轴转方式，其转弯半径大大降低，对于工作中需要 频繁换向，对转向灵敏度要求较高的车辆十分适用，可以提高工作效率；此外， 采用全液压驱动，使转向灵活轻便，满足车辆在各种工况下的转向要求。 结合实际车辆的尺寸参数及设计要求，本文确立了轮轴复合转向系统的机 构布置方案，运用m a t l a b 和a d a m s 软件分别对机构相关参数进行了优化设计， 通过比较得出了最佳优化方法和机构设计参数；按照设计结果进一步建立了系 统的多刚体模型，进行了运动学仿真分析，得出系统运动特性；同时对液压控 制系统进行了设计，得出液压系统原理图及执行元件的相关技术参数，利用 m a t l a b s i m u l i n k 软件进行了液压系统的建模和仿真分析，得出系统的响应特性。 本文的研究内容给传统的车辆转向系统带来了较大幅度的革新，可以使车 辆最小转弯半径减小幅度接近2 0 ；通过液压系统的合理设计，显著提高车辆 的转向特性。目前该技术在国内外尚未成熟，是一种具有创新性和较高使用价 值的转向系统。 关键词：复合转向，轮转机构，轴转，液压控制，优化设计，仿真 a b s t r a c t t h ef u n c t i o no fs t e e r i n gs y s t e m ，w h i c hi so n eo ft h ef i v ec h i e f s y s t e m si nv e h i c l e ，i st ok e e po rc h a n g et h ev e h i c l et or i g h td i r e c t i o n a c c o r d i n gt ot h ed r i v e r t h eg r e a ti n f l u e n c eo fs t e e r i n gp e r f o r m a n c eo n t h es a f e t ya n ds t a b i l i t ym a k e si taq u i t ei m p o r t a n ta n di n d i s p e n s a b l ep a r t o fav e h i c l e a tp r e s e n t ，t h es t u d yo nt w o w h e e ls t e e r i n gs y s t e mi s e m p h a s i z e do nt h es t r u c t u r eo fr e d i r e c t o ra n do p t i m i z a t i o no fp a r a m e t e r , w i t h o u ta n yc h a n g eo nt h eb a s i cs t e e r i n gp r i n c i p l ea n dm o v e m e n to ft h e s t e e r i n gw h e e l t h i sa r t i c l es t u d i e so nan e wc o n c e p to fs t e e r i n g , a n dp r e s e n t sa n e wt y p eo fs t e e r i n gs y s t e m - - a x l e w h e e lc o m b i n e ds t e e r i n gs y s t e m a m a j o rd i f f e r e n c e l i e si nt h e r o t a t a b l es t e e r i n ga x l e ，w h i c hp e r m i t s r e l a t i v em o v e m e n to ft h ea x l et ot h eb o d ya n df u r t h e ri m p r o v e st h e s t e e r i n gp e r f o r m a n c e t h i si s ac o m b i n e ds y s t e mw i t ht w om o d e so f s t e e r i n g ，t h ec y l i n d e r - d r i v i n gw h e e ls t e e r i n ga n dt h ec o n t r o l l a b l ea x l e s t e e r i n g i n t h ew h e e l s t e e r i n gm a c h i n e ，t h ec y l i n d e r w i t ht w o p i s t o n r o d st a k e sp l a c eo ft h e t r a d i t i o n a lr i g i dl i n k a g e ，p u s ht h e s y m m e t r i c a lc r a n ka n dm a k e st h ew h e e lt u r nm o r es m o o t h l y w h i l ei n t h ec o n t r o l l a b l ea x l es t e e r i n gm a c h i n e ，t h ea x l ei sa b l et ot u r no rs w i n g o ni t sc e n t e rb yas w i n go r g a nt or e d u c et h em i n i m u mt u r n i n gr a d i u sa n d t of i tt h er o a ds u r f a c en i c e l y h a v i n gb o t ho ft h es t e e r i n gm o d e s ，t h e n o t a b l er e d u c eo ft u r n i n gr a d i u sm a k et h es y s t e mm o r ef i tt ob eu s e di n t h ev e h i c l en e e dt ot u r nf r e q u e n t l ya n de n h a n c et h ew o r ke f f i c i e n c y g r e a t l y t h eh y d r a u l i cd r i v i n gs y s t e ms a t i s f i e da l lr e q u i r e m e n t so ft h e v e h i c l e ，a n dw i l lm a k ei tm o r ea g i l ea n dl a b o r s a v i n g c o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n to ft h ep r o t o t y p ea e r o p l a n e ，t h i sa r t i c l e 江苏大学硕士学位论文 f i r s t l yd e s i g n e dt h eb l u e p r i n to fs y s t e m t h e no p t i m i z e dt h ep a r a m e t e r s b ym a t l a ba n da d a m s ，o b t a i n e dt h ep r e f e r a b l em e t h o da n do p t i m u m p a r a m e t e r s ，a n db u i l tt h em u l t i b o d ym o d e lo ft h es y s t e m a tl a s t ，t h e k i n e m a t i cc h a r a c t e r i s t i co ft h e s y s t e mi s o b t a i n e db yt h ek i n e m a t i c s i m u l a t i o na n a l y s i s m e a n w h i l e ，t h eb l u e p r i n to fh y d r a u l i cc o n t r o l s y s t e ma n dc h i e ft e c h n i c a lp a r a m e t e ri sd e t e r m i n e db yc a l c u l a t i o n t h e m o d e la n dr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e mi so b t a i n e db yt h e m a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o na n a l y s i s t h i sp a p e rb r i n gr e f o r m a t i o nt ot h et r a d i t i o n a ls y s t e m ，t h en e w s y s t e mw i l l r e d u c et h em i n i m u mt u r n i n gr a d i u sb y2 0 。t h r o u g h r e a s o n e dd e s i g n ，i tw i l la c h i e v eh i g h e rs t e e r i n gp e r f o r m a n c e t h e r ei s s t i l ln or i p ep r o d u c t i o no ft h i st e c h n o l o g ya th o m eo ro v e r s e a s ，s ot h e a x l e w h e e lc o m b i n e ds t e e r i n gs y s t e mi sa ni n n o v a t i v es t e e r i n gs y s t e m a n dh a sg r e a tp o t e n t i o ni na c t u a lv e h i c l em a r k e t k e yw o r d s ：c o m b i n e ds t e e r i n g ， w h e e ls t e e r i n gm a c h i n e ， a x l e s t e e r i n g ，h y d r a u l i cc o n t r o l ，o p t i m u md e s i g n ，s i m u l a t i o n 1 1 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 乙唧年占月f1 日 保密昕在1 年解密后适用本授权书。 不保密口。 j 葱、 指导教师签名：i 习孚涉长 唧年6 月f 日 独创- l 生声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出蓐要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 于患 日期：潍5 月jf 闩 江苏大学硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 转向系统是用于改变或保持车辆行驶方向的专门机构。车辆行驶过程中， 需按照驾驶员的意志及路面情况经常改变其行驶方向，即所谓的车辆转向。就 轮式车辆而言，实现转向的方法是，驾驶员通过一套专设的机构，使汽车转向 桥上的车轮相对于汽车纵轴线偏转一定角度而实现车辆的转弯行驶；此外，在 车辆直线行驶时，转向轮也会受到路面侧向干扰力的作用而产生意外的偏转， 导致车辆行驶方向的改变，此时驾驶员也可以通过转向机构使转向轮向相反的 方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。因此，车辆转向系的功用就是保 证车辆能够按照驾驶员的意志进行转向行驶，其整体性能直接影响着车辆的操 纵稳定性和安全性【l 】【2 】【3 】。 1 2 车辆转向技术的发展 从世界上第一辆汽车问世至今，汽车工业经历了百年的发展。现代的汽车 与初期相比，广泛地应用了各种高新技术，并且还在发生更深刻的变革。作为 汽车底盘中的独立系统的转向系，在汽车技术发展的过程中，也经历了深刻的 变革。 1 2 1 转向系统的发展概况 转向技术的发展经历了机械转向、动力转向、电控转向几个阶段4 1 【5 1 。 1 、机械式转向系统 车辆诞生初期驾驶员只希望比较容易地操纵转向系统，因此出现了机械式 转向机构，其形式多样但基本转向原理都是将驾驶员的手动旋转操作转变为转 向拉杆的左右移动从而带动车轮转动。在机械式转向系统中，转向操作完全由 驾驶员的手动力矩来完成，当车辆载重达到一定程度上的时候就很难满足转向 的要求，这时就需要借助辅助的动力源。 2 、动力转向系统 随着车辆技术的发展，驾驶者开始追求行驶过程中的稳定性、舒适性和良 江苏大学硕士学位论文 好的操纵性。而液压技术的迅速发展，使得液力传动及全液压技术在车辆中的 应用范围不断扩大。车辆转向系统已从简单的纯机械式转向系统向动力转向系 统发展。液压动力转向系统( 1 i p s ) 、电动液压助力转向系统( e h p s ) 、电动助 力转向系统( e p s ) 等在汽车上的采用，改善了汽车转向力的控制特性，降低 了驾驶员的转向负担。 从减轻驾驶员疲劳、提高操纵轻便性和稳定性出发，目前工程车辆的转向 系统都采用液压驱动，尤以全液压转向系统为主，基本上可以满足其工作环境 以及一般的使用要求。 3 、电子控制转向系统 2 0 世纪末，随着汽车技术的不断发展，电子控制技术也在汽车上得到逐步 广泛应用。近年来出现的电子转向系统是一种全新概念的转向系统，其取消了 转向盘和转向车轮之间的机械连接，通过软件协调它们之间的运动关系，可以 实现一系列传统转向系统无法实现的特殊功能。它可以实现传动比的任意设置， 并对随车速变化的参数进行补偿。 但目前由于汽车供电系统的因素，转向电动机难以提供较大功率，现阶段 电子转向系统的研究以及近期的应用对象主要针对轿车。在重型载货汽车及工 程车辆上还必须采用液压执行机构。 1 2 2 转向技术发展的趋势 1 、新型转向机构的研究与应用。围绕减小转向机构的误差、优化转向机构 的设计、减轻转向机构的磨损、提高转向机构的效率等，加强新型转向机构的 研究与应用已成为生产企业和科研单位追求的目标。 2 、动力转向技术的推广。为减轻驾驶员疲劳，提高操纵轻便性和稳定性， 动力转向系统的应用h 益广泛，不仅在重型汽车上必须采用，在高级轿车上应 用较多，而且在中型汽车上也已逐渐推广。 3 、电子转向系统s b w ( s t e e r b y - w i r e ) ，驾驶员的转向操作与转向车轮之 间通过信号、控制器、执行器柔性连接起来，一般只应用在高档轿车上，是汽 车转向方面最为先进和前沿的技术之一【6 j 。 4 、考虑主动安全性的转向技术。从操纵轻便性、稳定性和安全行驶的角度， 广泛使用更先进的f t 艺方法制造、使用变速比转向器、高刚件转向器，采用防 2 江苏大学硕士学位论文 碰撞安全转向柱、安全带、安全气囊等， 设计充分考虑了驾乘的舒适性和安全性， 转向技术的应用等等。 并逐步推广。新时代的汽车转向装置 诸如4 w s 转向技术的应用、e p s 动力 5 、先进电子技术和控制技术在转向系统中的应用。随着传感技术、控制技 术的不断发展及在汽车中的应用，可以从多方面改善转向系统的各种性能，诸 如汽车的低速行驶轻便性、汽车的稳态转向特性、汽车的回正能力、转向盘中 间位置操纵稳定性、前轮的摆振等等。 1 3 两轮转向技术概述 对于轮式车辆，实现汽车转向的唯一途径是使车轮偏转，对于双轴汽车， 根据允许发生偏转的车轮数目及位置的不同，主要分为前轮转向、后轮转向。 由于两轮转向易于实现，是转向系统首选的转向机构方案，其相关技术经过近 两百年的发展，现已较为成熟。 日本于2 0 世纪6 0 年代首先提出通过四轮转向来提高汽车的操纵稳定性。 目前，四轮转向技术研究的潮流主要表现在对控制策略等软件技术的研究上， 还没有真正地步入广泛的推广阶段。 综上所述，目前两轮转向实现形式仍是车辆应用的主流，尤其对于轮式工 程车辆而言，转向系统的发展在一段时间内依然以两轮转向为主。 1 3 1 两轮转向技术发展 两百年前在汽车刚刚诞生的初期，其转向操纵是仿照马车和自行车的转向 方式，即用一个操纵杆或手柄直接使前轮偏转。1 8 1 7 年，德国人林肯斯潘杰发明 了转向梯形机构，并将专利权转让给了阿克曼( r u d 0 1 p h a c k e 瑚a n ) ，现在人们常 将转向梯形的特性关系称为阿克曼原理。随后，逐渐出现了采用方向盘的机动 车辆，将船用转向柱和方向盘技术应用到汽车上，将转向柱与方向盘倾斜的第 一辆汽车等r 7 1 。 进入2 0 世纪后，相关科技的进步带动了汽车设计技术与汽车工业的迅速发 展，但对于转向传动系统的研究主要集中在转向器的型式和转向执行机构的尺 寸优化设计等方面，而在两轮转向原理以及两轮偏转联动实现方式等方面并未 有新的突破。基于机械式梯形机构的车辆转向技术发展至今，应该说已经到了 3 江苏大学硕士学位论文 一个顶峰，就目前的技术和经济性而言，连杆梯形机构转向在性能上难以再有 突破性进展。 1 3 2 两轮转向机构的不同形式 随着转向技术的发展，车辆的轮转机构经过了一系列的演变和革新，但其 基本都是以梯形机构为基础的。转向梯形的形式主要是根据车辆种类、结构、 驱动方式、以及选配悬架等的不同而有所差别，目前主要有整体式和断丌式两 种，根据选配的悬架形式可以分为以下几种【1 1 。 1 、与非独立悬架配用的转向机构 一一 魏) c o ) t e ) l 转f l l 摇褥2 一转嬲程抱拳 ：3 转盯管铹4 一梯形锈卜转向镄 谚纷 图1 1 与非独立悬架配用的转向机构 f i gl - 1s t e e r i n gm a c h i n eu s e di nd e p e n d e n ts u s p e n s i o ns y s t e m 1 ) 转向梯形后置，转向直拉杆纵置，如图1 1 a 所示。在前桥仅为转向桥 时，由转向横拉杆和梯形臂组成的转向梯形一般布置在前桥后，避免在转向过 程中与车轮发生干涉。 2 ) 转向梯形前置，转向直拉杆纵置，如图1 - 1 b 所示。在发动机较低或转 向兼驱动桥的情况下，为避免干涉，往往将转向梯形布置在前桥之前。 3 ) 转向梯形前置，转向直拉杆横置，如图1 - 1 c 所示。若转向摇臂不是在 车辆纵向平面内前后摆动，而是在与道路平行的平面内左右摆动，可将转向直 拉杆横置，并通过球头销直接带动转向横拉杆，从而使两侧梯形臂转动。 2 、与独立悬架配用的转向机构 1 ) 与循环球式( b s 型) 转向器配用的转向机构，如图1 2 所示。转向摇 臂1 为主动件，绕固定铰接点作往复摆动。其中图1 2 a 中两根转向横拉杆3 、 4 布置在车轴的后方，形成两段式结构，如红旗c a 7 5 6 0 型轿车即采用了这种 转向机构；图1 2 b 中两根转向横拉杆3 、4 布置在车轴的前方，和转向直拉杆 2 一起构成三段式的前置梯形结构，丰用海艾斯轿车转向机构就采用这种布置 形式。 4 江苏大学硕士学位论文 ( a ) 卜一转嘲绉臂2 一耪向廒弘轩3 一度转锄横缸轩4 一右转向携缸轩5 一宸梯彩劈 6 一右弼彤臂一弦拇罄一戆袈在弦臂9 一憨浆右衽臂 图1 2 与循环球式转向器配用的转向机构 f i g1 - 2s t e e r i n gm a c h i n eu s e di nr e c i r e u l a t i n gb a l ls t e e r i n g 2 ) 与齿轮齿条式( r p 型) 转向器配用的转向机构两种布置形式，如图1 3 所示。图1 3 a 中转向器位于前轴后方，前置梯形，应用实例为奥迪1 0 0 轿车； 图1 3 b 转向器位于前轴前方，前置梯形，在i v e c 0 4 5 1 0 型汽车中得到了应用。 t 箍b ) 图1 3 与齿轮齿条式转向器配用的转向机构 f i g1 - 3s t e e r i n gm a c h i n eu s e di nr a c k - - a n d - - p i n i o ns t e e r i n g 前面所列仅为转向器和转向梯形机构结合的基本形式，实际使用中尚有许 多情况，限于篇幅，在此不一一列出。 1 4 轮轴复合转向系统简介 1 4 1 系统转向特性 轮轴复合转向系统是一种全液压控制转向系统，主要有两套子机构组成， 一是横置油缸式轮转机构，采用横置油缸替代刚性的横拉杆；二是可控轴转机 构，引入整体转向理念，使转向轴可相对于车架转动，增加了整车转向灵活性 和机动性。两种运动可以实现复合，根据路面的情况及工作负载大小动作。 机构的运动采用液压控制，方向盘与转向油缸之问通过管路连接，使机构 布置更灵活；通过液压回路的不同控制策略可实现多种转向方式的组合，满足 不同行驶：工况要求，达到良好的转向性能。 5 江苏大学硕士学位论文 图1 4 复合转向系统的运动形式 ( a ) 轮转机构运动( b ) 复合转向运动 f i g1 4m o v e m e n t so f a x l e - w h e e lc o m b i n e ds t e e r i n gs y s t e m 轮轴复合转向系统可以实现两种不同的转向运动及转向轴的摆动。采用横 置油缸活塞左右移动实现了车轮转动如图1 4 a 所示；采用轴转液压缸的推动 实现了轴转向，与轮转机构复合运动如图1 4 b 所示；同时车身与车轴之间采 用特殊的悬转装置连接，在车身保持水平的前提下实现两侧车轮的上下跳动， 以适应车辆行驶过程中两侧车轮遇到的路面不平。 1 4 2 全液压控制系统特点 轮轴复合转向系统中采用了目前工程车辆转向系广泛采用的全液压控制方 式，主要有以下优点： 1 、利用发动机的动力驱动油泵，使得转向系统操纵轻便； 2 、由于全液压转向器与转向油缸之间为软管连接，无刚性构建，伟置方便。 但是全液压转向系统中车轮的抖动不能传到方向盘，驾驶员的路感较差： 而且一旦管路爆裂系统就失去转向能力，因此不宜用于行驶速度超过4 0 k m h 的高速车辆。 鉴于其上述特点，全液压转向系统目前广泛应用于工业施工、货物运输、 农业操作等低速车辆中，可以满足其工作需要。而本研究中的转向系统应用在 叉车上，属于低速工程车辆，因此选用全液压系统可以对各机构的运动进行较 好的控制。 6 江苏大学硕士学位论文 1 4 3 主要适用车辆 复合转向系统兼有普通的转向梯形和灵活的轴转作为辅助转向方式，其转 弯半径大大降低，通过机构的合理设置可以达到车轮相对于车身的大角度旋转 的工况，如图1 4 b 所示。这样的性能对于工作中需要频繁换向，对于转向灵敏 度要求较高的车辆如农用拖拉机、叉车、各种施工抢险车、小型工程车辆等是 十分适用的，可以提高其工作效率。同时，其轴摆路面适应机能也大大提高了 车辆的行驶性能。目前在某些农用拖拉机上已经有类似的机构得到了应用，达 到了理想的行驶性能。 可以看出，复合转向系统在一些低速小型、转向频繁的车辆上十分适用， 本文以叉车为例进行设计研究，具有一定的研究意义和广阔的发展前景。 1 5 国内外发展趋势及研究现状 1 5 1 国外发展趋势 目前国外在电动助力转向、电子转向等方面的技术研究主要面对的是轿车 和轻型车辆，在工程车辆领域，还是以液压控制系统为主，液压动力转向系统 是最先开发出的助力转向装置。自1 9 5 3 年通用汽车公司在凯迪拉克和别克轿车 上首次批量使用液压动力转向系统以来，液压动力转向系统给汽车的发展带来 了巨大的变化，使驾驶员的转向操纵力大大降低，转向的灵敏性得到了提高， 适合当今工程车辆的发展需要并能在将来得到更深入的发展【8 l 。 工程车辆领域，林德( l i n d e ) 叉车作为世界第一品牌叉车，是世界上唯一 将静液压传动技术大规模应用于叉车的制造商，其产品技术一直遥遥领先，位 居世界顶尖水平1 9 j 。 横置油缸式转向机构是一种新型的梯形机构，它利用横置油缸代替了刚性 的横拉杆，采用了液压控制代替了机械驱动。这种方式具有内转角度大，左右 转向一致性好，结构紧凑，安装维护方便等特点【1 0 j 。国内外在工程车辆方面已 有应用，对于转向参数的优化也有了一定的研究基础，针对不同的结构，可以 做出满足适合工程车辆转向特性要求的优化结果。 7 江苏大学硕士学位论文 1 5 2 国内研究现状 国内转向技术的研究目前也处于机械一液压动力转向阶段，对于电动助力 转向系统和电子转向系统，清华大学、北京理工大学、华南理工大学等高校开 展了系统结构方案设计和系统建模及动力分析等研究，但目前还没有实用于重 型车辆的电动助力转向系统和电子转向系统。 在工程车辆领域，国内研究起步较晚，在产品规格、技术性能、使用寿命及 适应能力等方面与国外产品存在相当大差距，迫切需要提高整体技术水平，在 借鉴学习已有技术的前提下进行自主研发，促进我国工业车辆整体技术水平和 产品质量的发展【l l j 。 就研究状况而言，目前国内工程车辆新技术研发方面多停留在各企业内部 的小范围独立研发阶段，没有进行广泛深入的研究；就技术水平而言，国内发 展水平始终落后于同期国外的工程车辆领域。研究出性能优良的新型转向系统， 无疑是解决目前国内工程车辆水平落后，产品技术含量不高的有效方法。 1 6 本课题研究内容 1 6 1 研究的目的及意义 传统的转向梯形机构虽然可以满足叉车一般工况下的转向要求，但是在港 口、仓库、工厂车间等特定的场合，对于整车灵活性和机动性的要求更为严格， 传统转向系统仍然存在着一定的局限性，给实际工作带来了诸多的限制。因此， 为提高叉车的转向性能，满足各种施工条件的要求，对新型转向系统的研究和 设计开发显得十分重要【12 1 。 本课题针对一种新型复合转向系统展开了深入的研究，该系统的特点是： 在机构形式上，采用横置油缸替代刚性的横拉杆，减小了转向冲击，同时引入 轴转向的理念，使整个转向轴可相对于车架达到0 。1 0 0 左右的转角幅度，增加 了整车转向灵活性和机动性；在控制方式上采用液压驱动方式，针对系统的独 特要求设计了液压控制系统。这种新型转向系统具有自重轻、体积小、工作平 稳、易于实现自动控制等优点，更好地满足了车辆的工作特点及其特殊的使用 要求。 该课题的研究给传统的叉车转向方式带来较大改变，与传统的转向形式相 8 江苏大学硕士学位论文 比较，转向性能有较为可观的改善和提高。利用这种新型转向系统可以使得车 辆转向半径大大减小，可以很好的节约仓库空间，非常灵活，使车辆快速在通 道间转移，有着极好的作业效率。并有很好的经济性，对于受场地限制，工作 环境多变的叉车具有较强的实际运用价值，可以进行更为广泛的推广。 此外，目前这项研究在国内外还没有成熟的技术成果，因此该课题的研究 给传统的车辆转向理念带来较为大幅度的冲击，也是一项具有广阔前景的课题。 1 6 2 主要研究内容及技术路线 本课题就轮轴复合转向系统进行深入地研究，主要研究内容包括四大部分： 结合实际车辆的要求确定最佳的系统方案；对各参数进行设计和优化，并利用 a d a m s 软件进行整体建模和仿真分析；对于液压控制的具体方案进行设计计 算，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件对液压系统进行仿真分析；通过对实车进行各种 试验，测试部分机构应用在实际车辆上的各种性能指标，对仿真结果进行验证 和比较。 一 在研究的过程中主要完成以下的具体内容： 1 、研究国、内外车辆转向技术的发展现状及趋势，结合叉车的实际工作需 要寻求提高车辆转向性能的方法。 2 、初步拟定复合转向系统的机构组成方案，对轮转和轴转两大机构分别进 行方案设计，并确定最佳的机构布置方式，使得整个系统达到最佳转向特性。 3 、建立轮转机构的数学模型，确定设计变量及目标函数，利用m a t l a b 与 a d a m s 软件对轮转机构进行两次优化设计，对得出的优化结果进行分析和比 较得出最佳优化方案和机构设计参数的最优值。 4 、利用a d a m s 建立机构模型并进行仿真分析，观察各构件的运动情况； 结合多体系统动力学的相关知识，建立复合转向系统的多刚体模型，并对其进 行运动学分析；根据仿真的结果对模型进行反复校正，确定最佳系统方案。 5 、对液压控制系统进行设计计算，确定系统的相关工作参数，选择合适的 元件；利用m a n a b s i m u l i n k 软件对液压系统进行建模及仿真分析。 6 、将设计的结果逐步应用于实际叉车上，进行整车试验，利用试验结果对 仿真进行验证。 整个研究过程的技术路线如图1 5 所示： 9 江苏大学硕士学位论文 轮 轴 复 合 转 向 系 统 建 立 机 构 模 型 设 计 系 统 原 理 图 响 应 特 性 分 祈 优 化 及 仿 真 实 验 验 证 结 果 分 析 参数修芷 结 果 分 析 转 向 机 构 整 体 模 型 建 立 ! l 麦l 降 验h 论 模 型 修 正 图1 5 研究技术路线图 f i g1 - 5t e c h n i c a lc o u r s eo fs t u d y 1 6 3 研究的关键问题及预期要求 从机构的方案拟定、机构设计、液压控制系统设计计算，以及系统的整体 特性分析，本课题的研究过程是一种探索。在对这一新技术的研究中，存在着 一些关键的问题，对这些问题的解决成为了研究中的重点。研究中主要存在的 关键问题以及对应的解决方法如下： 1 、转向机构中采用了横置油缸代替了刚性横拉杆，由于液压油的流体特性， 机构的运动具有一定的非刚性及不稳定因素，给分析和优化带来了诸多的不确 定特性，增加了机构优化设计的难度。在研究中借助于流体力学相关知识，利 用相关的软件对液压系统进行响应特性分析，解决设计中遇到的问题。 2 、此机构的创新点轴转机构，也是设计中的关键问题，由于整体转向 技术没有成熟的理论作为依据，在研究的过程中难免会走弯路。在研究之前要 做好充分的理论知识准备，多方面查阅相关详尽的资料，尽量减少设计巾的弯 路，提高课题研究的效率。 3 、复合系统中包含多种运动形式，要求各种运动能够相互独立、互不干涉 的进行，才能达到良好的转向特性，这使得机构的整体布置成为设计中的又一 大关键问题。在设计中，注重仿真与设计相结合，通过仿真分析了解机构的运 动干涉情况，根据仿真结果不断改进系统方案和机构参数，最终可以解决机构 干涉问题，满足设计的要求。 4 、复合转向系统的液压摔制方案的设计也是非常关键的，要做到保证转向 1 0 确定最终模型=系统方寨确定 转向机构方案一 一液压回路方集 江苏大学硕士学位论文 优先，轮转、轴转顺序动作及轴摆随机动作，并且保证外界干扰不会产生意外 转向而影响正常的行驶。在设计中要广泛借鉴一些先进的液压系统方案实例， 并结合先进的控制理论，通过仿真进行系统特性分析，反复研究和修正液压控 制系统方案。 解决了上述的几个关键问题，可以达到如下转向系统设计的预期性能要求： 1 、经过合理的设计及优化，使得轮转机构在大部分使用情况下能够满足阿 克曼定理； 2 、通过轴转机构的合理设计，使得车辆最小转弯半径比传统转向系统减小 一定幅度，能够达到更为优良的转向特性，并能够适应各种不同路面的要求； 3 、液压控制系统设计能够满足系统的转向要求，使得系统响应时间短，通 过阀的控制，保证机构顺序动作，转向灵敏； 4 、使得系统的整体转向特性，转向灵敏度等方面较传统的转向系统有较大 幅度提升。 江苏大学硕士擘位论支 第2 章轮轴复合转向系统方案及机构设计 随着工程施工运输、货物仓储、港口运输等行业的不断发展，对叉车的转 向性能要求也愈束愈高。近年来转向系统性能的改善多集中在增大转向轮内转 角，减小转弯半径和提高整牟灵活性的方面。传统的转向机构已不能满足这一 快速提高的转向要求，冈此，研究种转角大、转向特性好的新型转向系统势 拒必行】。 本课题所研究的轮轴复合转阳系统相对丁传统的连杆梯形机构、舣梯彤机 构等钍转向 式、机构自i 成等方皿都有根人的改变。由于添加了可挣轴转功能， 蔑系统川以实现殳小的转弯半径；同叫兼有轴摆运动方式，能够实现多种转向 运动，转l l i l j 灵敏度大大提商，路而适应能力蚶；此外，系统采用全液压控制， 能适应各种复杂的转向要求和小的t 批。该系统的整体二维模型如图2 1 所 小，包含轮转和轴转两人机构。 奉章匝点对备机构的方案以及系统整体巾置进行设，对系统的整体转向 特性进行分析比较，以个面了解泼系统的转向性能。 图2 - 1 复合转向系统模型 f i g2 1 m o d e io f a x l e w h e e i c o m b i n e ds t e e r i n g s y s t e m 江苏大学硕士学位论文 2 1 工程车辆轮转机构概述 2 1 1 转向机构形式 目前广泛应用于非公路车辆如农用拖拉机、小型货运车、工程施工用车等 车辆上的转向机构主要有以下几种不同的结构形式【1 5 】【1 6 】： 1 、转向梯形机构，包括连杆转向梯形机构和对顶曲柄梯形机构，前者普遍 应用在汽车转向系统中；后者在工程车辆中应用较为普遍。梯形机构在经过优 化设计后可以近似的满足车辆转向的阿克曼定理； 2 、双梯形式转向机构，又分为“交叉式 和“八字式 ，是叉车转向系统 常用的形式； 3 、铰接式液压转向机构，通过将前后车架以铰接的形式连接，实现相对转 动，是目前装载机上常用的转向机构； 4 、齿轮式转向机构，仅有齿轮组成，并且能控制每一个转向轮的偏转角使 之满足转向关系。 2 1 2 横置油缸式轮转机构 由于双梯形机构参数多，制造误差及使用过程的杆件变形使转向轮的转向 角产生较大误差；同时设计新的车辆时，如果没有一种现成车型转向梯形参考， 反复计算、反复校核工作量十分大【1 7 】。 因此改用横置油缸式转向机构作为轮转实现形式，并进行了一定的改进， 能够比较好的满足车辆转向要求。其在结构上主要具有以下特点： 1 、转向桥体采用工字形结构，尺寸紧凑、结构简单、刚度大，保证了结构 的可靠性，油缸在桥体中间，整个机构对称布置，方便其它各部件的整体安排。 2 、利用横置液压缸取代了刚性的横拉杆，使得转向冲击减小；且油缸设计 采用整体活塞杆式，使油缸内径与活塞杆直径比值降低，从而减少分流量，提 高转向性能； 3 、采用液压控制方式，减轻了驾驶员的操纵负担；由于取消了方向盘与转 向系统的机械连接，使得车辆行驶安全性提高； 4 、改变传统横置式转向油缸的内限位，改用外限位方法，即用限位螺钉来 限制最大转向角，在极限转角下活塞与导向套间会留有一定的间隙，避免过大 冲击载荷导致活塞杆弯曲变形过大，同时缓冲油液脉动，提高驾驶员的舒适性。 江苏大学硕士学位论文 2 2 轮转机构的设计 2 2 1 机构设计中的关键技术 车轮的偏转是通过转向梯形机构带动的。为减小车轮侧滑，梯形机构应使 两前轮偏转角在整个转向过程中始终尽可能精确地满足阿克曼关系式h 】。因此 从机构几何关系以及运动学的角度来看，在梯形转向机构的设计中涉及到的关 键技术主要包括： 1 、机构的形式设计，确定能满足转向传动功能要求的机构结构组成，即机 构方案设计； 2 、机构的尺寸设计，确定能近似再现阿克曼转向关系的机构尺寸，即机构 参数优化。 在实际的设计过程中，首先根据车辆的转向驱动方式、悬架形式等具体情 况，选择合适的结构布置方案；对于选定的方案中的各部件、杆件的尺寸进行 优化设计，使其满足合理的转角关系，达到车辆的行驶要求【1 8 】。 2 2 2 轮转机构的结构特点 ft ， 厂、 、 ，、 、，_ 一一 一 骁笋d - 一一瞻裁 乜吵4 、5w 、丝 ， 。、， 图2 2 横置油缸式轮转机构 f i g2 - 2w h e e ls t e e r i n gs y s t e mw i t hh y d r a u l i cc y l i n d e r 横置油缸式转向机构采用曲柄滑块机构，由油缸活塞杆通过连杆推动转向 节转向，使转向轮偏转，从而实现车轮转向。这种机构最大转向角大，左右转 向时方向盘转角相同，确保司机操纵的准确性。 轮转机构采用了这一新型方案，如图2 - 2 所示。机构的主要组成部件包括 横置液压缸、限位螺钉，过渡杆、转向梯形臂、转向节等。 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 2 3 转向轮定位参数 对轮转机构的几何参数进行初步设计，即确定机构中各个构件的长度、宽 度等相关尺寸参数。我们以一台额定载重量为2 5 吨的内燃平衡重式叉车 ( c x c d 2 5 ) 为转向系统依托主机进行设计，该车采用后轴转向方式，后轮轮 距为9 8 0 m m ，该叉车的转向轮定位参数如表2 - 1 中所示。鉴于车辆行驶速度较 低，最高车速不超过2 0 k m h ，将转向主销内倾、后倾角设置为0 0 ，从而使加工 简单，成本降低，便于批量生产。 表2 1 转向车轮定位参数表 t a b2 - 1s t e e r i n gw h e e ll o c a l i z a t i o np a r a m e t e r s 设计参数符号参数值 转向节长度( i 1 1 1 1 )厶 1 7 0 主销长度( m m ) 庇1 9 0 主销直径( i n n )晚 3 0 主销内倾角( o )咖， 0 主销后倾角( 。)咖? o 主销中心距( m m )k 8 0 6 2 3 可控轴转机构概述 鉴于样机需要不断灵活机动的运转于货物之间，对于转向灵敏度的要求随 着货物存储空间的减小而不断提高，为了更进一步减小转弯半径，就需要不断 增加最大轮转角，或者减小轴距。但是上述两种措施都具有一定的局限性，而 且会影响到车辆的稳定性，加之需要重新设计转向桥和整车尺寸参数，给设计 和生产带来了很多不必要的浪费。如果能够找到一种可以在原有机构基础上减 小转弯半径的方法，将会大大节约生产成本【19 1 。 在这种情况下，对一种新的转向机构可控轴转机构进行了设计研发。 它突破了传统转向机构中靠车轮绕主销旋转实现转向的理念，把传统的转向定 义推广到整个转向轴，即靠转向轴相对于车身的旋转带动转向轮，实现整车的 转向运动。该机构改变了原有的车架与转向轴的固定连接的方式，使得二者在 特定的情况下可以相互旋转。经过结构方案的设计，这种机构可以加装在传统 的机构中，实现更好的整体转向特性，达到更小的最小转弯半径，显著提高车 辆的转向机动性；同时使车辆具有更好的路面适应能力。 江苏大学硕士学位论文 231 可控轴转机构的运动形式 可控轴转机构是一种使转向轴整体围绕其中心旋转的机构，通过液压系统 的控制，可以使转向轴在车辆坐标系中实现两个方向上的转动：一方面，转向 轴的中心处与车身以旋转副连接，通过液压力推动整个转向轴围绕着连接中心 ( 车辆坐标系z 轴) 旋转，实现轴转向，如图2 - 3 a 所示：另一方面，当两侧车 轮的路面高度不一致时，转向轴的两端还r u 以 下摆动，绕车身纵轴线( 车辆 标系x 轴) 作随动旋转，如图2 _ 3 b 所h i 。 ：述两种旋转运动，轴转向按照驾驶员的操作实现；轴摆动则根耕路咖的 随机输入决定。因此在实际机构的运动过桴中，耍求上述两个方向上的转动l 小f 涉，”r 以单独或顺序旋转又川以同步旋转。 啦，p 魍 崮2 3 可控轴转机构的运动形式 ( 的复合转向运动曲) 轴摆运动 f i g2 3 m o v e m e n t so f c o n t r o l l a b l e a x l es t e e r i n gs y s t e m 232 轴转向的转向特性分析 ”r 拄轴转机构基_ j 种独特的转向运动学的设汁，利用轴转向增加厂轫、准 的午轮转向角度，改善丁车辆转弯半径急剧减少时的转向性能。在埘转_ | j 特性 进行分析州，只考虑转u 轴绕z 轴的胜转。巾纯轴转向叫，转向轴绕其中心柏 对于乍架旋转一定的角度o ，曲侧车轮自身小发生旋转而足通过转向轴的特 动绕轴l 】心公转，从而实现车辆的转弯。 由图2 - 4 叶j 的几何荚系一u 知，后轴转过角度日时，历阿轮连线tj 前辅蜓k 线交于。点，而月后轮相对丁车辆前进方向的火角也为日，午辆的转向半径i 敝 距离转向瞬心0