（车辆工程专业论文）重型汽车双前桥转向系统的建模及优化(1).pdf

摘要 双前转向桥的转向轮异常磨损是商用车领域比较普遍的现象，该现象引起 了广大科研工作者的关注。轮胎的异常磨损除了与路况、使用方法、轮胎质量 等因素有关外，还与转向系统的参数有关。资料统计表明车轮定位参数及转向 机构的不正确设计是导致轮胎异常磨损的重要因素，由车轮定位及转向机构引 起的故障占整车故障的3 0 左右，所以研究车轮定位参数、转向机构的运动特 性及设计方法对于减小双前桥转向系统转向轮的异常磨损尤为重要。 本文以某双前桥转向系统作为基础，分析了导致双前桥转向系统转向轮异 常磨损的影响因素，并以某双前轴转向的载货汽车技术参数作为研究对象，分 析导致异常磨损原因，从转向参数的角度对影响磨损的因素进行了分析。首先 对该车型的总体结构及结构可能会引起的磨损情况进行了分析，并对该转向机 构进行了简化。然后对双前桥转向系统运用坐标转换的方法，进行了参数化建 模。确定影响转向系统的参数，并选取其中对转向系统影响明显，又在现有条 件下可以改变的几个参数作为优化对象。确定其转向参数的优化范围及优化目 标。前后转向轮实际转角与阿克曼理论转角若越接近，则说明该转向轮越处在 滚动状态，当转向轮处于滚动状态，就有可能减少轮胎的磨损。所以选取转向 轮实际转角与理论转角的差值作为优化目标，若差值越小，则说明车轮越接近 滚动状态。 最后运用a d a m s 的优化功能对影响双前桥转向轮异常磨损的转向参数进 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前后车轮理论转角与实际转角的差 值。方案表明，适当调整转向系统四连杆机构、转向轮定位参数以及转向梯形 的参数，可以减少双前桥转向系统转向轮异常磨损。 关键词：双前桥转向系统，参数化，优化仿真，阿克曼转角，异常磨损 a b s t r a c t d u a l - b r i d g eb e f o r et h et u r no ft h es t e e r i n gw h e e l sf o ra b n o r m a lw e a l a n dt e a ri s ac o m m o np h e n o m e n o ni nc o m m e r c i a lv e h i c l e sf i e l d s ；t h ep h e n o m e n o nh a sa r o u s e d t h ec o n c 锄o ft h em a j o r i t yo fr e s e a r c hw o r k e r s i na d d i t i o nt oa b n o r m a lt h et i r ew e a r a n dt e a rs u c hf a c t o r sa sr o a dc o n d i t i o n s ，t h eq u a l i t yo ft h et i r e s ，t h eu s eo fm e t h o d s ， b u ta l s ot ot h ep a r a m e t e r so ft h es t e e r i n gs y s t e m s t a t i s t i c ss h o wt h a tt h ew h e e l a l i g n m e n tp a r a m e t e r sa n ds t e e r i n gd e s i g ni sn o tp r o p e r , a b n o r m a lt i r e w e a ri sa n i m p o r t a n tf a c t o r , f r o mt h ew h e e lp o s i t i o na n ds t e e r i n gf a i l u r ec a u s e db yv e h i c l e a c c o u n t e df o r3 0 o ff a i l u r e s ，t h es t u d yp a r a m e t e r so ft h ew h e e lp o s i t i o n , s t e e r i n g k i n e m a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dd e s i g nm e t h o df o rr e d u c i n gt h ed o u b l e - f r o n t - a x l e s t e e r i n gs y s t e ms t e e r i n gw h e e lo ft h ea b n o r m a lw e a ri sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t i nt h i sp a p e r , ad o u b l e - f r o n t - - a x l es t e e r i n gs y s t e ma sab a s i sf o ra n a l y s i so ft h e l e a dt od o u b l e - - f r o n t a x l es t e e r i n gs y s t e ms t e e r i n gw h e e lo ft h ei m p a c to fa b n o r m a l w e a ra n dt e a rf a c t o f ，a n dad o u b l e - t r u c kf r o n ta x l es h i f to ft e c h n i c a lp a r a m e t e r sf o r t h es t u d y , i nv i e wo ft h ea b n o r m a lw e a ra n dt e a ro f t e nl a w , f r o mt h ep e r s p e c t i v eo f t u r n i n gt h ep a r a m e t e r so ft h ef a c t o r st h a ta f f e c tw e a ra r ea n a l y z e d f i r s to fa l l ，t h e o v e r a l ls t r u c t u r eo ft h em o d e la n ds t r u c t u r eo ft h ew e a l a n dt e a rm a yl e a dt oa n a n a l y s i so ft h es i t u a t i o n , a n dt h es t e e r i n gm e c h a n i s mh a sb e e ns i m p l i f i e d ，t h e d o u b l e - f r o n t a x l es t e e r i n gs y s t e mu s i n gt h em e t h o do fc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ，a p a r a m e t r i cm o d e l i n g s t e e r i n gs y s t e mt od e t e r m i n et h ei m p a c to f t h ep a r a m e t e r s ，a n d s e l e c tw h i c hi m p a c ts i g n i f i c a n t l yo nt h es t e e r i n gs y s t e ma n du n d e rc u r r e n tc o n d i t i o n s c a nb ec h a n g e da st h en u m b e ro fp a r a m e t e r st oo p t i m i z et h eo b j e c t d e t e r m i n et h e s h i f tp a r a m e t e r st oo p t i m i z et h es c o p ea n do b j e c t i v e so fo p t i m i z a t i o n i ft h eb e f o r e a n da f t e ro p t i m i z a t i o no ft h et a r g e tf o rt h ea c t u a ls t e e r i n gw h e e la n g l ea n dt h e t h e o r e t i c a la c k e r m a n na n g l ef u l l yc l o s e ，i ts h o w st h a tt h es t e e r i n gw h e e li nt h er o l l i n g s t a t e ，w h i c hh a st h ep o t e n t i a lt or e d u c et i r ew e a l f i n a l l y , t h eu s eo ft h eo p t i m i z a t i o na d a m s d o u b l e f r o n t - a x l eo ft h ei m p a c to f a b n o r m a lw e a ro fs t e e r i n gw h e e ls h i f tp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e da n da n a l y z e dt om e e t t h eo b j e c t i v ef u n c t i o no fas e to fp a r a m e t e r s p a r a m e t e r sw i t ht h ep a r a m e t e r so ft h e c o n c l u s i o n 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 rt h ew h e e lw a sf o u n dt or e d u c e i i t h et h e o r e t i c a la n dt h ea c t u a lr o t a t i o na n g l eo ft h em a r g i n p r o g r a ms h o w st h a tt h e a p p r o p r i a t ea d j u s t m e n t st of o u r - b a rl i n k a g es t e e r i n gs y s t e m ，s t e e r i n gw h e e lp o s i t i o n p a r a m e t e r sa n dt h ep a r a m e t e r so fs t e e r i n gl i n k a g ec a nr e d u c et h ed o u b l e - f r o n t a x l e s t e e r i n gs y s t e ms t e e r i n gw h e e l a b n o r m a lw e a ra n dt e a r k e yp h r a s e ：d u a l - f r o n ta x l es t e e r i n gs y s t e m 、p a r a m e t e r 、o p t i m i z a t i o n s i m u l a t i o n 、a c k e r m a ns t e e ra n g l e 、a b n o r m a lw e a r a n dt e a r i l l 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 签名：午嶂日期：2 噶蛆 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 懈) r 时驯捌俨矽晰州 武汉a 工大学顿士学位论立 11 选题背景 1 1 1 课题的来源 第1 章绪论 双前桥转向系统是一种比较先进的转向系统，目前在商用车领域应用比较 广泛。双前桥转向系统虽然可以起到节省成本的作用，但是在使用过程中普遍 存在着轮胎异常磨损、容易跑偏、摆振严重等问题。本课题分析双前桥转向系 统市场上使用现状，以及在现有的条件下，双前桥转向系统运用时故障特点， 结合学习内容而确定。要求对一款重型汽车的双前桥转向系统进行优化，以减 少其转向轮轮胎的异常磨损，该转向系统采用双前桥助力转向系统，该车型整 车如图1 - 1 所示： i 1 2 课题的提出 图1 1 实车图片 橡胶轮胎由橡胶和骨架材料构成，装在汽芋车轮轮辋上，是汽车与地面之 问的传力元件，起着承载、驱动、转向、制动等作用，其性能的优劣将直接影 响到汽车的动力性、转向操纵性、制动性、行驶平顺性、越野性、乘坐舒适性 武汉理工大学硕士学位论文 及安全性等。轮胎磨损主要是轮胎与地面间滑动产生的磨擦力造成的，汽车起 步、转弯及制动等行驶条件的不断变化，转弯速度过快、起步过急、制动过猛， 轮胎的磨损就快。另外，轮胎的磨损还与汽车的行驶速度有关，行驶速度愈快， 轮胎磨损愈严重，路面的质量也直接影响到轮胎与地面的摩擦力，路面较差时， 轮胎与地面滑动加剧，轮胎的磨损加快。以上情况产生的轮胎磨损，基本上是 均匀的，属正常磨损。 轮胎的正常磨损就是指在正常情况下，轮胎花纹的磨损状况比较均匀，故 使用寿命比较长。而轮胎的异常磨损则是在不正常的情况下，轮胎花纹的磨损 量不一致，磨损状况变得不均匀，从而影响正常的使用寿命。 这也就是为什么要经常检查自己汽车轮胎的磨损状况的原因，因为如果发 现轮胎的磨损出现异常，就肯定有问题存在，如果不能及时发现问题，不仅会 大大缩短轮胎的使用寿命，而且会留下安全故障隐患。 轮胎的磨损是轮胎与地面间的磨擦力造成的。磨擦有静摩擦，活动摩擦， 滚动摩擦。要产生摩擦是由力引起的。因此在不同的摩擦状态，不同的力的情 况下其轮胎磨损程度各不相同。静摩擦状态下汽车的牵引力或制动力为零时， 即汽车为静止状态，轮胎的磨损等于零。活动摩擦状态下因摩擦系数很大，且 汽车的牵引力或制动力也很大，即汽车为猛启动，制动抱死，打滑等情况下轮 胎的磨损就很大。滚动摩擦状态下因摩擦系数比活动摩擦状态下因摩擦系数小， 在外力相等情况下。轮胎的磨损就小。 造成轮胎的异常磨损的原因有许多，如前轮定位不等、轮胎气压不符合要 求、超载、载荷分布不均等等，但是，首要因素是要找到轮胎不同异常磨损的 原因。 1 ) 轮胎成多角形磨损 特别是台肩处磨损严重，其主要原因是：车轮、轮胎偏心或弯曲；轮毂、转 向节偏心或弯曲；轴承或者转向销松匡，回转部分处于不平衡。 2 ) 轮胎的半周产生早期磨损 其原因出以上所述之外，还应查看制动状况是否良好。 3 ) 轮胎某一部位出现异常磨损 其原因很明显是由于紧急制动使车轮抱死，或者快速起步使车轮打滑引起的 胎面局部磨损。这种磨损会加速缩短轮胎的使用寿命，应该尽量避免紧急制动 与急速起动。 2 武& 理t 学硬学位论文 4 、轮胎凸缘处发生单侧边缘早期磨损 形成锯齿状单侧凸缘，其原因是：前部轮胎受制动力影响易发生此类磨损， 后部轮胎受制动力驱动力交替作用影响，易产生较均匀的磨损。特别是制动器 分离不彻底，易产生此类磨损。 5 1 轮胎两侧台肩处外侧发生异常磨损 原因是前轮外倾调整过大；前柬值过大；主销后倾角和内倾角过大。或者是 充气量不足或长期超负荷行驶。充气量小或负荷重时，轮胎与地面的接触面 大，使轮胎的两边与地面接触参加工作而形成早期磨损。 6 1 轮胎两侧台肩处发生位置不同的异常磨损 其原因是车轮、轮胎偏心或弯曲；曲轴转向销松旷，前后桥不平衡。 7 1 轮胎台肩处槽早期磨损 中冠部磨损量较小，其原因是：超载；轮胎气压偏低。 8 1 轮胎中冠部磨损严重 台肩处磨损较轻，其原因是轮胎气压偏高。适当提高轮胎的充气量，可咀减 少轮胎的滚动阻力，节约燃油。但充气量过大时，不但影响轮胎的减振性能， 还会使轮胎与地面的接触面积减小，正常磨损只能由胎面中央部分承担，形成 早期磨损。如果在窄轮辋上选用宽轮胎，也会造成中央部分早期磨损。 一 图i - 2 原车轮胎异常磨损 本课题所研究的车型从轮胎磨损的形状看主要表现在轮胎两侧台肩处外侧 技生异常磨损，如图1 - 2 所示。所以，经过分析决定从转向系统的参数及结构入 手对转向系统进行最优化分析，从而减少异常磨损量。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 3 技术难点 分析转向系统的设计现状发现，在现有的双前桥转向系统中最重要的是以 下几个技术难点问题。 1 ) 双前桥转向系统应该选择什么样的布置方案。 双前桥转向系统布置方案比较灵活，转向系统主要包括转向盘、转向轴及 转向传动轴、转向机、转向拉杆、前桥总成、转向管路、转向泵、转向罐、车 轮等组成。各个转向结构的布置关系比较灵活。 2 ) 双前桥转向系统的运动部件如何选择，传递的速比如何确定，达到什么 样的传递关系转向轻便性最好。 在双前桥转向系统中，转向机的传递速比的确定对整个转向系统的转向灵 活性及转向安全性有很大的影像。另外，转向桥的长度的设计、转向轮定位参 数的设计也会影响到转向系统的转向轻便性。 3 ) 转向系统的传动杆系如何确定其技术参数，在什么样的状况下才能使杆 系与悬架在运动中不发生干涉。 在双前桥转向系统中，考虑到与汽车悬架的运动协调，杆系及摇臂机构的 布置形式有多种。在非独立悬架双前桥转向系统中，按摇臂机构的结构型式， 可分为单摇臂机构及双摇臂机构两类。摇臂机构的型式的选择和摇臂及纵拉杆 连接点的位置有关，而该连接点位置的确定主要考虑摇臂机构与悬架系统在运 动关系上的协调一致性，尽量缩小转向拉杆与悬架导向机构的运动干涉。 4 ) 转向轮的定位参数如何确定，才能使得转向系统操纵稳定性最好。 转向轮的定位参数直接影响到转向系统的轻便性，合理的车轮转向参数的 设定，有利于减少汽车车轮的磨损。对于双前桥转向系统而言，其转向轮定位 参数的确定较四轮转向要复杂的多。 1 2 课题的目的和意义 进入2 l 世纪，随着我国国民经济的不断发展，汽车市场中对商用汽车的需 求不断增加，尤其是近年来，随着地区间的物流需求日益增大，商用车迎来了 高速增长的良机。在这种环境下，商用车的地位就日见突出。2 0 0 7 年，中国商 用车市场整体火爆，据中国汽车工业协会统计显示，2 0 0 7 年商用车产量增长 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 。而在商用车领域，重型载货汽车的增长速度尤其显著，2 0 0 7 年增长幅度 达到5 8 6 4 ，创历史最高记录，重型卡车市场很大一部分是被物流运输业消化， 重卡可节省大量人力和时间成本，不少运输企业已经开始为计重收费做准备， 自重小、运速快的大功率多轴牵引车也成为发展方向。 随着国家治理汽车“双超 的持续深入开展，以及车用油价的走高，市场 及用户迫切需要一种在满足汽车法规的前提下，经济效益更好、安全性更高的 汽车用于运输。基于这种市场需求信息，市场上出现了双前桥转向系统的载重 汽车。在重型汽车领域双前桥转向系统是一种较新型的结构。这种转向系统的 汽车载货量大，转向稳定，转向阻力较小，并且转向半径较小。另外具备承载 能力强、经济效益好、安全性高等特性。中国重汽研制出的国内首辆双转向前 桥6 2 重型牵引车，在承载力与6 x 4 车型基本相同的情况下，减少了一根驱 动桥，多了一根转向桥，但转向桥的价格和重量远远低于驱动桥，使整车价格 降了很多。目前我国已经相继有几家重卡汽车公司推出了一系列双前桥转向系 统的车型。 但是，在双前转向桥的运用越来越多的时候，却也带来一些比较典型的故 障，该故障主要表现在双前桥转向系统的转向桥尤其是转向中桥的异常磨损问 题上。 本课题研究的目的是按照优化的要求，分析重型汽车双前桥转向系统的结 构特点，利用计算机设计软件对某载重汽车双前桥转向系统进行性能优化，并 对转向系统的一些技术参数进行修正，匹配合适的转向传动方案，以达到尽量 减少轮胎异常磨损的目的。 1 3 国内外双前桥转向系统的发展状况与研究现状 自从日本第一辆双转向桥载货汽车问世以来，就受到各个国家汽车公司的 重视。2 0 0 4 年3 月，日本五十铃两种型号的重型车底盘( c ) ( h 5 0 s 、c x h 5 0 t ) 因转向系统存在安全隐患，被国家质检总局吊销强制性产品认证证书，并禁止 进口后，引起国内媒体及汽车企业的关注。两款五十铃底盘车是自另一款五十 铃“c x z 5 1 k 底盘车改装而来，与“c x z 5 1 k 出自同一生产线。不同的是， 其在“c x z 5 1 k 的基础上加了一个转向桥，成为双转向桥车。据称，这种改装 是出于中国用户的“需求 ，因为双转向桥车的转弯半径小，载重量大。也正是 5 武汉理工大学硕士学位论文 因为这件事情，双前桥转向汽车一度引起国人的广泛关注。 1 3 1 双前桥转向系统国外研究状况 早在8 0 年代初期，国内就对双前桥汽车的转向系统进行了探索，提出了多 种行之有效的设计方法。早期的设计方法以平面投影设计方法为主，因为缺乏 直接在空间中建立机构的运动方程的数学理论，所以通常将空间问题转化为平 面问题来解决。通过这种方法不仅可以简化系统结构，同时也可以建立便于实 现数值计算的系统模型。 在实际设计中，要想通过转向机构使所有车轮在每一个转向角度都能绕同 一个瞬心转动是无法实现的。通常的做法是依靠经验公式来设计。在研究中， 则采用优化算法，建立目标函数，求解出最优值。 众多的优化研究方法都认为，对于双前桥转向机构，可以将整个系统拆分 成几个小系统来考虑，即每一个转向桥均可由一个转向梯形机构来保证左右转 向轮按转向规律偏转，而两前桥之间的运动协调关系则需要根据具体情况设计 摇臂机构来加以保证，通常研究者认为，梯形机构是无须进行优化的，左右车 轮的关系完全可以由独立设计的梯形机构来实现。主要影响多轴转向特性的是 摇臂机构，因此，大多数双前桥转向机构的研究论文将摇臂机构作为优化设计 研究的重点，并根据优化理论编写了许多有效的计算软件。 随着计算机性能的不断提高，出现了许多用于工程计算的专用软件，为工 程技术人员的研究工作带来了方便，减少了工程开发中自己编程的麻烦；同时 也使得许多优秀的数学理论得到了推广应用。 1 3 2 双前桥转向系统国内研究状况 我国第一辆双前桥重型汽车最早出现在1 9 9 8 年，开发于一汽汽车技术中心， 代号c a l 2 0 0 p l l q l l l t 4 ，主要是依据日本同类车型开发研制而来。该重型汽车 采用8 4 布置方式，同年投放市场，从市场反应看，因为很多用户用惯了2 轴 或3 轴车，虽然喜欢多轴车较强的载重能力，但不少人对这种新设计心里没底， 不知道是否可靠，因此销量不是很大。2 0 0 5 年，中国重汽济南商用车公司成功 研制出国内首辆双转向前桥6 x 2 重型牵引车。此车型在承载力与6 x 4 车型基 本相同的情况下，比6 x 4 车型减少一根驱动桥。虽然比6 2 车型多了一根转 6 武汉理工大学硕士学位论文 向桥，但转向桥的价格远远低于驱动桥，使得整车价格比6 x 4 车型低很多。近 几年以来双前桥载重汽车表现得异常突出，非常火爆，几乎一直是供不应求， 我国其他的一些商用车公司也纷纷向市场投放双前桥重型汽车。 随着双前桥载重汽车在市场上的比例不断扩大，对双前桥转向系统方面的 研究工作也越来越引起国内相关设计开发人员的关注，同时各个大专院校和整 车的生产厂针对双前桥转向系统提出了很多优化设计方法和相应的理论。湖南 大学唐应时副教授及学生，同时运用a d a m s 、m a t l a b 、及c + + 建立双前桥系 统的数学模型，并对系统进行了优化。吉林大学郭孔辉教授运用空间坐标转换 公式，编写转角关系程序对求解了整车转弯过程中回转直径及回转中心相对于 后轴的前置距。合肥工业大学张代胜教授及学生运用虚拟样机技术对双前桥转 向系统关心的三大问题运动学、动力学及干涉进行了分析，对转向的刚度 和强度进行了分析。 但是，早期的研究大多将前桥转向系统拆分成几个小系统来考虑，把摇臂 机构作为优化设计的重点，或者把前桥的转向梯形简化为平面结构，这些方法 虽然可以使计算方法大大简化，但也使计算精度受到了较大的影响，导致计算 结果与实际偏差较大。并且许多研究采用了数学模型进行分析，数学模型复杂 且出现的错误不易发现，另外，在优化过程中都是基于同一个转向轮定位参数 的假设。在这种假设条件下，忽略了转向轮定位参数改变对整个转向系统的影 响，仅仅考虑传动杆的优化不符合双前桥转向系统的现状。 1 3 本课题主要研究内容 1 3 1 研究目标 本课题研究拟达到以下几个目标： 1 )分析各种转向机构的优缺点，针对一种特定的双前桥转向系统的模型 ( 如图1 3 ) ，对其进行分析。 2 )在原有的技术参数的基础上，分析双前桥转向系统各个传动机构的功能 及技术参数特点，分析其各种不同结构的利弊，在原有结构前提下，确 定一套异常磨损最小的转向系统。 3 )运用分析软件对双前桥转向系统的技术参数进行优化，得到最优的双前 7 武汉理工大学硕士学位论文 桥转向系统相关参数。 i0 一- _- 第第 _ 一 转转 趣嘲 悌梯 形形 一41 r_- - 四连事l 。帆桕 1 3 2 关键问题 图i - 3 原车底盘模型 双前桥转向系统的设计与优化主要要解决以下几个关键的技术问题，该问 题也是本论文论证重点章节： 1 )双前桥转向系统模型的建立； 2 )确立双前桥转向系统优化目标； 3 ) 双前桥各个转向连接件的优化区间的确定： 4 )对各个传递组件的结构参数进行优化，得到优化后的技术参数。 1 3 3 研究内容 对于本次论文所研究的转向系统，首先建立空间三维的模型。通过空间模 型约束的设置来准确的描述转向梯形以及转向拉杆传递机构的各个铰接点的实 际运动方式，进而可以较准确的描述每一个车轮的转角，并通过优化，可以使 车轮转角关系更加接近理想转角关系，使车轮的横向滑移尽可能的小，以减少 轮胎的磨损。在上述理论计算的基础上我们还利用c a e 软件进行运动学分析， 使计算结果与实际试验结果吻合，完全可以满足使用要求。总而言之主要包括 以下几个方面内容。 1 )双前桥转向系统的结构影响分析 双前桥转向系统和单前桥转向系统虽然许多相似，但也有一些结构上的区 武汉理工大学硕士学位论文 别，如转向横直拉杆有二副。双前桥转向系统不同的结构布置尤其是转向摇臂 选择方式不同会引起不同的转向轮磨损规律。本文将分析不同结构对轮胎磨损 的影响。 2 )双前桥转向系统传动路线的布置分析 由于双前桥转向系统的动力传递路线较长，双前桥转向系统力矩的传递路 线比较灵活，不同的传递方式可能产生不同的转向结果。为解决实际问题，已 知一套原始转向传动路线，如何优化出一套结构简单、工作可靠的转向系统传 动方案，是本课题研究的重点。 3 ) 分析双前桥转向系统的杆系参数对磨损的影响 双前桥转向系统的转向轮磨损与传递路线的布置方案有关以外，还与转向 系统的前轮定位参数及转向梯形结构有关，根据道路的使用情况，需要确定一 个合理的前轮定位参数及转向梯形参数，从而保证转向结构尽量满足设计目标。 4 )对双前桥转向系统的参数及结构进行建模优化 分析了各个不同的转向结构对磨损的影响，最终需要确定一套最优的转向 系统，双前桥转向系统设计的好坏，主要考虑该系统在转向的时候能否减少车 轮的侧滑，而要保证车轮不发生侧滑，就必须使车轮在运动过程中处于纯滚动 状态。尽量保证转向轮的实际转向半径与理论转向半径相同，即各个转向轮的 实际转向角度尽量满足阿克曼转角，这个条件是对双前桥转向系统的参数结构 优化的最终目的。 9 武汉理i 大学碗学位论文 第2 章双前桥转向系统理论基础 2 1转向系统的总体结构 当汽车需要改变行驶方向时，必须使转向轮绕主销轴线偏转一定角度，直 到新的行驶方向符合驾驶员的要求时，再将转向轮恢复到直线行驶位置。这种 由驾驶员操纵，转向轮偏转和回位的一整套机构，称为汽车转向系。 双前桥转向系统总体逻辑结构可以按不同的功能进行划分： 1 ) 承载功能：第一、二前轴一转向节一主销一止推轴承一轮毂内外轴承一 轮毂一车轮： 2 ) 转向功能：动力转向器转向垂臂一转向直拉杆一前过渡摇臂一第一桥 转向直拉杆一转向节臂一转向节一主销一止推轴承一第一桥梯形臂一 第一桥转向横拉杆球头一第一桥转向横拉杆； 第二桥转向助力缸一后过渡摇臂第二桥转向直拉杆一转向节臂一转 向节一销一止推轴承一第二桥梯形臂一第二桥转向横拉杆球头一第二 桥转向横拉杆； l 方向盘 4 转向拉杆 7 转向泵 图2 - 1 2 转向轴3 转向机 5 前桥总成6 转向管路 8 转向油罐9 车轮 动力转向机构示意图 武汉理工大学碗学位论文 3 ) 传递力及力矩功能：方向盘一转向柱管一万向节动力转向器一转向摇 臂直拉杆一前过渡摇臂一第一桥转向直拉杆一第一桥转向节臂一第 一桥梯形臂一第一桥转向横拉杆； 前过渡摇臂摇臂拉杆总成一后过渡摇臂一第二桥转向直拉杆一第二 桥转向节臂一第二桥梯形臂一第二桥转向横拉杆： 4 ) 助力功能：动力转向器一转向动力缸一二桥助力缸。 总体按转向能源的不同，转向系统可分为机械转向系统和动力转向系统两 大类。本课题研究车型是一款液压助力转向系统。动力转向系统兼用驾驶员体 力和发动机的动力为转向能源的转向系统，它是在机械转向系统的基础上加设 一套转向助力装置而形成的。 属于转向加力装置的部件是：转向油泵、转向油管、转向油罐、转向控制 阀及转向动力缸等。 j 攀；静鬻i 爹爹? 篙i 图2 2 转向助力管路 当驾驶员转动转向盘时，转向摇臂摆动，通过转向直拉杆、横拉杆、转向 节臂，使转向轮偏转从而改变汽车的行驶方向。与此同时，转向器输入轴还 带动转向器内部的转向控制阀转动，使转向动力缸产生液压作用力，帮助驾驶 员转向操纵。这样，为了克服地面作用于转向轮上的转向阻力矩，驾驶员需要 加于转向盘上的转向力矩，比用机械转向系统时所需的转向力矩小得多。在转 向加力装置失效时，还能由驾驶员独立完成转向任务。本课题所研究车型就是 采用液力式助力转向系。 武& 理t 大学硬十学位论文 目前，在重型商用车领域，基本上都是采用液压助力转向系统，基于机械 控制的双前桥转向系统，一般也采用液力助力转向，双前桥转向系统是在传统 转向系统基本上增加一个转向前桥( 二轴) ，二轴是通过过渡拉杆和过渡臂及转向 助力缸等零部件组成的传递机构来实现转向功能的。 图2 - 3 双前桥系统 对于般前桥转向的车辆，不但要保证每一个前桥尽量满足阿克曼转角关系 同时还要使一轴和二轴的转向轮转向角保持一定的协调关系，以确保尽量减少 轮胎磨损，这种协调关系主要取决于过渡拉杆和过渡臂的传递比例，另外在双 前桥转向系统中，设有可调整机构，用来确保双前轴在直行时，四个转向轮相 互平行，为了保证转向的舒适性，一般在过渡臂上设有转向助力缸，用来克服 第二轴的转向阻力。此种转向系统的优点是在适应法规的基础上增加承载能力 成本低，可靠。 本课题是选择一款某双前桥车型作为研究目标，其转向机构也是采用液压 助力式，采用动力转向机和随动器液压助力。转向机为传统的整体式动力转向 机，随动器的助力信号取自动力转向机并与转向机保持一致。因此，在汽车转 向时，转向机和随动器的助力是同时发生的，使双前桥转向可靠、灵活、轻便 武汉理i 大学顾学位论文 2 1 1 转向操纵机构 转向操纵机构由转向盘、转向轴、转向柱管、万向节和转向传动轴等组成 它的主要作用是操纵转向器和转向传动机构，使转向轮偏转。 1 瑟i 瓣一ji 蠲募鬈：蒸爹剽 图2 _ 4 转向操纵机构结构图 转向柱管中部用橡胶垫和支架固定在驾驶室前围板上，下端插人铸铁支座 的孔中。转向柱管支座固定在转向操纵机构支架上。 转向轴穿过转向柱管，其下端支撑在转向柱管支座中的圆锥滚子轴承上， 上部则通过转向轴衬套支撑在柱管的内壁上，其上端用螺母与转向盘相连接。 转向盘上装有电喇叭按钮及相应部件。转向轴通过万向传动装置与转向器中的 转向蜗杆相连。下万向节与转向传动轴用滑动花键相连接。往往转向操纵机构 在驾驶室中位置固定。 2 1 2 杆系及摇臂机构 对于双前桥转向车辆，考虑到与汽车悬架的运动协调，杆系及摇臂机构的 布置形式有多种。在非独立悬架双前桥转向车辆中，按摇臂机构的结构型式， 可分为双摇臂机构( 如图2 - 3 ) 及单摇臂机构( 如图2 5 ) 两类。 摇臂机构的型式的选择和摇臂及纵拉杆连接点的位置有关，而该连接点位 置的确定主要考虑摇臂机构与悬架系统在运动关系上的协调一致性，尽量缩小 转向拉杆与悬架导向机构的运动干涉。 图2 - 5 单摇臂机构 传统的双前桥转向系统前后桥之间都是采用转向连杆机构进行连接，比较 常见的转向连杆机构如图2 - 6 所示，其特点是前后过渡摇臂上节点固定在车架 上，通过改变前后摇臂的长度，从而改变前后转向垂臂的运动协调性。该转向 连杆机构容易实现空间布置一般实用于短前悬汽车。但是由于下垂臂过长， 容易发生与悬架系统的干涉。 l 图2 - 6 传统连杆机构连接原理图 针对上述连杆机构的特点，一些企业在连杆的设计方面进行了改进。本课 题所研究的两个转向轴之间采用四连杆的方式进行连接，其过渡杆与摇臂机构 武汉理工大学碗士学位论文 采用四连杆结构，其具体结构示意图如下图2 7 所示。该结构容易布置过渡拉杆 和转向直拉杆。由于转向垂臂较短，可以防j e 转向直拉杆与悬架的干涉。 十 也 第一直拉杆第二直拉杆 图2 7 四连杆机构连接原理图 本课题研究的转向拉杆和过渡臂都设计成长度可以调节的结构，这样可以 根据汽车使用的状况以及行驶的里程数调节转向杆系的长度。从而保证前后桥 的转向轮符合所需要求。其转向机与第一垂臂和过渡臂与过渡拉杆连接方式如 图2 8 ，图2 - 9 所示 图2 8 一轴垂臂连接图2 - 9 过渡臂及过渡拉杆 为减小驾驶员操纵杆系的力第一垂臂与第二垂臂之间的运动关系主要通 过液压系统保证其转动一致，主要的动力元件是动力转向机和转向助力器，动 力转向机与转向随动助力器之间的动力传递必须满足随动性要求所以在液压 流向上必须满足一定要求，该液压系统液压流向示意图如图2 - 1 0 。 武4 i 大学硕i 学位论女 2 1 3 转向器 图2 1 0 液压流向示意图 转向器的功能是将转向盘的转动变为齿条轴的直线运动或转向摇臂的摆 动，降低运动速度，增大转向力矩并改变转向力矩的传动方向。 转向器的种类较多，一般是按转向器中啮合传动副的结构形式分类。目l j i 应用较广泛的有蜗杆指销式、蜗杆滚轮式、循环球一齿条齿扇式、循环球一曲 柄销式和齿轮齿条式等几种。 转向器输出端的运动形式有两种，一种是线位移，另一种是角位移。线位 移输出的转向器的传动比，用转向盘每转一圈时转向器输出轴的线位移的大小 来表示；角位移输出的转向器的传动比，用转向盘转角增量与转向摇臂轴转角 增量之比来表示。 转向器的传动比越大，转动转向盘所需要的操纵力就越小，但转向操纵的 灵敏度就会下降。有的汽车转向器在转向过程的不同阶段，其传动比的大小是 不相等的。 转向器除要保证汽车转向轻便灵活外，还应能防止由于路面反力对转向盘 产生过大的冲击，造成操纵困难和驾驶员工作疲劳。 为了实现这一目的，转向器应具有较高的正传动效率和适当的逆传动效率 通常称转向操纵力由转向盘传到转向摇臂的过程为正向传动，相应的传动效率 称为正传动效率；称由路面的冲击力反向通过转向摇臂和转向器传到转向盘的 武汉理i 学颐学位论文 过程称为逆向传动，相应的传动效率称为逆传动效率。 根据转向器正向和逆向传力的特性不同，转向器可分为可逆式转向器、不 可逆式转向器和半可逆式转向器三种类型。可逆式转向器工f 传动效率高，逆传 动效率也高；不可逆转向器j 下传动效率高，逆传动效率为零；半可逆式转向器 正传动效率高，逆传动效率较低。 所有的转向器都要求正传动效率要高，这样转向力通过转向器时损失少， 转向操纵便灵活。好的转向器应有适当的逆传动效率，使驾驶员通过操纵转向 盘既能对道路情况有明显的“路感”，但又不能使路面不平对转向盘产生过大的 冲击。 本课题研究汽车采用i p s 系列整体式动力转向器，该转向器是半可逆式转向 器，当转向器转向时，司机通过方向盘将转向力矩传递给转向器的输入轴。扭 杆的一端用销钉与输入轴联接，另一端与螺杆连接。来自输入轴的转向力矩通 过扭杆传到螺杆，由于循环球机构的作用，螺轩试图使齿条活塞沿缸孔做轴向 运动，但来自车轮的地面阻力通过拉杆系统使摇臂轴限制了齿条活塞的轴向运 动，因此扭杆被扭转，输入轴上的油槽相对位置发生了改变一即控制阀起作用， 并引导高压油流向指定的油缸，即上油缸或下油缸，在相应的齿条活塞的端面 产生了液压作用力并推动齿条活塞轴向移动，使摇臂轴产生转动，实现了汽 车转向。其工作原理图如图2 - 1 1 。 图2 - 1 1 动力转向器工作示意图 如果转向轮受到地面冲击负荷，冲击力通过摇臂轴传到齿条活塞，进一步 传到螺杆，转向器内部的结构致使转阔将高压油送入相应的油缸，以克服这一 轳龟一 武汉理i 大学硕i 学位论文 冲击力，转向器防止了方向盘打手现象。 i p s 转向器在齿条活塞的两端各装备了一个行程卸荷程阀当转向轮接进限 位螺钉时，限制该方向转向助力的哪个行程卸荷阀开启，相应油缸内油压降低， 这样可减少油泵产生的热量，同时，转向系统联接件的负荷也随之减小。 2 1 4 转向桥 车桥是汽车底盘行驶系的重要组成部分，我们把发动机比做汽车的心脏， 那么车桥就是汽车的两条腿。车桥通过悬架和车架( 或承载式车身) 相连，两 端安装汽车车轮。其功用是传递车架( 或承载式车身) 与车轮之间各方向作用 力及其力矩。 根据悬架结构不同，车桥分整体式和断开式两种：整体式车桥犹如一个巨 大的杠铃，中部为刚性的实心或空心梁，两端通过悬架系统支撑着车身，通常 与非独立悬架配合，一般应用在中重型货车和客车上； 断开式车桥象两把雨伞插在车身两侧，再各自通过悬架系统支撑车身，只 能与独立悬架配用，一般用在轿车和轻型客车上。 半 断 面 形 断 o 删2 一1 2 转同桥结构图 根据车桥上车轮的作用不同，车桥也分成转向桥、驱动桥、转向驱动桥和 支持桥四种。其中转向桥和支持桥都属于从动桥。在本课题的研究车型主要采 用整体式双前转向桥，双后驱动桥的结构形式，且悬架结构采用整体式结构。 其转向桥图形如图2 1 2 ，前后整体式转向桥的结构基本相同，由两个转向节和 根横梁组成。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 转向轮定位参数 汽车的转向轮定位也称前轮定位，转向轮定位是指前轴、主销与转向轮三 者组装后的相对位置关系，其主要共包括主销后倾、主销内倾、车轮外倾和前 轮前束四个参数，它们共同作用使汽车保持直线运动的稳定性；使转向操纵轻 便；使转向轮每一个瞬间接近向正前方滚动而无滑动以减轻轮胎磨损。 2 2 1 主销后倾 主销后倾是指在在纵向平面内主销上部向后倾斜一个角度b 。它使主销轴线 与路面的交点位于轮胎接地中心之前，该距离k 称为后倾拖距。这时，汽车转 向引起的离心力使路面对车轮作用着一阻碍其侧滑的侧向反力，使车轮产生绕 主销旋转的回正力矩，保证了汽车有较好的直线行驶稳定性。 主销后倾角的获得一般是在安装时，通过悬架元件相互位置来保证的。主 销后倾角的存在可使转向轴线与路面的交会点在轮胎接地点的前方，可利用路 面对轮胎的阻力保持汽车直进。由于汽车转向轮始终围绕着主销旋转，并且前 轴轴荷是通过主销传给车轮的，那前轴的重心就在主销轴线和它的延长线上， 由于主销轴线的延长线与轮胎和地面的实际交点之间以保持有一定的距离，汽 车转弯时转向轮便产生了离心力，这种离心力引起地面对转向轮的侧向反作用 力作用在轮胎与地面的实际接触点上。 迫使转向轮发生偏转的外力消失后，侧向反作用力就可以帮助车轮自动回 正，这个侧向反作用力就是主销后倾角产生的回正力矩。侧向反作用力矩的大 小取决于主销后倾角轴线的延长线与轮胎和地面实际接触点的距离以及行车的 速度。主销后倾角越大，车速越高，转向轮自动回正的力矩也就越大。按照国 内传统的汽车理论，主销后倾角越大，行驶中产生的离心力就越大，防止车轮 发生偏转的反向推力就越大，所以主销后倾角越大，汽车直线行驶的稳定性就 越好。但是主销后倾角越大，汽车转向时所须克服的反向推力也就越大，转向 就越重，所以主销后倾角一般不超过3 。并且，过多地加大主销后倾角也会影 响汽车行驶的稳定性，在高速行驶中会出现转向发飘，左右牵引的故障。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 车轮外倾 车轮外倾是指车轮在安装时，其轮胎中心不是垂直于水平面，而是向外倾 斜一个角度a ，约为0 5 0 1 5 0 ，如图2 1 3 所示，它可避免汽车重载时车轮产生内 倾，同时和拱形路面相适应。合适的主销偏距使车辆易于驾驶，既可以减小路 面的冲击，又可以使方向盘有很好的回正能力。 外倾角过大时，轮胎外侧胎肩磨损较严重；外倾角过小时，轮胎内侧胎肩 磨损较严重；同轴车轮外倾角不相等( 相差大于0 5 。) 时，会引起车轮向外倾 角大的一侧拖曳，并产生车轮摇摆，加剧轮胎磨损。 一a i j 一一一! ? 2 2 3