（车辆工程专业论文）液压模块式组合半挂车转向系统仿真及结构优化设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文首先对液压模块式组合半挂车转向系统研究的课题背景进行了介绍，结 合组合挂车的发展趋势和项目委托企业的实际要求，阐述了本课题研究的必要 性和迫切性，以及研究的主要目的和意义。在详细分析了车辆转向机构国内外现 状的基础上，综合考虑企业的具体要求，提出了本文研究的主要内容。 然后，分析了液压模块式组合挂车的总体结构及主要技术特点，介绍了组合 挂车的拼接形式，并着重论述了转向系统的结构特点、转向实现方式、中心转向 板和转向节板的构造特征以及不同拼接形式的杆系布置变化规律等内容。 接着，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， 推导了以6 轴线单车模块为基本拼接单元的组合半挂车理论转角公式，提出了多 种拼接形式全轮转向时计算各车轮实际转角的矩阵变换算法，并利用该算法推得 6 轴线单车模块各车轮实际转角公式，在此基础上给出了组合半挂车转向机构优 化设计的一般数学模型。 在对组合挂车转向机构结构特点研究分析的基础上，进行模型简化和参数化 建模研究，利用a d a m s 参数化建模方法，在兼顾工作量、计算规模和计算时 间的前提下，通过合理简化建立了四种典型拼接形式的参数化模型。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差值。 提出了转向机构优化设计的通用目标函数表达式，建立了四种典型拼接形式 转向机构优化设计的数学模型，利用整体坐标和局部坐标相结合的变量缩减及等 式约束消除法，分别对四种拼接形式的转向机构进行了优化设计。通过优化，1 纵队6 轴线拼接形式的目标值下降3 8 4 ，1 纵队1 2 轴线下降2 2 8 ，1 纵队1 8 轴线下降1 8 2 ，1 纵队2 4 轴线下降2 3 2 ，转向性能均有较大改善。在此基础 上为了提高设计效率，为企业设计人员提供方便、实用的设计工具，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。 本文最后设计了面向用户的组合挂车拼车方案查询模块，并在d r e a m w c a v e r 平台下实现了该模块，最后运用该模块查询了l 纵队6 轴线拼接形式下转向拉杆 的布置信息。 本文的研究不仅为企业设计人员进行组合挂车转向系统的研究提供了参考 和依据，解决了企业的实际问题，还为组合挂车转向机构的优化设计提供了方便 实用的工具，提高了设计效率。对组合半挂车转向系统的研究为同类研究提供了 新的思路和可行的具体路线，具有现实意义和研究价值。 关键词：组合半挂车转向机构拼接形式优化设计a d a m s 二次开发 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i r s t l y , t h er e s e a r c hb a c k g r o u n do fs t e e r i n gs y s t e mo fh y d r a u l i cm o d u l a r a s s e m b l e ds e m i - t r a i l e ri si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s c o m b i n i n gw i t ht h ed e v e l o p m e n t t r e n do fa s s e m b l e dt r a i l e ra n dt h ee n t e r p r i s e sa c t u a lr e q u i r e m e n t s ，t h en e c e s s i t ya n d u 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 so ft h er e s e a r c ha r ed i s c u s s e d i nad e t a i l e da n a l y s i so fs t u d ys t a t u s e so fv e h i c l es t e e r i n gm e c h a n i s ma 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 f t h i st h e s i sa r ep u tf o r w a r d t h e n , t h eo v e r a l ls t r u c t u r ea n dm a i nt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i c m o d u l a ra s s e m b l e dt r a i l e ra r ea n a l y z e d t h es p l i c i n gf o r m sa r ei n t r o d u c e d t h e s t r u c t i l r ec h a r a c t e r i s t i c so fs t e e r i n gs y s t e m ，s t e e r i n gr e a l i z i n gw a y s ，t h es t r u c t u r eo f c e n t e r p l a t ea n ds t e e r i n gb o a r da sw e l la sl i n k a g e s l a y o u t sc h a n g er u l e so fd i f f e r e n t s p l i c i n gf o r m sa r ep r e s e n t e d a f t e r w a r d s ，s t a r t i n g f r o ma c k e r m a n n p r i n c i p l e t h et h e o r e t i c a l s 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 i sa n da l l w h e e l s t e e r i n gv e h i c l e sa r ea n a l y z e d t h e t h e o r e t i c a ls t e e r i n ga n g l ef o r m u l a so fa s s e m b l e ds e m i t r a i l e r , w h o s eb a s i cs p l i c i n g u n i ti s6 - a x l em o d u l e ，a r ed e r i v e d t h em a t r i xt r a n s f o r ma l g o r i t h m ，w h i c hc a nb eu s e d t oc a l c u l a t et h ep r a c t i c a lw h e e la n e # o fav a r i e t yo fs p l i c i n gf o r m sw h e na l l w h e e l s t e e r i n gi sd o n e ，i sp u tf o r w a r d ，a n db yu s i n gt h i sa l g o r i t h me a c hw h e e l sp r a c t i c a l a n g l ef o r m u l ao f6 - a x l em o d u l ei sd e r i v e d b a s e do nt h ea b o v ew o r kt h eg e n e r a l o p t i m a ld e s i g nm a t h e m a t i c a lm o d e lo fs t e e r i n gm e c h a n i s mo fa s s e m b l e ds e m i - t r a i l e r i sg i v e n o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gs t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so f s t e e r i n gm e c h a n i s m ，m o d e l s i m p l i f i c a t i o na n dp a r a m e t r i cm o d e l i n ga r es t u d i e d t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ew o r k l o a d , c a l c u l a t i o ns c a l ea n dc o m p u t i n gt i m e ，b yu s eo fa d a m sp a r a m e t r i cm o d e l i n g a p p r o a c hf o u rt y p i c a ls p l i c i n gf o r m s p a r a m e t r i cm o d e l sa r ee s t a b l i s h e du n d e r r e a s o n a b l es i m p l i f i c a t i o n t h r o u g hs i m u l a t i o nt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e na c t u a lw h e e l a n g l e sa n dt h e o r e t i c a la n g l e sa r ea c h i e v e d t h e g e n e r a lo b j e c t i v ef u n c t i o ne x p r e s s i o no fs t e e r i n gm e c h a n i s mo p t i m a ld e s i g n i sp r o p o s e d t h eo p t i m a ld e s i g nm a t h e m a t i c a lm o d e l so fs t e e r i n gm e c h a n i s mo ff o u r t y p i c a ls p l i c i n gf o r m sa r eb u i l t u s i n gt h em e t h o do fv a r i a b l e sr e d u c t i o na n de q u a l i t y c o n s t r a i n t se l i m i n a t i o n ，w h i c hc o m b i n i n gg l o b a lc o o r d i n a t ea n dl o c a lc o o r d i n a t e ， c o n n e c t i n gp o i n t so ff o u rs t e e r i n gm e c h a n i s m sa r er e s p e c t i v e l yo p t i m i z e d t h r o u g h 武汉理工大学硕士学位论文 o p t i m i z a t i o n ，t h et a r g e to fs i n g l e m o d u l ef o r mf a l l s3 8 4 ，d o u b l e m o d u l ef o r md r o p s 2 2 8 ，t h r e e m o d u l ef o r md r o p s18 2 ，a n df o u r - m o d u l ed r o p s2 3 2 ，s t e e r i n g p e r f o r m a n c ei so b v i o u s l yi m p r o v e d o nt h i sb a s i si no r d e rt oi m p r o v ed e s i g n e f f i c i e n c ya n dp r o v i d ec o n v e n i e n ta n dp r a c t i c a ld e s i g nt o o l st oc o m p a n y sd e s i g n e r s ， t h eo p t i m u md e s i g nm o d u l eb yu s i n ga d a m s s e c o n d a r yd e v e l o p m e n ti sd e s i g n e d a n da c h i e v e d f i n a l l y ，t h eu s e r - o r i e n t e dq u e r ym o d u l ef o rs p l i c i n gf o r m so fa s s e m b l e dt r a i l e ri s d e s i g n e d ，a n di sr e a l i z e di nt h ed r e a m w e a v e rp l a t f o r m b y 憾o ft h i sm o d u l e q u e r y i n gt h el a y o u to f t h es t e e r i n gl i n k a g ei ns i n g l e - m o d u l ef o r mi sd o n e a l lo ft h es t u d i e so f f e rar e f e r e n c et ot h er e s e a r c ho fs t e e r i n g s y s t e mo f a s s e m b l e dt r a i l e r , s o l v e st h ee n t e r p r i s e sp r a c t i c a lp r o b l e m s ，p r o v i d ep r a c t i c a lt o o lf o r - o p t i m i z a t i o no fs t e e r i n gm e c h a n i s ma sw e l la sn e wi d e aa n dp o s s i b l ew a y sf o r s t e e r i n gs y s t e l nr e s e a r c ho fa s s e r n b l e dt r a i l e r , a n dh a v eaf i n ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：a s s e m b l e ds e m i - t r a i l e r s s t e e r i n gm e c h a n i s m s s p l i c i n gf o r m s o p t i m a ld e s i g nla d a m s ； s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个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，也不包括为获得武汉理工大学或其他教育机构 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。 研究生签名：日期： 关于论文使用授权的说明 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 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容， 可以采用复印、缩印或其他复制手段保存论文。 研究生签名： 导师日期： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 随着生产的发展、科学技术的日新月异，长件大件及重型装备在公路及场地 运输中占据越来越大的比例，对国内特种重型装备生产行业提出了新的挑战，具 有组合功能的模块化挂车由此应运而生。然而国内有能力生产组合挂车的企业少 之又少，我国在大件运输组合挂车的研发和制造方面尚存在一片较大的空白。 国外液压模块式组合挂车的发展已相当成熟，而国内对这种车型的需求基本 依靠进口。现有某特种车辆生产企业充分利用企业优势，与我校合作进行了大型 平板车产品的研发工作，取得了较好的成果，并在此基础上得到湖北省科技厅重 大科技专项资金支持进一步开展一系列重大装备研究，包括产品的产业化研究、 多种产品的自主研发、产品现代设计技术和制造技术研究、数字化产品技术的研 究与应用等，其中现代设计与制造技术研究具体包括对产品的优化设计、轻量化 设计研究和制造工艺流程设计研究等。组合挂车为该重大装备研究的主要对象之 一，目前企业通过借鉴国外同类车型，已研制出重型组合挂车拼车模块，但在合 理拼车方案的制定、结构改进设计、包括转向在内的各项性能研究、面向拼车组 合的机构优化调整以及计算机虚拟仿真等方面均未获得系统的理论支撑和利用 现代c a d c a e 技术进行设计和分析的手段，考虑未来将该车型向市场推广的需 要，并使技术更成熟、产品更可靠，尚有很多工作要做。本课题对组合半挂车转 向系统的仿真及优化设计研究就是湖北省科技厅专项资金支持项目的一部分。 1 2 国内外研究概况 1 2 国外研究概况 上世纪中叶，经济增长步伐的加快、道路条件的改善和交通运输业的发展， 都为大吨位、大功率重型特种车辆的发展创造了条件。其中，挂车以其装载量大、 能耗小、车辆制造和使用成本低的优点，受到客户青睐【l 】。在美国，汽车列车担 当了8 0 的货物运输，而半挂车完成了其中的7 0 ；在西欧各国，挂车在大型 货物运输中也扮演了重要的角色【2 】。相比较而言，我国这一比例还很低。另外， 生产发展导致大件运输在公路运输中占据的比例越来越大，各类货物运输中的大 型设备多采用重型挂车运输方式。挂车对长件大件、集装件、重型件的适应性好， 吸引各大汽车制造商和货物运输商投身其中。在超限运输领域中，厂房、车厢、 分段的船体、高铁建设中的箱型梁等大型设备的整体运输对挂车的进一步发展提 武汉理t 大学硕士学位论文 出了新的要求各国投入了大量时间从事相关研究，组合挂车就是其中一个重要 组成部分。 为使挂车发挥最大功能，国外的挂车工业不断向组合式、多用途方向发展， 根据货物的外形特点、体积和重量，实现了长度、宽度、轴距可变。并且还实现 了全挂车与半挂车的相互转变。其中全挂与半挂转变技术能够适应高速公路运输 对机动性的要求。上世纪七八十年代，我国从法国引进的尼古拉( n i c 0 a s ) 和从德国引进的歌德霍夫( g o l d h o f e l i ) 组合平板车，已能根据货物的重量和 外型实现挂车的多种组合方式。近年来，国外一些主流厂商如德国g o l d h o f e r ( 歌德霍夫) 、s c h e u e r l e ( 索埃乐) 及法国n 1 c o l a s ( 尼古拉) 等对组合挂 车进行了大量研究，其技术水平在国际上处于领先地位。这些公司设计的新型组 合挂车能够变全挂为半挂，变一车专用为一车多用，变固定车型为组合式车型， 可装载的货物种类也越来越多，能满足越来越多领域的物流需求，如图1 1 所示 图1 - 1 宽大框架货物运输( 图片来自德国g o l d h o f e r 公司 刚1 - 2 质鼋密集型货物运输( 图片来自德国g o l d h o f e r 公司) 武汉理工大学硕士学位论文 为宽大框架货物，共有四根大型立柱，立柱所在的四个角上分别需要一辆某轴线 数组台挂车承力，运输过程中四辆挂车等速同步行驶；图1 - 2 所示的挖掘机属于 质量密集型货物，装载时一般置于多轴线组合挂车货台长度的中间位置；图1 - 3 所示为超长型货物，运输时需要在挂车上装各专用的支撑架来起到固定作用，保 证货物安全运输。 图1 - 3 超长货物运输( 图片来自德国g o l d l l o f c r 公司) 组合挂车的车辆装各技术如图1 4 所示，包括动力鹅颈1 、可组合的单车模 块2 和低货台3 等，其中动力鹅颈的应用突破了全挂与半挂的区分界限。此外还 配有为适应不同装货要求的轴距、宽度和车型可变的其它特种车辆装备。目前， 国外挂车在避震性、安全可靠性、可载性和通过性等各方面均优于国内水平，并 且技术先进”j 。 图1 4 液压模块式组合半( 全) 抟车 l 一动力鹅颈；2 一目组台的单车模块；3 - 低货台 ：厶 ，0，n川，v 暑薹基暑l l 董暑鲁fifi|；基曼菖蕈看鲁 雨鞫 武汉理1 大学硕十学位论文 在组合挂车设计研究方面，德国的g o l d h o f c r 公司己公布m o d u l a r d a t a 和 e a s y l o a d 等常舰设计软件，其中m o d u l a r d a t a 可根据拼接模块数计算载重量 或根据货物重量计算所需模块数，还可计算承载能力、货台倾斜度、转弯半径、 坡度角和牵引力等，其界面如图l 一5 所示，e a $ v l o a d 可用于计算不同类型货物 的最佳装载位置和装载方法等。但目前还没有提供针对转向机构等各太机构优化 设计的相关理论和软件。 图1 组合挂车常规设计软件m o d u l a r d m a 组合挂车的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，因此对其转向系统的研究至关重要。转向系统研究中个关键内容是转向机 构的优化设计。国外关于组合挂车转向中的一些先进技术成果由于涉及商业机 密，相关研究论文发表很少。但对于其它车辆转向杆系优化设计方法的研究文献 不在少数。文献f 4 1 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正率。文献 5 则比较系统地提出了一种优化设计悬架和转向系统的方法。该方法针对在光滑、 平坦的路面上进行中等角度转向的车辆忽略侧偏角等动力学特征，建立了包括 前轮转向和车身侧倾的两自由度系统。该文提出了“转向误差”f s t e e r i n ge r r 0 0 的概念，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 武汉理工大学硕士学位论文 为优化目标，设计出转向器横拉杆两端连接点的空间位置。 在国外，经过多年的历史演变，包括转向机构在内的机械结构最优化设计理 论和算法已非常成熟，并运用于各个工程领域中。极值问题早在1 7 世纪英 国科学家n e w t o n 发明微积分的时代就已提出，随后又诞生了l a g r a n g e 乘数法。 法国数学家c a u e h y 于1 8 4 7 年研究了函数值沿什么方向下降最快的问题并提出最 速下降法。1 9 3 9 年前苏联数学家j i b k a h t o p o b 提出了解决下料问题和运输问题 这两种线性规划问题的求解方法。到2 0 世纪3 0 年代，由于受到历史条件的制约， 最优化还未形成独立系统的学科。4 0 年代起，电子计算机的广泛应用使最优化 问题的研究成为一种迫切需要。最优化理论和算法迅速发展起来，形成一门学科， 至今已出现线性规划、非线性规划和动态规划等许多分支【6 l 。 从上述情况可以看出： ( 1 ) 国外的组合式挂车工业已相当发达，并且各项技术也趋于成熟； ( 2 ) 对于组合挂车转向机构的设计计算软件和优化方法等方面的研究已经 很先进、很成熟。 1 2 2国内研究概况 随着我国加入w t o ，外国先进的运输方式涌入中国，冲击着传统专用车生 产厂商和交通运输领域。公路建设飞速发展带来的大件运输也对国内挂车生产行 业提出了新的挑战。目前国内专用汽车生产存在散、乱、差现象。国内载货汽车 生产厂达4 0 0 多家，大多数为外购底盘进行改装的中小厂。其中，重型专用车生 产厂家8 0 多个，都没有形成较大批量生产，与发达国家相差甚远。机械化程度 低，手工式作坊多，产品质量参差不齐；在生产工艺工装方面，由于缺少规模的 技术改造，限制了产品的质量和档次的提高，制约了专用汽车的发展。实际情况 表明国内有能力生产组合挂车的企业很少。在大件运输组合挂车的研发、制造方 面，我国还处于初级阶段。上世纪8 0 年代末9 0 年代初，我国才开始仿照法国尼 古拉7 0 年代生产的液压悬挂车，直至现在还在生产类似的、已被国外淘汰的挂 车产品【3 】。我国挂车在悬挂、转向、组合技术，轮胎级别和标准制定上与国外相 比存在较大差距，对组合挂车的设计制造还停留在仿制、估算阶段。赵龙和梅彦 利分别在文献【7 】和 8 e e 就组合式液压全挂车和组合式重型多轴半挂车的结构特 点进行了介绍，并对其使用方法和使用场合进行了阐述，但仅停留在介绍层面， 未涉及其相关技术的研究。2 0 0 6 年3 月，上海交大的张鹏首次在其硕士论文中 进行了组合挂车转向系统的研究，论文在考虑到机构形式、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【9 1 。 国内对于转向机构的研究包括传统的单轴转向技术和面向重型车、专用车的 5 武汉理工大学硕士学位论文 多轴转向技术。传统的转向系统研究主要是针对两轴车辆前轴转向梯形的研究， 即单轴转向技术的研究。这方面的研究已相当成熟，国内相关方面的论文也层出 不穷。1 9 8 8 年，张烨分析了现有转向梯形机构存在的问题，提出了改进措施【l 0 1 。 1 9 9 0 年，董学锋在文献【1 l 】中利用解析方法对转向机构进行了运动分析，导出了 运动关系式及角传动比计算式。通过对系统的简化力分析，推出了力比计算式， 进而探讨了转向机构的优化设计问题。1 9 9 5 年1 1 月，陈集丰、段德高等人对不 同转向梯形机构给出了内外轮转角关系，用加权最d - - 乘法和复合形法、约束随 机射线法进行机构最佳参数确赳1 2 】。2 0 0 1 年，李玉民、过学迅等4 人提出了更 接近于实际的弹性轮胎的理论转向特性，用空间梯形模型，分析了车辆上常用的 整体式转向梯形所确定的实际转向特性。同时提出了用实际梯形转向特性逼近理 论转向特性的优化设计方法，并进行了验证f l3 1 。2 0 0 2 年，黄鹤辉和陈晨两人编 写了基于m a t l a b 优化工具箱的“整体式转向梯形机构”的优化设计计算程序。 利用该程序，用户可交互式输入结构参数并获得优化结果，并自动绘制实际输出 角和输出角期望值随输入角变化的曲线【1 4 1 。2 0 0 6 年，董恩国、李双义和张蕾应 用动力学分析软件a d a m s 分析最小传动角对汽车转向性能的影响及其与转向 梯形底角、转向梯形臂长度的关系，建立了以转向过程中汽车外侧车轮实际转角 与理想转角差值最小为目标函数的数学模型，并分析了转向梯形底角和梯形臂长 度对目标函数的影响，完成了转向机构的优化设计【1 5 1 。2 0 0 7 年，陈晓希等人在 文献【1 6 】中提出在对整体式转向梯形机构进行优化设计时，不同的变量约束条件 和初值会导致优化结果的差异。通过分析目标函数性态，给出了合理的变量约束 条件和初值，得到了理想的优化结果。 目前随着重型车、专用车的飞速发展，单轴转向技术的研究已不能满足实际 需求，多轴汽车转向机构研究逐渐成为主流趋势。我国的科研人员在多轴转向技 术方面也做了不少工作。文献1 1 7 1 - - 3 0 q 口都对多轴转向车辆转向机构的优化设计 进行了研究。文献【1 8 】对多轴全挂车转向过程中车轮运动规律进行了分析，找出 滑移量的计算方法。用优化理论和铰接四杆机构通用分析方法对多轴全挂车转向 机构进行优化设计。该优化结果已应用于某公司的产品中。文献【2 1 】以双桥转向 汽车为例，分析了多轴转向汽车数学模型的建立方法，并对两转向轴之间的摇臂 机构进行了运动分析，在此基础上进行了优化设计，仿真结果验证了该方法的正 确性。文献 2 2 1 介绍了重型特种车辆多轴转向技术的优化设计目标和方向，概括 地分析了转向梯形机构、纵向传动机构和转向系统子构件的优化目标，以及建立 数学模型和约束条件时应考虑的因素。2 0 0 6 年2 月，马风春等4 人介绍了自行 式可拼接模块化低平板重型运输车独立转向机构的优化设计过程，通过建立优化 目标函数及满足转向要求的约束函数，运用m a t l a b 优化工具箱对转向六杆机 6 武汉理工大学硕士学位论文 构进行优化计算，并对优化结果应用p r 0 e n g 眦e r 软件建立三维模型进行机 构仿真，仿真结果证明此机构是可行的【2 引。同年，李海鹏等人对重型组合式多 轴挂车的转向机构进行了分析，推导出了转向机构各部件之间的运动关系式，在 此基础上建立了这类挂车转向系统机构的优化设计模型。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【2 9 1 。2 0 0 7 年9 月，吉林大学的刘从华等人根据汽车车轮转 向特性，利用阿克曼定理，应用a d 朋s 软件建立多轴转向车辆转向机构的仿 真模型，同时对转向机构进行了优化。和传统的设计方法相比，这种方法提高了 精度和效率。对其它多轴车辆转向机构的优化设计也有一定的参考价值【刈。 以上文献表明我国在多轴转向技术方面已有一定的发展，但在考虑到变轴 线、变模块的组合半挂车的转向协调性方面的研究水平还较低，相关论文报道也 相对较少，而且相应的设计工具和设计理念都有待进一步提高。现代工程建设的 发展使大型组合半挂车需求大幅增长，这对我国科研人员从事相关方面的研究提 出了迫切要求，因此本课题针对液压模块式组合挂车中的半挂车转向机构进行研 究，具有重要意义。 1 3 研究目的和意义 根据前期调研和合作双方协商的具体内容要求，确定本课题的研究目的，主 要包括以下几点： ( 1 ) 推导出组合半挂车不同拼接形式下各轴车轮的理论转角计算公式，并 以6 轴线单车模块为例推导出各轮实际转角公式，要求所推公式计算速度快、便 于编程、格式统一，为组合半挂车转向机构的常规设计及优化设计提供理论和方 法支持； ( 2 ) 通过对现有典型产品的优化设计，得到一套优化设计方案，以满足组 合半挂车四种典型拼接形式下最佳转向性能的要求； ( 3 ) 开发液压模块式组合半挂车仿真及优化设计专用模块，并运用该模块 进行优化设计研究，模块要求先进、实用，便于进行新产品开发： ( 4 ) 形成面向用户的组合挂车拼车方案查询模块，方便用户根据需要快速 查询相关信息。 本课题研究的主要意义有如下几点： ( 1 ) 满足企业对液压模块式组合半挂车关键技术的需求。 液压模块式组合挂车代表专用车领域的先进技术，国内有能力生产该车型的 厂家相当少。企业对合理的拼车方案、结构设计、转向性能研究、虚拟样机仿真 等技术具有迫切的需要。因此研究工作对该类车辆拼车方案和转向系统的研究可 7 武汉理工大学硕士学位论文 满足企业对相关技术的需求。 ( 2 ) 提出现有产品的转向机构优化设计方案，为企业解决实际问题。 企业现有产品是在参考国外相关技术的基础上研发设计的，缺乏一定的理论 依据和利用现代c a d c a e 工具进行设计和分析的手段。研究成果中的理论公式 推导可为设计提供一定的理论思路；针对典型产品的优化设计很好的运用了现代 设计方法和手段，为企业解决实际问题。 ( 3 ) 提高产品设计质量和企业研发能力。 企业常规设计步骤一般是：初始设计样车试验一改进设计。根据试验结果 所做出的结构改进往往凭借经验判断得到，其效果不一定尽如人意。并且从产品 设计到样车生产的周期较长，从而延长了整个产品开发周期，提高了企业设计成 本。课题中的仿真及优化设计模块能够对产品中切实存在的问题和薄弱环节通过 优化设计加以解决，为企业对其产品的设计、验证、优化和修改提供参考和指导， 而且在缩短产品开发周期、降低设计成本、提高产品质量和设计水平等方面都有 着重要意义。 ( 4 ) 增强企业在同行业中的竞争力，具有良好的经济效益和社会效益。 国内的特种车行业中能生产组合挂车的厂家寥寥可数，那么哪个企业能够率 先攻克其研发的技术关键，就意味着这个企业就能实现该类车辆的生产制造，进 而填补国内这个领域的一大空缺，提升竞争力，获得好的经济效益。研究工作和 成果可提高企业的竞争力和经济效益，同时，有助于提高国内整个特种车制造行 业的研发能力，具有良好的社会效益。 1 4 研究内容 根据企业具体要求，结合国内外的研究发展现状和本课题的研究目的，本文 的主要研究内容包括： ( 1 ) 组合半挂车总体及其主要机构( 系统) 结构特点研究分析 分析组合半挂的总体结构及其主要技术特点，介绍常见的拼接形式，并详细 分析转向系统的结构特点，为建立组合半挂车典型拼接形式的转向机构仿真模型 提供依据。 ( 2 ) 组合半挂车转向机构优化设计的理论分析 分析单轴转向、多轴转向和全轮转向这三种转向方式的车辆转向特性，推导 组合半挂车6 轴线单车模块纵向拼接形式各轴车轮的理论转角公式，并以6 轴线 单车模块为例推导各轮实际转角公式，要求实际转角公式具有格式统一、便于编 程和计算速度快的特点。对组合半挂车转向机构优化设计的一般问题进行分析， 研究优化设计的基本算法，综合上述分析研究确定优化设计研究的软件平台。 ( 3 ) 组合半挂车典型拼接形式转向机构建模研究、仿真及结果评价 8 武汉理工大学硕士学位论文 结合组合半挂车转向系统的结构特点和原理分析，进行模型简化和参数化建 模研究，实现参数化仿真模型，要求保证仿真模型的计算规模、计算精度和计算 时间的协调是建模过程中的重点所在，另外模型的先进性、使用方便性和实用性 也是关键所在。根据企业要求对典型的拼接形式进行仿真计算，分析其转向效果。 ( 4 ) 优化设计的建模研究、数学模型建立及优化设计 在参数化仿真模型的基础上建立优化设计数学模型，并进行优化设计。如何 建立有效的优化设计数学模型显得至关重要，其中包括设计变量的选择、优化目 标的确定以及约束条件的施加。对最终的优化结果进行评价，得到比较切实可行 的方案。 ( 5 ) 设计仿真及优化设计模块的研究开发 综合以上研究结果，利用a d a m s 二次开发功能研究开发相应的功能模块， 为企业提供方便的设计仿真工具，提高产品设计的自动化程度。 ( 6 ) 面向用户的组合挂车拼车方案查询模块设计开发 拼车方案是车辆发挥其最佳运输性能的主要保证之一。对组合挂车而言，当 拼接形式变化时，转向机构等各机构或系统需要进行相应的调整。本课题要求设 计方便实用的组合挂车拼车方案查询模块，能够为该类车型用户根据运输货物、 运输场地等状况进行正确组合做出快速指导。 9 武汉理丁大学硕士学位论文 第2 章液压模块式组合挂车结构分析研究 液压模块式组合挂车属于典型模块化组合产品可实现多个承载单元横向或 纵向拼接。这种车辆主要适用于造修船企业、大型物流公司、现代化港口、大型 基础性建设中的重件运输。随着国内大件运输物流业和公路建设的飞速发展，液 压模块式组合挂车将有较大的需求空间。模块式组合挂车车型新颖、技术先进， 包括液压支承、液压助力转向、机械转向机构和制动系统等关键技术。要有效地 研究组合半挂车转向机构优化问题，必须充分分析组合挂车总体结构特点和各项 主要技术，深入剖析组合挂车具体的拼车形式和转向机构的特点和要求，这样才 能更好地指导课题的后续研究工作。 21 组合挂车的总体结构 所谓组合挂车，是指一种由牵引车或动力机组牵引的挂车，根据需要进行组 合( 纵向或横向拼接) 可派生出多种尺寸的车型，其可拼接性这一核心技术使得 该类型挂车拥有其它普通挂车难以实现的功能，它既能适应不同尺寸巨型物资运 输的需要，也能减少对单一尺寸型号挂车的购置成本还能大大减少库容面积。 液压模块式组合挂车包括组合全挂车和组合半挂车两大类，组合全挂车对大 件运输虽具有一定优势，但也存在一些缺点，例如为了增加牵引车轮胎的附着力， 需要额外在牵引车上加重量；与牵引车之间的牵引杆连接，将增加整车的总体长 度等；组合半挂车除了具备全挂车的主要结构特点外，还克服了组合全挂车的某 些不足，其优点体现在：半挂牵引车的驱动桥即是组合式半挂车的自口支点，既提 1 一c ；一气一7 缬强零簿霉霹垫琴鼍i 蘑 * 8 孥雾翥姐 8 7 634 5 翻2 1 配有动力鹅领的6 轴线2 纵列单车模块结构示意倒 液压悬挂装12 带向节板；3 、4 、s 一转向拉杆：6 埠架纵粱； 转向油缸：8 坤心转向扳 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 高了牵引车的附着质量，又缩短了整车长度( 在货台长度相当的情况下) ，使挂 车更具整体性，同时可以使牵引车的牵引力能得到更充分的利用。 现以配有动力鹅颈的6 轴线2 纵列单车模块为例分析组合挂车的总体结构特 征，如图2 一l 所示。组合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；组合挂车的单车模块沿纵向分为左右两列车轮，每列车 轮形成一纵列。组合全挂车由牵引杆和货台部前后两部分组成，组合半挂车则由 鹅颈部和货台部前后两部分组成，图2 1 所示即为典型的组合半挂车拼接形式。 货台部一般分为前、中、后三个模块，前后模块为一定轴线数的单车模块或几个 单车模块的组合。单车模块是指具有行走机构、在牵引车的牵引下能够独立行驶 的拼接单元，其主要承载部件，如车架主梁、平板和转向架等，一般采用坚固的 箱型梁结构，其强度大、抗弯能力好。除了6 轴线的单车模块，还有2 轴线、3 轴线和4 轴线等其它多种单车模块，每个模块的前后两侧均配置有便于拼装的机 械、液压、压缩空气和电器接口，便于进行纵向串联或横向并联拼装组合。中间 模块视载货需要可以是平板或低货台，平板和低货台都是没有独立行走系统的装 货承载部件，表面与单车模块平齐的称之为平板，表面低于单车模块的称之为低 货台。各模块的具体拼接形式将在本章第3 节中详细介绍。图2 1 中的l 为液压 悬挂装置，能够实现液压支承、货台升降等功能。转向机构由2 、3 、4 、5 、7 和8 等部件组成。另外，组合挂车还配备有制动系统、电路系统等必备装置，组 合半挂车还配备有支腿等装置。组合半挂车的动力鹅颈结构具体如图2 2 所示， 安装有牵引销、鹅颈转向装置、升降装置 及加载装置等。半挂车挂靠牵引车后，鹅 颈转向装置与牵引座连接，牵引车转向时 牵引座随之转动，通过转向缸将牵引车转 向参数转换成液压信号传递给后部的转 向油缸。鹅颈升降装置有两个升降缸，其 两个支点分别安装在鹅颈部及货台部，通 过控制两个缸可以升降货台前部或适应 货台液压悬挂的升降。动力鹅颈装置实现 了全挂车与半挂车之间的方便转换，使挂 车更具整体性和机动灵活性，是一项意义 重大的关键技术。 2 2 组合挂车的主要技术特点 2 2 1全液压悬挂系统 23 图2 - 2 动力鹅颈结构示意图 l - 牵引销；2 - 铰点；3 功载油缸 组合挂车为全液压悬挂式，所有轮轴均负载重量。一对( 两双四个) 车轮( 见 1 1 武汉理l 大学硕士学位论文 图2 - 1 ) 使用一套悬挂液压缸。通过开关相应的阀门，将若干套悬挂液压缸构成 一整个连通的回路，匣i 路中的车轮称为一组车轮，同组各车轮的载荷是相等的。 这样可使整个车组以长度和宽度的中心线为坐标轴将模块分成四个象限，四个象 限分别形成四个彼此分隔的悬挂油路，实现载物平台的四点支撑。根据需要还可 以形成三个彼此分隔的悬挂油路，实现载物平台的三点支撑。三点或四点支撑保 证车组的平衡，行驶时悬挂油路封闭，又保持了悬挂装置的减振功能，同时通过 操作各支撑点的悬挂油路开关，注入或输出液压油可以分别调整各支撑点的高 度，以适应不同货物的运输要求。 2 2 2行走机构 组合挂车的行走机构集车轮行驶、转向、制动和悬挂功能于一体，结构紧凑， 设计精巧，如图2 - 3 所示。图2 - 1 中的单车模块每轴由两对行走机构横向组成， 2 纵列各有六对行走机构，共十二对行走机构在纵横方向均匀布置，整个载货平 台( 即车架结构) 坐落其上联为一体，构成2 纵列6 轴式拖车单元。 图2 - 3 行走机构侧视图 ( 曲行驶状态啦) 降低状态 上推力轴承2 一上州转推山轴承支座；3 - 悬挂液缸t 铳锖轴；货台；5 拐臂 。悬挂渡压缸：- 销轴；8 - 摆动臂：m 球头锼支座i o - 旋转轴；i i - 车轴 组台挂车的行走机构是低速机构 系统；组合挂车的行走机构需满足 高负荷要求，因此每一回路中各车 轮的载荷应保持一致，它虽没有传 统意义上的平衡悬架，但可通过控 制一个独立回路中的油压来实现： 组合挂车的每组车轮有三到四对车 轮，组内各对车轮能适应路面不平 作出茼低变化：行走机构对路面冲 击的缓冲主要由轮胎组的弹性来实 现。 不需要像一股车辆具备高质量的阻尼减振 瓣弛 图2 4 货台平面的调平 ( a ) 货台倾斜m ) 货台水平 蓼 蓊 e i i l r 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 所示的行走机构可通过控制方式实现货台升降。降低货台时，使悬挂 液压缸6 排出高压油，液压缸活塞杆收缩，摆动臂8 绕拐臂5 的销轴7 上升，从 而使载货平台高度下降。抬高货台时，向悬挂液压缸打入高压油，活塞杆伸出， 载货平台因拐臂下压而抬高高度。当组合挂车在倾斜的路面上行驶时，为保证所 运输货物的安全，有时应对货台进行适当调节，使其始终保持在一个水平面上。 如图2 - 4 ( a ) 货台平面处于倾斜状态，图2 - 4 ( b ) 货台被调整至水平状态。