汽车专业论文 汽车双前桥转向系与动力传动系的优化设计及相似性研究.pdf

y8 7 0 0 0 9 汽车双前桥转向系与动力传动系的优化设计及相似性研究 o p t i m i z a t i o nd e s i g no fd o u b l e - f r o n ta x l es t e e r i n gs y s t e m a n dp o w e r - t r a i no fa u t o m o b i l ea n dr e s e a r c ho ns i m i l a r i t y 作者 学位 姓名 类型 肖悦 学历硕士 学科、专业 至麴王猩 研究方向车辆现代设计理论与方法 2 0 0 6 年5 月 汽车双前桥转向系与动力传动系的优化设计及相似性研究 摘要 本文首先论述了国内外对汽车双前桥转向系统和动力传动系统研究的发 展状况，在总结前人研究设计经验的基础上推导出汽车双前桥转向系统运动学 关系，运用空间几何法建立了双前桥双摇臂机构及转向梯形机构优化的数学模 型，以转向轮实际转角值与理想公式求出的理想转角值之间的误差达到最小为 目标函数，提出了双前桥转向系统参数的优化设计方法。同时总结出衡量汽车 动力性和经济性的评价指标，建立汽车动力传动系参数优化模型，采用动力性 经济性综合优化函数作为目标函数，以动力性能作为优化设计的约束条件，提 出了动力传动系参数的设计方法。 其次，基于理论性分析及优化数学模型的建立，采用m a t i a b 软件优化工 具箱对汽车双前桥转向系统参数和动力传动系参数进行优化设计，并取得了明 显效果，为汽车优化设计提供了较为合理的优化设计方案。 最后，利用相似工程学理论，建立了汽车转向系和动力传动系的相似分析 模型，从系统相似的角度为汽车转向系改型设计和动力传动系优化匹配提供了 一种新思路。 关键词：双前桥转向系动力传动系优化设计相似建模 o p t i m i z a t i o nd e s i g no f d o u b l e - f r o n ta x l es t e e r i n gs y s t e m a n dp o w e r t r a i no fa u t o m o b i l ea n dr e s e a r c ho ns i m i l a r i t y a b s t r a c t f i r s t l y ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n ta c t u a l i t yo ft h er e s e a r c h o n d o u b l e f r o n ta x l es t e e r i n gs y s t e ma n dp o w e r t r a i no fa u t o m o b i l e b a s e do nt h e s t r u c t u r eo ft h ed e s i g n e x p e r i e n c e sf r o mo t h e r s ，t h e k i n e m a t i c sf o r m u l ao f d o u b l e f r o n ta x l e s t e e r i n gs y s t e m i sf e t c h e d a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f o p t i m i z a t i o nd e s i g no fd o u b l er o c k i n ga r m sm e c h a n i s ma n ds t e e r i n gt r a p e z i u m m e c h a n i s mi se s t a b l i s h e db ys p a c eg e o m e t r ym e t h o d c o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h er e a ls t e e r i n ga n g l ef r o mw h e e l sa n dt h ei d e a ls t e e r i n ga n g l ef r o mt h e i d e a lf o r m u l aa st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n ，t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n m e t h o do f d o u b l e - f r o n ta x l es t e e r i n gs y s t e mi sp r e s e n t e d t h e na c c o r d i n gt os u m m a r i z i n gt h e v a l u ei n d e x e so ft h ep o w e rp e r f o r m a n c ea n dt h ee c o n o m yp e r f o r m a n c e ，t h e o p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep a r a m e t e r so fp o w e r t r a i ni se s t a b l i s h e d t h ep o w e ra n de c o n o m yp e r f o r m a n c ec o m p r e h e n s i v ef u n c t i o ni ss e l e c t e da st h e o b j e c t i v ef u n c t i o na n dt h ep o w e rp e r f o r m a n c ea st h ec o n s t r a i ne q u a t i o ni nt h ep a p e r a n dt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o do ft h ep a r a m e t e r so fp o w e r t r a i ni sp r e s e n t e d s e c o n d l y ，b a s e d o nt h e t h e o r ya n a l y s i s a n dt h ee s t a b l i s h m e n to ft h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fo p t i m i z a t i o nd e s i g n ，u s e st h eo p t i m i z a t i o nt o o l b o xi n m a t l a bs o f t w a r et oo p t i m i z et h ep a r a m e t e r so fd o u b l e f r o n ta x l es t e e r i n gs y s t e m a n dp o w e r t r a i nw i t hs o m ep r o m i n e n tr e s u l t s t h i sp r o v i d e sar e a s o n a b l ep r o j e c tf o r t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fa u t o m o b i l e f i n a l l y ，t h ep a p e rb u i l d st h es i m i l a r i t ya n a l y s i sm o d e lt a k i n g u s eo ft h e s i m i l a r i t yt h e o r ya n dp r o v i d e san e w t r a i no ft h o u g h to ft h er e m o d e l i n gd e s i g no f s t e e r i n gs y s t e ma n do p t i m i z a t i o nm a t c h i n go fp o w e r - t r a i nf r o mt h ep o i n t o f v i e wo f t h es i m i l a r i t yo fs y s t e m k e yw o r d s ：d o u b l e - f r o n ta x l es t e e r i n gs y s t e m o p t i m i z a t i o nd e s i g n p o w e r t r a i n s i m i l a r i t ym o d e l 图2 一l 图2 2 图2 3 图2 4 图2 - 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 - 9 网2 1 0 图2 一l l 图3 1 图3 - 2 图3 - 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图5 一l 图5 - 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 9 图6 一l 图6 2 图6 3 图6 - 4 图6 5 图6 - 6 图6 7 插图清单 转向双摇臂机构示意图9 双前桥转向轮转角关系1 0 一桥转向节臂至一桥摇臂左转转角关系图1 2 一桥摇臂至二桥摇臂左转转角关系图1 3 二桥摇臂至二桥转向节臂左转转角关系图1 4 双前桥转向轮转角关系图l5 前桥左转向车轮各定位角问关系1 5 汽车左前轮转向主销轴线与车轮轴线之间的关系1 6 汽车右前轮转向主销轴线与车轮轴线之问的关系1 8 转向梯形的坐标系及几何关系18 转向梯形左、右坐标系的坐标变换19 m a t l a b 优化基本思路框图2 3 模型1 第一、二桥的转角关系2 6 模型2 第一、二桥的转角关系2 6 第一桥转向梯形特性3 0 第二桥转向梯形特性3 0 梯形臂长度对梯形机构性能影响关系3 1 梯形底角对梯形机构性能影响关系3 1 装六档变速器的汽车驱动力特性4 3 汽车六工况试验规范4 6 拟合的发动机外特性曲线5 0 发动机万有特性图5 0 拟台的发动机万有特性图一5 2 优化前后各档驱动力图5 3 优化前后各档动力因数图5 4 优化前后各档爬坡度图5 4 优化前后功率平衡图5 4 相似系统建模要素映射示意图5 7 汽车动力传动系相似元划分6 0 发动机总成相似特征6 0 变速器总成相似特征6 1 离合器总成相似特征6 1 主减速器总成相似特征6 l 汽车转向系相似元划分6 2 图6 8转向器总成相似特征6 3 函6 9转向操纵机构总成相似特征6 3 图6 1 0 转向传动机构总成相似特征6 3 表3 一l 表3 2 表3 - 3 表3 4 表3 5 表3 - 6 表3 7 表5 1 表5 - 2 表5 3 表5 - 4 表5 - 5 表5 - 6 表5 7 表6 1 表6 2 表6 - 3 表6 - 4 表6 - 5 表6 6 表6 7 表6 8 表6 9 表6 1 0 表格清单 参数说明向量的元素2 2 优化的约束条件2 2 双摇臂机构的基本参数2 5 转向双摇臂机构原设计值与优化值比较2 5 转向梯形机构基本参数2 8 第一前桥优化设计结果2 9 第二前桥优化设计结果2 9 样车的基本参数4 8 底盘结构及参数4 8 发动机结构及参数4 8 样车的计算参数4 9 外特性拟合数据点4 9 发动机万有特性数据点5 1 加权因子= o 5 、口，= o 5 时优化结果5 3 汽车动力传动系布置形式相似特征6 1 发动机总成结构形式相似特征6 1 变速器总成结构形式相似特征6 2 离合器总成结构形式相似特征6 2 主减速器总成结构形式相似特征6 2 转向系类型相似特征6 3 转向器类型相似特征6 3 转向传动机构类型相似特征6 3 原型系统a 的特征值一6 6 b 系统的特征值6 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 盒壁兰些盔堂 或其他教育机构的学位或证 书而使h j 过的材料。与我一同t 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。 学位论文作者签名：肖帕 签字慨矽年月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 盒壁工些盔堂 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，允许论文被查阅和借阅。本 人授权 盒胆工些丕堂 可以将学位论文的全部或部分内容编八有关数据库进行检索， 可蛆采用影印、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) 学位论文作者签名 角帕 签字目期：卯；年岁月习日 通讯地址：守伪坦旨翎砷东流黝7 占考 导师签名：j 长郦百 ；易 签字日期：锄6 年j 7 月。7 日 电话：d 婚 毗坳五 邮编：2 弓d 口2 2 致谢 研究生生活即将划上句号。三年来，导师张树强副教授和张代胜教授严谨 的治学态度、深邃的学术思想、渊博的知识及勤奋工作、锐意开拓的精神给予 了我莫大的鞭策、鼓舞与启迪。无论是在学习上还是在生活中，导师都倾注了 大量心血，给予了我无微不至的关怀、爱护和帮助。硕士论文的完成，更是得 益于导师的悉心指导，饱含着导师耐心细致的精心点拨及精辟独到的学术素养 和洞察力。导师授业、解惑、传道之恩重如山，每每想起，心头总有暖意流过。 在此谨向导师致以最诚挚的谢意! 值此论文完成之际，我还要感谢陈朝阳校长、石琴副教授、谭继锦副教授、 尹安东副教授以及其他关心、帮助过我的老师们，谢谢你们，你们渊博的知识、 深刻的理念、谆谆的教导以及各方面的帮助，使我终身受益，是我今后学习、 工作和生活的巨大动力，我将铭记在心! 我要特别感谢我的父母和姐姐，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。殷殷的亲情是我奋斗的源泉。 感谢陈宗好、高扬、肖海萍、李增辉、李华香、李庆欢、王亚晴、顾福勇、 李仲奎、初长宝、孙启启、汪文龙、尹鸿飞、孙习武、徐扬、郑月楠、覃运梅、 邹海斌、顾勤林、刘立强、王阳阳、刘嫂、柏海舰、张雷、刘焕广、蔺瑞兰等 师兄弟姐妹们和同学们，在我论文写作及平时学习生活中提供的诸多帮助和鼓 励。 感谢所有关心、爱护我的人们! 作者：肖悦 2 0 0 6 年5 月 1 1 选题背景 1 1 1 多轴汽车转向系统 第一章绪论 汽车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓的汽 车转向。就轮式汽车而言，实现汽车转向的方法是，驾驶员通过一套专设的机 构，使汽车转向桥( 一般是前桥) 上的车轮( 转向轮) 相对于汽车的纵轴线偏 转一定的角度。在汽车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面侧向干扰力的作 用，自动偏转而改变行驶方向。此时，驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向 相反的方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。这一套用来改变或恢复汽 车行驶方向的专设机构，即称为汽车转向系。因此，汽车转向系的功用是保证 汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶。 转向传动机构是转向系的重要子系统，需要将转向器输出的力和运动传到 转向桥两侧的转向节，使两侧转向轮偏转，并使两转向轮偏转角按一定的关系 变化，以保证汽车转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小。 随着汽车运输业和特种行业的发展，载货车和专用作业车的吨位逐渐增 大，有的总质量已经超过了3 0 t ，为此，汽车车轴由两轴增加到三轴或多轴【o 3 1 。 多轴汽车为了满足整车转向性能要求，减小转弯直径，降低轮胎磨损，采用两 轴或多于两轴作转向轴。油田使用的大吨位修井机底盘，多为五根或六根车桥， 转向分别采用双前桥或三前桥。而且，这种底盘由于使用工况条件比较特殊， 批量不大，对于转向方面的许多问题，都需要在底盘总体设计中解决，而对于 多轴汽车的转向设计，在国内甚至国外资料都很缺乏。进口的美国修井机同样 存在着很多问题1 4 1 。 11 2 动力传动系匹配优化 汽车作为现代交通运输工具，人们对汽车的性能也提出了越来越高的要 求。特别是进入2 l 世纪，汽车更向节能型、环保型的方向发展。在汽车运输 成本中，燃油消耗占2 0 一3 0 ，而目前汽车发动机使用的仍是以石油燃油为主。 随着国民经济的增长和交通运输业的发展，能源矛盾日益突出。因此，提高汽 车的运输生产率，降低汽车的燃油消耗是目前汽车工业需要解决的重要课题之 一1 5 1 。 自7 0 年代世界范围的能源危机发生后，各国汽车界都被迫努力降低燃油 消耗，围绕汽车和发动机采取了一系列措施【“”，包括提高汽车行驶效率、提高 发动机性能、开发利用新型动力、优化匹配动力传动系统。 提高汽车行驶效率主要是通过改善结构来减小汽车在行驶过程中的自身 消耗，可以通过以下途径来实现： ( 1 ) 减少行驶阻力，通过改进车身造型、改善车身结构来减少空气阻力； 通过改进轮胎结构减少滚动阻力。 ( 2 ) 底盘轻量化，采用新型轻质材料，通过可靠性设计技术使整车轻量 化，使各总成部件、附件紧凑。 ( 3 ) 提高驱动效率，采用自动或无级变速系统，减少轴承和齿轮的摩擦 损失，提高传动系统的传动效率。 提高发动机性能，改进发动机结构，使发动机具有低的燃油消耗量，主要 措施如下： ( 1 ) 改进现有发动机，通过改善燃烧，减少冷却损失以提高热效率；采 用可变气门正时、变排量技术以改善部分负荷性能：通过降低运转部件的摩擦 损失和发动机辅助设备的损失以提高机械效率；采用汽油喷射、电子点火和微 机控制使发动机工作过程摄佳化。 ( 2 ) 提高能源利用率，利用涡轮增压回收废气能量；利用储能装置( 飞轮) 回收制动能量；提高附属装置( 空调、电器装置等) 的效率。 丌发利用新型动力，寻找替代燃油，也是目前的研究方向之一。 ( 】) 开发新一代发动机；研制高效率循环发动机；研制氢气发动机；研 制利用电能的电动车；采用混合动力驱动系统。 ( 2 ) 利用代用燃油，采用外燃机燃烧低质燃油；利用压缩天然气、液化 石油气等燃油；利用醇类或合成燃油。 ( 3 ) 利用新能源，研制高效太阳能电池；应用氢气储存法和氢气混合燃 烧法。 优化匹配动力传动系统，合理匹配发动机和传动系统，使发动机经常在经 济区域工作。主要包括以下两方面： ( 1 ) 发动机的选型；汽油机与柴油机的选择；发动机使用特性的选择； 发动机排量的选择。 ( 2 ) 传动系型式及参数的选择，变速器的型式、速比范围、档位数、速 比间隔；液力变矩器型式及尺寸；驱动桥的类型及尺寸。 汽车动力性与燃油经济性的好坏，在很大程度上取决于发动机的性能和传 动系型式及参数的选择，即取决于汽车动力传动系统合理匹配的程度。动力传 动系统即发动机一变速器一驱动桥一驱动轮系统，它是汽车重要组成部分。选 择动力传动系统参数的方法有两种：一种是整车主要参数和传动系参数( 含轮 胎) 确定后，选择合适的发动机：另一种是整车参数和发动机确定后，选择合 适的传动系。能与发动机合理匹配的传动系可以使发动机经常在其理想工作区 附近工作。这样不仅可以减少燃油消耗，减轻发动机磨损，提高发动机的使用 寿命，而且可以取得良好的排放效果【l “”j 。 然而，在汽车研制工作中，由于专业分工过细，往往存在着这样的情况， 即发动机研制部门着重于改善发动机的工作过程，降低机械损失，以减少燃油 消耗：底盘研制部门则着重提高传动效率，降低运行阻力等。这些工作无疑是 很重要的，但如果不将发动机和底盘视为一个整体进行合理匹配，任何一个总 成的性能改进完全有可能由于与其它总成的匹配不当而造成整体性能未获得 应有的改进。根据统计分析表明，目前国产汽车发动机使用工况多数是远离其 最佳经济区域，未能实现动力传动系统的最佳匹配f l “”i 。 1 1 3 优化设计的发展 优化设计是6 0 年代初发展起来的一门新学科，它是将最优化原理和计算 技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。利用这种新 的设计方法，人们就可以从众多的设计方案中寻找出最佳设计方案，从而大大 提高设计效率和质量。因此优化设计是现代设计理论和方法的一个重要领域， 它已广泛应用于各个工业部门 2 2 - 2 3 j 。 人们在做一切工作时，总希望所选用的方案是一切可能方案中最好的，这 就是最优化问题。最优化技术是研究和解决最优化问题的一门学科，它研究和 解决如何在一切可能的方案中寻求最优化的方案【“l 。换言之，最优化技术研究 和解决两大类问题：如何将最优化问题表示成数学模型；如何根据数学模型尽 快地求出其最优解。 按处理最优化问题的数学方法的不同，最优化技术发展可分为两个阶段 2 5 - 2 6 ，第二次世界大战以前，处理最优化问题的数学方法主要是古典的微分法 和变分法。第二次世界大战中，由于军事上的需要产生了运筹学，提出了大量 不能用上述古典方法解决的最优化问题，从而产生了如线性规划、非线性规划、 动态规划等新的方法。此后，最优化的理论和方法逐渐得到丰富和发展。特别 是6 0 年代以来，最优化技术发展迅速，成为一门新兴的学科，而且得到了广 泛的应用。 我国开始从事这方面的研究与应用比较晚。虽然在机械设计中采用最优化 技术的历史很短，但其进展的速度却是十分惊人的。无论在机构综合、通用机 械零部件设计，还是在各种专业机械和工艺装备的设计都由于采用了最优化技 术而取得了显著成果。汽车工业的新技术不断引进和采用，特别是汽车c a d ， c a e ，c a m 一体化的进步，为我国汽车工业形成独立自主开发能力创造了良 好的条件，提高了工程技术人员的素质和水平，其中汽车优化设计理论和方法 也得到了推广和普及1 2 7 - 2 8 o 当今把优化设计方法与计算机相结合，使得设计过 程完全自动化，己成为设计方法的一个重要发展趋势。 1 2 本文研究的必要性及目的 1 2 ，1 双前桥转向系统优化的必要性 大型重型专用汽车在特殊行业应用广泛，这些特种车辆转向轴多在二轴以 上。转向性能直接影响整车的机动灵活性、操纵稳定性、经济性和轮胎的使用 寿命，在多轴转向汽车上尤为突出。 在公路运输中，由于多轴汽车的轮荷较大，必须使转向过程中轮胎的滑移 减至最小，否则，不仅会造成轮胎的严重磨损【2 9 圳，有时甚至会出现暴胎或轮 胎脱落等严重事故。因此，转向系统性能的好坏成为汽车设计的关键。 转向系是一切车辆不可缺少的重要组成部分之一，它的设计质量不仅影响 车辆的牵引性、机动性及转向稳定性，更关系到车辆的运行安全。因此，对其 设计应予给予高度的重视。采用与计算机结合的优化设计方法来设计车辆的转 向系统，不仅可以提高转向系统的设计质量，而且还可以缩短设计周期，是提 高转向系统设计效率的重要途径。 1 2 2 动力传动系统计算机模拟优化匹配的必要性 传统上，对汽车的动力性和燃油经济性水平，是在进行实车道路试验之后 给予最后评价的。这样做不但周期长，成本高，而且在产品设计阶段对整车及 总称方案的确定、机构参数的选择、传动系参数与发动机的匹配等，就有一定 的经验性、盲目性，可能会遗漏较好的方案，使得产品的性能不能令人满意， 进而造成人力、财力浪费。 以往动力传动系统的匹配，由于测试手段和计算工具的限制，一直都采用 定性分析和简单的定量计算，靠大量积累的试验数据和反复测试的结果进行设 计。例如要试验某种车型，有三种整车总质量，四种发动机，三种变速器，三 种驱动桥及两种轮胎可供选择，那么各种不同组合的试验方案可达2 1 6 种。而 每种方案都需要进行设计、制造一系列不同的零部件，需要花费大量的时间和 费用。 计算机仿真模拟优化选择方案，消除了试车道路试验中，司机、道路环境、 气候条件等因素对性能测定的影响，具有可比性好、重复性好的优点。计算机 模拟可是设计者在新车设计、旧车改型时迅速且经济地在诸多匹配设计方案中 选择最佳方案。以计算机模拟为基础的动力传动系参数优化设计，在新车设计 阶段就能相当精确地预测出汽车的性能，而且既迅速又经济。可以使汽车动力 性、燃油经济性更加优良。因此，通过合理优化、匹配汽车动力传动系统来提 高汽车运输效率，降低燃油消耗，具有较大的潜力，是一个值得进一步研究的 课题。 1 ，2 3 本文研究的目的 ( 1 ) 多轴转向汽车转向系统的设计需要优化转向系结构来实现最佳的转 向过程( 转向时所有转向轮都处于纯滚动状态或只有极小的滑移) ，达到减小 轮胎磨损、转弯半径和转向阻力矩的目的。双前桥汽车转向系统的优化设计使 汽车转向时每个车轮实现最佳转向过程，左、右轮的转角满足由阿克曼原理确 定的关系式。 ( 2 ) 汽车动力传动系参数优化程序可以实现对车辆动力传动系参数的优 化设计，达到了保证动力性能、燃油经济性的最佳配置，为汽车动力传动系统 的设计提供参考。 ( 3 ) 以系统相似学理论为基础，对汽车系统进行相似性设计，提出一种 新的汽车设计方法。 1 3 国内外研究状况 1 3 1 双前桥转向系统优化的国内外研究状况 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。 在众多计算软件中，m a t l a b 是应用最为广泛的数值计算软件之一。 m a t l a b 原是矩阵实验室( m a t r i xl a b o r a t o r y ) 7 0 年代用来提供l i n p a c k 和e i s p a c k 软件包的接口程序，采用f o r t r a n 语言编写的。2 0 世纪9 0 年代， m a t l a b 已经成为国际控制界公认的标准计算软件，而且在国际上3 0 多个数 学类科技应用软件中，m a t l a b 在数值计算方面独占鳌头。 132 动力传动系优化匹配的国内外研究状况 这方面的研究国外开展得比较早，1 9 7 2 年，美国通用汽车公司首先开发了 汽车动力性和燃油经济性的通用预测程序g p s i m ( g e n e r a lp u r p o s e a u t o m o b i l e v e h i c l ep e r f o r m a n c ea n de c o n o m ys i m u l a t e ) 系统，该系统可以模拟汽车在任何 形式工况下的瞬时油耗、累计油耗、行驶时间和距离，预测汽车设计参数如重 量、传动系传动比、空气阻力系数等的变化对汽车性能的影响。电子计算机的 应用和测试手段的提高，使通过模拟计算与实验相结合的方法来研究汽车动力 传动系统匹配问题成为可能。目前，国外各大汽车公司在这方面作了大量的研 究工作，并开发了各自的模拟程序，除美国通用汽车公司的g p s i m 外，还有 福特汽车公司的t o e f p ( t e s to p e r a t i n gf u e le c o n o m yp r o g r a m ) 、美国康明斯公 司的v m s ( v e h i c l em i s s i o ns i m u l a t i o n ) ，日本日产汽车公司的c s v f e p ，德国 奔驰汽车公司的t r a s c o 等。 这些程序的使用在样车制造前就能准确的对汽车动力性燃料经济性进行 预测，并可以根据几种传动系速比的变化引起整车性能的变化，找到这种变化 阃的关系，形成“最佳动力性、燃料经济性曲线”，从而找到能与所选发动机 合理匹配的传动系，节省了大量的试验费用，大大缩短了设计周期 3 1 - 3 5 】。 我国在这方面研究起步较晚【3 ”圳，进入8 0 年代后，吉林工业大学、清华 大学、长春汽车研究所等单位开展了一些工作，取得了一些成果。如吉林大学 的载货汽车燃料经济性的计算机模拟，清华大学的动力性燃料经济性的 计算机模拟程序，长安大学的汽车动力性燃料经济性模拟与主减速器速比 优化的研究，长春汽车研究所的汽车动力性燃料经济性模拟程序及动力系 统合理匹配的研究等。 目前，国内主要围绕以下几个方面开展工作的： ( 1 ) 汽车动力传动系数学模型的研究； ( 2 ) 按给定工况模式的模拟研究； ( 3 ) 按实际道路条件随机模拟的研究： ( 4 ) 模拟程序的应用研究。 在数学规划方法基础上发展起来的“最优化设计”，由于六十年代计算机 引入工程设计领域后，计算手段得以解决，促使最优化方法与理论蓬勃发展， 而逐渐形成一种新的有效的工程设计方法。 近些年来，国内在对汽车动力性、燃料经济性模拟程序研究的基础上，开 始对发动机、传动系的最优匹配进行探讨，主要内容包括： ( 1 ) 发动机给定，对传动系速比进行优化设计，依此进行调整，达到改 进目的； ( 2 ) 传动系给定，优选发动机。 前者又包括以动力性为设计目标、以燃料经济性为约束条件和以燃料经济 性为设计目标、以动力性为约束条件两种方法。以动力性为设计目标的方法一 般取加速时间为动力性指标；以燃料经济性为设计目标的方法，一般以六工况 和某一车速下等速工况两者加权油耗作为燃油经济性目标。另外江苏理工大学 的何仁老师提出的以能量利用率为设计目标的汽车动力性、燃油经济性优化设 计，这些研究和成果使我国在这个领域的研究水平提高到一个新的阶段，也有 力地推动了汽车节能工作。但这些研究往往是建立在牺牲汽车某一性能( 燃油 经济性或动力性) 的前提下来提高另一个性能( 动力性或燃油经济性) ，因此 本文提出了汽车动力性和燃油经济性综合优化目标函数，通过加权的方法来达 到不同侧重点的优化目的。本文基于这种思想编制的优化软件可以通过输入不 同的权值来达到不同重要度的优化，如城市出租车更注重汽车的燃油经济性， 而越野车则更注重汽车的动力性。这样在对城市出租车进行动力传动系优化 时，给经济性分目标赋以较大的权值：相反，在对越野车进行动力传动系优化 时就要对动力性分目标赋以较大的权值。在此基础上编制的软件具有很好的通 用性。 1 4 本文研究的主要内容 ( 1 ) 对双前桥汽车的转向系统进行了研究，提出其在转向过程中区别于 其他车型的特征；研究了双前桥转向摇臂机构的转向原理，用空间几何的方法 建立双前桥转向摇臂机构优化的数学模型；研究了转向梯形机构的转向原理， 并在考虑到前轮定位参数影响的基础上，用空间几何方法建立了双前桥转向系 统转向梯形机构优化设计的数学模型。在此基础上，利用m a t l a b 软件设计 开发双前桥转向系统机构参数优化程序，对双前桥转向系统的机构设计参数进 行优化，确保转向性能达到最优。对优化前后的结果进行分析比较，得出可以 指导实际生产的建设性结论。 ( 2 ) 对汽车动力传动系统进行了研究，概括总结出汽车动力性、燃油经 济性的模拟计算方法。在建立模拟计算模型的基础上，按照软件工程理论，完 成发动机外特性拟合程序、发动机万有特性拟合程序、汽车动力性经济性模拟 程序的开发。 ( 3 ) 在研究汽车动力性与燃油经济性的模拟计算方法的基础之上，以驱 动功率损失率和六工况百公里油耗量分别作为衡量汽车动力性和经济性的评 价指标，建立了汽车动力传动系统的数学模型；提出了汽车动力传动系统参数 优化设计的方法，该方法以汽车的动力性、燃油经济性为综合优化目标函数， 并以动力性能为约束条件，通过改变动力性或经济性的权重来达到不同的优化 目的。利用m a t l a b 软件设计开发汽车动力传动系参数优化设计软件，对汽 车动力传动系参数进行优化。 ( 4 ) 总结系统相似性理论，并在此基础上建立汽车转向系及动力传动系 相似系统分析模型，以汽车动力传动系为计算实例进行系统相似度计算，为汽 车设计方法提供了一种新的思路。 第二章双前桥转向系统数学模型的建立 在工程设计和研究过程中，许多复杂的问题都可以看作是由简单的问题所 组成的，可以根据需要将复杂的问题进行合理的简化，这样不仅可以更好的找 出研究问题的实质和重要环节，同时可以使问题更简单，有利于运用数学工具 进行分析，我们称之为建立实际问题的数学模型。 在建立数学模型之前，要对相应的理论基础有深入的了解。对于转向机构， 必须首先了解的是基本转向理论。双前桥转向系统由双前桥间的转向双摇臂机 构和双前桥各自独立的转向梯形机构组成。同一转向桥的左右车轮转角关系通 过转向梯形机构来实现，不同转向桥的同侧车轮( 左轮或右轮) 转角关系通过 双前桥间的转向双摇臂机构来实现。本章分别介绍双前桥转向系统中双摇臂机 构和梯形机构的转向理论，建立双前桥转向双摇臂机构的数学模型和转向梯形 机构的数学模型，为下面章节所进行的双前桥转向系统优化设计分析提供基 础。 2 2 双前桥转向系统转向双摇臂机构的数学模型的建立 对于双前桥转向系统而言，与单前桥转向系统所不同的是，考虑一、二桥 车轮之间的转角关系比考虑同轴左右车轮之间的转向关系要更为重要和复杂 3 8 - 4 1 】，因为双摇臂机构设计的好坏对一、二桥之间的转向关系起着主要影响作 用，直接影响了整个转向机构的设计效果，所以也就成为优化设计的重点，双 前桥转向系统转向双摇臂机构如图2 - 1 所示。 图2 - 1 转向双摇臂机构示意图 22 1 双前桥转向双摇臂机构的模型假设 根据实际情况，可以得到以下假设 4 2 - 4 3 1 ： ( 1 ) 所有杆件均为刚体，不考虑杆件变形和配合间隙； ( 2 ) 各桥转向节臂在水平面内转动： ( 3 ) 双摇臂和中间连杆处在同一垂直平面内； ( 4 ) 由于转向时行使速度较低，匀速行驶，侧向惯性力很小； ( 5 ) 刚性车轮，即忽略车轮弹性侧偏对转向运动的影响： ( 6 ) 瞬时转向中心位于双后桥中心线上； ( 7 ) 为了保证转向机构有良好的传递性能，各桥直拉杆与转向节臂处于 最佳工作位置，即在初始位置附近工作的直拉杆和转向节臂垂直相连。 2 2 2 双前桥转向双摇臂机构转向理论 对于具有双前桥的四轴汽车，在转向过程中为了使所有车轮都处于纯滚动 而无滑动状态，或只有极小的滑移，则要求全部车轮都绕同一个瞬时转向中心 滚动，而且这个瞬时转向中心要始终位于三、四桥轴距的垂直平分线上【4 4 4 6 1 。 在一般转向条件下，每个车轮的转向半径是不同的。因此，同一转向轴上两个 转向轮以及不同车轴上的同侧车轮转角必须是不同的，它们应该符合按理论计 算出来的关系，并据此作为转向机构的设计基础，这样，一、二桥的转向轮之 间就要满足定的转角关系，即理想转角关系。 - 2 夫十1 、心。 - j 弋 图22 双前桥转向轮转角关系 式中：d l 、盘2 第 、二桥左轮转角： 届、：一第一、二桥右轮转角； 上，一第二桥轴线至第三、四桥轴线的距离： ：一第二桥轴线至第三、匹桥轴线的距离； 为了保证各转向轮转向时都作纯滚动而都不产生侧向偏离，两转向前轮轴 的第一、二桥所有的转向轮转向运动应满足运动协调关系式，其转角关系如图 2 2 所示； 生：堡堕：t g f l , ( 2 一1 ) l 2t g a 2t g 岛 口2 = t g “( 等t g a l ) ( 2 2 ) 段= t g 1 ( 等鳓) 上 2 2 3 双前桥转向双摇臂机构的模型的建立 ( 2 3 ) 一、二桥转向轮转向角的传动路线是：一桥转向节一一桥转向节臂一 一桥直拉杆一一桥摇臂一连杆一二桥摇臂一二桥直拉轩一二桥转 向节臂一二桥转向节。 为了便于分析，首先将双前桥转向摇臂机构拆分成三个小机构分别建立数 学模型，然后重新组合，从而得到机构的总体模型。可分三步进行分析：1 ) 一桥转向节臂至一桥摇臂；2 ) 一桥摇臂至二桥摇臂；3 ) 二桥摇臂至二桥转向 节臂。 当一桥的转向轮左转角度儡时，经双摇臂机构的传动，二桥转向轮左转角 度口 2 23 1 双摇臂机构的模型一( 第一桥转向摇臂机构数学模型) 一桥转向控制杆系是一个空间四连杆机构，如图2 - 3 所示。其传动路线是 从一轿转向节臂至一桥摇臂。 设输入角为口，输出角为 ，则： b d = 2 + 矗2 2 b c = 8 移一r j b d d l ：t g - ( 当) 门2 z b d c ：t g 一1 ( 堡) _ 醌= z b d c z b d d 】 a c 2 = ，1 2 + 岛- r , s i n ( a i - 1 7 1 ) 2 b l c 2 = , b c2 一 2 一_ c o s ( t ；9 1 一r h ) 2 ； q 喃 喝 o c p 曲珀 心 心 他他p 删c 2 = t g - i ( 生号删) 鲳爿q = c o s - 1 ( 警， n = b 1 a c 2 一z b a c 2 ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 图2 - 3 一桥转向节臂至一桥摇臂左转转角关系图 式中：一桥转向节臂长； f l 一一桥摇臂全长； 编一一桥转向节臂偏角； 曩一一桥转向节臂回转中心与一桥摇臂回转中心在x 轴方向的距离； 一一桥转向节臂回转中- t l , 与一桥摇臂回转中心在y 轴方向的距离： 2 2 3 2 双摇臂机构的模型二( 中间四边形双摇臂机构数学模型) 联系一、二桥之间的双摇臂机构是一个平面四边形，如图2 - 4 所示。传动 路线是从一桥摇臂至二桥摇臂。 设输入角为一，输出角为y ：，则： b c = b i c i = 碍+ ( 厶一1 2 一h 4 ) 2 a e = 抵2 + h 4 2 z a e c = t g - i ( 兰) 搦 b i e = g + a e2 2 1 2 a e c o s ( 一么彳e c + y ，) ( 2 1 4 ) ( 2 一1 5 ) ( 2 一1 6 ) ( 2 1 7 ) 别邱i = c o s - i c 瓮蒜， 曲阶c o s 弋警) y 2 = z a e c z a e b i z b e c 1-7 e 砀下 i ： i3 | - 一兰：， 图2 - 4 一桥摇臂至二桥摇臂左转转角关系图 式中：z ：一一桥摇臂回转中心到连杆节点长度： ，一二桥摇臂回转中心到连杆节点长度； 如一一、二桥摇臂之间的距离； 。一一、二桥摇臂回转中心的高度差； 2 2 3 3 双摇臂机构的模型三( 第二桥转向摇臂机构数学模型) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) 二桥转向控制杆系是一个空间四连杆机构，如图2 - 5 所示。其传动路线是 从二桥摇臂至二桥转向节臂。 设输入角为y ：，输出角为0 3 ：。，则： b d = q 琏+ 碡 b c = b 1 c i = q b d ：一r ； z b d c ：t g - i ( 丝) b d d l = ( 当) ，z 6 叩2 = b d c 一b d d , b 2 c l = e c 卜( ，4 一，4 c o s y