文献综述-多轴转向系统的设计

- 1 -多轴转向系统的设计( 机械设计制造及其自动化)1 选题的背景与意义随着大吨位重型车辆的不断出现，汽车所需要的承载轴数也在增多。为了提高重型汽车的机动性，必须减小其转弯半径。在不改变轮距和轴距的前提下，采用多轴转向，无疑是一种最好的解决方案。因此，多轴转向成为衡量现代大型重载汽车发展水平的关键技术之一，转向系统的性能直接决定了多轴汽车低速行驶的机动灵活性和高速运行的操纵稳定性、行驶平顺性。现有的汽车前转向采用的都是四连杆转向梯形机构。这种传统的转向系布置结构及方式具有结构简单、成本低廉的特点,但在车辆转向的过程中汽车的动力学响应特性却受到汽车本身结构布置和外界条件的影响程度较大,汽车的机动性和操纵稳定性都不是很理想。因此多轴转动的研究意义重大。1.1 国内外研究现状和发展趋势几十年前，人民就设想采用前后轮同时转向的办法来减小汽车转向时的转弯半径。1907 年，日本出现了一种关于汽车四轮转动的专利，这种结构通过一根轴将前后轮的转向机构联系起来。由于军用车辆和工程车辆行驶的路况比较恶劣，而且对车辆的机动性要求也比较高，所以很早以前人们就在这些车辆上使用一种四轮转向机构来改善其低速时的机动性能。这种机构在汽车低速转向时让后轮与前轮反向转动来获得较小的转弯半径。然而，4WS 技术在客车上的应用却晚很多，直到近几年人们对车辆动力学的研究与分析日益深化，这项技术才逐渐在客车上得到广泛的应用。1985 年，日本的 Nissan 公司在客车上应用了世界上第一例实用的 4WS 系统，它应用在该公司一个车型上的高性能主动控制悬架上。这种悬架采用一个电子控制的液压系统来主动控制后车轮的转向角度，因而比较明显的改善了车辆在中高速范围内的操纵性和稳定性 。11987 年，Nissan 公司又推出了 HICAS 的二代产品，进一步提高了它的性能。1989 年，该公司设计出 SUPER HICAS 系统，主要为了获得对后轮反相角度的主动控制，以便获得更有效的动力响应特性 。1目前至少有六种不同的 4WS 系统在不同的汽车制造商那里处于不同的投产- 2 -和研制阶段 。这些系统的主要区别在于驱动后轮转向的控制策略不同。一般3情况下进行 4WS 系统的研究都是基于一个简单的二自由度线性车辆模型,这种模型在研究时忽略了诸如悬架运动、侧向质量转移和底盘转动等很多重要因素的影响,因而不是非常精确的,对汽车 4WS 更进一步的研究还有待于深化 。3国内外学者在充分考虑车辆整车参数对多轴转向特性影响的基础上研究了四连杆转向梯形机构和多轴转向系统的尺寸综合与优化问题。但是，目前国内外关于多轴转向机构设计理论的研究还很少 。车辆低速的机动灵活性和高速的12操纵稳定性和安全性变得越来越重要。而多轮转向技术是提高重型汽车机动性和稳定性的有效手段，也是影响超大型特种车辆发展的关键技术。要提高我国的多轴转向技术水平，对多轴转向车辆进行系统的研究显得尤为必要。1.2 研究意义多轴转向技术极大地提高了大型皮卡和卡车的操纵性及舒适性 。4首先，缩小了车辆低速转向时的转弯半径 。在低速转向时，车辆因前后轮的反向转向，能够缩小转弯半径达 20%。四轴转向技术使大型车辆具有如同小型车辆的操纵性及泊车敏捷性。其次，明显改善了车辆高速行驶的稳定性当车辆在高速行驶中转向时，四轮转向系统通过后轮与前轮的同向转向，有效地降低和消除了车辆侧滑事故的发生几率，明显改善了车辆的高速行驶稳定性及安全性，进而缓解了驾驶者在各种路况下（尤其是风雨天气）高速驾车的疲劳程度。最后，提高了车辆的挂车能力通过转向后轴对挂车的转向牵引，四轴转向系统极大地提高了车辆挂车行驶的操纵性稳定性及安全性。2 研究的基本内容与拟解决的主要问题2.1 基本内容本次毕业设计中主要完成的内容包括：1）机械式四轴转向系统方案的确定。分析现有的汽车前转向采用的四连杆转向梯形机构原理，确定出机械式四轴转向系统方案。2）完成机械式四轴转向系统二维图绘制以及三维建模。利用AutoCAD软件完成二维图纸的绘制以及利用pro/E软件建立三维模- 3 -型。3）完成机械式四轴转向系统三维仿真。完成四轴转向系统三维建模后，利用Pro/E软件进行三维仿真。2.2 拟解决的主要问题多轴转向是现代重型汽车的关键技术。目前，前转向采用的都是四连杆转向梯形机构。这种传统的转向系布置结构及方式具有结构简单、成本低廉的特点,但在车辆转向的过程中汽车的动力学响应特性却受到汽车本身结构布置和外界条件的影响程度较大,汽车的机动性和操纵稳定性都不是很理想。 本次毕业设计要解决的主要问题是设计出一种能满足全部车轮纯滚动条件的多轴转向系统。3 实施方案、可行性分析及预期研究成果3.1 实施方案具体思路方案包含以下三个方面：3.1.1 了解和分析前转向采用的四连杆转向梯形机构原理转向梯形机构遵循阿克曼原理，阿克曼原理的基本观点是:汽车在行驶(直线行驶和转弯行驶)过程中,每个车轮的运动轨迹都必须完全符合它的自然运动轨迹,即要求各车轮轴线都能汇交于一点,此交点 O(见图 3-1)叫做转向中心,从而保证轮胎与地面间处于纯滚动而无滑移现象。图 3-1 两轮转向理想的转角关系以图 3-1 所示的汽车为例,阿克曼理论转向特性是以汽车前轮定位角都等于零、行走系统为刚性、汽车行驶过程中无侧向力为假设条件的,其特点为:1) 汽车直线行驶时,4 个车轮的轴线都互相平行,而且垂直于汽车纵向中心面。- 4 -2) 汽车在转向行驶过程中,全部车轮都必须绕一个瞬时中心点做圆周滚动,而且前内轮与前外轮的转角应满足下面关系式： LK/cott式中: 表示汽车前外轮转角;表示汽车前内轮转角;K 表示两主销中心距;L 表示汽车轴距。这样才能保证各车轮在转向时均作纯滚动,以避免在汽车转向时轮胎与地面滑动而增大阻力和加快轮胎磨损。3.1.2 四轴转向的初步思路1.全轮转向 2.第三桥闭锁转向 3 第四桥闭锁转向图 3-2 四轴转向三种主要模式四轴转向的几种主要模式如图 2-5 所示。在相同的极限转角的情况下，全轮转向的转弯半径相比其他两种更小，既提高了转向的低速机动性，又增加了高速的稳定性 ,减小了过多不足转向趋势，降低驾驶员负担，具有更好的转向特性。16本文将采用瓦特二型六连杆组来实现四轴转向全轮转向这种模式，结构简图如图 2-6 所示。图 3-3 四轴全轮转向简图3.1.3 基于Pro/ E设计平台的三维CAD设计- 5 -Pro /Engineer是美国PTC公司于1988年开发的参数化设计系统,是一套由设计至生产的机械自动化的三维实体模型(3DS)设计软件,它不仅具有CAD 的强大功能,同时还具有CAE 和CAM 的功能,广泛应用于工业设计、机械设计、模具设计、机构分析、有限元分析、加工制造及关系数据库管理等领域。而且能同时支持针对同一产品进行同步设计,具有单一数据库、全相关性、以特征为基础的参数式模型和尺寸参数化等优点。采用三维CAD 设计的产品,是和实物完全相同的数字产品,零部件之间的干涉一目了然,Pro/Engineer 软件能计算零部件之间的干涉和体积,把错误消灭在设计阶段。3.1.4 基于Pro/ E 设计平台的运动学分析运动仿真是机构设计的一个重要内容, 在Pro /E的Mechanism模块中,通过对机构添加运动副、驱动器使其运动起来,来实现机构的运动仿真。通过仿真技术可以在进行整体设计和零件设计后, 对各种零件进行装配后模拟机构的运动, 从而检查机构的运动是否达到设计的要求, 可以检查机构运动中各种运动构件之间是否发生干涉，实现机构的设计与运动轨迹校核。同时, 可直接分析各运动副与构件在某一时刻的位置、运动量以及各运动副之间的相互运动关系及关键部件的受力情况。在Pro /E环境下进行机构的运动仿真分析,不需要复杂的数学建模、也不需要复杂的计算机语言编程,而是以实体模型为基础,集设计与运动分析于一体,实现产品设计、分析的参数化和全相关,反映机构的真实运动情况。本次毕业设计以PTC公司的三维建模软件Pro/E及其中的运动学仿真功能建立多轴转动运动仿真模型。首先在Pro/E中建立多轴转动系统零件的三维CAD模型，然后完成系统装配，设置机构运动的初始位置，添加驱动和约束，进行运动仿真。整个过程中，需要对建立模型等前续工作进行不断的修改和完善，才能生成所要求的多轴转动机构的仿真模型。3.2 可行性分析几十年前,人们就设想采用前后轮同时转向的办法来减小汽车转向时的转弯半径，目前至少有六种不同的四轮转动系统在不同的汽车制造商那里处于不同的投产和研制阶段。本设计的工作主要涉及机械原理，机械设计，理论力学等方面的知识，以- 6 -及Pro/ E设计工具，本人已学习了这些相关课程，并取得了较好的成绩，掌握了本设计所需的基本知识。指导老师及其课题组在多轴转向系统的设计相关研究方面具有一定成功的经验，本设计的研究方法思路经过深思熟虑，切实可行，能够确保毕业设计的顺利完成并取得预期的研究成果。3.3 预期研究成果设计出多轴转向系统，完成三维建模。通过仿真分析，保证设计能较好的满足设计要求。4 研究工作计划起止时间 内容2011.12.22-2011.12.25 毕业设计前期资料准备、毕业设计任务书、外文翻译任务布置。2011.12.26-2012.01.05教师指导学生查阅资料(包括外文资料)，撰写文献综述、开题报告及完成外文资料翻译等工作。初步完成文献综述、开题报告及完成外文资料翻译。2012.01.06-2012.01.14完成文献综述、开题报告及完成外文资料翻译等等工作。指导教师审核学生上交的文献综述、开题报告及外文资料翻译等，进行小组交流、开题报告答辩。2012.01.14-2012.02.12(寒假) 完成多轴转向系统的总体方案设计。2012.02.13-2012.03.20 对多轴转向机构进行设计和分析，装置的整体三维造型。2012.03.21-2012.04.11 毕业设计中期检查指导情况，学生完成情况，以及表格与记录 的填写情况。2012.04.12-2012.05.16 撰写毕业设计（论文） 。2012.05.17-2012.05.21 教师对毕业设计（论文）的审阅；评议小组分组审阅。2012.05.22-2012.05.28 论文答辩- 7 -5 参考文献1边明远.汽车四轮转向（4WS）技术及其发展前景J. 机械与电子， 1999，（12）：8-92杨峰，高翔，王若平，等.两轴四轮汽车四轮转向机构的运动分析 J. 机械与电子，2004，（6）：50-513毛彩云，吴暮春，柯松.汽车转向系统的发展J. 中国学术期刊， 1995，（7）：18-204 王志新.汽车四轮转向系统 N.公 路 与 汽 运 ， 2006， （ 1） ： 5-85 朱华.发展中的现代汽车转向系统J. 中国学术期刊，2008 ，（7）：53-556古玉锋，方宗德，张国胜，等. 重型车辆多轴转向系统设计综述 J. 机械与电子，2009，（1）：1-37. 濮良贵,机械设计 M.北京：高等教育出版社，2010.8孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理M. 北京：高等教育出版社， 2010.9 Thomas Bak，Hans Jakobsen. Agricultural Robotic Platform with Four Wheels Steering for Weed Detection J. Biosystems Engineering,2004, 87(2)，125136.10 K. Watanabe*