重型汽车双前桥转向机构参数化模型与设计

2015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）I摘要针对在双前桥转向重型汽车行驶中中存在的轮胎异常磨损的问题，利用ADAMS/view 软件建立了样车双前桥转向机构参数化模型，并进行了运动学仿真分析，得到车轮转向的实际转角与理论转角存在较大误差。随后将 ADAMS/view 与 ISIGHT软件进行集成，并基于选择的设计变量与目标函数，在 ISIGHT 中利用正交数组法对设计变量进行 DOE 分析，得到对车轮的理论转角与实际转角的差异值影响最大的 11 个设计变量。最后，利用多目标遗传算法（NSGA-II）在 ISIGHT 中对转向机构进行优化，并将优化后的数据导入 ADAMS/view 中重新进行仿真。优化结果表明：优化后的车轮实际转角与理论转角之间误差大大减小，车轮在转向过程中发生的异常磨损问题也得到了有效的改善。关键词：双前桥转向机构；ADAMS/view；ISIGHT；DOE 分析；NSGA-II 遗传算法2015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）IIAbstractTire abnormal wear always occurs in heavy duty cars with dual-front axle steering system. Using ADAMS/view software to build parametric modeling and the kinematic simulation analysis for dual-axle steering system, finally proved that there is an obvious tolerance between actual and theoretical wheel turning angle. Then integrated ADAMS/view and ISIGHT software based on the selected design variable and objective function. In ISIGHT using DOE analysis by orthogonal array method for design variables, get 11 design variables that effected by tolerance between actual and theoretical wheel turning angle. Finally, NSGA-II was used in ISIGHT to optimizing the turning system, and re-simulated the system in ADAMS/view by optimized data get from previous step. The optimized result shows that the tolerance between actual and theoretical wheel turning angle was decreased, and the tire abnormal wear problem also get improved.Key Words: Dual-front axle steering system; ADAMS/view; ISIGHT; DOE analysis; Non-dominated Sorting Genetic Algorith (NSGA-II).2015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）III目录摘要 .IAbstract.II第一章 绪论 .11.1 课题背景与研究意义 .11.2 双前桥转向机构的理论研究与应用现状 .21.3 本文研究的主要内容 .3第二章 双前桥转向系统的理论基础 .52.1 转向系统总体结构的概述 .52.2 单轴转向系统的转向原理 .72.3 多轴转向系统的转向原理 .82.4 本章小结 .9第三章 双前桥转向机构模型的建立 .103.1 ADAMS/view 简介 .103.2 模型的建立 .103.2.1 机构方案与模型数据的确立 .103.2.2 ADAMS/view 中建立模型 .143.3 参数化模型 .173.3.1 参数化建模简介 .173.3.2 参数化建模 .173.4 建模中应注意的问题 .223.5 本章小结 .23第四章 模型机构的仿真分析 .244.1 双前桥转向的理论分析 .244.2 转向机构的实际转角测量 .254.3 双前桥转向机构的仿真与后处理 .264.3.1 机构的仿真 .264.3.2 结果后处理 .274.4 本章小结 .302015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）IV第五章 基于 Isight 的模型优化设计 .315.1 Isight 软件简介 .315.2 ISIGHT 集成 ADAMS/view .315.2.1 集成的概念及意义 .315.2.2 集成需求文件的准备 .325.2.3 输入文件的参数化 .335.2.4 输出文件参数化 .335.3 实验的设计（DOE） .355.3.1 目标函数的建立 .355.3.2 双前桥转向机构实验设计(DOE) 分析 .365.3.3 执行 DOE 结果分析 .385.4 双前桥转机构参数的优化设计 .395.4.1 优化方法 .395.4.2 确定优化设计变量 .415.4.3 优化模型的运行及结果 .415.5 本章小结 .45第六章 全文总结 .466.1 主要结论 .466.2 展望 .46参考文献 .48致谢 .492015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）1第一章 绪论1.1 课题背景与研究意义随着改革开放的成果逐步显现，国内的经济得到了稳步提升，社会发展对于物资的调配要求也越来越高，国内的物流行业因此也被带入了跨越式发展的步伐。在物流行业中，占有核心地位的就是公路运输，而与公路运输息息相关的则非重型卡车为首了。现有的国内物流公司中，无一不以最少的消耗、最低的成本换取最大的利益为目的经营，因此对于具有更大的载货能力的重型卡车的需求量越来越大。要使汽车具有更大的承载能力，增加载重汽车的轴数是最直接的方法 1 。因此具有多个轴的重型卡车就孕育而生了，然而更多的轴所带来的问题，例如机动性与平顺性，为了解决这一问题，很多汽车公司推出了具有双前桥转向能力的汽车以改善汽车的性能。然而，相对于单桥转向的汽车，双前桥转向能力的汽车的转向机构更为复杂，在转向时由于四轮同时发生转动，需要同时协调一致，而在实践中却经常出现偏差，因此，很有必要对于其转向机构进行深入的探讨与研究。由于经济发展与物流进步的需要，具有重型承载能力的卡车在公路运输中起到了举足轻重的作用，为了增加汽车的承载能力，增加汽车的轴数成了最有效的解决办法，然而却会使车辆的转向系统变得更为复杂。在转向时，由于多个转向轮同时发生转动，同时引发的地面阻力也会随之增大。在理论情况下四轮的转向能力应满足阿克曼转向原理，内侧的转弯半径应该小于外侧的转向半径，并且转向半径的圆心应与后轴的延长线交于一点，然而在实际中，这一关系很难得到实现，由于转向轮会相对于地面发生不必要的滑动，并且导致转向半径的增大。此情况不仅会影响整车的机动性，并且会导致轮胎因为异常磨损而形成的寿命简短，整车的转向性能也会下降。由于双前桥转向机构的复杂性，这些问题在所难免。因此，在这种双前桥转向机构的设计中必须要从结构上对装置进行优化分析，从而满足阿克曼转向原理，以减小地面与轮胎之间形成的不必要的摩擦、增大轮胎寿命并且提高整车的转弯特性。另外，从整车性能角度来说，也可以提高车辆的操纵性与对抗轮胎偏移的特性 2 。2015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）21.2 双前桥转向机构的理论研究与应用现状具有多轴转向能力的重型卡车对于经济的发展建设有着至关重要的作用，各大厂商都推出了双前桥转向重型商用车。但是由于车轮存在的异常磨损的问题，国内很多知名的大学、研究机构甚至是一些大型的卡车公司都对其进行过深入的研究。事实上很多的汽车公司在这方面都已经有相当成熟的技术，现在市场上的许多卡车都是这些技术的产物。例如中国东风汽车股份有限公司推出的东风大力神系列重卡，采用的是4x4 的摇臂型双前桥转向系统，工作情况非常出色。中国的柳州汽车有限公司在雷诺公司的基础上进行了改进，并且发明了适合中国国情的数据库实验法 3。为了使转向梯形机构的性能得到提高，安徽华菱汽车股份有限公司对于重型卡车的双前桥转向系统进行了建模和优化分析。不仅如此，理论研究方面，华菱汽车公司技术中心的吕召全更是开发了双前桥转向机构梯形机构的优化设计程序，为双前桥转向优化方法开辟了新的路径 4。中国重汽集团也对双前桥转向优化技术进行了深入的研究，在经过了严谨的理论分析计算与优化设计之后，他们提出了最佳平方逼近法以对现行的经典双摇臂机构进行设计，试图从结构上对现行的转向机构进行优化，从而实现彻底优化 5。如图 1.1为双前桥转向卡车实车图片。图 1.1 双前桥转向卡车实车图片吉林大学的汽车研究实验室在 ADAMS 中建立了双前桥转向的多体动力学模型，在软件的环境中对双摇臂机构进行了优化设计，行之有效的提高了双前桥机构的转向特2015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）3性 6。合肥工业大学的张代胜教授在双前桥转向机构的研究开辟了新的角度，他们利用虚拟样机技术对机构的运动学动力学及干涉进行了分析，对未来的研究打下了行之有效的基础。同一学校的程小虎同学则利用灵敏度分析的方法对机构进行了优化 7 。武汉科技大学的朱林同学通过在 ADAMS 中对双前桥转向机构进行仿真分析，并且利用Insight 内置模块对机构进行了行之有效的优化，为双前桥转向机构未来的发展打下了坚实基础。在国外，多桥转向机构得到了很广泛的应用。在 1960 年以前，德国已经研发出了4x4 转向的行之有效的解决方案，直到现在，法国的制造商尼古拉斯工业集团已经研发出了 10*10 的重型牵引车，此车型也为目前世界上最大的牵引车。美国的福莱纳公司在最近也推出了基于长头卡车的双前桥转向汽车。德国的曼集团特种车辆也都推出了多桥转向的重型车辆 8 。目前最先进的当属瑞典的沃尔沃公司，他们推出的最新技术能使拥有多个轴的卡车进行独立转向 9。理论研究方面，印度的 Manmohan Singh 等印度汽车研究所的研究人员也在基于阿克曼原理与 ADAMS 环境中对双前桥转向机构进行了仿真分析，并结合 ADAMS 内部的 Insight 功能优化参数，为双前桥转向机构的优化提供了一种最为有效的方式 10。另外，其他美国大学例如麻省理工学院与爱丁堡大学也对多桥转向机构运用 Haperworks 进行拓扑优化，并取得了一些成果 1112。 1.3 本文研究的主要内容本文的主要研究内容主要有以下几个部分：（1）研究多轴汽车双前桥转向系统的结构及转向原理，分析转向轮异常磨损的影响因素。（2）针对磨损问题，根据逆向扫描的得到的硬点坐标，在 ADAMS/view 中建立双前桥转向机构运动学模型，并对模型进行参数化处理，且在软件环境下对模型进行仿真，以确定引起轮胎异常磨损的主要原因。（3）利用 ISIGHT 软件集成技术，编辑 simcode 模块，实现 ADAMS/View 运动学仿真集成，建立联合仿真分析流程。（4）深入研究多目标优化设计方法与算法，及优化目标，应用 DOE 分析方法进行研究，并选用最合适的方法在 ISIGHT 中对转向机构的设计变量进行 DOE 分析。（5）根据 DOE 分析结果与实际制造的可行性确定优化变量，并给定范围。研究2015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）4多目标算法，在 ISIGHT 中对选取的变量进行优化，并将结果导入 ADAMS/view，再次进行仿真，将优化后的仿真结果与优化前的结果在后处理中进行对比分析。2015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）5第二章 双前桥转向系统的理论基础2.1 转向系统总体结构的概述汽车转向就是在车辆的行驶过程中，依据驾驶员的想法意志而改变车辆的行驶方向。驾驶员会通过一套专设的机构使汽车转向桥相对于轴线偏转一定的方向，而这一套专设机构就被成为汽车的转向系统。此系统在汽车行驶时，也用来保证各轮之间有合适的转角关系。根据转向能源的不同，汽车的转向系统可分为机械转向系统与动力转向系统两大类 。（1）机械转向系统：在汽车需要转向时，驾驶员对方向盘施加一个转向力矩，此力矩传过转向轴、万向节和转方向传动轴之后再输入转向器。传动摇臂接收减速后的运动和经过适当放大后的力矩，之后通过直拉杆传给转向节臂。以此带动左轮偏转，并通过转向梯形带动右轮进行偏转。图 2.1 所示为机械转向系统的组成和布置示意图。图 2.1 机械转向系统的组成和示意图1转向盘 2转向轴 3转向万向节 4转向传动轴 5转向器 6转向摇臂 7转向直拉杆 8转向节臂 9左转向节 10、12梯形臂 11转向横拉杆 13右转向节（2）动力转向系统：此转向系统在除了驾驶员为动力源进行转向之外，还兼有发动机动力为助力能源。图 2.2 为某动力系统示意图。在大多数情况下，很大一部分所需要转向的能量都由引擎所提供的动力提供 13。相对于机械转向系统，这样的转向机构2015 届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）6的区别为增加了动力助力装置，相对于之前的转向系统，使驾驶员更加省力。图 2.2 某动力转向系统的示意图1转向盘 2转向轴 3梯形臂 4转向节臂 5转向控制阀 6转向直拉杆 7转向摇臂 8机械转向器 9转向油