车辆工程毕业设计论文重型汽车双前桥转向系统优化设计

哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- I -东风 DFL1310 载重车双前桥转向系统优化设计摘 要汽车的双前转向桥转向轮产生异常磨损是较普遍的现象,本文以某型号的双前轴转向载货汽车技术参数作为研究对象，进行转向系统结构参数的优化，从而减少轮胎磨损。首先根据该车型底盘改装手册中参数用 CATIA 建立三维运动模型，从而加深自己对该车型转向系统的理解并以此作为后续数学分析与建模的依据；接着通过运用数学知识从整体考虑双前桥系统转向机构，建立了参数化的汽车双前桥转向系统数学模型；然后运用 MATLAB 软件将数学模型进行编程并建立总体的优化目标函数以进行运算，最终得到了双前桥转向系统部分结构的优化参数，接着通过编写程序对优化后一轴及二轴内外轮转向半径与理论值进行对比分析，得出优化取得较好结果的结论；最后依据 CATIA 建立的三维模型用 CAD 绘制出二维工程图纸。关键词：双前桥转向系统，CATIA 三维建模，克曼原理，MATLAB 优化仿真哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- II -The double front axle of Dongfeng truck steering System optimization designAbstractAuto double front axle steering knuckle steering wheel to generate abnormal wear is a more common phenomenon,this paper to a certain type of double front axle steering truck technology parameters as the research object,to the optimization of the structure parameters of the system,to reduce tyre wear.According to the vehicle chassis modification manual parameters to establish three-dimensional model with CATIA,so as to deepen their understanding of the vehicle steering system as the analysis and modeling of subsequent mathematical basis；then through the double front axle system using mathematical knowledge from the overall consideration of the steering mechanism,establish the double front axle steering system parametric mathematical model；then use the mathematical model with MATLAB software programming and the optimization objective function to establish the overall operation,finally got the optimized parameters of dual front axle steering system parts of the structure,and then through the preparation process of the optimized one axis and two axis wheel steering radius were compared with the theoretical value analysis,obtains success； finally,based on the 3D CATIA model established by CAD to draw the 2D engineering drawings.Key Words：Double front axle steering system,CATIA modeling,Ackerman principle,MATLAB simulation and optimization哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- III -目 录摘 要 .IAbstract .II第 1 章 绪论.11.1 本课题研究目的和意义.11.2 国内外研究现状概述.21.3 本课题研究内容及技术方案.31.4 本设计的特色.4第 2 章 双前桥转向系统理论.52.1 双前桥转向系统理论.52.1.1 转向系统设计的基本要求.52.1.2 双前桥转向系统结构.62.1.3 两轴汽车转向时理想的内、外前轮转角关系.72.1.4 双前轴转向汽车转向时的理想的同侧车轮转角关系.82.2 本章小结.10第 3 章 双前桥转向系统 CATIA 运动模型 .113.1 CATIA 软件介绍 .113.2 建立双前桥转向系统零部件三维模型.123.2.1 建立一桥横梁三维数模.123.2.2 建立一桥左、右转向节三维数模.123.2.3 建立一桥转向节臂三维数模.143.2.4 建立一桥左右转向梯形臂三维数模.143.2.5 建立拉杆球头总成三维数模.153.2.6 建立拉杆卡箍三维数模.153.2.7 建立拉杆体三维数模.163.2.8 建立转向器三维数模.163.2.9 建立部分车架三维数模.173.3 建立双前桥转向系统三维装配模型.173.4 本章小结.19第 4 章 双前桥转向系统的优化.204.1 MATLAB 软件介绍 .204.2 基于 MATLAB 的双前桥转向汽车转向机构运动模型 .20哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- IV -4.2.1 双前桥转向理论.204.2.2 双前桥转向系统数学模型的建立.224.2.3 第一轴转向垂臂机构数学模型.224.2.4 第二轴转向垂臂机构数学模型.244.2.5 摇臂机构总模型.244.2.6 梯形机构模型.254.2.7 建立优化目标函数.264.3 用 Matlab 进行仿真 .264.3.1 编写 Matlab 仿真程序 .264.3.2 编写 Matlab 调用程序 .284.3.3 用 Matlab 进行优化 .284.3.4 对优化结果进行仿真检验.294.4 本章小结.32第 5 章 平面二维图纸的绘制.335.1 CAD 软件简介 .335.2 绘制 CAD 工程图纸 .335.3 本章小结.34结 论.35致 谢.36参考文献.37哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- 0 -第 1 章 绪论1.1 本课题研究目的和意义当今社会，国家的经济飞速发展，人们生活水平越来越高出行也越来越离不开汽车。随着全国各地公路条件的提高，公路运输已经成为较主要的物流方式。每个公路运输单位、甚至个体营运商为降低成本从而增加利润，急切需要拥有单位汽车质量百公里油耗值较低的产品。在以上种情况下，商用车的地位就越来越重要。在商用车领域，重型载货汽车增长速度变化十分明显，重型卡车的市场很大一部分被物流运输业所消化，重型卡车可节省大量人力资源及时间成本，同时不少运输企业己经准备开始为计重收费做好准备，同时自重较小、运速较快的大功率多轴牵引汽车也开始成为发展方向。 伴随着国家治理汽车“双超”工作的持续开展及车用油价的不断走高，市场及用户迫切需要一种能在满足汽车法规前提下，同时经济效益更好、安全性能更高的汽车用于运输。基于以上市场的需求，市场上出现拥有双前桥转向系统的载重汽车。这种转向结构在重型汽车领域是一种较新型的结构。使用这种转向系统的汽车具有载货量大，转向稳定，转向阻力小，转向半径小的优点。同时拥有承载力强、经济效益好、安全性能高等优良特性。中国重汽成功研制出的国内首辆双前桥转向重型汽车，在承受载重与车型等基本相同的情况下，减少一根驱动桥，多了一根转向桥，但考虑转向桥的价格和重量远低于驱动桥，这使得整车价格降低很多。目前我国已相继有多家汽车公司推出一系列具有双转向前桥系统的车型。但随着双前转向桥的运用越来越多，却也出现一些比较典型的故障，该故障主要表现是双前桥转向系统的转向桥尤其是转向中桥轮胎存在异常磨损问题。本课题将对某重型双前轴转向载货汽车进行分析研究，通过对具体的双前轴转向机构进行 CATIA 三维建模，同时借鉴前人的经验，建立数学模型，用MATLAB 对该车型双前轴转向机构进行仿真优化，减少该车型轮胎的异常磨损。此次设计充分利用建立的三维立体模型，进行数字化模拟仿真，从而有效降低优化的时间及成本。 哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- 1 -1.2 国内外研究现状概述1.2.1 国外现状20 世纪 80 年代，国外开始对双前桥汽车的转向系统进行探索，提出多种较有效的设计方法。早期的设计方法主要以平面投影的设计法为主，但是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。在实际的设计中，要想通过转向机构使所有的车轮在每一转向角度下都能够绕同一瞬心转动是不现实的。通常的做法是依据经验公式进行设计。在工程研究中，则采用优化算法，建立目标函数，求解最优值。众多优化研究方法显示，对于双前桥转向机构，可以将整体系统拆分成若干个小系统进行考虑，即每一转向桥均可由一个转向梯形机构保证其左右转轮向可以按照转向规律偏转，而转向系统两前桥间的运动协调关系则需依据具体的情况来设计摇臂机构来克服。研究者普遍赞同：梯形机构无须进行优化，左右车轮的关系则可以由独立进行设计的梯形机构实现。因此，在绝大多数双前桥转向机构的研究论文中，摇臂机构被当作优化设计研究的重点。软件开发者根据优化理论编写了许多较有效的计算软件。随着科学技术的进步，计算机技术得到了极大提高和普及，出现了大量专用软硬件进行工程问题的处理，很少甚至完全不需要工程设计人员去编制复杂的程序，工程设计人员就可以进行特定的计算和优化，这无疑给工程设计人员带来了极大的便利。在各种软件中，三维建模软件 CATIA 在汽车行业运用广泛，而 Matlab 仿真软件可较好地进行仿真分析，节约时间。1.2.2 国内现状重型汽车多轴转向技术较多于军工有关，国外对于我国重型车辆多轴转向技术多处于封锁状态，所以较系统的研究报道很少，国内对重型载货汽车多轴转向的研究则主要集中在双前桥转向系统的机构优化设计。我国第一辆双前桥重型汽车最早出现是在 1998 年，开发于一汽汽车技术研究中心，代号为 CA1200P1K2L11T4。该车主要是依据日本的同类车型开发研制而来，该重型汽车采用 84 布置方式，于同年投放市场。从市场当时反应来看，因为有许多的用户用习惯了 2 轴或 3 轴车，虽然比较喜欢多轴车极强的载重能力，但不少人对这种新型设计心里没底，不知道是否可靠，因此销量不哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- 2 -大。2005 年，中国重汽济南商用车公司成功研制出了国内首辆双转向前桥重型牵引车。该车型在承载能力与 64 车型基本相同的情况下，其比 64 车型减少一根驱动桥，虽然其比 62 车型多了一根转向桥，但是转向桥的价格远低于驱动桥，这使得整车价格比 64 车型低了很多。近年来双前桥载重汽车表现得非常突出，异常火爆，几乎一直供不应求。我国其他一些商用车公司也开始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增大，国内相关设计开发人员对双前桥转向系统方面的研究工作也越来越重视，同时国内多所大专院校和整车的生产厂针对双前桥转向系统提出了非常多的优化设计方法和相应的理论。湖南大学的唐应时副教授和学生，同时运用了 Adams、Matlab、C+建立起双前桥系统的数学模型，并对系统进行了优化；吉林大学的郭孔辉教授运用空间坐标转换的公式，编写了转角关系程序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离；合肥工业大学的张代胜教授及学生运用了虚拟样机技术对双前桥转向系统所关心的三大问题运动学、动力学及干涉进行了相应分析，同时对转向的刚度和强度进行了分析。但许多早期的研究大多只是将前桥转向系统拆分成若干小系统来进行考虑，只是把摇臂机构作为优化设计的重点，或者只是把前桥的转向梯形简化为平面结构，这些分析方法虽然可以使计算方法大大简化，但也存在计算精度较低的问题，导致了计算结果与实际的偏差较大的现象。且许多研究方法采用了数学模型进行分析，但有些数学模型复杂其中出现了错误，这些错误不易发现。另外，在优化的过程中都是基于同一个转向轮的定位参数进行的假设。在这种假设条件下，忽略转向轮的定位参数改变对整个转向系统的影响，且仅仅考虑传动杆的优化是不符合双前桥转向系统的现状的。1.3 本课题研究内容及技术方案转向系统在车辆转向过程中起着非常重要的作用。其性能的优劣直接影响车辆的转向性能转向的灵活性，转向半径的大小，轮胎与地面的摩擦（磨损）等。本课题主要内容及技术方案如下：（1）通过阅读各种参考文献了解重型汽车双前桥转向系统。（2）用 catia 软件建立双前桥转向系统三维模型。（3)用 CAD 软件通过 catia 建立的三维模型绘制转向系统二维装配图、前哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- 3 -桥总装配图、二桥总装配图、前桥零件图、二桥零件图、连杆总装配图。（4)用 matlab 软件建立转向系统的数学模型并编写模型及优化程序，进行双前桥转向系统的仿真及优化分析。1.4 本设计的特色以往的双前桥转向汽车的转向系统设计，其绝大多只是将系统拆分成三部分，即：一个摇臂机构及两个独立的梯形机构。由于梯形机构的设计被认为是可单独进行的。因此绝大多数的设计者只是考虑摇臂机构所必须满足的转向要求。这样的简化虽然是可行的，但是机构的拆分会对整个系统的转向性能造成一定程度的影响。这里通过参考并比较前辈们的研究思路，从整体考虑双前桥系统转向性能，运用 Matlab 软件建立总体的优化目标函数进行运算。此次设计先用 CATIA 建立转向系统（空间三维模型）可较直观观察分析各尺寸参数对系统的影响，同时也有利于后续用 Matlab 建模，得出优化数值。此次设计会建立较简单的数学模型以减少数学公式计算量及复杂程度，使得用Matlab 编程时较简单。哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）- 4 -第 2 章 双前桥转向系统理论2.1 双前桥转向系统理论 2.1.1 转向系统设计的基本要求对转向系统进行优化和设计时，必须使转向系统满足以下的要求，对转向系的要求如下：（1）保证汽车有足够小的最小转弯半径，以使其能够保证在有限的场地面积内进行转弯行驶。（2）保证汽车转弯行驶时所有车轮都绕一个共同的瞬时转向中心进行旋转，各个车轮的侧偏角趋于一致，并且尽可能小，以延长轮胎寿命、防止轮胎噪声。（3）转向后，转向盘能够迅速自动回正，并使汽车保持稳定的直线行驶状态。（4）操纵轻便。汽车转向时，驾驶员施加在转向盘上的切向力（转向力） ，对轿车不应超过 150200N，对货车不应超过 500N。在采用动力转向的情况下，一般可以保证进行停车转向，而且最大转向力一般都明显小于上诉述极限值。（5）兼顾高速行驶操纵稳定性和低速行驶转向迅速（需要驾驶员转动转向盘的圈数比较少） 、轻便的要求。对于机械转向系统，就是要采用适当的转向传动比。对于动力转向系统，既需要有适当的转向传动比，还需要提供适当的动力助力。（6）悬架的导向机构和转向传动机构要匹配适当，使车轮上、下跳动时由上述的两种机构