汽車雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分析、建模仿真與優(yōu)化.doc

武漢理工大學碩士學位論文汽車雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分析、建模仿真與優(yōu)化姓名：周松盛申請學位級別：碩士專業(yè)：車輛工程指導教師：何天明20090501武漢理工大學碩士學位論文，（），（），；，：，武漢理工大學碩士學位論文（）（），：；武漢理工大學碩士學位論文圖表索引圖本文研究的技術(shù)路線圖雙前橋汽車底盤總布置結(jié)構(gòu)圖非獨立懸架機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成圖雙軸汽車理想的內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系圖雙前橋四軸汽車理想的內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系圖前橋內(nèi)外輪理想轉(zhuǎn)角關(guān)系圖圖平面梯形機構(gòu)示意圖圖第一軸轉(zhuǎn)向梯形示意圖圖第一軸轉(zhuǎn)向梯形示意圖圖。第一軸內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線圖圖雙搖臂轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的三維簡化示意圖圖雙搖臂機構(gòu)幾何參量符號說明圖圖第一軸轉(zhuǎn)向控制桿系示意圖圖。第一軸垂臂轉(zhuǎn)角仍和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線圖圖第一軸垂臂轉(zhuǎn)角仍和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線圖（改變）圖第一軸垂臂轉(zhuǎn)角仍和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線圖（改變）圖第一軸垂臂轉(zhuǎn)角仍和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線圖（改變）圖第一軸垂臂轉(zhuǎn)角仍和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線圖（改變）圖雙擺桿機構(gòu)示意圖圖雙擺桿機構(gòu)示意圖圖垂臂轉(zhuǎn)角仍和仍的關(guān)系曲線圖圖垂臂轉(zhuǎn)角仍和仍的關(guān)系曲線圖圖節(jié)臂轉(zhuǎn)角和垂臂轉(zhuǎn)角仍的關(guān)系曲線圖圖節(jié)臂轉(zhuǎn)角口，和垂臂轉(zhuǎn)角仍的關(guān)系曲線圖圖第一轉(zhuǎn)向軸內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角屈和的關(guān)系曲線圖附第二轉(zhuǎn)向軸內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角歷和的關(guān)系曲線圖圖所有轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角與第一軸垂臂轉(zhuǎn)角仍的關(guān)系曲線圖陶參數(shù)設(shè)計下實際轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線圖圖不合理反值設(shè)置下的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系圖圖車輛實際轉(zhuǎn)彎過程中各轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系圖轉(zhuǎn)向軸瞬時轉(zhuǎn)向中心區(qū)域約束示意圖圖。二自由度雙前橋轉(zhuǎn)向汽車運動簡化圖武漢理工火學碩士學位論文圖剛體運動學分析簡圖圖。汽車的三種穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性圖。三種穩(wěn)態(tài)橫擺角增益曲線圖。二自由度普通汽車轉(zhuǎn)向示意圖圖雙前橋轉(zhuǎn)向汽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑圖關(guān)系曲線圖圖三關(guān)系曲線圖（持）圖三關(guān)系曲線圖（凈）圖。出關(guān)系曲線圖（拮）豳關(guān)系曲線圖（持）圖不同兄值下小關(guān)系曲線圖獨創(chuàng)性聲明本人聲明，所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。簽名：越日期：掣關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解武漢理工大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，即學校有權(quán)保留、送交論文的復印件，允許論文被查閱和借閱；學校可以公布論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。（保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定）簽名：閥私蘑導師簽鼉歹乏矽日期：卯，武漢理大學碩士學位論文第章緒論課題研究的目的、意義隨著汽車運輸業(yè)和特種行業(yè)的發(fā)展，人們對重型載貨汽車的功率、承載能力提出了更高的要求。近年來，重型載貨車和專業(yè)作業(yè)車的噸位逐漸增大，車輛的載貨量不斷增多，出現(xiàn)了系列大型、重型載貨車輛車型。人們期望一種載貨能力強，對路面破壞小的重型汽車。而這是難以通過單純地增加單個軸的承載能力，降低整車質(zhì)量來實現(xiàn)的。為此，在汽車設(shè)計上需要通過增加汽車的軸數(shù)來適應大噸位汽車的需求，于是出現(xiàn)了三軸甚至更多軸的車型。多軸汽車為滿足整車轉(zhuǎn)向性能要求誡小轉(zhuǎn)彎直徑、降低輪胎磨損，往往采用兩軸或多軸轉(zhuǎn)向。雙前橋轉(zhuǎn)向設(shè)計是汽車多軸轉(zhuǎn)向設(shè)計中較特殊的一種，其將兩轉(zhuǎn)向軸集中到一起，減少了空間上的跨度，因而結(jié)構(gòu)簡單緊湊、轉(zhuǎn)向反應迅速，且扎實耐用，在重型載貨汽車上有著廣泛的應用。然而，汽車軸數(shù)的增加，尤其是前橋軸數(shù)的增加，使得汽車多橋轉(zhuǎn)向問題成為多軸汽車底盤設(shè)計中的一個重要課題【。軸數(shù)的增多，轉(zhuǎn)向機構(gòu)的結(jié)構(gòu)也變得復雜，對轉(zhuǎn)向性能的要求也就愈加苛刻。于轉(zhuǎn)向性能直接影響到車輛的機動靈活性、操縱穩(wěn)定性和使用經(jīng)濟性，因此對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計提出了更高的要求。隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，全國各地區(qū)間物流量的不斷增加，雙前橋重型汽車在市場應用的地位愈加顯著，其市場需求量也越來越大。重型載貨汽車的研究和開發(fā)迫切需要雙前橋轉(zhuǎn)向方面研究理論的支持和指導。因此，開展汽車雙前橋轉(zhuǎn)向的理論研究對于緩解我國交通運輸壓力，協(xié)調(diào)東西部的共同發(fā)展和物資交流，為沿海和內(nèi)地物資的流通清除障礙都有著舉足輕重的重要意義。對汽車雙前橋轉(zhuǎn)向研究的意義不僅在于為我國重型載貨汽車的自主研發(fā)提供理論基礎(chǔ)，同時也能為各類多軸拖車、掛車，以及軍用運輸車的設(shè)計提供參考。如上文所述近年來大型多軸的拖車、掛車得到了迅速的發(fā)展，在大型物資的運輸轉(zhuǎn)移中扮演不可或缺的重要角色。例如，在三峽大壩的水輪發(fā)電機組的安裝過程中，重達噸的核心部件轉(zhuǎn)輪就是由一輛十二軸雙排的巨型拖車運輸?shù)?。況且，當前世界各國都十分重視軍用運輸車輛的發(fā)展，尤其是開發(fā)裝載量大、自裝自卸化的軍用運輸車輛，提高后勤補給、轉(zhuǎn)移和運輸能力。從運載貨物的重型軍用卡車、全天候多軸軍用越野車到運載導彈、炮架的拖車，都可以覓見雙前橋轉(zhuǎn)向的身影。因此不論從民用還是軍需，社會經(jīng)濟的發(fā)展還是國防建設(shè)，開展雙前橋轉(zhuǎn)向的研究都是一項影響深遠的課題，對我國的經(jīng)濟發(fā)展和國防安全具有重要的意義。而我國在汽車機械工程設(shè)計領(lǐng)域與國外同行的差距相當大，表現(xiàn)尤為突出的就是涉及到發(fā)動機和變武漢理工人學碩士學位論文速器的設(shè)計研發(fā)、汽車底盤設(shè)計與調(diào)校技術(shù)。重型商用車的雙前橋轉(zhuǎn)向作為一種新技術(shù)在我國的研發(fā)才剛剛起步，整體技術(shù)水平遠落后于歐美等發(fā)達國家。本課題針對重型汽車具體結(jié)構(gòu)，借鑒前人的經(jīng)驗對汽車雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行研究。力圖通過對雙前橋轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的合理簡化，在合理假設(shè)的基礎(chǔ)上建立雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的空間數(shù)學模型；分析雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)系統(tǒng)中各機構(gòu)的運動關(guān)系、建立運動約束方程、考察汽車操縱穩(wěn)定性。期望所建立的數(shù)學模型可以分析雙前橋轉(zhuǎn)向車輛的操縱性能，驗證原有樣車轉(zhuǎn)向性能的優(yōu)劣，為今后多軸汽車的設(shè)計研究提供參考。尤其在國家強調(diào)汽車設(shè)計平臺以及注重知識產(chǎn)權(quán)的時代背景下，希望本文的研究成果能作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)，為雙前橋轉(zhuǎn)向的進一步研究提供理論鋪墊。國內(nèi)外的研究使用現(xiàn)狀隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國公路交通的質(zhì)量和數(shù)量都得到了顯著提高，全國各地區(qū)間物流量的不斷增加，雙前橋重型汽車在市場應用的地位愈加顯著，其市場需求量也越來越大。伴隨著汽車運輸業(yè)和特種行業(yè)的發(fā)展以及市場對于雙前橋轉(zhuǎn)向重型卡車需求的增加，國內(nèi)外重型汽車生產(chǎn)商爭先投入對雙前橋轉(zhuǎn)向重卡的研究和生產(chǎn)。解放重卡、東風重卡、北汽福田歐曼重卡、華菱重卡、陜汽重卡等都相繼開發(fā)了和生產(chǎn)了雙前橋的車型。隨著多軸車市場的不斷擴大，對多軸車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方面的研究工作已經(jīng)引起了越來越相關(guān)設(shè)計開發(fā)人員的關(guān)注；同時各大專院校和整車生產(chǎn)廠對多軸車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相繼提出了許多優(yōu)化設(shè)計方法和理論?？v觀目前汽車市場，雙前橋重型汽車種類較少，國內(nèi)外關(guān)于雙前橋轉(zhuǎn)向的理論研究起步較晚，研究還不夠深入，相關(guān)理論不夠成熟。雖然汽車生產(chǎn)商對雙前橋汽車投入了相當?shù)难芯浚菄鴥?nèi)相關(guān)的理論研究去十分落后。僅極少數(shù)的國內(nèi)學者對雙前橋轉(zhuǎn)向汽車進行了研究并將其研究成果以論文的形式發(fā)表。該領(lǐng)域的主要研究學者有唐應時教授和張代勝副教授，協(xié)同其學生兩人分別就汽車雙前橋轉(zhuǎn)向進行了較為廣泛的理論研究。對雙前橋轉(zhuǎn)向的研究可以追溯到年代初期，當時國內(nèi)就對雙橋汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了探索，提出了一些設(shè)計方法。早期的設(shè)計方法以平面投影設(shè)計方法為主，通常將空間問題轉(zhuǎn)化為平面問題來解決，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時也可以建立便于實現(xiàn)數(shù)值計算的系統(tǒng)模型。通常研究者認為，梯形機構(gòu)是無須進行優(yōu)化的，左右車輪的關(guān)系完全可由獨立設(shè)計的梯形機構(gòu)來實現(xiàn)，主要影響多軸轉(zhuǎn)向特性的是搖臂機構(gòu)。因此，大多數(shù)學者將重點轉(zhuǎn)移到了搖臂機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方面。隨著計算機性能的不斷提高，出現(xiàn)了許多用于工程計算的專用軟件，為工程技術(shù)人員的研究工作帶來了方便，減少了工程開發(fā)中自己編程的麻煩；同時也使得許多優(yōu)秀的數(shù)學理論得到推廣應用。在眾多計算軟件中，應用甚為廣泛。而在動力學運算和武漢理大學碩學位論文仿真方面，有獨到的功能，極大地簡化了運算，更易操作，在雙前橋轉(zhuǎn)向的優(yōu)化方面得到了廣泛的運用，許多論文都是基于的研究。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計是先按汽車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)的空間位置大致設(shè)計出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各個構(gòu)件，然后在平面圖上進行校核、調(diào)整、優(yōu)化，計算出前后輪在轉(zhuǎn)向時的關(guān)系，定出最小轉(zhuǎn)彎半徑。對于一般的單橋轉(zhuǎn)向汽車，由于其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，用此方法較易達到設(shè)計要求，而對于具有雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重型汽車來說，雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，在系統(tǒng)工作時部件的相對位置存在空間變化，用這種方法設(shè)計計算的數(shù)據(jù)與實際相差很大。有學者提出用軟件中的三維空間運動模擬功能進行仿真，在空間中進行校核、調(diào)整、優(yōu)化，設(shè)計出性能理想的雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。需要認識到，國內(nèi)對于雙前橋轉(zhuǎn)向的研究其中多數(shù)是集中在轉(zhuǎn)向拉桿優(yōu)化設(shè)計方面的研究，更多的研究集中在運用虛擬技術(shù)，借助動力學軟件進行仿真研究降。并且，早期的研究大多將前橋的轉(zhuǎn)向梯形簡化為平面結(jié)構(gòu)來處理，此種方法計算方法簡單，但計算精度不夠，導致計算結(jié)果與實際偏差較大。目前，對于雙前橋轉(zhuǎn)向的空間三維的數(shù)學模型和力學模型方面的研究卻十分匱乏，多數(shù)學者集中于研究轉(zhuǎn)向輪之間理想的運動關(guān)系、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部的干涉等，未能深入地發(fā)掘各連桿之間的力學和運動學關(guān)系。由于未能建立相應的運動學模型來描述各部件之間的約束和受力關(guān)系，因而使得對雙前橋轉(zhuǎn)向的操縱性能難以確定。本論文的研究內(nèi)容本論文主要對雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化，確保轉(zhuǎn)向性能達到最優(yōu)。在研究過程中，主要完成以下內(nèi)容：（）分析雙前橋轉(zhuǎn)向的機械結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機制以及理想轉(zhuǎn)向輪之間的轉(zhuǎn)角關(guān)系；（）建立雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的整體數(shù)學模型，推導在桿系作用下各轉(zhuǎn)向輪相互間的關(guān)系，并對雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進動力學分析；（）以轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的整體數(shù)學模型為基礎(chǔ)，結(jié)合對實際轉(zhuǎn)向過程的分析建立雙前橋轉(zhuǎn)向的優(yōu)化模型；（）建立二自由度汽車模型，推導上前去轉(zhuǎn)向車輛的運動微分方程；對雙前橋轉(zhuǎn)向的操縱性能進行分析，推導橫擺角增益的表達式，考察其穩(wěn)態(tài)響應特性。本論文的主要研究方法和技術(shù)路線研究方法目前，對于復雜機械的運動學研究國內(nèi)多數(shù)學者往往借助動力學軟件進行仿真研究、引。軟件功能強大，其優(yōu)化方法不需要將優(yōu)化目標轉(zhuǎn)化為相應武漢理大學碩士學位論文的圖形表示，同時對車輪轉(zhuǎn)角偏差的控制比較直接，優(yōu)化模型的建立相對比較簡單；但是單純的依靠軟件來替代必要的簡化、建模與分析研究有其固然的弊端在建立優(yōu)化模型的過程中需要與其他三維布置軟件之間進行數(shù)據(jù)傳遞工作，且優(yōu)化后還需將模型導入三維布置軟件進行具體的空間布置校核?？偨Y(jié)起來建立數(shù)學模型優(yōu)點及必要性主要體現(xiàn)在：（）數(shù)學建模的首要優(yōu)點就是完全參數(shù)化設(shè)計，模型運用靈活性強。研究機構(gòu)中的任何一個部件、作用力、受力點、點的坐標等都可以用參數(shù)表示。當機械結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時，只需更改相關(guān)的參數(shù)就可以獲取需要的結(jié)果；在中建模過程相對簡單，設(shè)計者可以避免繁瑣的推導過程，必要簡化處理建立三維模型即可求解，然而一旦設(shè)計參數(shù)發(fā)生更改，往往設(shè)計者要花費相當?shù)臅r間重復建模的工作；（）參數(shù)化設(shè)計的另外優(yōu)點凸顯在對計算結(jié)果的分析與處理方面。在數(shù)學運算軟件，如中通過對某些參數(shù)在某一范圍內(nèi)的離散化，運行就可以得到相應的數(shù)據(jù)結(jié)果，在中這意味著響應次數(shù)的三維模型的建立與更改，其優(yōu)越性不言而喻；（）在建立數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，通過對模型等式、方程的必要分析可以挖掘計算結(jié)果的只要影響因子，從而明確優(yōu)化的主要對象，這一點是難以企及的；當仿真結(jié)果出現(xiàn)異常時可以通過建立的方程逆向追蹤問題所在；（）建立數(shù)學模型的優(yōu)勢在于其對目標函數(shù)的設(shè)定比較靈活，如當涉及多目標優(yōu)化時可對不同目標函數(shù)進行加權(quán)處理。用編程對車輪轉(zhuǎn)角偏差的控制比較直接，對約束條件的設(shè)置也比較靈活【】。作為對雙前橋轉(zhuǎn)向研究的理論基礎(chǔ)，拓展性強，后續(xù)研究可以借鑒并在此基礎(chǔ)上提升和優(yōu)化。技術(shù)路線本文的主要研究步驟以及每個階段所研究的對象參考圖。、廠、廠簡、廠、廠、。貳研研通究究化過勺雙各雙建至月部莉橋系件鵲橋業(yè)轉(zhuǎn)之垂篙雙日進對八橋八羹羹卜、蕃黎術(shù)化轉(zhuǎn)算窩向向、建問霆箱數(shù)的立的卜結(jié)約空構(gòu)束問及方位轉(zhuǎn)程置學模操向受并型縱機力用性制能設(shè)關(guān)、數(shù)、圖一本文研究的技術(shù)路線武漢理工大學碩士學位論文本章小結(jié)該章節(jié)首先介紹了目前市場對多軸轉(zhuǎn)向汽車，尤其是大型、重型汽車的需求，開展汽車雙前橋轉(zhuǎn)向研究的意義和市場價值；總結(jié)了前人對汽車多橋轉(zhuǎn)向理論所作的主要研究工作和取得的研究成果，同時也指出了汽車多橋轉(zhuǎn)向理論研究尚未解決、所面臨的主要難點和問題；其次概括了汽車多橋轉(zhuǎn)向理論國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及研究的發(fā)展趨勢一隨著計算機硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展，計算機仿真技術(shù)在雙前橋轉(zhuǎn)向理論研究中的運用將會愈加廣泛和深入；最后在廣泛的資料采集和系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，歸納了本文的主要研究內(nèi)容一旨在建立完善的汽車雙前橋轉(zhuǎn)向的數(shù)學模型和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化模型，根據(jù)所研究的目標提出了相應的研究策略、方法和實施步驟。武漢理大學碩士學位論文第章雙前橋轉(zhuǎn)向的結(jié)構(gòu)及工作原理一個優(yōu)秀的數(shù)學模型必須經(jīng)得起理論推敲和實踐檢驗，而模型的根基在于其建模所依附的理論基礎(chǔ)。因此，要想建立起完善的數(shù)學模型，在建模之初要對相應的理論基礎(chǔ)有深入的分析以及透徹的了解。在雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究和建模過程中，我們首先必須全面了解雙前橋轉(zhuǎn)向的機構(gòu)、基本轉(zhuǎn)向理論，進而為模型的建立搭建扎實的理論基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)計要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能和基本要求汽車上用來改變或恢復車輛行駛方向的專設(shè)機構(gòu)稱為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可分為機械和動力轉(zhuǎn)向兩種形式【。在汽車轉(zhuǎn)向行駛時，轉(zhuǎn)向系要保證各轉(zhuǎn)向輪之間有協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)角關(guān)系。轉(zhuǎn)向系必須確保汽車轉(zhuǎn)向輕便和安全，對轉(zhuǎn)向系的具體要求有：（）轉(zhuǎn)彎行駛時，全部的車輪應有相同的瞬時轉(zhuǎn)向中心，避免車輪側(cè)滑；（）汽車轉(zhuǎn)向行駛后，當駕駛員松開轉(zhuǎn)向盤，轉(zhuǎn)向輪能自動回正，并穩(wěn)定行駛；（）在任何行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向輪不得產(chǎn)生自振，轉(zhuǎn)向盤沒有擺動；（）轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)和懸架導向裝置共同工作時，由于運動不協(xié)調(diào)使車輪產(chǎn)生的擺動應盡量??；（）保證汽車有較高的機動性能，具有迅速和小轉(zhuǎn)彎行駛能力；（）操縱輕便，轉(zhuǎn)向輪碰到障礙物后，傳給轉(zhuǎn)向盤的反沖力要盡可能小。轉(zhuǎn)向系的性能要求對轉(zhuǎn)向系的性能要求可歸納如下【】：（）來自路面不平度所引起的振動應盡可能被衰減，而不致傳到轉(zhuǎn)向盤上。然而，這種衰減又不能使駕駛員喪失路感（）：（）轉(zhuǎn)向系動力學的基本設(shè)計必須滿足阿克曼（）條件：在轉(zhuǎn)向時，左右轉(zhuǎn)向前輪軸線的延長線都要和后軸的延長線相較于一點。由于雙前橋轉(zhuǎn)向車輛各軸線無法相交于一點，因而僅要求前輪軸線的延長線的交點與后橋轉(zhuǎn)向中心線的距離盡量??；（）轉(zhuǎn)向系應有合適的剛度，使汽車對微小的轉(zhuǎn)向修正也有快捷的反應。（）當放松轉(zhuǎn)向盤時，車輪應能自動回到直行位置，并能穩(wěn)定在這個位置上。（）為了操縱方便，轉(zhuǎn)向傳動比（轉(zhuǎn)向盤從一側(cè)轉(zhuǎn)到另一側(cè)極限位置的總?cè)?shù)）應盡可能小。武漢理工大學碩士學位論文雙前橋轉(zhuǎn)向重型車的基本機構(gòu)雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個轉(zhuǎn)向前橋（二軸），二軸是避過過渡橫拉桿和過渡臂及轉(zhuǎn)向助力缸等零部件組成的傳遞機構(gòu)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能的。圖表示的是一種典型雙前橋雙后橋的車輛。對于雙前橋轉(zhuǎn)向的車輛，不但要保證每一個前橋盡量滿足阿克曼轉(zhuǎn)角關(guān)系，同時還要一軸和二軸的轉(zhuǎn)向角保持一定的協(xié)調(diào)關(guān)系，以確保盡量減少輪胎磨損。這種協(xié)調(diào)關(guān)系主要取決于過渡橫拉桿和過渡臂的傳遞比例，因此不少文章都重點探討了過渡橫拉桿的設(shè)計與優(yōu)化【。圖雙前橋汽車底盤總布置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有動力轉(zhuǎn)向和機械轉(zhuǎn)向兩種形式，且基本都是采用非獨立懸架。一個典型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基本包括以下幾個部分：轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向傳動軸、轉(zhuǎn)向機、轉(zhuǎn)向拉桿、前橋總成組成。如圖表示的是非獨立懸架機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成。夠轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向萬向節(jié)轉(zhuǎn)向傳動軸轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向搖臂轉(zhuǎn)向直拉桿轉(zhuǎn)向節(jié)臂左轉(zhuǎn)向節(jié)、梯形臂轉(zhuǎn)向橫拉桿前橋總成右轉(zhuǎn)向軸圖非獨立懸架機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成武漢理工人學碩士學位論文雙前橋轉(zhuǎn)向理論轉(zhuǎn)向輪理想運動關(guān)系汽車轉(zhuǎn)向時，為了保證各轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向時都作純滾動，處于無滑動狀態(tài)，各車輪必須圍繞一個中心點轉(zhuǎn)動；要使每個車輪的輪胎都不產(chǎn)生側(cè)向偏離，該中心點必須落在后軸的延長線上。為了滿足上述要求，則要求轉(zhuǎn)向軸內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角之間滿足阿克曼（）原理【。但是，現(xiàn)有汽車的轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)，對上述條件不能夠在整個轉(zhuǎn)向范圍內(nèi)得到滿足，只有近似地使它得到保證【。普通的單前橋汽車只有一個轉(zhuǎn)向軸，其轉(zhuǎn)向示意圖見圖。在其轉(zhuǎn)彎過程中，轉(zhuǎn)向輪必須有相同的瞬時轉(zhuǎn)向中心（在圖示中即為點）。顯然這個中心要落在后軸中心線的延長線上，并且左、右前輪也必須以這個中心點為圓心而轉(zhuǎn)動。運用幾何知識可知，在直角三角形和中有：口肛（）。由公式（）易推出（）其中：【為內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角；為車輪轉(zhuǎn)角；曰為前軸兩主銷中心點之間的距離；三為汽車的軸距。上述推導的公式（）也稱阿克曼原理。在汽車轉(zhuǎn)向時若轉(zhuǎn)向軸內(nèi)、外側(cè)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角能滿足上述公式（），則在汽車轉(zhuǎn)彎過程中其各車輪將作純滾動運動。，廣圖雙軸汽車理想的內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系，一，一，弋武漢理工大學碩士學位論文對于雙前橋轉(zhuǎn)向汽車，其機械結(jié)構(gòu)以及桿件的運動關(guān)系更為復雜。一方面，設(shè)計者要考慮使前軸左右車輪軸線的延長線交于后軸的延長線上（后橋為單軸形式的車型）或后軸瞬時轉(zhuǎn)向中心線（后橋多軸設(shè)計形式的車型）；另一方面，還要考慮不同轉(zhuǎn)向軸兩側(cè)車輪之間的轉(zhuǎn)角關(guān)系。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向車輪作純滾動，減小輪胎磨損，各轉(zhuǎn)向輪應繞理想轉(zhuǎn)向中心點轉(zhuǎn)動。對于重型雙前橋四軸汽車，其轉(zhuǎn)向示意圖如圖所示。卜口一一入入：，陌一一墜聿；，。后橋圖雙前橋汽車理想的內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系根據(jù)圖進行類似的幾何分析可以得到蝸叭書厶（）一曰心且滿足一：皇蝗（）一一，一，厶屆其中：為第軸內(nèi)輪轉(zhuǎn)角，：屈為第軸外輪轉(zhuǎn)角，：曰為前軸兩主銷中心點之間的距離；厶為第軸軸線到后橋轉(zhuǎn)向中心線的距離，。由式（）和（）我們可以推導得出雙前橋轉(zhuǎn)向汽車其轉(zhuǎn)向軸理想轉(zhuǎn)向角之間的關(guān)系（以為參照）：口（厶）屈（厶）（）廈（，厶）前橋第一、二轉(zhuǎn)向軸內(nèi)外輪理想轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系見圖。武漢理大學碩士學位論文參數(shù)設(shè)置：，召。圖前橋內(nèi)外輪理想轉(zhuǎn)角關(guān)系圖后橋瞬時轉(zhuǎn)向中心線對于上述模型的幾點解釋：（）在實際轉(zhuǎn)彎過程中，車輪軸線的實際旋轉(zhuǎn)中心應為主銷中心點，而非主銷延長線與地面交點。這一點在部分參考文獻中】已經(jīng)得到了闡述；（）對于雙后軸車輛的瞬時轉(zhuǎn)動中心的確定，不少學者將后二軸中心線作為瞬時轉(zhuǎn)動中心而加以簡單的處理。而實際車輛轉(zhuǎn)彎過程中并非如此，文獻【對此進行了研究，其結(jié)果表明：瞬時轉(zhuǎn)動中心不在后二軸中心線上，而是相對后二軸中心向后偏移，且偏移量隨后二軸軸距增大而增大；前一軸轉(zhuǎn)角對于瞬時轉(zhuǎn)動中心的影響不大。筆者參考的其他資料中，對于東風某雙前橋雙后橋車型，其設(shè)定的后軸瞬時轉(zhuǎn)向中心線與后橋第二軸軸線的距離為后軸軸距的），即氣）。而文獻】對某種雙前橋車型進行了研究計算，其仿真結(jié)果為。在本文后續(xù)的優(yōu)化中，?。?，）。本章小結(jié)在建立數(shù)學模型之前，要對相應的理論基礎(chǔ)有深入的了解。對于轉(zhuǎn)向機構(gòu)，首先了解的是基本轉(zhuǎn)向理論。因此本章重點在于介紹雙前橋轉(zhuǎn)向的基本理論基礎(chǔ)，以便為下面章節(jié)所進行的優(yōu)化設(shè)計、分析做好充足的理論準備。首先，概述了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計要求，包括轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的功能和基本要求、轉(zhuǎn)向系的性能要求；隨后介紹了雙前橋轉(zhuǎn)重型車的基本機構(gòu)和布置形式；闡述并分析了雙橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成；本章最后重點闡明雙前橋汽車在轉(zhuǎn)向過程中的理想運動學特征一在轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)向軸內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角之間滿足阿克曼原理，推導了轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角之間的相互關(guān)系，為后續(xù)的優(yōu)化比較作好準備。武漢理工大學碩學位論文第章轉(zhuǎn)向系整體數(shù)學模型及優(yōu)化在工程設(shè)計和研究過程中，往往實際問題非常復雜，牽涉的變量繁多，并且會包含諸多不確定的因素。因此，在解決問題過程中要把實際問題化成數(shù)學模型，用數(shù)學語言加以表述，將復雜的問題進行合理的簡化，這樣不僅可以更好的找出研究問題的實質(zhì)和重要環(huán)節(jié)，同時可以使問題更簡單，有利于運用數(shù)學工具進行分析。將實際問題轉(zhuǎn)換為數(shù)學模型，一方面要深入分析實際問題中的空間形式和各種數(shù)量關(guān)系，善于將這些空間形式和數(shù)量關(guān)系用數(shù)學語言表示出來。化實際問題為數(shù)學模型，要善于從問題中去發(fā)現(xiàn)數(shù)量之間、數(shù)形之間的關(guān)系，從中找到規(guī)律，靈活運用數(shù)學知識加以解決【。轉(zhuǎn)向梯形的數(shù)學模型轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)的設(shè)計是為了得到汽車轉(zhuǎn)向時左右車輪的合理轉(zhuǎn)角匹配【】。根據(jù)前文所述阿克曼原理，汽車在轉(zhuǎn)彎時所有車輪都應繞同一轉(zhuǎn)向瞬心做純滾動運動，目的是減小車輪的滑動，從而并減小輪胎的磨損。同時，雙前橋轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向性能直接影響整車的機動靈活性、操縱穩(wěn)定性、燃油經(jīng)濟性和輪胎的使用壽命。為此，在轉(zhuǎn)向系的設(shè)計時就需要設(shè)計出一個理想的轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)。模型的基本假設(shè)與符號說明基本假設(shè)（）由于雙前橋轉(zhuǎn)向汽車一般為重型商用車，其采用的是非獨立懸架，假設(shè)在車輛轉(zhuǎn)向和行駛過程中轉(zhuǎn)向梯形一直保持在同一平面內(nèi)；（）忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)件鏈接處的配合間隙；（）假設(shè)各轉(zhuǎn)向桿件為理想剛體，忽略其在受力、力矩和扭矩作用下產(chǎn)生的形變。符號說明符號說明單位如第軸轉(zhuǎn)向梯形梯形臂的長度如第軸轉(zhuǎn)向梯形轉(zhuǎn)向橫拉桿的長度第軸梯形作用平面內(nèi)的主銷距，轉(zhuǎn)向梯形底角初始值第轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向外輪轉(zhuǎn)角值屈第轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向內(nèi)輪轉(zhuǎn)角值武漢理工大學碩士學位論文轉(zhuǎn)向梯形模型的建立對于整體式車橋，其轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)應為空間梯形機構(gòu)。但經(jīng)過大量實踐證明，將其簡化為平面梯形機構(gòu)進行，其計算出來的轉(zhuǎn)向角誤差也相當，。為了計算方便，本文以平面梯形來推導內(nèi)、外車輪的轉(zhuǎn)角。梯形機構(gòu)的簡化模型見圖一。圖平面梯形機構(gòu)示意圖關(guān)于示意圖的說明：（）、為梯形機構(gòu)在主銷上的旋轉(zhuǎn)中心：（）為梯形作用平面內(nèi)的主銷距；（）、分別為左右梯形臂，其長度相等，記為厶；（）為轉(zhuǎn)向橫拉桿，其長度記為厶；（）角、為初始位置時梯形底角，以符號如表示；（）當內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)過角時，梯形機構(gòu)變成，相應的外側(cè)車輪轉(zhuǎn)過；（）圖中雙點劃線表示原始位置，粗實線表示車輪轉(zhuǎn)動后的實際位置。由于第一、二軸轉(zhuǎn)向梯形具有類似的結(jié)構(gòu)，我們只需對其中之一進行分析，另一個作適當?shù)耐茝V就可以，這里以第一轉(zhuǎn)向軸為例。了求解內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系，作輔助線連接，設(shè)其長度為，見圖。圖第一軸轉(zhuǎn)向梯形示意圖由圖，和圖可知，武漢理：【大學碩士學位論文屆一乏，一，在三角形和中分別運用余弦定理，可知砰砰一焉盔矸壇一曙?？ǎǎ┯缮鲜鰞墒铰?lián)合可以得到！毪斧。型嗚茅咝（）在三角形根據(jù)余弦定理可得屑昴面麗（）將式（一一）代入式（）化簡，得到第一轉(zhuǎn)向軸內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系式屆（。），具體表達為：再霖，麗（菰，冪，）蕭焉一（，），（），屑瀝鬲而（）作輔助線連接，見圖，我們同樣可以得到關(guān)于屈的關(guān)系口。廠（屆）：。一。島一屈）鏟一再毒箋羔蓑贏經(jīng)三笙二！芻二三！竺！絲：二三！芻竺！絲！壘！。，砰瑤一，層）：一圖第一軸轉(zhuǎn)向梯形示意圖（）進行類似的分析，我們同樣可以得到第二軸轉(zhuǎn)向梯形內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系武漢理工大學碩士學位論文廠（屈）：鱸：二瑟霖：，：熏（：）：訓，撒堡絲二！筆絲絲墜絲型絲些型，酲瑗一，（一）口，：一餓！查堅絲蘭墜一一美竺茬一，撒絲絲二！車絲竺絲二型絲絲吐型，巧瑗一，如（屈）由此我們建立了轉(zhuǎn)向軸內(nèi)外轉(zhuǎn)向輪之間的關(guān)系表達式。模型的仿真分析結(jié)合上，節(jié)的數(shù)學模型對第一轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向梯形進行仿真分析，第一軸內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線見下圖。幅圖一第一軸內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線圖參數(shù)設(shè)置：，。從圖中可以看出，在內(nèi)輪轉(zhuǎn)角口。小于時，角和屆保持良好的正比例關(guān)系，。要稍大于層。這點說明轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計基本是合理的，因為在轉(zhuǎn)彎過程中，尤其是大角度轉(zhuǎn)彎，為了使得前后輪轉(zhuǎn)角符合阿克曼原理，內(nèi)輪轉(zhuǎn)角要大于外輪。雙搖臂轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型為了減小車輪的滑動，從而并減小輪胎的磨損，車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計應能保證車輛轉(zhuǎn)彎武漢理大學碩十學位論文時所有車輪盡可能繞同一轉(zhuǎn)向瞬心做純滾動運動。對于普通單軸轉(zhuǎn)向汽車，轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)的設(shè)計是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵，其直接影響車輛轉(zhuǎn)向時左右車輪的合理轉(zhuǎn)角匹配（符合阿克曼原理）。與單前橋轉(zhuǎn)向車輛不同，雙前橋轉(zhuǎn)向車輛其具有兩個轉(zhuǎn)向軸，除滿足左右車輪轉(zhuǎn)角匹配外，還需考慮一、二軸轉(zhuǎn)向輪之間的轉(zhuǎn)角關(guān)系。轉(zhuǎn)向梯形能控制左右轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角關(guān)系，但不同轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向輪的協(xié)調(diào)要依賴雙搖臂轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)。搖臂機構(gòu)設(shè)計的好壞對第一、二橋之間的轉(zhuǎn)向關(guān)系起著主要影響作用，直接影響了整個轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計效果，是優(yōu)化設(shè)計的重點，這也就是傳統(tǒng)的優(yōu)化分析方法只考慮搖臂部分的原因。雙搖臂機構(gòu)的運動協(xié)調(diào)性直接影響雙前橋汽車的行駛性能，因此雙搖臂機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計具有重要意義【】。雙前橋轉(zhuǎn)向汽車一般采用非獨立懸架，其搖臂機構(gòu)的布置形式有多種。按搖臂機構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式，可分為單搖臂機構(gòu)及雙搖臂機構(gòu)兩類，本文研究主要側(cè)重于后者。其他形式的雙搖臂機構(gòu)同樣也可以借鑒本文的研究，加以類似的推導。因為在不同形式的雙搖臂轉(zhuǎn)向機構(gòu)中，其主要桿件的布置形式和工作原理都是類似的。本文建模和研究的雙搖臂機構(gòu)的簡化示意圖如圖所示圖雙搖臂轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的三維簡化示意圖關(guān)于示意圖的說明：（）、分別為前橋第一、二軸垂臂；（）、分別為第一、二軸垂臂鉸接于車架的支點，兩者處于同一豎直平面內(nèi)；（）、分別為前橋第一、二軸直拉桿；（）、分別為前橋第一、二軸轉(zhuǎn)向節(jié)臂；（）、為轉(zhuǎn)向節(jié)臂繞主銷旋轉(zhuǎn)的支點，兩者處于同一水平面內(nèi)；（）為中間連桿，又稱為聯(lián)動桿，其端點、分別固定鏈接于垂臂和上。模型的基本假設(shè)與符號說明基本假設(shè)對于搖臂機構(gòu)，結(jié)合實際情況作如下假設(shè)：武漢理大學碩十學位論文（）忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)件鏈接處的配合間隙；（）假設(shè)各轉(zhuǎn)向桿件為理想剛體，忽略其在受力、力矩和扭矩作用下產(chǎn)生的形變；（）兩垂臂和中間連桿處在豎直平面內(nèi)；（）第一、二軸轉(zhuǎn)向節(jié)臂在同一水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。符號說明由于雙搖臂機構(gòu)的桿件數(shù)量比較多，空間結(jié)構(gòu)相對復雜，因而在建模過程中涉及到的幾何參量也就比較多，這里不作一一說明，本章節(jié)所涉及的各幾何參數(shù)都已在圖。中加以表示。圖。雙搖臂機構(gòu)幾何參量符號說明圖對雙搖臂機構(gòu)的分析與問題前處理由于雙搖臂機構(gòu)中桿件數(shù)量較多，為了便于分析、建模與計算將搖臂機構(gòu)分成若干部分，分別進行數(shù)學模型的探討和建立，從而得到機構(gòu)的完整數(shù)學模型。由于第一軸和第二軸不論是在垂臂、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、直拉桿的布置形式，還是其支點空間位置上，都具有相類似的結(jié)構(gòu)，因此，將第一、二軸的轉(zhuǎn)向垂臂節(jié)臂直拉桿歸為一類進行處理；剩余的以部分就是由垂臂作用與連桿部分的擺臂桿、和連桿組成的四邊形雙擺桿機構(gòu)。垂臂一節(jié)臂一直拉桿模型基于上述分析，這里只需建立第一、第二軸垂臂節(jié)臂一直拉桿機構(gòu)中的其中一者數(shù)學模型，另外一者通過相似性，代入不同的參數(shù)即可完成相應的模型。武漢理工大學碩士學位論文不失共性，取第一軸轉(zhuǎn)向控制桿系進行研究。對于第一軸轉(zhuǎn)向控制桿系，其垂臂節(jié)臂一直拉桿機構(gòu)是一空間立體結(jié)構(gòu)，空間幾何關(guān)系如圖所示。說明：為了避免在轉(zhuǎn)向過程中發(fā)生突變，保證轉(zhuǎn)向的連續(xù)性，必須保證在轉(zhuǎn)向過程中點始終位于連線只的右側(cè)。圖第一軸轉(zhuǎn)向控制桿系示意圖結(jié)合圖由幾何關(guān)系可知曩寫一互啊一毋其中幺是方向盤無轉(zhuǎn)角輸入時第一軸垂臂與豎直平面所成的初始角。和第一軸垂臂轉(zhuǎn)角仍之和，即幺。仍。由于么互霉墨一么鼻霉一。（）其中。是第一軸轉(zhuǎn)向節(jié)臂與水平線墨露所成的初始角。因此，求解角與角舅的關(guān)系只需求得霉耳與訌霉對應于角的關(guān)系。進一步分析可知，在三角形駕只中協(xié)卸桿囂警半于是么互聊：脅塏巧在三角形墨巧，中，由余弦定理即可以求得（）武漢理工大學碩士學位論文矧肛生掣于是螂弘一坐鏟（）其中霉和，可以在直角三角形，中運用勾股定理求得皇鼻（最霉）（互曩）（，）（），（，：（，一（矗一，）（）由公式（）、（）、（）、（）和（）就可以求得第一軸垂臂轉(zhuǎn)角仍和轉(zhuǎn)向節(jié)臂轉(zhuǎn)角口。之間的關(guān)系（仍）：阮：切皿望！呈！亟！絲一粼。竺?。禾m：！芻二壘！掣絲墜蘭蘭壘蘭三童二些堅墜！墜?。阂?。）、（一（仍）同理，我們也可以完成第二軸垂臂轉(zhuǎn)角仍和轉(zhuǎn)向節(jié)臂轉(zhuǎn)角口：之間的關(guān)系（，）：甌：生丞絲絲！一黜。蔓蘭：（生壘！墜絲絲塑絲型絲趔一（。）（畋乞（，！仍）模型的仿真分析由于轉(zhuǎn)向垂臂轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角涉及到眾多的設(shè)計參數(shù)，這里為了更深入地分析各參數(shù)對結(jié)果的影響及在模型中的重要性，分別選擇了、三個參量作為仿真和比較的對象，結(jié)果見下面系列圖。其基本參數(shù)設(shè)置：；編。；。；。觀察和比較這幾幅圖我們可以發(fā)現(xiàn)：（）過渡直拉桿的長度，是一個非常重要影響因素，對垂臂轉(zhuǎn)角仍和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角，的關(guān)系影響很大：，值約的變化卻使關(guān)系曲線圖平移了約，但是曲線的整體形狀沒有改變。這點說明過渡直拉桿的長度是要配合轉(zhuǎn)向節(jié)臂的初始轉(zhuǎn)角，從而使得轉(zhuǎn)武漢理工