車輛工程本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文：重型汽車雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）PAGEII---PAGEIV-東風(fēng)DFL1310載重車雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)摘要汽車的雙前轉(zhuǎn)向橋轉(zhuǎn)向輪產(chǎn)生異常磨損是較普遍的現(xiàn)象,本文以某型號(hào)的雙前軸轉(zhuǎn)向載貨汽車技術(shù)參數(shù)作為研究對(duì)象，進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，從而減少輪胎磨損。首先根據(jù)該車型底盤改裝手冊(cè)中參數(shù)用CATIA建立三維運(yùn)動(dòng)模型，從而加深自己對(duì)該車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的理解并以此作為后續(xù)數(shù)學(xué)分析與建模的依據(jù)；接著通過(guò)運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)從整體考慮雙前橋系統(tǒng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，建立了參數(shù)化的汽車雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；然后運(yùn)用MATLAB軟件將數(shù)學(xué)模型進(jìn)行編程并建立總體的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)以進(jìn)行運(yùn)算，最終得到了雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化參數(shù)，接著通過(guò)編寫程序?qū)?yōu)化后一軸及二軸內(nèi)外輪轉(zhuǎn)向半徑與理論值進(jìn)行對(duì)比分析，得出優(yōu)化取得較好結(jié)果的結(jié)論；最后依據(jù)CATIA建立的三維模型用CAD繪制出二維工程圖紙。關(guān)鍵詞：雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，CATIA三維建模，克曼原理，MATLAB優(yōu)化仿真

ThedoublefrontaxleofDongfengtrucksteeringSystemoptimizationdesignAbstractAutodoublefrontaxlesteeringknucklesteeringwheeltogenerateabnormalwearisamorecommonphenomenon,thispapertoacertaintypeofdoublefrontaxlesteeringtrucktechnologyparametersastheresearchobject,totheoptimizationofthestructureparametersofthesystem,toreducetyrewear.Accordingtothevehiclechassismodificationmanualparameterstoestablishthree-dimensionalmodelwithCATIA,soastodeepentheirunderstandingofthevehiclesteeringsystemastheanalysisandmodelingofsubsequentmathematicalbasis；thenthroughthedoublefrontaxlesystemusingmathematicalknowledgefromtheoverallconsiderationofthesteeringmechanism,establishthedoublefrontaxlesteeringsystemparametricmathematicalmodel；thenusethemathematicalmodelwithMATLABsoftwareprogrammingandtheoptimizationobjectivefunctiontoestablishtheoveralloperation,finallygottheoptimizedparametersofdualfrontaxlesteeringsystempartsofthestructure,andthenthroughthepreparationprocessoftheoptimizedoneaxisandtwoaxiswheelsteeringradiuswerecomparedwiththetheoreticalvalueanalysis,obtainssuccess；finally,basedonthe3DCATIAmodelestablishedbyCADtodrawthe2Dengineeringdrawings.KeyWords：Doublefrontaxlesteeringsystem,CATIAmodeling,Ackermanprinciple,MATLABsimulationandoptimization目錄10736摘要 I13940Abstract II13556第1章緒論 179991.1本課題研究目的和意義 1310161.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀概述 26411.3本課題研究?jī)?nèi)容及技術(shù)方案 3155941.4本設(shè)計(jì)的特色 430524第2章雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理論 512342.1雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理論 5314572.1.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求 5324962.1.2雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 6143332.1.3兩軸汽車轉(zhuǎn)向時(shí)理想的內(nèi)、外前輪轉(zhuǎn)角關(guān)系 754692.1.4雙前軸轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的理想的同側(cè)車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系 869342.2本章小結(jié) 1018955第3章雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)CATIA運(yùn)動(dòng)模型 11286063.1CATIA軟件介紹 11200053.2建立雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件三維模型 12201913.2.1建立一橋橫梁三維數(shù)模 1265443.2.2建立一橋左、右轉(zhuǎn)向節(jié)三維數(shù)模 12124963.2.3建立一橋轉(zhuǎn)向節(jié)臂三維數(shù)模 14110773.2.4建立一橋左右轉(zhuǎn)向梯形臂三維數(shù)模 14186173.2.5建立拉桿球頭總成三維數(shù)模 1585993.2.6建立拉桿卡箍三維數(shù)模 15154233.2.7建立拉桿體三維數(shù)模 1645243.2.8建立轉(zhuǎn)向器三維數(shù)模 1686123.2.9建立部分車架三維數(shù)模 17163073.3建立雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維裝配模型 1795883.4本章小結(jié) 199770第4章雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化 20255454.1MATLAB軟件介紹 20109004.2基于MATLAB的雙前橋轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型 20231514.2.1雙前橋轉(zhuǎn)向理論 20298544.2.2雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 22177944.2.3第一軸轉(zhuǎn)向垂臂機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型 22241774.2.4第二軸轉(zhuǎn)向垂臂機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型 24294424.2.5搖臂機(jī)構(gòu)總模型 24206424.2.6梯形機(jī)構(gòu)模型 25311024.2.7建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù) 26160354.3用Matlab進(jìn)行仿真 26248864.3.1編寫Matlab仿真程序 26204594.3.2編寫Matlab調(diào)用程序 28151504.3.3用Matlab進(jìn)行優(yōu)化 28253894.3.4對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行仿真檢驗(yàn) 29158844.4本章小結(jié) 3217481第5章平面二維圖紙的繪制 33324405.1CAD軟件簡(jiǎn)介 33294155.2繪制CAD工程圖紙 33192175.3本章小結(jié) 341761結(jié)論 357989致謝 3626844參考文獻(xiàn) 37哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）-PAGE39-第1章緒論本課題研究目的和意義當(dāng)今社會(huì)，國(guó)家的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人們生活水平越來(lái)越高出行也越來(lái)越離不開(kāi)汽車。隨著全國(guó)各地公路條件的提高，公路運(yùn)輸已經(jīng)成為較主要的物流方式。每個(gè)公路運(yùn)輸單位、甚至個(gè)體營(yíng)運(yùn)商為降低成本從而增加利潤(rùn)，急切需要擁有單位汽車質(zhì)量百公里油耗值較低的產(chǎn)品。在以上種情況下，商用車的地位就越來(lái)越重要。在商用車領(lǐng)域，重型載貨汽車增長(zhǎng)速度變化十分明顯，重型卡車的市場(chǎng)很大一部分被物流運(yùn)輸業(yè)所消化，重型卡車可節(jié)省大量人力資源及時(shí)間成本，同時(shí)不少運(yùn)輸企業(yè)己經(jīng)準(zhǔn)備開(kāi)始為計(jì)重收費(fèi)做好準(zhǔn)備，同時(shí)自重較小、運(yùn)速較快的大功率多軸牽引汽車也開(kāi)始成為發(fā)展方向。伴隨著國(guó)家治理汽車“雙超”工作的持續(xù)開(kāi)展及車用油價(jià)的不斷走高，市場(chǎng)及用戶迫切需要一種能在滿足汽車法規(guī)前提下，同時(shí)經(jīng)濟(jì)效益更好、安全性能更高的汽車用于運(yùn)輸。基于以上市場(chǎng)的需求，市場(chǎng)上出現(xiàn)擁有雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的載重汽車。這種轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)在重型汽車領(lǐng)域是一種較新型的結(jié)構(gòu)。使用這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車具有載貨量大，轉(zhuǎn)向穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向阻力小，轉(zhuǎn)向半徑小的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)擁有承載力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益好、安全性能高等優(yōu)良特性。中國(guó)重汽成功研制出的國(guó)內(nèi)首輛雙前橋轉(zhuǎn)向重型汽車，在承受載重與車型等基本相同的情況下，減少一根驅(qū)動(dòng)橋，多了一根轉(zhuǎn)向橋，但考慮轉(zhuǎn)向橋的價(jià)格和重量遠(yuǎn)低于驅(qū)動(dòng)橋，這使得整車價(jià)格降低很多。目前我國(guó)已相繼有多家汽車公司推出一系列具有雙轉(zhuǎn)向前橋系統(tǒng)的車型。但隨著雙前轉(zhuǎn)向橋的運(yùn)用越來(lái)越多，卻也出現(xiàn)一些比較典型的故障，該故障主要表現(xiàn)是雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向橋尤其是轉(zhuǎn)向中橋輪胎存在異常磨損問(wèn)題。本課題將對(duì)某重型雙前軸轉(zhuǎn)向載貨汽車進(jìn)行分析研究，通過(guò)對(duì)具體的雙前軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行CATIA三維建模，同時(shí)借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)，建立數(shù)學(xué)模型，用MATLAB對(duì)該車型雙前軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化，減少該車型輪胎的異常磨損。此次設(shè)計(jì)充分利用建立的三維立體模型，進(jìn)行數(shù)字化模擬仿真，從而有效降低優(yōu)化的時(shí)間及成本。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀概述1.2.1國(guó)外現(xiàn)狀20世紀(jì)80年代，國(guó)外開(kāi)始對(duì)雙前橋汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行探索，提出多種較有效的設(shè)計(jì)方法。早期的設(shè)計(jì)方法主要以平面投影的設(shè)計(jì)法為主，但是因?yàn)槿狈χ苯釉诳臻g中建立機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)學(xué)理論，所以通常將空間問(wèn)題轉(zhuǎn)化為平面問(wèn)題來(lái)解決。通過(guò)這種方法不僅可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也可以建立便于實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算的系統(tǒng)模型。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，要想通過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使所有的車輪在每一轉(zhuǎn)向角度下都能夠繞同一瞬心轉(zhuǎn)動(dòng)是不現(xiàn)實(shí)的。通常的做法是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行設(shè)計(jì)。在工程研究中，則采用優(yōu)化算法，建立目標(biāo)函數(shù)，求解最優(yōu)值。眾多優(yōu)化研究方法顯示，對(duì)于雙前橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，可以將整體系統(tǒng)拆分成若干個(gè)小系統(tǒng)進(jìn)行考慮，即每一轉(zhuǎn)向橋均可由一個(gè)轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)保證其左右轉(zhuǎn)輪向可以按照轉(zhuǎn)向規(guī)律偏轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩前橋間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系則需依據(jù)具體的情況來(lái)設(shè)計(jì)搖臂機(jī)構(gòu)來(lái)克服。研究者普遍贊同：梯形機(jī)構(gòu)無(wú)須進(jìn)行優(yōu)化，左右車輪的關(guān)系則可以由獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)的梯形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。因此，在絕大多數(shù)雙前橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的研究論文中，搖臂機(jī)構(gòu)被當(dāng)作優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)。軟件開(kāi)發(fā)者根據(jù)優(yōu)化理論編寫了許多較有效的計(jì)算軟件。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了極大提高和普及，出現(xiàn)了大量專用軟硬件進(jìn)行工程問(wèn)題的處理，很少甚至完全不需要工程設(shè)計(jì)人員去編制復(fù)雜的程序，工程設(shè)計(jì)人員就可以進(jìn)行特定的計(jì)算和優(yōu)化，這無(wú)疑給工程設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了極大的便利。在各種軟件中，三維建模軟件CATIA在汽車行業(yè)運(yùn)用廣泛，而Matlab仿真軟件可較好地進(jìn)行仿真分析，節(jié)約時(shí)間。1.2.2國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀重型汽車多軸轉(zhuǎn)向技術(shù)較多于軍工有關(guān)，國(guó)外對(duì)于我國(guó)重型車輛多軸轉(zhuǎn)向技術(shù)多處于封鎖狀態(tài)，所以較系統(tǒng)的研究報(bào)道很少，國(guó)內(nèi)對(duì)重型載貨汽車多軸轉(zhuǎn)向的研究則主要集中在雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。我國(guó)第一輛雙前橋重型汽車最早出現(xiàn)是在1998年，開(kāi)發(fā)于一汽汽車技術(shù)研究中心，代號(hào)為CA1200P1K2L11T4。該車主要是依據(jù)日本的同類車型開(kāi)發(fā)研制而來(lái)，該重型汽車采用8×4布置方式，于同年投放市場(chǎng)。從市場(chǎng)當(dāng)時(shí)反應(yīng)來(lái)看，因?yàn)橛性S多的用戶用習(xí)慣了2軸或3軸車，雖然比較喜歡多軸車極強(qiáng)的載重能力，但不少人對(duì)這種新型設(shè)計(jì)心里沒(méi)底，不知道是否可靠，因此銷量不大。2005年，中國(guó)重汽濟(jì)南商用車公司成功研制出了國(guó)內(nèi)首輛雙轉(zhuǎn)向前橋重型牽引車。該車型在承載能力與6×4車型基本相同的情況下，其比6×4車型減少一根驅(qū)動(dòng)橋，雖然其比6×2車型多了一根轉(zhuǎn)向橋，但是轉(zhuǎn)向橋的價(jià)格遠(yuǎn)低于驅(qū)動(dòng)橋，這使得整車價(jià)格比6×4車型低了很多。近年來(lái)雙前橋載重汽車表現(xiàn)得非常突出，異常火爆，幾乎一直供不應(yīng)求。我國(guó)其他一些商用車公司也開(kāi)始紛紛向市場(chǎng)投放雙前橋重型汽車。隨著雙前橋載重汽車在市場(chǎng)上的比例不斷增大，國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人員對(duì)雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方面的研究工作也越來(lái)越重視，同時(shí)國(guó)內(nèi)多所大專院校和整車的生產(chǎn)廠針對(duì)雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提出了非常多的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和相應(yīng)的理論。湖南大學(xué)的唐應(yīng)時(shí)副教授和學(xué)生，同時(shí)運(yùn)用了Adams、Matlab、C++建立起雙前橋系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化；吉林大學(xué)的郭孔輝教授運(yùn)用空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的公式，編寫了轉(zhuǎn)角關(guān)系程序求解了整車轉(zhuǎn)彎過(guò)程中回轉(zhuǎn)直徑及回轉(zhuǎn)中心相對(duì)于后軸的前置距離；合肥工業(yè)大學(xué)的張代勝教授及學(xué)生運(yùn)用了虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所關(guān)心的三大問(wèn)題——運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及干涉進(jìn)行了相應(yīng)分析，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)向的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行了分析。但許多早期的研究大多只是將前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)拆分成若干小系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行考慮，只是把搖臂機(jī)構(gòu)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，或者只是把前橋的轉(zhuǎn)向梯形簡(jiǎn)化為平面結(jié)構(gòu)，這些分析方法雖然可以使計(jì)算方法大大簡(jiǎn)化，但也存在計(jì)算精度較低的問(wèn)題，導(dǎo)致了計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的偏差較大的現(xiàn)象。且許多研究方法采用了數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，但有些數(shù)學(xué)模型復(fù)雜其中出現(xiàn)了錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤不易發(fā)現(xiàn)。另外，在優(yōu)化的過(guò)程中都是基于同一個(gè)轉(zhuǎn)向輪的定位參數(shù)進(jìn)行的假設(shè)。在這種假設(shè)條件下，忽略轉(zhuǎn)向輪的定位參數(shù)改變對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，且僅僅考慮傳動(dòng)桿的優(yōu)化是不符合雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的現(xiàn)狀的。本課題研究?jī)?nèi)容及技術(shù)方案轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在車輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中起著非常重要的作用。其性能的優(yōu)劣直接影響車輛的轉(zhuǎn)向性能——轉(zhuǎn)向的靈活性，轉(zhuǎn)向半徑的大小，輪胎與地面的摩擦（磨損）等。本課題主要內(nèi)容及技術(shù)方案如下：（1）通過(guò)閱讀各種參考文獻(xiàn)了解重型汽車雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。（2）用catia軟件建立雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維模型。（3)用CAD軟件通過(guò)catia建立的三維模型繪制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)二維裝配圖、前橋總裝配圖、二橋總裝配圖、前橋零件圖、二橋零件圖、連桿總裝配圖。（4)用matlab軟件建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并編寫模型及優(yōu)化程序，進(jìn)行雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真及優(yōu)化分析。1.4本設(shè)計(jì)的特色以往的雙前橋轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其絕大多只是將系統(tǒng)拆分成三部分，即：一個(gè)搖臂機(jī)構(gòu)及兩個(gè)獨(dú)立的梯形機(jī)構(gòu)。由于梯形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)被認(rèn)為是可單獨(dú)進(jìn)行的。因此絕大多數(shù)的設(shè)計(jì)者只是考慮搖臂機(jī)構(gòu)所必須滿足的轉(zhuǎn)向要求。這樣的簡(jiǎn)化雖然是可行的，但是機(jī)構(gòu)的拆分會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向性能造成一定程度的影響。這里通過(guò)參考并比較前輩們的研究思路，從整體考慮雙前橋系統(tǒng)轉(zhuǎn)向性能，運(yùn)用Matlab軟件建立總體的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。此次設(shè)計(jì)先用CATIA建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（空間三維模型）可較直觀觀察分析各尺寸參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，同時(shí)也有利于后續(xù)用Matlab建模，得出優(yōu)化數(shù)值。此次設(shè)計(jì)會(huì)建立較簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型以減少數(shù)學(xué)公式計(jì)算量及復(fù)雜程度，使得用Matlab編程時(shí)較簡(jiǎn)單。雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理論雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理論轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)時(shí)，必須使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)滿足以下的要求，對(duì)轉(zhuǎn)向系的要求如下：保證汽車有足夠小的最小轉(zhuǎn)彎半徑，以使其能夠保證在有限的場(chǎng)地面積內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎行駛。保證汽車轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)所有車輪都繞一個(gè)共同的瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，各個(gè)車輪的側(cè)偏角趨于一致，并且盡可能小，以延長(zhǎng)輪胎壽命、防止輪胎噪聲。轉(zhuǎn)向后，轉(zhuǎn)向盤能夠迅速自動(dòng)回正，并使汽車保持穩(wěn)定的直線行駛狀態(tài)。操縱輕便。汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員施加在轉(zhuǎn)向盤上的切向力（轉(zhuǎn)向力），對(duì)轎車不應(yīng)超過(guò)150～200N，對(duì)貨車不應(yīng)超過(guò)500N。在采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向的情況下，一般可以保證進(jìn)行停車轉(zhuǎn)向，而且最大轉(zhuǎn)向力一般都明顯小于上訴述極限值。兼顧高速行駛操縱穩(wěn)定性和低速行駛轉(zhuǎn)向迅速（需要駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤的圈數(shù)比較少）、輕便的要求。對(duì)于機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，就是要采用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向傳動(dòng)比。對(duì)于動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，既需要有適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)向傳動(dòng)比，還需要提供適當(dāng)?shù)膭?dòng)力助力。懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要匹配適當(dāng)，使車輪上、下跳動(dòng)時(shí)由上述的兩種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)干涉所引起的車輪前束角變化盡可能的小。汽車轉(zhuǎn)向行駛、車身發(fā)生側(cè)傾時(shí)，由上述兩種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)干涉所引起的側(cè)傾轉(zhuǎn)向角盡可能小或有利于不足轉(zhuǎn)向。由懸架中橡膠元件的受力變形所引起的車輪前、后移動(dòng)要盡可能不引起前束角的變化。由于地面對(duì)轉(zhuǎn)向輪的沖擊而傳到轉(zhuǎn)向盤上的反沖應(yīng)當(dāng)盡可能小，從而便減輕駕駛員的疲勞。這個(gè)性能要求對(duì)于在比較粗糙的路面上行駛的汽車意義比較大。汽車在直線行駛時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的間隙應(yīng)盡可能的小。為了在使用時(shí)能夠減小這種間隙變化，在轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)球頭處，應(yīng)有消除因磨損而產(chǎn)生間隙的調(diào)整結(jié)構(gòu)。在發(fā)生車禍時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向軸由于車架或車身產(chǎn)生變形而發(fā)生后移時(shí)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)有能使駕駛員免遭或減輕傷害的防傷裝置。雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)車輛在駕駛過(guò)程中，駕駛?cè)藛T需要根據(jù)對(duì)路面的判斷及個(gè)人的主觀意愿，改變車輛的行駛方向，稱為汽車轉(zhuǎn)向。對(duì)于一般的輪式汽車說(shuō)，通過(guò)使用一套專用的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，使轉(zhuǎn)向輪相對(duì)于車身縱軸線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，或者使受干擾后發(fā)生偏轉(zhuǎn)的車輛回到直線行駛狀態(tài)，這就實(shí)現(xiàn)了車輛的轉(zhuǎn)向。其中使得車輪偏轉(zhuǎn)的這套轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)稱為轉(zhuǎn)向系。不管是何種汽車，轉(zhuǎn)向系的主要功能都是為了保持或者是改變車輛的前進(jìn)方向，并且在車輛行駛過(guò)程中，保證各轉(zhuǎn)向輪之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)關(guān)系。雙前橋轉(zhuǎn)向載貨汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要包括了轉(zhuǎn)向操作機(jī)構(gòu)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其具體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1圖2-1雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)指的是轉(zhuǎn)向系中，轉(zhuǎn)向器以上的轉(zhuǎn)向系部件。具體主要包含了方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸、上下萬(wàn)向節(jié)等。它的主要功能是，將駕駛員的轉(zhuǎn)向意圖傳遞到動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，從而實(shí)現(xiàn)車輪的偏轉(zhuǎn)。動(dòng)力轉(zhuǎn)向器本身就是一套減速傳動(dòng)裝置。目前在汽車上廣泛使用的有齒輪齒條式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器及循環(huán)球齒條齒扇式，其中齒輪齒條式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器主要用于乘用車領(lǐng)域，此處不在詳述。而商用車領(lǐng)域主要采用的是循環(huán)球齒條齒扇式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，它有2級(jí)減速傳動(dòng)副，它將駕駛?cè)藛T的對(duì)轉(zhuǎn)向器輸入軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)向器搖臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，輸入輸出都是角度，故它的傳動(dòng)比為角轉(zhuǎn)動(dòng)比，即方向盤的轉(zhuǎn)角增量與轉(zhuǎn)向器搖臂的轉(zhuǎn)角增量之比。另外：在雙前橋轉(zhuǎn)向載貨汽車第二前橋處上還采用了轉(zhuǎn)向助力缸，它只具備動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的一種功能就是轉(zhuǎn)向助力。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為轉(zhuǎn)向系的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的主要功能是將轉(zhuǎn)向器的輸出傳遞到轉(zhuǎn)向節(jié)，使得各個(gè)轉(zhuǎn)向輪按照一定的關(guān)系偏轉(zhuǎn)，保證車輛轉(zhuǎn)向時(shí)車輪與地面盡可能的相對(duì)滾動(dòng)，減少相對(duì)滑動(dòng)。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)又可以分成三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分：一是第一前橋的梯形機(jī)構(gòu)；二是第一前橋與第二前橋之間聯(lián)動(dòng)的轉(zhuǎn)向搖臂機(jī)構(gòu)；三是第二前橋的梯形機(jī)構(gòu)。其中第二部分也就是轉(zhuǎn)向搖臂結(jié)構(gòu)部分對(duì)雙前橋的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性至關(guān)重要，是雙前橋轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)的重中之重。兩軸汽車轉(zhuǎn)向時(shí)理想的內(nèi)、外前輪轉(zhuǎn)角關(guān)系圖2-2示出一輛正在轉(zhuǎn)向行駛的兩軸汽車（俯視圖）。其中L是軸距，B是左右主銷中心線的延長(zhǎng)線與地面交點(diǎn)之間的距離。這輛汽車正在向左行駛，假定汽車轉(zhuǎn)向時(shí)速度很慢，其側(cè)向加速度很小，車輪的側(cè)偏角可以忽略。在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，為了使各個(gè)車輪都處于純滾動(dòng)狀態(tài)而無(wú)滑動(dòng)發(fā)生，則要求全部車輪都繞一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心做圓周運(yùn)動(dòng)。對(duì)于兩個(gè)后輪來(lái)說(shuō)，他們的運(yùn)動(dòng)方向應(yīng)該與他們到轉(zhuǎn)向中心的連線垂直，即轉(zhuǎn)向中心在后軸軸線的延長(zhǎng)線上。同樣，內(nèi)前輪的運(yùn)動(dòng)方向也與它到轉(zhuǎn)向中心的連線垂直，這樣就可以確定上述三個(gè)車輪的轉(zhuǎn)向中心。如果外前輪的滾動(dòng)軸線的延長(zhǎng)線也與該中心相交，則各個(gè)車輪都繞同一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心做圓周運(yùn)動(dòng)，各個(gè)車輪處于純滾動(dòng)狀態(tài)。這時(shí)有如下關(guān)系：圖2-2圖2-2兩軸汽車轉(zhuǎn)向示意圖（2-1）式中：α——內(nèi)前輪轉(zhuǎn)角；β——外前輪轉(zhuǎn)角；B——兩側(cè)主銷軸線的延長(zhǎng)線與地面相交點(diǎn)之間的距離；L——汽車軸距。式2-1稱為理想的內(nèi)、外前輪轉(zhuǎn)角關(guān)系，也稱為艾克曼（Ackerman）轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系。汽車轉(zhuǎn)向時(shí)若能滿足上述條件，則車輪做純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。但是，這是有條件的，即在輪胎側(cè)偏角可以忽略的情況下?，F(xiàn)有汽車的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)不能在整個(gè)轉(zhuǎn)向范圍內(nèi)使上述條件得到滿足。雙前軸轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的理想的同側(cè)車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系對(duì)于雙前軸轉(zhuǎn)向汽車而言，轉(zhuǎn)向時(shí)除了一橋、二橋各自的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角要滿足艾克曼（Ackerman）轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系，同時(shí)一橋與二橋的之間的轉(zhuǎn)向輪還應(yīng)滿足一定的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系。這樣才能盡可能的減小轉(zhuǎn)向時(shí)路面附加阻力，從而降低輪胎的磨損，提高輪胎壽命。圖2-3示出的是一輛正在轉(zhuǎn)向行駛的雙前軸轉(zhuǎn)向汽車（俯視圖）。這輛汽車正在向左行駛，假定汽車轉(zhuǎn)向時(shí)速度很慢，其側(cè)向加速度很小，車輪的側(cè)偏角可以忽略。在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，為了使各個(gè)車輪都處于純滾動(dòng)狀態(tài)而無(wú)滑動(dòng)發(fā)生，則要求全部車輪都繞一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心做圓周運(yùn)動(dòng)。對(duì)于兩個(gè)后輪來(lái)說(shuō)，他們的運(yùn)動(dòng)方向應(yīng)該與他們到轉(zhuǎn)向中心的連線垂直，即轉(zhuǎn)向中心在后軸軸線的延長(zhǎng)線上。同樣，一橋內(nèi)前輪的運(yùn)動(dòng)方向也與它到轉(zhuǎn)向中心的聯(lián)線垂直，這樣就可以確定上述三個(gè)車輪的轉(zhuǎn)向中心。如果一橋外前輪、二橋內(nèi)前輪、二橋外前輪的滾動(dòng)軸線的延長(zhǎng)線也與該中心相交，則各個(gè)車輪都繞同一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心做圓周運(yùn)動(dòng)，各個(gè)車輪處于純滾動(dòng)狀態(tài)。這時(shí)有如下關(guān)系：圖2-3圖2-3雙前軸轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向示意圖式中：、——第一、二橋的內(nèi)前輪轉(zhuǎn)角；、——第一、二橋的外前輪轉(zhuǎn)角；——第一橋至第三橋的距離；——第二橋至第三橋的距離；B——兩側(cè)主銷延長(zhǎng)線與地面的交點(diǎn)之間的距離。為了滿足上述關(guān)系，一、二橋車輪之間有一套轉(zhuǎn)向搖臂機(jī)構(gòu)，但是目前這套機(jī)構(gòu)只能近似的滿足上述關(guān)系。工程設(shè)計(jì)時(shí)盡量減少二橋車輪轉(zhuǎn)角實(shí)際值與理想值之差，從而減少車輪的磨損。本章小結(jié)本章對(duì)重型汽車雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了分析，提出了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本要求，對(duì)雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的描述，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理論進(jìn)行了闡述，提出了雙前橋轉(zhuǎn)向汽車與雙軸汽車轉(zhuǎn)向的原理及理想轉(zhuǎn)彎幾何學(xué)關(guān)系的異同，引導(dǎo)出本次設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)：雙前橋轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向搖臂及轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)。雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)CATIA運(yùn)動(dòng)模型CATIA軟件介紹自1975年起法國(guó)Dassault公司持續(xù)開(kāi)發(fā)了一套集3DCAD/CAM/CAE一體化的軟件：CATIA（Computer-graphicsAidedThree-dimensionalInteractiveApplication）。它的內(nèi)容涉及了產(chǎn)品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)加工成成品的全過(guò)程，從最先概念設(shè)計(jì)到后期的工程制圖，從基礎(chǔ)了三維建模到復(fù)雜的動(dòng)態(tài)模擬與仿真。它有大量的專業(yè)模塊，比如電纜和管道布線模塊、曲面設(shè)計(jì)模塊、模具設(shè)計(jì)與分析模塊、電子樣機(jī)模塊等，極大了方便了工程設(shè)計(jì)人員，提高了設(shè)計(jì)效率。CATIA還能根據(jù)用戶需要自由定制模板，制定規(guī)則，提高企業(yè)內(nèi)部不同部門的協(xié)同設(shè)計(jì)能力，提高企業(yè)的設(shè)計(jì)流程實(shí)現(xiàn)端對(duì)端的解決方案。CATIA目前大量用于航天科技、機(jī)械、家電、汽車及摩托車制造行業(yè)、與NC加工等方面。CATIA憑借其強(qiáng)大的功能，成為了三維CAD/CAM領(lǐng)域的一面旗幟和爭(zhēng)相遵從的標(biāo)準(zhǔn)，在我國(guó)，目前有超過(guò)半數(shù)的汽車企業(yè)只使用CATIA作為公司三維設(shè)計(jì)工具，在航空航天領(lǐng)域CATIA也一直處于統(tǒng)治地位。法國(guó)的幻影2000系列戰(zhàn)斗機(jī)、波音777客機(jī)就是使用CATIA完成了無(wú)紙質(zhì)圖紙的設(shè)計(jì)，成為CATIA設(shè)計(jì)運(yùn)用的典范，也成為了CAD領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)傳奇。另外還有一些全球知名的企業(yè)，如米其林輪胎、3M公司、ABB公司制造的火車、伊萊克斯電冰箱和通用動(dòng)力公司建造的核潛艇都采用了CATIA軟件作為開(kāi)發(fā)手段。更有甚者索尼公司利用CATIA軟件完成了一千多萬(wàn)個(gè)零件的制造。在國(guó)內(nèi)，差不多全部的航工企業(yè)都在使用CATIA，哈爾濱飛機(jī)制造公司的EC120直升機(jī)就是才用CATIA來(lái)設(shè)計(jì)的，運(yùn)用CATIA軟件的造型和數(shù)控編程等功能，實(shí)現(xiàn)超精加工。CATIA電子樣機(jī)（DMU，DigitalMock-UP）是在CATIA軟件虛擬環(huán)境下，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，得到產(chǎn)品真實(shí)化的裝配、運(yùn)動(dòng)等。該技術(shù)大大降低了開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)及成本，減少了物理樣機(jī)的數(shù)量，加速了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)程，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的背景下，為企業(yè)快速的提出新品，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，提供了有力保證。同時(shí)，該模塊提供的虛擬裝配、干涉檢查也減少了實(shí)物裝配時(shí)問(wèn)題發(fā)生的幾率，已經(jīng)逐步成為開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中必不可少的步驟。建立雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件三維模型此次設(shè)計(jì)先根據(jù)該系列車型底盤改裝手冊(cè)中各關(guān)鍵部件二維圖紙及相應(yīng)實(shí)物圖建立了相應(yīng)三維數(shù)模，最后搭建出整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的三維運(yùn)動(dòng)模型，具體過(guò)程如下：建立一橋橫梁三維數(shù)模根據(jù)改裝手冊(cè)中有關(guān)參數(shù)及前橋總成實(shí)物圖（圖3-1）建立一橋橫梁三維數(shù)模如圖3-2。圖3-1前橋總成實(shí)物圖圖3-2一橋橫梁三維建模圖更改部分尺寸建立出二橋橫梁三維數(shù)模。建立一橋左、右轉(zhuǎn)向節(jié)三維數(shù)模根據(jù)改裝手冊(cè)中有關(guān)參數(shù)及左右轉(zhuǎn)向節(jié)總成實(shí)物圖（圖3-3）建立一橋左右轉(zhuǎn)向節(jié)三維數(shù)模分別如圖3-4、3-5。圖3-3轉(zhuǎn)向節(jié)總成實(shí)物圖圖3-4一橋左轉(zhuǎn)向節(jié)三維數(shù)模圖圖3-5一橋右轉(zhuǎn)向節(jié)三維數(shù)模圖根據(jù)手冊(cè)中參數(shù)，所建立的一橋左右轉(zhuǎn)向節(jié)模型同樣適用于二橋左右轉(zhuǎn)向節(jié)。建立一橋轉(zhuǎn)向節(jié)臂三維數(shù)模根據(jù)改裝手冊(cè)中有關(guān)參數(shù)及左右轉(zhuǎn)向節(jié)總成實(shí)物圖（圖3-3）建立一橋轉(zhuǎn)向節(jié)臂三維數(shù)模如圖3-6。圖3-6一橋轉(zhuǎn)向節(jié)臂三維數(shù)模圖更改部分參數(shù)建立二橋轉(zhuǎn)向節(jié)臂。建立一橋左右轉(zhuǎn)向梯形臂三維數(shù)模根據(jù)改裝手冊(cè)中有關(guān)參數(shù)及一橋總成實(shí)物圖（圖3-1）建立一橋左梯形臂三維數(shù)模如圖3-7，建立一橋右梯形臂如圖3-8。圖3-7一橋左梯形臂三維數(shù)模圖圖3-8一橋右梯形臂三維數(shù)模圖建立拉桿球頭總成三維數(shù)模根據(jù)改裝手冊(cè)中有關(guān)參數(shù)及球頭總成實(shí)物圖（圖3-9）建立拉桿球頭總成三維數(shù)模如圖3-10。圖3-9球頭總成實(shí)物圖圖圖3-10拉桿球頭總成三維數(shù)模圖建立拉桿卡箍三維數(shù)模根據(jù)改裝手冊(cè)中有關(guān)參數(shù)及一橋總成實(shí)物圖（圖3-1）建立拉桿卡箍三維數(shù)模如圖3-11。圖3-11拉桿卡箍三維數(shù)模圖建立拉桿體三維數(shù)模根據(jù)改裝手冊(cè)中有關(guān)參數(shù)建立拉桿體三維數(shù)模如圖3-12。圖3-12拉桿體三維數(shù)模圖建立轉(zhuǎn)向器三維數(shù)模根據(jù)改裝手冊(cè)中有關(guān)參數(shù)及轉(zhuǎn)向器實(shí)物圖（圖3-13）建立轉(zhuǎn)向器三維數(shù)模如圖3-14。圖3-13轉(zhuǎn)向器實(shí)物圖圖3-14轉(zhuǎn)向器三維數(shù)模圖建立部分車架三維數(shù)模根據(jù)改裝手冊(cè)中有關(guān)參數(shù)建立部分車架三維數(shù)模如圖3-15。圖3-15部分車架三維數(shù)模圖建立雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維裝配模型根據(jù)上節(jié)所建各關(guān)鍵部件三維模型，將各零部件進(jìn)行裝配，部分零件裝配圖及總裝配圖如下圖：圖3-16拉桿裝配圖圖3-17轉(zhuǎn)向橋總成裝配圖圖3-18轉(zhuǎn)向系統(tǒng)搖桿機(jī)構(gòu)裝配圖圖3-19雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總裝配圖圖3-20雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總裝配圖本章小結(jié)本章建立目標(biāo)車型雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的三維模型，通過(guò)對(duì)CATIA三維模型的分析，為后續(xù)在Matlab中建立雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型做好準(zhǔn)備。此次通過(guò)用CATIA建模，對(duì)該軟件的運(yùn)用更加熟練，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也更加了解。雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化MATLAB軟件介紹MATLAB（矩陣實(shí)驗(yàn)室）是MATrixLABoratory的縮寫，是一款由美國(guó)TheMathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件。MATLAB是一種用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境。除了矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)/數(shù)據(jù)圖像等常用功能外，MATLAB還可以用來(lái)創(chuàng)建用戶界面及與調(diào)用其它語(yǔ)言（包括C，C++和FORTRAN）編寫的程序。盡管MATLAB主要用于數(shù)值運(yùn)算，但利用為數(shù)眾多的附加工具箱（Toolbox）它也適合不同領(lǐng)域的應(yīng)用，例如控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析、圖像處理、信號(hào)處理與通訊、金融建模和分析等。另外還有一個(gè)配套軟件包Simulink，提供了一個(gè)可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境，常用于系統(tǒng)模擬、動(dòng)態(tài)/嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等方面。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用，用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛(ài)好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。基于MATLAB的雙前橋轉(zhuǎn)向汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型雙前橋轉(zhuǎn)向理論對(duì)于四軸雙橋轉(zhuǎn)向汽車，為了使所有車輪都處于純滾動(dòng)而無(wú)滑動(dòng)狀態(tài)，或只有極小的滑移，則要求轉(zhuǎn)向軸內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角之間符合克曼原理。如圖4-1所示，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向車輪的純滾動(dòng)，各轉(zhuǎn)向輪應(yīng)該繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角之間應(yīng)該滿足（4-1）、（4-2）式：（4-1）（4-2）其中：：i軸外輪轉(zhuǎn)角（i=1~2）；K：兩主銷中心線延長(zhǎng)線到地面交點(diǎn)之間的距離；：i軸內(nèi)輪轉(zhuǎn)角；：i軸考慮主銷后傾后的計(jì)算軸距。同時(shí)，一、二軸之間轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角關(guān)系應(yīng)該滿足：（4-3）圖4-1雙前橋四軸汽車的理想的內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立東風(fēng)天龍DFL1310（8×4）車型采用一、二軸鋼板彈簧固定吊耳均處于前端的懸架布置型式，其轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)為四連桿式（如圖4-2）。為了簡(jiǎn)化分析，本文假設(shè)：所有桿件均為剛體；忽略車輪外傾、側(cè)偏以及輪胎的影響；瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心位于雙后橋中心線上。圖4-2DFL1310雙前橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖4-3第一軸轉(zhuǎn)向垂臂機(jī)構(gòu)模型示意圖第一軸轉(zhuǎn)向垂臂機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型一軸轉(zhuǎn)向控制桿系是一個(gè)空間四連桿機(jī)構(gòu)，如圖4-3所示。圖中，為一軸下垂臂，點(diǎn)坐標(biāo)值為（，，），下垂臂臂長(zhǎng)為，初始角度為。為一軸直拉桿，桿長(zhǎng)為。為轉(zhuǎn)向節(jié)臂，為轉(zhuǎn)向節(jié)臂繞主銷旋轉(zhuǎn)的支點(diǎn)，其坐標(biāo)值為（，，），節(jié)臂長(zhǎng)為，初始角度為。同時(shí)，記支點(diǎn)和在x上的投影距離為，y軸上的投影距離為，z軸上的投影距離為。過(guò)在垂直平面V內(nèi)作垂直水平面H于，連接和；又過(guò)在水平面H內(nèi)作垂直于垂直平面V于。則：當(dāng)垂臂轉(zhuǎn)過(guò)角度時(shí)，節(jié)臂相應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)角度。（4-4）其中：，聯(lián)系一、二軸之間得雙擺桿機(jī)構(gòu)是一個(gè)平面四邊形，如圖4所示。、分別是一軸和二軸的上垂臂，臂長(zhǎng)分別為、，初始角度分別為、。為連桿，桿長(zhǎng)為S。為推導(dǎo)出一軸垂臂轉(zhuǎn)角和二軸垂臂轉(zhuǎn)角的關(guān)系作連線和，設(shè)，并分別過(guò)、作垂線的垂直線、。則由三角關(guān)系，有：由以上四式，得：（4-5）圖4-4中間四邊形雙垂臂機(jī)構(gòu)模型示意圖圖4-5第二軸轉(zhuǎn)向垂臂機(jī)構(gòu)模型示意圖第二軸轉(zhuǎn)向垂臂機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型二軸轉(zhuǎn)向控制桿系是一個(gè)空間四連桿機(jī)構(gòu)，如圖4-5所示。圖中，為二軸下垂臂，令其坐標(biāo)值為（，，），垂臂長(zhǎng)為，初始角度為。為一軸直拉桿，桿長(zhǎng)為。為轉(zhuǎn)向節(jié)臂，為轉(zhuǎn)向節(jié)臂繞主銷旋轉(zhuǎn)的支點(diǎn)，其坐標(biāo)值為（，，），節(jié)臂長(zhǎng)為，初始角度為。同時(shí)，記支點(diǎn)和在x上的投影距離為，y軸上的投影距離為，z軸上的投影距離為，過(guò)在垂直平面V內(nèi)作垂直水平面H于；又過(guò)在水平面H內(nèi)作垂直于垂直平面V于，連接和。則：當(dāng)垂臂轉(zhuǎn)過(guò)角度時(shí)，節(jié)臂相應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)角度。（4-6）其中：，搖臂機(jī)構(gòu)總模型根據(jù)（4-4）、（4-5）、（4-6）式將三個(gè)子模型合并，得出雙搖臂機(jī)構(gòu)的最終數(shù)學(xué)模型，建立與之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系式：即：（4-7）其中，梯形機(jī)構(gòu)模型對(duì)前后橋的梯形機(jī)構(gòu)建立通用數(shù)學(xué)模型。梯形機(jī)構(gòu)可看作是一個(gè)平面四邊形機(jī)構(gòu)，其模型簡(jiǎn)圖如圖4-6所示。為梯形作用平面內(nèi)的主銷距。AE、BF分別為左右梯形臂，梯形臂長(zhǎng)為m。EF為轉(zhuǎn)向橫拉桿，桿長(zhǎng)為H。、為梯形底角，記為。當(dāng)內(nèi)側(cè)車輪任意轉(zhuǎn)過(guò)β角時(shí)，梯形機(jī)構(gòu)ABFE變成，相應(yīng)的外側(cè)車輪轉(zhuǎn)過(guò)α。為研究?jī)?nèi)輪轉(zhuǎn)角與外輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系，連接，設(shè)為d。則：根據(jù)三角關(guān)系可以得出，，則：（4-8）當(dāng)內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向輪輸入一個(gè)角度β時(shí)，外側(cè)轉(zhuǎn)向輪相的有一個(gè)輸出角度α與之對(duì)應(yīng)。則：，是的函數(shù)；對(duì)于二軸，有：。其中，。圖4-6梯形機(jī)構(gòu)模型示意圖建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是使實(shí)際值盡量接近理想值，我們將其推廣為：使實(shí)際值盡量滿足理想關(guān)系式（4-1）、（4-2）、（4-3）式。建立目標(biāo)函數(shù)：（4-9）其中：，，，目標(biāo)函數(shù)是在各轉(zhuǎn)角下，實(shí)際值與理想值之間的誤差累積。其中，是權(quán)函數(shù)，由于汽車在小轉(zhuǎn)角情況下使用較多，所以小轉(zhuǎn)角情況下，權(quán)函數(shù)值取大一些；大轉(zhuǎn)角情況下，權(quán)函數(shù)取小些。1.51.00.5用梯形法替代積分求上式的近似值，把積分區(qū)間分成n個(gè)相等的小區(qū)間，每個(gè)小區(qū)間為，于是上式可改為如下形式的目標(biāo)函數(shù)：（4-10）用Matlab進(jìn)行仿真編寫Matlab仿真程序設(shè)根據(jù)前一節(jié)建立的數(shù)學(xué)模型，相應(yīng)的編寫了以下四個(gè)函數(shù)：①functionB1=diyi(n1,n2,h1,h2,g1,g2,b1,b2,r1,r2,m1,m2,S,oo1,oo2,Bo1,Bo2,wo1,wo2,l1,l2,O1O2,O1O2C21,C11O1O2,B2);O2B21=sqrt(h2^2+(g2-l2.*sin((Bo2+B2)/180*pi)).^2);A2B21=sqrt(m2^2-(b2-l2.*cos((Bo2+B2)/180*pi)).^2);A2O2B21=acos((O2B21.^2+r2^2-A2B21.^2)./(2*r2.*O2B21));O21O2B21=acos(h2./O2B21);o2=(A2O2B21-O21O2B21)*180/pi-oo2;O1C2=sqrt(O1O2^2+n2^2-2*n2*O1O2.*cos((O1O2C21+wo2-o2)/180*pi);C1O1C2=acos((n1^2+O1C2.^2-S^2)./(2*n1.*O1C2));v=asin(n2./O1C2.*sin((O1O2C21+wo2-o2/180*pi)));o1=(C1O1C2+v)*180/pi-C11O1O2+wo1；A11P1=sqrt(b1^2+(g1+r1.*sin((oo1+o1)/180*pi)).^2);A11B1=sqrt(m1^2-(h1-r1.*cos((oo1+o1)/180*pi)).^2);P11P1A11=acos(b1./A11P1)；B11P1A11=acos((A11P1.^2+l1^2-A11B1.^2)./(2*l1.*A11P1));B1=(P11P1A11-B11P1A11)*180/pi-Bo1;②functionfun=vv(B,B20,B2max)fun=1.5*(B>=B20&B<10)+1*(B>=10&B<15)+0.5*(B>=15&B<=B2max);③functiona=tixing(K1,m,r,B)d=sqrt(K1^2+m^2-2*K1*m.*cos((r-B)/180*pi));H=K1-2*m*cos(r/180*pi);s1=(m^2+d.^2-H^2)./(2*m.*d);s2=(K1^2+d.^2-m^2)./(2*K1.*d);a=(acos(s1)+acos(s2))*180/pi-r；④functionE=wucha(n,B1,B2,a1,a2,Lp1,Lp2,K1,K2,B20,B2max)E1=tan(B1/180*pi)./tan(B2/180*pi)-Lp1/Lp2;E2=tan(a1/180*pi)./tan(a2/180*pi)-Lp1/Lp2;E3=cot(a1/180*pi)-cot(B1/180*pi)-K1/Lp1;E4=cot(a2/180*pi)-cot(B2/180*pi)-K2/Lp2;E11=E1.^2+E2.^2+E3.^2+E4.^2;aa=vv([1：1：n-1]*(B2max-B20)/n+B20,B20,B2max);E=(B2max-B20)/n*(1/2*1.5.*E11+E11.*sum(aa)+1/2*0.5.*E11);四個(gè)M文件依次實(shí)現(xiàn)由二軸內(nèi)輪轉(zhuǎn)角計(jì)算一軸內(nèi)輪轉(zhuǎn)角，由內(nèi)輪轉(zhuǎn)角計(jì)算相應(yīng)外輪轉(zhuǎn)角，權(quán)函數(shù)的計(jì)算，目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算的功能。編寫Matlab調(diào)用程序根據(jù)上小節(jié)編寫的四個(gè)函數(shù)及其相應(yīng)功能，根據(jù)實(shí)際研究車型的參數(shù)，編寫相應(yīng)程序調(diào)用四個(gè)函數(shù)，生成目標(biāo)函數(shù)圖像，編寫的調(diào)用部分程序如下：BB2=[5:0.1:50]；BB1=diyi(300,298,330,330,867.5,862,400,300,300,259,868,865,1800,0,0,0,0,0,0,400,300,1800.01,90,90,BB2)；aa1=tixing(1940+2*200*cos(77/180*pi),200,77,BB1);aa2=tixing(1723+2*200*cos(73/180*pi),200,73,BB2);EE=wucha(10000,BB1,BB2,aa1,aa2,5925,4075,1940,1723,1,65);plot(BB2,EE)holdonxlabel('二軸內(nèi)輪轉(zhuǎn)角\beta2,角度')ylabel('誤差E')%title('原車參數(shù)下隨二軸內(nèi)輪轉(zhuǎn)角\beta2誤差E的變化')gridonplot(BB2,EE,'k')通過(guò)運(yùn)行程序生成原車參數(shù)下的誤差曲線，如下圖。圖4-7原車參數(shù)下目標(biāo)函數(shù)值隨二軸內(nèi)輪轉(zhuǎn)角變化圖用Matlab進(jìn)行優(yōu)化通過(guò)用逐步逼近法不斷改變相應(yīng)函數(shù)中的參數(shù)，比較車輛參數(shù)修改前后表4-1DFL1310車型雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前后值生成的誤差曲線，并考慮到原車結(jié)構(gòu)，為避免機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)干涉，部分參數(shù)（如前后軸下垂臂長(zhǎng)度）未進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)改變參數(shù)對(duì)結(jié)果影響不大的參數(shù)（如轉(zhuǎn)向梯形梯形臂長(zhǎng)度）也未進(jìn)行優(yōu)化。最終確定優(yōu)化的參數(shù)及優(yōu)化后結(jié)果如下：表4-1DFL1310車型雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前后值設(shè)計(jì)變量（一軸上垂臂）（二軸上垂臂）（一軸轉(zhuǎn)向節(jié)臂）（二軸轉(zhuǎn)向節(jié)臂）（一軸轉(zhuǎn)向梯形底角）（二軸轉(zhuǎn)向梯形底角）實(shí)際值3002984003007773優(yōu)化值278.3302.5398.6300.776.869.2對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行仿真檢驗(yàn)通過(guò)編寫程序，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)：圖4-8車優(yōu)化前后目標(biāo)函數(shù)值隨二軸內(nèi)輪轉(zhuǎn)角變化圖圖4-9一軸內(nèi)輪轉(zhuǎn)向半徑誤差曲線圖圖4-10一軸內(nèi)輪轉(zhuǎn)向半徑相對(duì)誤差圖圖4-11一軸外輪轉(zhuǎn)向半徑誤差曲線圖圖4-12一軸外輪轉(zhuǎn)向半徑相對(duì)誤差曲線圖圖4-13二軸外輪轉(zhuǎn)向半徑誤差曲線圖圖4-14二軸外輪轉(zhuǎn)向半徑相對(duì)誤差曲線圖本章小結(jié)本章主要通過(guò)建立雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的三維數(shù)模，并編寫相應(yīng)的MATLAB程序，用MATLAB進(jìn)行仿真及優(yōu)化，取得較好的優(yōu)化結(jié)果。經(jīng)過(guò)建模自己學(xué)會(huì)了靈活運(yùn)用所學(xué)的數(shù)學(xué)知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)自己使用MATLAB更加熟練。平面二維圖紙的繪制CAD軟件簡(jiǎn)介AutoCAD(AutodeskComputerAidedDesign)是Autodesk(歐特克)公司首次于1982年開(kāi)發(fā)的自動(dòng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，用于二維繪圖、詳細(xì)繪制、設(shè)計(jì)文檔和基本三維設(shè)計(jì)，現(xiàn)已經(jīng)成為國(guó)際上廣為流行的繪圖工具。AutoCAD具有良好的用戶界面，通過(guò)交互菜單或命令行方式便可以進(jìn)行各種操作。它的多文檔設(shè)計(jì)環(huán)境，讓非計(jì)算機(jī)專業(yè)人員也能很快地學(xué)會(huì)使用。在不斷實(shí)踐的過(guò)程中更好地掌握它的各種應(yīng)用和開(kāi)發(fā)技巧，從而不斷提高工作效率。AutoCAD具有廣泛的適應(yīng)性，它可以在各種操作系統(tǒng)支持的微型計(jì)算機(jī)和工作站上運(yùn)行。AutoCAD軟件是由美國(guó)歐特克有限公司(Autodesk)出品的一款自動(dòng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，可以用于繪制二維制圖和基本三維設(shè)計(jì)，通過(guò)它無(wú)需懂得編程，即可自動(dòng)制圖，因此它在全球廣泛使用，可以用于土木建筑，裝飾裝潢，工業(yè)制圖，工程制圖，電子工業(yè)，服裝加工等多方面領(lǐng)域。繪制CAD工程圖紙首先根據(jù)第三章用CATIA建立的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)總成三維模型按照1：5比例繪制一張A0圖紙，然后為了便于充分了解結(jié)構(gòu)，又按1：3比例分別繪制了一橋總成圖，圖幅為A0。最后將第四章中進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析的圖4-3、圖4-4、圖4-5、圖4-6進(jìn)行整理，繪制成圖幅為A2的圖紙。3張圖紙分別見(jiàn)下圖：圖5-1雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)裝配圖圖5-2前橋總成裝配圖圖5-3雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型圖本章小結(jié)此次通過(guò)充分運(yùn)用第三章中三維建模軟件所建立的三位模型，較方便的導(dǎo)出二維工程制圖，后期對(duì)三維建模軟件直接導(dǎo)出的二維圖形進(jìn)行修改，使之符合工程制圖要求。通過(guò)運(yùn)用CAD繪圖，自己操作該軟件更加熟練，對(duì)工程制圖的格式要求更加熟悉。結(jié)論本文的設(shè)計(jì)要求是通過(guò)對(duì)重型車輛雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行三維建模并進(jìn)行仿真及優(yōu)化，從而可以對(duì)汽車的構(gòu)造有一個(gè)更深入的了解與認(rèn)識(shí)，更好的加深了對(duì)汽車設(shè)計(jì)基本理論的認(rèn)識(shí)，提高了自己汽車設(shè)計(jì)水平。同時(shí)，可以熟練掌握相關(guān)繪圖軟件和仿真優(yōu)化軟件，為將來(lái)從事的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，總結(jié)如下：本文根據(jù)有關(guān)參數(shù)，建立了一款載重汽車的雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維模型，更加加深了自己對(duì)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的了解。本課題的主要工作是使用CATIA為重型汽車雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建立三維實(shí)體模型，以及使用AutoCAD繪制結(jié)構(gòu)總成的裝配圖，通過(guò)畢設(shè)更加熟練的掌握了這兩種軟件的操作。（3）在此次設(shè)計(jì)過(guò)程中，自己還初次使用數(shù)學(xué)建模思想建立了雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模型，并編寫成MATLAB語(yǔ)言，最后用MATLAB對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了仿真及優(yōu)化，取得了較好的結(jié)果，自己對(duì)MATLAB的建立函數(shù)文件等基本操作也更加熟練。致謝時(shí)光荏苒，四年的本科生生涯即將迎來(lái)終點(diǎn)。在論文完成之際，過(guò)去的一段段美好時(shí)光依舊歷歷在目，令人難忘。畢業(yè)在即，心中有太多的感觸，在此謹(jǐn)向眾多耐心幫助過(guò)與溫馨陪伴過(guò)我的老師、同學(xué)、家人和朋友們道上一句真摯的感謝。指導(dǎo)老師周遐余老師在學(xué)習(xí)上從論文的選題、課題的研究到論文的撰寫方面都給予了我很大支持，用其兢兢業(yè)業(yè)的工作作風(fēng)、一絲不茍的的治學(xué)態(tài)度深深感染著我。在此，謹(jǐn)向尊敬的周遐余老師致以我最崇高的敬意和衷心的感謝！周老師淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、勤懇的鉆研精神使我受益匪淺，讓我在困難的時(shí)候撥開(kāi)云霧，看到正確的方向。周老師所給予我的這些知識(shí)，將在我今后的學(xué)習(xí)、工作、生活中產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。最后，對(duì)百忙之中審閱我的論文并給予指導(dǎo)的各位專家、老師表示誠(chéng)摯的感謝！衷心地感謝各位專家、老師們給出的寶貴意見(jiàn)，讓我意識(shí)到自己的不足和需要更加努力的方向。參考文獻(xiàn)1廖丹，重型汽車雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真研究[D]，湖南大學(xué)，20022陳娜、李丹，重卡雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)虛擬樣機(jī)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]，合肥工業(yè)大學(xué)，20103唐應(yīng)時(shí)、廖丹、李克安等，汽車雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及其最優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]，湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，03:98-1034王陽(yáng)陽(yáng)、靳曉雄、張代勝，雙前橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[J]，汽車工程，2006，06:574-5775朱林，基于ADAMS的雙前橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與程序開(kāi)發(fā)[D]，武漢科技大學(xué)