32t卡车梯形转向机构运动学仿真及设计

1、32t卡车梯形转向机构运动学仿真及设计摘 要 本文以32t卡车转向连杆机构为研究对象，利用机械优化设计的结果，在MSC.ADAMS环境下建立其虚拟样机，通过考察不可控干扰因素对机构铰接点位置的影响，从稳健设计的角度验证并优化整个转向机构。目 录第一章 转向机构模型与设计参数31.1 转向机构方案选择31.2 汽车转向机构优化设计3第二章 转向机构建模52.1 设置工作栅格52.2 创建设计点52.3 创建转向机构62.4 创建旋转副72.5 创建球副82.6 创建固定副92.7 添加驱动10第三章 测量外侧车轮转角偏差12第四章 模型参数化及误差分析144.1 将设计点参数化144.2 创建各

2、变量变化后的目标函数曲线154.3 保存模型17第五章 转向机构模型优化设计17第一章 转向机构模型与设计参数1.1 转向机构方案选择 通过对32t卡车考察和研究，选择采用多杆式转向连杆机构，如图1所示。 图1 转向杆系模型1.2 汽车转向机构优化设计图2 转向机构数学模型转向机构数学模型见图2。模型建立时采用ISO坐标制，即以前轮轮心连线与汽车纵向对称面的交点为坐标原点，图中A，B，C，D，E和F处都为球副，和为铰接点，转向机构呈对称分布，由于转向轮定位参数的存在，转向杆系的运动实质为一空间机构运动，依据多刚体系统运动学的相关理论，建立转向连杆机构的空间运动模型，将各转向杆的长度以及相互的夹

3、角作为设计变量，以内外轮转角关系的特性曲线与理论。Ackerman转向曲线的偏差最小作为目标函数，利用序列二次规划法求取转向机构的优化设计参数。设分别为内、外转向车轮的转角，K为两主销中心线延长线到地面交点之间的距离；L为汽车轴距。若要保证全部车轮绕一个瞬时转向中心行驶，如图3所示，则梯形机构应保证内、外转向车轮的转角关系为。 若自变角为，则因变角的期望值为:。第2章 转向机构建模2.1 设置工作栅格2.2 创建设计点点击ADAMS/View中零件库的点（Point）,选择“Add to Ground”和“Dont Attach”，在工作窗口中创建14个设计点，它们的名称和位置见图3。图3 设

4、计点的位置点击“确定”，完成如下：2.3 创建转向机构（1）点击ADAMS/View中“物体”-“实体”的连杆（Link），选择“New Part”,定义连杆的宽度为4cm,选择设计点“Point_1”和“Point_3”,创建右转向节臂，并重命名为“.veer.Rzhuanxiangjiebi”。（2）点击ADAMS/View中“物体”-“实体”的连杆（Link），选择“New Part”,定义连杆的宽度为4cm,选择设计点“Point_3”和“Point_7”,创建右转向直拉杆，并重命名为“.veer.Rzhuanxiangzhilagan”。（3）点击ADAMS/View中“物体”-“实

5、体”的连杆（Link），选择“New Part”,定义连杆的宽度为4cm,选择设计点“Point_2”和“Point_4”,创建左转向节臂，并重命名为“.veer.Lzhuanxiangjiebi”。（4）点击ADAMS/View中“物体”-“实体”的连杆（Link），选择“New Part”,定义连杆的宽度为4cm,选择设计点“Point_4”和“Point_8”,创建左转向直拉杆，并重命名为“.veer.Lzhuanxiangzhilagan”。（5）点击ADAMS/View中“物体”-“实体”的连杆（Link），选择“New Part”,定义连杆的宽度为4cm,选择设计点“Point_9

6、”和“Point_10”,创建转向横拉杆，并重命名为“.veer.zhuanxianghenglagan”。（6）点击ADAMS/View中“物体”-“实体”的平板（Plate），选择“New Part”,选择设计点“Point_7”、 “Point_11”、“Point_5”和“Point_9”创建右转向摇臂,并重命名为“.veer.Rzhuanxiangyaobi”。（7）点击ADAMS/View中“物体”-“实体”的平板（Plate），选择“New Part”,选择设计点“Point_8”、 “Point_12”、“Point_6”和“Point_10”,创建左转向摇臂，并重命名为“.v

7、eer.Lzhuanxiangyaobi”。（8）点击ADAMS/View中“物体”-“实体”的圆柱（Cylinder），选择“New Part”,定义圆柱体的的径向厚度为40cm,半径为50cm，选择设计点“Point_3”和“Point_4”,创建右侧车轮，重命名为“.veer.Rchelun”。用同样的方法创建左侧车轮，并重新命名为“.veer.Lchelun”。（9）点击ADAMS/View中“物体”-“实体”的圆柱（Cylinder），选择“New Part”,定义圆柱的半径为3cm，选择设计点“Point_13”和“Point_11”,创建右油缸，并重命名为“.veer.youga

8、ng1”。（10）点击ADAMS/View中“物体”-“实体”的圆柱（Cylinder），选择“New Part”,定义圆柱的半径为3cm，选择设计点“Point_14”和“Point_12”,创建左油缸，并重命名为“.veer.yougang2”。（油缸模型可不建）。 图4为转向机构的模型： 图4 转向机构的模型2.4 创建旋转副 点击ADAMS/View中连接中的的旋转副（Revolute Joint）,设置旋转副的选项改为图5所示。然后选择右转向节臂和车身（Ground）为参考物体，选择设计点“Point_1”为旋转副的位置点，创建旋转副，并重命名为“.veer.Rjiebi_gro”如

9、图6所示。 图5 图 6用同样的方法，选择左转向节臂和车身（Ground）为参考物体，选择设计点“Point_2”为旋转副的位置点，创建旋转副，并重命名为“.veer.Ljiebi_gro”。选择右侧转向摇臂和车身（Ground）为参考物体，选择设计点“Point_5”为旋转副的位置点，创建旋转副，并重命名为“.veer.Ryaobi_gro”。选择左侧转向摇臂和车身（Ground）为参考物体，选择设计点“Point_6”为旋转副的位置点，创建旋转副，并重命名为“.veer.Lyaobi_gro”。2.5 创建球副点击ADAMS/View中运动副的球副（Spherical Joint）,设置旋

10、转副的选项为“2 Bod-1 Loc”和“Normal To Grid”,如图7所示。然后选择右转向节臂和右侧直拉杆为参考物体，选择设计点“Point_3”为球副的位置点，创建球副，并重命名为“.veer.Rjiebi_lagan”如图8所示。 图7 设置球副选项 图8 创建球副同样的方法，选择左转向节臂和左侧直拉杆为参考物体，选择设计点“Point_4”为球副的位置点，创建球副，并重命名为“.veer.Ljiebi_lagan”。选择右侧转向摇臂和右侧直拉杆为参考物体，选择设计点“Point_7”为球副的位置点，创建球副，并重命名为“.veer.Rzhilagan_yaobi”。选择左侧转向

11、摇臂和左侧直拉杆为参考物体，选择设计点“Point_8”为球副的位置点，创建球副，并重命名为“.veer.Lzhilagan_yaobi”。 选择右侧转向摇臂和转向横拉杆为参考物体，选择设计点“Point_9”为球副的位置点，创建球副，并重命名为“.veer.Rhenglag_yaobi”。 选择左侧转向摇臂和转向横拉杆为参考物体，选择设计点“Point_10”为球副的位置点，创建球副，并重命名为“.veer.Lhenglag_yaobi”。2.6 创建固定副 点击ADAMS/View中运动副的固定副（Fixed Joint）,设置固定副的选项为“2 Bod-1 Loc”和“Normal To

12、 Grid”,如图9所示，然后选择右转向节臂和车轮为参考物体，选择设计点“Point_1”为固定副的位置点，创建固定副，并重命名为“.veer.Rjiebi_chelun”如图10所示。 图9 设置固定副选项 图10 创建固定副同样的方法，选择左转向节臂和左侧车轮为参考物体，选择设计点“Point_2”为固定副的位置点，创建固定副，并重命名为“.veer.Ljiebi_chelun”。2.7 添加驱动点击ADAMS/View中驱动中的运动副驱动-旋转驱动（Rotational Joint Motion）,设置旋转驱动的选项为“40”，如下图11。选择设计点“Point_2”为旋转驱动的位置点，

13、创建旋转驱动，如图12所示： 图11 设置转动驱动选项 图12 创建转动驱动模型、约束和驱动都加上之后的状况如图13所示 图13 转向机构模型约束设置 在ADAMS/View的主工具箱中，选择仿真运行交互仿真，设置终止时间为0.5，工作步为100。然后点击开始按钮，进行仿真。观察转向机构模型的运动仿真情况，如下图14所示。图14 转向机构模型仿真效果第三章 测量外侧车轮转角偏差在ADAMS/View菜单栏中，选择设计探索测量中的，创建内轮转角的测量函数。选择“高级”，在测量名称中输入:“.zhuanxiangjigou.wai_ANGLE_1”，选取“开始中间最后”标记点依次为：“MARKER

14、_6”、“MARKER_5”、“MARKER_1”。同样的方法，创建外轮转角的测量函数，测量名称中输入:“.zhuanxiangjigou.nei_ANGLE_1”，标记点依次为：“MARKER_5”、“MARKER_1”、“MARKER_2”。进行一次仿真，设置终止时间为0.8，工作步数为100。测得内外轮转角变化如图15：图15 内外轮转角变化在ADAMS/View菜单栏中，选择设计探索测量中的 ,创建新的测量函数。外轮转角理论值为：（轴距L=3650mm，转向轮主销距离K=2376mm）在函数编辑器对话窗中的测量名称（Measure Name）栏输入：.zhuanxiangjigou.w

15、ailunzhuanjiaopiancha,一般属性（General Attributes）的单位（Units）栏中选择“angle”,借助于函数编辑器提供的基本函数，编辑外轮转角偏差的函数表达式：abs(ATAN(TAN(abs(.zhuanxiangjigou.nei_ANGLE_1)*PI/180)*3650/(3650+2376*TAN(abs(.zhuanxiangjigou.nei_ANGLE_1)*PI/180 )-abs(.zhuanxiangjigou.wai_ANGLE_1*pi/180)。式中nei_ANGLE_1是zhuanxiangjigou中的内轮转角，wai_AN

16、GLE_1是zhuanxiangjigou中的外轮转角。输入的函数表达式如图16所示，按“OK”，创建外轮转角偏差的测量函数。图16 外轮转角偏差函数编辑进行一次仿真，设置终止时间为0.8，工作步数为100。测得外轮转角偏差的变化曲线，如图17所示。图17 外轮转角偏差的变化曲线第四章 模型参数化及误差分析4.1 将设计点参数化 将光标放置在设计点“Point_1”处，按鼠标右键，选择“Modify”，系统弹出列表编辑器，选择设计点“Point_3”的X坐标，在列表编辑器顶部的输入窗中，按鼠标右键，选择Parameterize Create Design Variable Real，将设计点“

17、Point_3”的X坐标设为变量DV_5。各变量设置如图18所示。图18 点坐标编辑器X(Point_3)= -X(Point_4) =DV_5 X(Point_5)=-X(Point_6)=DV_6Y(Point_5)=Y(Point_6)=Y(Point_7)=Y(Point_8)=DV_7 X(Point_7)=-X(Point_8)=DV_8X(Point_9)=-X(Point_10)=DV_9 Y(Point_9)=Y(Point_10)=DV_10通过以上步骤，对受设计点参数化影响的转向横拉杆、转向梯形臂、转向节臂的长度和油缸的大小进行了参数化。4.2 创建各变量变化后的目标函数

18、曲线以初定的外轮转角偏差变化曲线基础，在Table Editor中将DV_1改为“811+100”和“811-100”（811为DV_1的初定值），并分别在原变化曲线图表内画出上述情况下的目标曲线。六个变量参数进行同上操作，如下所示，（第一条曲线为变量DV初始值，,第二条曲线为变量DV初始值+100，第三条曲线为变量DV初始值-100。）和对外侧车轮转向误差的影响和对外侧车轮转向误差的影响 、和对外侧车轮转向误差的影响 和对外侧车轮转向误差的影响 和对外侧车轮转向误差的影响 和对外侧车轮转向误差的影响4.3 保存模型在ADAMS/View的“File”菜单中，选择“Save Datebase”

19、命令，保存转向机构模型。通过上述对六个变量的误差分析，得知DV_3、DV_4、DV_5、DV_6四个变量对目标函数的影响较大。第五章 转向机构模型优化设计为了使目标函数转向误差尽可能小，我们使用ADAMS/Insight工具。在使用insight进行优化前，需要建立优化目标。优化目标有两种：测量目标对象，本次优化选择目标对象。打开“仿真目标函数新建”测量选取之前的转向误差测量函数。 在ADAMS/View菜单栏中，选择Simulation ADAMS/Insight Export ,创建新的优化试验。在ADAMS/Insight Export的试验名称栏（Experiment）中输入“zhua

20、nxiangjigou_youhua”,按“OK”，创建转向机构试验平台，如图19所示。图19 ADAMS/Insight选取优化变量：在左侧列表中选择 zhuanxiangjigou_youhua Factors Candidates zhuanxiangjigou DV_5 ,在DV_5变量属性设置里的Tolerance中输入5，选项Monte Carlo Distribution中选择“Normal”，按“Apply”，完成对DV_5的属性设置。其余变量进行相同操作，然后选中六个变量，点击ADAMS/Insight工具栏中的（Promote to inclusion），将六个变量上移至inclusions中。选取优化目标：在左侧列表中选择zhuanxiangjigou_youhu Responses Candidates zhuanxiangjigou OBJECTIVE_1 , 点击ADAMS/Insight工具栏中的（Promote to inc