基于ADAMS的汽车后轮转向机构优化设计-陶盛飞-图文

收稿日期:2013－12－09基于ADAMS的汽车后轮转向机构优化设计陶盛飞黄妙华(武汉理工大学汽车工程学院,武汉430070【摘要】为了减小在车轮跳动时后轮转向机构与悬架之间的运动干涉、后轮摆振以及车轮磨损,提出了通过建立后轮转向机构的动力学虚拟模型。直接以减小转向拉杆和悬架的运动不协调偏差量为目标函数的优化设计方法,计算后轮在不同转角下的运动偏差量,得到合理的后轮转向机构布置方案,为后轮转向机构的设计提供一定参考。【Abstract】Inordertoreducethemovementinterferencebetweentherearwheelsteeringmech-anismandsuspension,swingvibration,wearandtearoftherearwheelswhentheyaremovingupanddown．Adesignmethodoftherearwheelsteeringmechanismispresentedwhichputsreducinguncoor-dinatedmotiondeviationbetweensteeringrodandsuspensionastheobjectivefunctionbyestablishingadynamicsvirtualmodeloftherearwheelsteeringmechanismtooptimizeandsimulate．Themotionde-viationoftherearwheeliscalculatedunderdifferentangleandareasonablelayoutschemeoftherearwheelsteeringmechanismisgot．Ｒeferenceisprovidedforthedesignoftherearwheelsteeringmecha-nism．【关键词】后轮转向机构汽车运动偏差优化设计doi:10.3969/j.issn．1007-4554．2014．03．060引言后轮转向系统是四轮转向商用车的核心技术之一。目前只有前轮转向机构的商用车由于体积和吨位较大,导致了低速时的机动性和高速转向时操纵稳定性较差,因此后轮转向系统显得尤为重要。转向性能的差异主要是由于转向机构的不同引起的,而转向机构的空间运动规律直接影响着转向性能。若后轮转向机构布置不合理,则会导致后轮反复摆振、轮胎异常磨损、制动干涉跑偏以及转向轻便性变差等问题。目前对转向机构的设计通常单独采用的是作图法来校核转向机构与悬架的运动干涉情况,包括空间法和平面法。但是,这些方法无法在动态情况下模拟运动过程,存在明显的不足。本文基于ADAMS软件,建立了后轮转向机构动力学虚拟模型,创新地直接以减小运动偏差量为目标函数进行优化仿真,研究了优化前后后轮在不同转角下随着后轮跳动时转向拉杆和钢板弹簧悬架的运动不协调偏差量的变化,结合实车试验,结果真实直观。1后轮转向机构的初始布置由于底盘空间的不同,后轮转向机构的布置与前轮转向机构的布置不同。首先在后桥上方的·32·上海汽车2014.03车架上设计一个横梁来固定动力转向器与转向电机,其次是确定垂臂的长度和初始摆角。垂臂的长度可根据后桥上节臂的长度来确定。通常情况下,后桥上节臂的长度与垂臂的长度之比为0．81．2。确定垂臂的初始摆角时,要保证动力转向器的分中性。最后确定转向拉杆的长度,可由垂臂的长度和后桥上节臂的位置而定。由于考虑车轮的跳动的情况以及横梁的位置,把转向拉杆设计成弯曲形状。后轮转向机构的初始布置如图1所示。图1后轮转向机构的结构图2后轮转向机构的校核一般单独采用作图法来校核转向机构与悬架的运动干涉有以下不足。(1平面作图法是将转向器垂臂和转向节臂投影到一个平面上,分析误差较大。(2空间作图法虽然建立转向机构的空间模型,但是只限于静态状态下的校核,有局限性。(3无论平面法还是空间法,优化设计时,需反复作图,精度不高,都不适合对转向机构优化设计。另外,工程师将运动偏差转化为垂臂摆角的大小,在优化时以减小车轮跳动时垂臂摆角的大小作为目标函数,此方法虽然可以在一定程度上达到优化目的,但是不能有效直观地反映运动偏差的变化。由于以上原因,结合后轮转向机构不同于传统前轮转向机构的设计方案,本文创新的运用后轮转向机构的空间模型来推导运动偏差计算公式,在ADAMS软件里直接以此作为目标函数优化设计后轮转向机构。后轮转向机构与悬架系统运动干涉分析的空间模型如图2所示。图2后轮转向机构与悬架运动干涉示意图EF、E'F'为上下跳动时,后转向桥上节臂与转向拉杆相连的球销中心点B两种运动轨迹的偏差量。3后轮转向机构虚拟样机模型汽车设计中的虚拟样机技术是以多刚体系统动力学为理论基础的。假设除了钢板弹簧以外的各部件都是刚体,即在运动过程不变形;中间轴与半轴连接成一个构件;各运动副之间的摩擦不计,部件之间间隙不计。利用机械系统动力学仿真软件ADAMS/View,按照实际整车参数的要求(见表1,为了简化计算步骤,只建立了主钢板弹簧片的柔性结构,本文采用离散BEAM梁方法,将每片弹簧离散为多段刚体,刚体之间通过无质量的铁木辛柯梁连接,模型板簧刚度为62．5kg/mm,而实际板簧刚度为62．1kg/mm。因此,模型准确度较高。最后建立了后轮转向机构的虚拟样机模型(如图3所示。表1后轮转向机构实际结构参数L1/mmL2/mme/mmr/mmα/ʎ845815262252．5J/mmβ0/ʎfd/mmfe/mm274913565·42·上海汽车2014.03图3后轮转向机构的虚拟样机图4优化仿真分析建立关键点坐标,将动力转向器位置、垂臂与转向拉杆的连接点、转向拉杆和后桥上节臂连接点以及垂臂初始角度、转向节臂初始角度参数化,根据上述推导公式,直接建立以减少后转向轮在不同的跳动位置时后转向桥上节臂与转向拉杆相连的球销中心点B两种运动轨的偏差量为目标函数,对后轮转向机构进行优化,结果会更加有效直观。目标函数为f=min(EF向上跳动时f=min(E'F'{向下跳动时式中:EF、E'F'为上下跳动时,后转向桥上节臂与转向拉杆相连的球销中心点B两种运动轨的偏差量。为了使得仿真分析结果符合真实客观性,对模型进行双侧车轮转向平行跳动仿真。仿真时,令双侧轮胎中心在车辆转向时悬架的主要跳动方向上下平行跳动范围为－65+135mm,如图4所示。图4仿真试验台架图优化后的后轮转向机构中动力转向器位置下移,垂臂初始角度为1．5ʎ,转向节臂初始角度为10．8ʎ。计算优化前后转向拉杆和悬架的运动不协调偏差量。导出计算数据,拟合曲线如图5。图5直行时优化前后运动偏差曲线图由于上述仿真是在车轮转角为0ʎ的情况下进行的,即直行状态下的仿真结果,所以还得计算车轮在不同角度工况下的运动偏差量,来验证此优化方法的合理性。根据实车测量,以右后车轮左转为例,得到以下结果,如图6、7所示。图6右后车轮左转15ʎ时优化前后运动偏差曲线图图7右后车轮左转25ʎ时优化前后运动偏差曲线图由图5可知,得到优化后后轮转向机构运动偏差量比优化前的值更小,直行时优化前最大运动偏差量为6.4mm,优化后最大运动偏差量为4.5mm;由图6可知,右后车轮左转15ʎ时优化前最大偏差量为6．6mm,优化后最大偏差量为4．6mm;由图7可知,右后车轮左转25ʎ时优化前最大偏差量为6．9mm,优化后最大偏差量为5．1mm。一些国际设计公司将运动偏差控制在5mm以内,发现当右后车轮转到极限角度时,优化·52·上海汽车2014.03后最大偏差量稍大,这是由于垂臂布置时还要把转向器位置以及垂臂前、后摆角对称性等因素考虑在内,不能只考虑运动偏差量。但是总体来说,优化后的布置方案大大减小了后轮转向机构与钢板弹簧悬架的运动干涉。通过测量转向拉杆和后桥上节臂连接点上作用力大小,可以验证优化后的后轮转向机构具有轻便性,从而表明此方法的合理性。优化前转向拉杆和垂臂接点作用力最大为30270N,优化后转向拉杆和垂臂接点作用力最大为18460N,显然优化后加强了后轮转向轻便性,如图8、9所示。图8优化前转向拉杆和垂臂接点作用力图9优化后转向拉杆和垂臂接点作用力5结语针对后轮转向机构的独特性,通过建立后轮转向机构动力学虚拟模型,创新的运用后轮转向机构的空间模型,直接建立以转向拉杆和悬架的运动不协调偏差量为目标函数,进行动力学优化仿真,得到优化的布置方案。通过研究后轮在不同转角工况下随着后轮跳动时转向拉杆和钢板弹簧悬架的运动不协调偏差量的变化以及测量转向拉杆和垂臂接点作用力来验证优化方法的合理性,结合实车试验数据,论证了此方法的正确性,为后轮转向机构的设计提供了一定的参考,同时对于减小四轮转向汽车转向轮的磨损问题,提高车辆的操纵稳定性具有重要意义。参考文献[1]符亮．汽车转向机构的特性研究[D]．重庆:重庆理工大学,2012．[2]《汽车工程手册》编辑委员会．汽车工程手册设计篇[M]．北京:人民交通出版社,2001．[3]廖丹．重型汽车双前桥转向系统的优化设计及仿真研究[D]．长沙:湖南大学,2002．[4]王阳阳,靳晓雄,张代胜．双前桥转向机构优化设计方法研究[J]．汽车工程,2006,28(6:574-