车辆工程本科毕业设计论文：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）PAGEII---PAGEIV-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

ThedoublefrontaxleofDongfengtrucksteeringSystemoptimizationdesignAbstractAutodoublefrontaxlesteeringknucklesteeringwheeltogenerateabnormalwearisamorecommonphenomenon,thispapertoacertaintypeofdoublefrontaxlesteeringtrucktechnologyparametersastheresearchobject,totheoptimizationofthestructureparametersofthesystem,toreducetyrewear.Accordingtothevehiclechassismodificationmanualparameterstoestablishthree-dimensionalmodelwithCATIA,soastodeepentheirunderstandingofthevehiclesteeringsystemastheanalysisandmodelingofsubsequentmathematicalbasis；thenthroughthedoublefrontaxlesystemusingmathematicalknowledgefromtheoverallconsiderationofthesteeringmechanism,establishthedoublefrontaxlesteeringsystemparametricmathematicalmodel；thenusethemathematicalmodelwithMATLABsoftwareprogrammingandtheoptimizationobjectivefunctiontoestablishtheoveralloperation,finallygottheoptimizedparametersofdualfrontaxlesteeringsystempartsofthestructure,andthenthroughthepreparationprocessoftheoptimizedoneaxisandtwoaxiswheelsteeringradiuswerecomparedwiththetheoreticalvalueanalysis,obtainssuccess；finally,basedonthe3DCATIAmodelestablishedbyCADtodrawthe2Dengineeringdrawings.KeyWords：Doublefrontaxlesteeringsystem,CATIAmodeling,Ackermanprinciple,MATLABsimulationandoptimization目录10736摘要 I13940Abstract II13556第1章绪论 179991.1本课题研究目的和意义 1310161.2国内外研究现状概述 26411.3本课题研究内容及技术方案 3155941.4本设计的特色 430524第2章双前桥转向系统理论 512342.1双前桥转向系统理论 5314572.1.1转向系统设计的基本要求 5324962.1.2双前桥转向系统结构 6143332.1.3两轴汽车转向时理想的内、外前轮转角关系 754692.1.4双前轴转向汽车转向时的理想的同侧车轮转角关系 869342.2本章小结 1018955第3章双前桥转向系统CATIA运动模型 11286063.1CATIA软件介绍 11200053.2建立双前桥转向系统零部件三维模型 12201913.2.1建立一桥横梁三维数模 1265443.2.2建立一桥左、右转向节三维数模 12124963.2.3建立一桥转向节臂三维数模 14110773.2.4建立一桥左右转向梯形臂三维数模 14186173.2.5建立拉杆球头总成三维数模 1585993.2.6建立拉杆卡箍三维数模 15154233.2.7建立拉杆体三维数模 1645243.2.8建立转向器三维数模 1686123.2.9建立部分车架三维数模 17163073.3建立双前桥转向系统三维装配模型 1795883.4本章小结 199770第4章双前桥转向系统的优化 20255454.1MATLAB软件介绍 20109004.2基于MATLAB的双前桥转向汽车转向机构运动模型 20231514.2.1双前桥转向理论 20298544.2.2双前桥转向系统数学模型的建立 22177944.2.3第一轴转向垂臂机构数学模型 22241774.2.4第二轴转向垂臂机构数学模型 24294424.2.5摇臂机构总模型 24206424.2.6梯形机构模型 25311024.2.7建立优化目标函数 26160354.3用Matlab进行仿真 26248864.3.1编写Matlab仿真程序 26204594.3.2编写Matlab调用程序 28151504.3.3用Matlab进行优化 28253894.3.4对优化结果进行仿真检验 29158844.4本章小结 3217481第5章平面二维图纸的绘制 33324405.1CAD软件简介 33294155.2绘制CAD工程图纸 33192175.3本章小结 341761结论 357989致谢 3626844参考文献 37哈尔滨工业大学本科毕业论文（设计）-PAGE39-第1章绪论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。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8×4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6×4车型基本相同的情况下，其比6×4车型减少一根驱动桥，虽然其比6×2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6×4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。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。双前桥转向系统理论双前桥转向系统理论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：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。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。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。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150～200N，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。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。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运动干涉所引起的车轮前束角变化尽可能的小。汽车转向行驶、车身发生侧倾时，由上述两种机构运动干涉所引起的侧倾转向角尽可能小或有利于不足转向。由悬架中橡胶元件的受力变形所引起的车轮前、后移动要尽可能不引起前束角的变化。由于地面对转向轮的冲击而传到转向盘上的反冲应当尽可能小，从而便减轻驾驶员的疲劳。这个性能要求对于在比较粗糙的路面上行驶的汽车意义比较大。汽车在直线行驶时，转向系统中的间隙应尽可能的小。为了在使用时能够减小这种间隙变化，在转向器和转向传动机构球头处，应有消除因磨损而产生间隙的调整结构。在发生车祸时，当转向盘和转向轴由于车架或车身产生变形而发生后移时，转向系统应有能使驾驶员免遭或减轻伤害的防伤装置。双前桥转向系统结构车辆在驾驶过程中，驾驶人员需要根据对路面的判断及个人的主观意愿，改变车辆的行驶方向，称为汽车转向。对于一般的轮式汽车说，通过使用一套专用的转向机构，使转向轮相对于车身纵轴线发生偏转，或者使受干扰后发生偏转的车辆回到直线行驶状态，这就实现了车辆的转向。其中使得车轮偏转的这套转向结构称为转向系。不管是何种汽车，转向系的主要功能都是为了保持或者是改变车辆的前进方向，并且在车辆行驶过程中，保证各转向轮之间的协调运动关系。双前桥转向载货汽车的转向系统主要包括了转向操作机构、动力转向器、转向传动机构。其具体结构如图2-1所示。图2-1图2-1双前桥转向系统示意图转向操纵机构指的是转向系中，转向器以上的转向系部件。具体主要包含了方向盘、转向管柱、转向传动轴、上下万向节等。它的主要功能是，将驾驶员的转向意图传递到动力转向器，从而实现车轮的偏转。动力转向器本身就是一套减速传动装置。目前在汽车上广泛使用的有齿轮齿条式动力转向器及循环球齿条齿扇式，其中齿轮齿条式动力转向器主要用于乘用车领域，此处不在详述。而商用车领域主要采用的是循环球齿条齿扇式动力转向器，它有2级减速传动副，它将驾驶人员的对转向器输入轴的旋转运动转化为转向器摇臂的旋转运动，输入输出都是角度，故它的传动比为角转动比，即方向盘的转角增量与转向器摇臂的转角增量之比。另外：在双前桥转向载货汽车第二前桥处上还采用了转向助力缸，它只具备动力转向器的一种功能就是转向助力。转向传动机构作为转向系的执行机构，它的主要功能是将转向器的输出传递到转向节，使得各个转向轮按照一定的关系偏转，保证车辆转向时车轮与地面尽可能的相对滚动，减少相对滑动。转向传动机构又可以分成三个相对独立的部分：一是第一前桥的梯形机构；二是第一前桥与第二前桥之间联动的转向摇臂机构；三是第二前桥的梯形机构。其中第二部分也就是转向摇臂结构部分对双前桥的运动协调性至关重要，是双前桥转向设计的重中之重。两轴汽车转向时理想的内、外前轮转角关系图2-2示出一辆正在转向行驶的两轴汽车（俯视图）。其中L是轴距，B是左右主销中心线的延长线与地面交点之间的距离。这辆汽车正在向左行驶，假定汽车转向时速度很慢，其侧向加速度很小，车轮的侧偏角可以忽略。在转向过程中，为了使各个车轮都处于纯滚动状态而无滑动发生，则要求全部车轮都绕一个瞬时转向中心做圆周运动。对于两个后轮来说，他们的运动方向应该与他们到转向中心的连线垂直，即转向中心在后轴轴线的延长线上。同样，内前轮的运动方向也与它到转向中心的连线垂直，这样就可以确定上述三个车轮的转向中心。如果外前轮的滚动轴线的延长线也与该中心相交，则各个车轮都绕同一个瞬时转向中心做圆周运动，各个车轮处于纯滚动状态。这时有如下关系：图2-2图2-2两轴汽车转向示意图（2-1）式中：α——内前轮转角；β——外前轮转角；B——两侧主销轴线的延长线与地面相交点之间的距离；L——汽车轴距。式2-1称为理想的内、外前轮转角关系，也称为艾克曼（Ackerman）转向几何关系。汽车转向时若能满足上述条件，则车轮做纯滚动运动。但是，这是有条件的，即在轮胎侧偏角可以忽略的情况下。现有汽车的转向梯形机构不能在整个转向范围内使上述条件得到满足。双前轴转向汽车转向时的理想的同侧车轮转角关系对于双前轴转向汽车而言，转向时除了一桥、二桥各自的内外轮转角要满足艾克曼（Ackerman）转向几何关系，同时一桥与二桥的之间的转向轮还应满足一定的运动协调关系。这样才能尽可能的减小转向时路面附加阻力，从而降低轮胎的磨损，提高轮胎寿命。图2-3示出的是一辆正在转向行驶的双前轴转向汽车（俯视图）。这辆汽车正在向左行驶，假定汽车转向时速度很慢，其侧向加速度很小，车轮的侧偏角可以忽略。在转向过程中，为了使各个车轮都处于纯滚动状态而无滑动发生，则要求全部车轮都绕一个瞬时转向中心做圆周运动。对于两个后轮来说，他们的运动方向应该与他们到转向中心的连线垂直，即转向中心在后轴轴线的延长线上。同样，一桥内前轮的运动方向也与它到转向中心的联线垂直，这样就可以确定上述三个车轮的转向中心。如果一桥外前轮、二桥内前轮、二桥外前轮的滚动轴线的延长线也与该中心相交，则各个车轮都绕同一个瞬时转向中心做圆周运动，各个车轮处于纯滚动状态。这时有如下关系：图2-3图2-3双前轴转向汽车转向示意图式中：、——第一、二桥的内前轮转角；、——第一、二桥的外前轮转角；——第一桥至第三桥的距离；——第二桥至第三桥的距离；B——两侧主销延长线与地面的交点之间的距离。为了满足上述关系，一、二桥车轮之间有一套转向摇臂机构，但是目前这套机构只能近似的满足上述关系。工程设计时尽量减少二桥车轮转角实际值与理想值之差，从而减少车轮的磨损。本章小结本章对重型汽车双前桥转向系统进行了分析，提出了转向系统的基本要求，对双前桥转向系统结构进行了简单的描述，对转向系统理论进行了阐述，提出了双前桥转向汽车与双轴汽车转向的原理及理想转弯几何学关系的异同，引导出本次设计研究的重点：双前桥转向汽车转向摇臂及转向梯形机构。双前桥转向系统CATIA运动模型CATIA软件介绍自1975年起法国Dassault公司持续开发了一套集3DCAD/CAM/CAE一体化的软件：CATIA（Computer-graphicsAidedThree-dimensionalInteractiveApplication）。它的内容涉及了产品设计到生产加工成成品的全过程，从最先概念设计到后期的工程制图，从基础了三维建模到复杂的动态模拟与仿真。它有大量的专业模块，比如电缆和管道布线模块、曲面设计模块、模具设计与分析模块、电子样机模块等，极大了方便了工程设计人员，提高了设计效率。CATIA还能根据用户需要自由定制模板，制定规则，提高企业内部不同部门的协同设计能力，提高企业的设计流程实现端对端的解决方案。CATIA目前大量用于航天科技、机械、家电、汽车及摩托车制造行业、与NC加工等方面。CATIA凭借其强大的功能，成为了三维CAD/CAM领域的一面旗帜和争相遵从的标准，在我国，目前有超过半数的汽车企业只使用CATIA作为公司三维设计工具，在航空航天领域CATIA也一直处于统治地位。法国的幻影2000系列战斗机、波音777客机就是使用CATIA完成了无纸质图纸的设计，成为CATIA设计运用的典范，也成为了CAD领域内的一个传奇。另外还有一些全球知名的企业，如米其林轮胎、3M公司、ABB公司制造的火车、伊莱克斯电冰箱和通用动力公司建造的核潜艇都采用了CATIA软件作为开发手段。更有甚者索尼公司利用CATIA软件完成了一千多万个零件的制造。在国内，差不多全部的航工企业都在使用CATIA，哈尔滨飞机制造公司的EC120直升机就是才用CATIA来设计的，运用CATIA软件的造型和数控编程等功能，实现超精加工。CATIA电子样机（DMU，DigitalMock-UP）是在CATIA软件虚拟环境下，运用计算机模拟技术，得到产品真实化的装配、运动等。该技术大大降低了开发风险及成本，减少了物理样机的数量，加速了产品的开发进程，在市场竞争日趋激烈的背景下，为企业快速的提出新品，增强竞争力，提供了有力保证。同时，该模块提供的虚拟装配、干涉检查也减少了实物装配时问题发生的几率，已经逐步成为开发设计环节中必不可少的步骤。建立双前桥转向系统零部件三维模型此次设计先根据该系列车型底盘改装手册中各关键部件二维图纸及相应实物图建立了相应三维数模，最后搭建出整个转向系统的三维运动模型，具体过程如下：建立一桥横梁三维数模根据改装手册中有关参数及前桥总成实物图（图3-1）建立一桥横梁三维数模如图3-2。图3-1前桥总成实物图图3-2一桥横梁三维建模图更改部分尺寸建立出二桥横梁三维数模。建立一桥左、右转向节三维数模根据改装手册中有关参数及左右转向节总成实物图（图3-3）建立一桥左右转向节三维数模分别如图3-4、3-5。图3-3转向节总成实物图图3-4一桥左转向节三维数模图图3-5一桥右转向节三维数模图根据手册中参数，所建立的一桥左右转向节模型同样适用于二桥左右转向节。建立一桥转向节臂三维数模根据改装手册中有关参数及左右转向节总成实物图（图3-3）建立一桥转向节臂三维数模如图3-6。图3-6一桥转向节臂三维数模图更改部分参数建立二桥转向节臂。建立一桥左右转向梯形臂三维数模根据改装手册中有关参数及一桥总成实物图（图3-1）建立一桥左梯形臂三维数模如图3-7，建立一桥右梯形臂如图3-8。图3-7一桥左梯形臂三维数模图图3-8一桥右梯形臂三维数模图建立拉杆球头总成三维数模根据改装手册中有关参数及球头总成实物图（图3-9）建立拉杆球头总成三维数模如图3-10。图3-9球头总成实物图图图3-10拉杆球头总成三维数模图建立拉杆卡箍三维数模根据改装手册中有关参数及一桥总成实物图（图3-1）建立拉杆卡箍三维数模如图3-11。图3-11拉杆卡箍三维数模图建立拉杆体三维数模根据改装手册中有关参数建立拉杆体三维数模如图3-12。图3-12拉杆体三维数模图建立转向器三维数模根据改装手册中有关参数及转向器实物图（图3-13）建立转向器三维数模如图3-14。图3-13转向器实物图图3-14转向器三维数模图建立部分车架三维数模根据改装手册中有关参数建立部分车架三维数模如图3-15。图3-15部分车架三维数模图建立双前桥转向系统三维装配模型根据上节所建各关键部件三维模型，将各零部件进行装配，部分零件装配图及总装配图如下图：图3-16拉杆装配图图3-17转向桥总成装配图图3-18转向系统摇杆机构装配图图3-19双前桥转向系统总装配图图3-20双前桥转向系统总装配图本章小结本章建立目标车型双前桥转向系统的三维模型，通过对CATIA三维模型的分析，为后续在Matlab中建立双前桥转向系统运动模型做好准备。此次通过用CATIA建模，对该软件的运用更加熟练，对转向系统的结构也更加了解。双前桥转向系统的优化MATLAB软件介绍MATLAB（矩阵实验室）是MATrixLABoratory的缩写，是一款由美国TheMathWorks公司出品的商业数学软件。MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。除了矩阵运算、绘制函数/数据图像等常用功能外，MATLAB还可以用来创建用户界面及与调用其它语言（包括C，C++和FORTRAN）编写的程序。尽管MATLAB主要用于数值运算，但利用为数众多的附加工具箱（Toolbox）它也适合不同领域的应用，例如控制系统设计与分析、图像处理、信号处理与通讯、金融建模和分析等。另外还有一个配套软件包Simulink，提供了一个可视化开发环境，常用于系统模拟、动态/嵌入式系统开发等方面。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。基于MATLAB的双前桥转向汽车转向机构运动模型双前桥转向理论对于四轴双桥转向汽车，为了使所有车轮都处于纯滚动而无滑动状态，或只有极小的滑移，则要求转向轴内、外轮转角之间符合克曼原理。如图4-1所示，为了实现转向时转向车轮的纯滚动，各转向轮应该绕O点转动，内外轮转角之间应该满足（4-1）、（4-2）式：（4-1）（4-2）其中：：i轴外轮转角（i=1~2）；K：两主销中心线延长线到地面交点之间的距离；：i轴内轮转角；：i轴考虑主销后倾后的计算轴距。同时，一、二轴之间转向轮的转角关系应该满足：（4-3）图4-1双前桥四轴汽车的理想的内、外轮转角关系双前桥转向系统数学模型的建立东风天龙DFL1310（8×4）车型采用一、二轴钢板弹簧固定吊耳均处于前端的悬架布置型式，其转向机构为四连杆式（如图4-2）。为了简化分析，本文假设：所有杆件均为刚体；忽略车轮外倾、侧偏以及轮胎的影响；瞬时转向中心位于双后桥中心线上。图4-2DFL1310双前桥转向机构结构简图图4-3第一轴转向垂臂机构模型示意图第一轴转向垂臂机构数学模型一轴转向控制杆系是一个空间四连杆机构，如图4-3所示。图中，为一轴下垂臂，点坐标值为（，，），下垂臂臂长为，初始角度为。为一轴直拉杆，杆长为。为转向节臂，为转向节臂绕主销旋转的支点，其坐标值为（，，），节臂长为，初始角度为。同时，记支点和在x上的投影距离为，y轴上的投影距离为，z轴上的投影距离为。过在垂直平面V内作垂直水平面H于，连接和；又过在水平面H内作垂直于垂直平面V于。则：当垂臂转过角度时，节臂相应转过角度。（4-4）其中：，联系一、二轴之间得双摆杆机构是一个平面四边形，如图4所示。、分别是一轴和二轴的上垂臂，臂长分别为、，初始角度分别为、。为连杆，杆长为S。为推导出一轴垂臂转角和二轴垂臂转角的关系作连线和，设，并分别过、作垂线的垂直线、。则由三角关系，有：由以上四式，得：（4-5）图4-4中间四边形双垂臂机构模型示意图图4-5第二轴转向垂臂机构模型示意图第二轴转向垂臂机构数学模型二轴转向控制杆系是一个空间四连杆机构，如图4-5所示。图中，为二轴下垂臂，令其坐标值为（，，），垂臂长为，初始角度为。为一轴直拉杆，杆长为。为转向节臂，为转向节臂绕主销旋转的支点，其坐标值为（，，），节臂长为，初始角度为。同时，记支点和在x上的投影距离为，y轴上的投影距离为，z轴上的投影距离为，过在垂直平面V内作垂直水平面H于；又过在水平面H内作垂直于垂直平面V于，连接和。则：当垂臂转过角度时，节臂相应转过角度。（4-6）其中：，摇臂机构总模型根据（4-4）、（4-5）、（4-6）式将三个子模型合并，得出双摇臂机构的最终数学模型，建立与之间的对应关系式：即：（4-7）其中，梯形机构模型对前后桥的梯形机构建立通用数学模型。梯形机构可看作是一个平面四边形机构，其模型简图如图4-6所示。为梯形作用平面内的主销距。AE、BF分别为左右梯形臂，梯形臂长为m。EF为转向横拉杆，杆长为H。、为梯形底角，记为。当内侧车轮任意转过β角时，梯形机构ABFE变成，相应的外侧车轮转过α。为研究内轮转角与外轮转角的关系，连接，设为d。则：根据三角关系可以得出，，则：（4-8）当内侧转向轮输入一个角度β时，外侧转向轮相的有一个输出角度α与之对应。则：，是的函数；对于二轴，有：。其中，。图4-6梯形机构模型示意图建立优化目标函数优化设计的目的是使实际值尽量接近理想值，我们将其推广为：使实际值尽量满足理想关系式（4-1）、（4-2）、（4-3）式。建立目标函数：（4-9）其中：，，，目标函数是在各转角下，实际值与理想值之间的误差累积。其中，是权函数，由于汽车在小转角情况下使用较多，所以小转角情况下，权函数值取大一些；大转角情况下，权函数取小些。1.51.00.5用梯形法替代积分求上式的近似值，把积分区间分成n个相等的小区间，每个小区间为，于是上式可改为如下形式的目标函数：（4-10）用Matlab进行仿真编写Matlab仿真程序设根据前一节建立的数学模型，相应的编写了以下四个函数：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);四个M文件依次实现由二轴内轮转角计算一轴内轮转角，由内轮转角计算相应外轮转角，权函数的计算，目标函数的计算的功能。编写Matlab调用程序根据上小节编写的四个函数及其相应功能，根据实际研究车型的参数，编写相应程序调用四个函数，生成目标函数图像，编写的调用部分程序如下：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('二轴内轮转角\beta2,角度')ylabel('误差E')%title('原车参数下随二轴内轮转角\beta2误差E的变化')gridonplot(BB2,EE,'k')通过运行程序生成原车参数下的误差曲线，如下图。图4-7原车参数下目标函数值随二轴内轮转角变化图用Matlab进行优化通过用逐步逼近法不断改变相应函数中的参数，比较车辆参数修改前后表4-1DFL1310车型双前桥转向系统部分结构参数优化前后值生成的误差曲线，并考虑到原车结构，为避免机构运动干涉，部分参数（如前后轴下垂臂长度）未进行优化，同时改变参数对结果影响不大的参数（如转向梯形梯形臂长度）也未进行优化。最终确定优化的参数及优化后结果如下：表4-1DFL1310车型双前桥转向系统部分结构参数优化前后值设计变量（一轴上垂臂）（二轴上垂臂）（一轴转向节臂）（二轴转向节臂）（一轴转向梯形底角）（二轴转向梯形底角）实际值3002984003007773优化值278.3302.5398.6300.776.869.2对优化结果进行仿真检验通过编写程序，对优化结果进行检验：图4-8车优化前后目标函数值随二轴内轮转角变化图图4-9一轴内轮转向半径误差曲线图图4-10一轴内轮转向半径相对误差图图4-11一轴外轮转向半径误差曲线图图4-12一轴外轮转向半径相对误差曲线图图4-13二轴外轮转向半径误差曲线图图4-14二轴外轮转向半径相对误差曲线图本章小结本章主要通过建立双前桥转向系统的三维数模，并编写相应的MATLAB程序，用MATLAB进行仿真及优化，取得较好的优化结果。经过建模自己学会了灵活运用所学的数学知识去解决实际问题，同时自己使用MATLAB更加熟练。平面二维图纸的绘制CAD软件简介AutoCAD(AutodeskComputerAidedDesign)是Autodesk(欧特克)公司首次于1982年开发的自动计算机辅助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。AutoCAD具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。在不断实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。AutoCAD具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行。AutoCAD软件是由美国欧特克有限公司(Autodesk)出品的一款自动计算机辅助设计软件，可以用于绘制二维制图和基本三维设计，通过它无需懂得编程，即可自动制图，因此它在全球广泛使用，可以用于土木建筑，装饰装潢，工业制图，工程制图，电子工业，服装加工等多方面领域。绘制CAD工程图纸首先根据第三章用CATIA建立的转向机构总成三维模型按照1：5比例绘制一张A0图纸，然后为了便于充分了解结构，又按1：3比例分别绘制了一桥总成图，图幅为A0。最后将第四章中进行数学建模分析的图4-3、图4-4、图4-5、图4-6进行整理，绘制成图幅为A2的图纸。3张图纸分别见下图：图5-1双前桥转向系统装配图图5-2前桥总成装配图图5-3双前桥转向系统数学模型图本章小结此次通过充分运用第三章中三维建模软件所建立的三位模型，较方便的导出二维工程制图，后期对三维建模软件直接导出的二维图形进行修改，使之符合工程制图要求。通过运用CAD绘图，自己操作该软件更加熟练，对工程制图的格式要求更加熟悉。结论本文的设计要求是通过对重型车辆双前桥转向系统进行三维建模并进行仿真及优化，从而可以对汽车的构造有一个更深入的了解与认识，更好的加深了对汽车设计基本理论的认识，提高了自己汽车设计水平。同时，可以熟练掌握相关绘图软件和仿真优化软件，为将来从事的工作打下坚实的基础。通过此次毕业设计，总结如下：本文根据有关参数，建立了一款载重汽车的双前桥转向系统三维模型，更加加深了自己对汽车转向系统结构的了解。本课题的主要工作是使用CATIA为重型汽车双前桥转向系统建立三维实体模型，以及使用AutoCAD绘制结构总成的装配图，通过毕设更加熟练的掌握了这两种软件的操作。（3）在此次设计过程中，自己还初次使用数学建模思想建立了双前桥转向系统的模型，并编写成MATLAB语言，最后用MATLAB对转向系统进行了仿真及优化，取得了较好的结果，自己对MATLAB的建立函数文件等基本操作也更加熟练。致谢时光荏苒，四年的本科生生涯即将迎来终点。在论文完成之际，过去的一段段美好时光依旧历历在目，令人难忘。毕业在即，心中有太多的感触，在此谨向众多耐心帮助过与温馨陪伴过我的老师、同学、家人和朋友们道上一句真挚的感谢。指导老师周遐余老师在学习上从论文的选题、课题的研究到论文的撰写方面都给予了我很大支持，用其兢兢业业的工作作风、一丝不苟的的治学态度深深感染着我。在此，谨向尊敬的周遐余老师致以我最崇高的敬意和衷心的感谢！周老师渊博的知识、严谨的治学态度、勤恳的钻研精神使我受益匪浅，让我在困难的时候拨开云雾，看到正确的方向。周老师所给予我的这些知识，将在我今后的学习、工作、生活中产生深远的影响。最后，对百忙之中审阅我的论文并给予指导的各位专家、老师表示诚挚的感谢！衷心地感谢各位专家、老师们给出的宝贵意见，让我意识到自己的不足和需要更加努力的方向。参考文献1廖丹，重型汽车双前桥转向系统的优化设计及仿真研究[D]，湖南大学，20022陈娜、李丹，重卡双前桥转向系统虚拟样机仿真和优化设计[D]，合肥工业大学，20103唐应时、廖丹、李克安等，汽车双前桥转向系统的运动学模型及其最优化设计[J]，湘潭大学自然科学学报，2006，03:98-1034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，2006，06:574-5775朱林，基于ADAMS的双前桥转向机构参数优化与程序开发[D]，武汉科技大学