基于ADAMS二次開發(fā)的雙前橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李德光

（1.東風(fēng)柳州汽車有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545005；2.湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院工程碩士班，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

1 前言

隨著國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)的發(fā)展，以6X2、8X4等多軸車為代表的重型商用車越來越受到用戶青睞。但是，對(duì)于雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，難點(diǎn)在于需要同時(shí)滿足兩個(gè)軸車輪轉(zhuǎn)向的運(yùn)動(dòng)要求，才能降低輪胎磨損量，因此雙前橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

2 雙前橋轉(zhuǎn)向的阿克曼條件

汽車在轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，理想的各輪轉(zhuǎn)角關(guān)系應(yīng)使汽車轉(zhuǎn)向時(shí)所有的輪均作純滾動(dòng)，使所有車輪的軸線都交于瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn)，以減少輪胎胎磨損。因此，汽車的內(nèi)、外轉(zhuǎn)向輪有不同的轉(zhuǎn)角。為滿足車輪作純滾動(dòng)，必需滿足阿克曼幾何學(xué)的關(guān)系式：

第一軸內(nèi)外輪應(yīng)滿足阿克曼條件

第二軸內(nèi)外輪應(yīng)滿足阿克曼條件

同時(shí)，一軸內(nèi)輪和二軸內(nèi)輪還應(yīng)滿足

式中

L1——第一軸主銷接地點(diǎn)到后橋轉(zhuǎn)向瞬心軸（即從轉(zhuǎn)向瞬心向整車縱軸所 作的垂線）的距離，如圖所示，如果是單后橋，則是后校軸線；

L2——第二軸主銷接地點(diǎn)到后橋轉(zhuǎn)向瞬心軸（即從轉(zhuǎn)向瞬心向整車縱軸所 作的垂線）的距離；

K——主銷接地距離，即左右主銷軸線延長(zhǎng)線與地面交點(diǎn)之間的距離

圖1 理想的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角關(guān)系

現(xiàn)有的汽車轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)，對(duì)上述條件不能在整個(gè)轉(zhuǎn)向范圍內(nèi)得到滿足，只能近似地使它得到保證。實(shí)際的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線是在阿克曼幾何學(xué)和平行幾何學(xué)的理論曲線之間變化。如圖2：

圖2 內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線

3 雙前橋轉(zhuǎn)向的設(shè)計(jì)校核

3.1 傳統(tǒng)的三維運(yùn)動(dòng)校核方法

在目前的設(shè)計(jì)校核方式中，應(yīng)用比較多的方法為三維裝配校核法：應(yīng)用三維軟件，將轉(zhuǎn)向梯形、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等零件畫出并進(jìn)行裝配，測(cè)量出各輪胎在不同轉(zhuǎn)角時(shí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，畫出轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線，再與理論的阿克曼曲線進(jìn)行比較、改進(jìn)。如下圖3：

圖3 三維裝配校核方法

采用以上的方法缺點(diǎn)在于工作步驟煩瑣，每調(diào)整一個(gè)零件數(shù)都必須重新構(gòu)建模型，重新測(cè)量角度，要設(shè)計(jì)、校核一個(gè)較為理想的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)往往需要數(shù)周甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，并且不能很好的反映出不同載荷下板簧剛度對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響。

3.2 ADAMS軟件介紹

Adams是全球運(yùn)用最為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件，用戶可以利用Adams在計(jì)算機(jī)上建立和測(cè)試虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)事實(shí)再現(xiàn)仿真，了解復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)性。可以像建立物理樣機(jī)一樣建立任何機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一項(xiàng)新生的工程技術(shù)。借助于這項(xiàng)技術(shù)，工程師們可以在計(jì)算機(jī)上建立機(jī)械系統(tǒng)的模型，伴之以三維可視化處理，模擬在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性，并根據(jù)仿真結(jié)果精化和優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與過程。首先建立運(yùn)動(dòng)部件（或者從 CAD軟件中導(dǎo)入）、用約束將它們連接、通過裝配成為系統(tǒng)、利用外力或運(yùn)動(dòng)將他們驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)人員在仿真過程進(jìn)行中或者當(dāng)仿真完成后，都可以觀察主要的數(shù)據(jù)變化以及模型的運(yùn)動(dòng)，就像做實(shí)際的物理試驗(yàn)一樣。

3.3 基于ADAMS軟件平臺(tái)的二次開發(fā)及轉(zhuǎn)向優(yōu)化

為提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平，縮短轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)效率，設(shè)計(jì)人員與某高校合作，以動(dòng)力仿真分析軟件ADAMS為二次開發(fā)平臺(tái)，建立針對(duì)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化的專用軟件系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱優(yōu)化系統(tǒng)），使設(shè)計(jì)師能快速準(zhǔn)確地得到符合設(shè)計(jì)意圖的設(shè)計(jì)參數(shù)。

通過借用ADAMS的模擬與分析功能，優(yōu)化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)：1）參數(shù)化自動(dòng)建模功能；2）計(jì)算工況的自動(dòng)施加功能；3）分析數(shù)據(jù)的后處理功能；4）指定參數(shù)的優(yōu)化功能

圖4 參數(shù)輸入界面

圖5 模擬界面

以該優(yōu)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)，我們對(duì)新開發(fā)的6X2車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際優(yōu)化運(yùn)用，優(yōu)化結(jié)果如下圖7、圖8：

圖7 迭代優(yōu)化過程

圖8 曲線后處理界面

根據(jù)實(shí)際進(jìn)行轉(zhuǎn)向角度測(cè)量對(duì)比，數(shù)據(jù)如下表 1（相對(duì)第一軸內(nèi)輪的第二軸內(nèi)輪的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)為例）：

表1 相對(duì)第一軸內(nèi)輪的第二軸內(nèi)輪的轉(zhuǎn)角

可見優(yōu)化后的數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)相比誤差更小，而且實(shí)際路試結(jié)果也證明輪胎磨損得到極大改善，優(yōu)化后的雙前橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求（見下圖9、圖10輪胎磨損情況對(duì)比），證明這套優(yōu)化系統(tǒng)可以滿足工程需要。

圖9 二軸輪胎48小時(shí)試驗(yàn)?zāi)p狀態(tài)（優(yōu)化前)

圖10 二軸輪胎48小時(shí)試驗(yàn)?zāi)?損狀態(tài)（優(yōu)化后)

4 總結(jié)

隨著設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步，運(yùn)用新的設(shè)計(jì)方法可以使設(shè)計(jì)師擺脫以往煩瑣的設(shè)計(jì)過程，使設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過程中所直接面對(duì)的是其非常熟悉的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，將設(shè)計(jì)師的精力完全專注于其所開發(fā)的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)本身，最大限度地發(fā)揮設(shè)計(jì)師的專業(yè)特長(zhǎng)。

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