與獨立懸架配合的循環球式轉向系統優化

刁云廣

（清華大學蘇州汽車研究院（相城））

商用車一般軸荷較大，轉向輪既要承擔很大的載荷又要完成轉向操作，所以輪胎磨損較為嚴重，當轉向系統桿系設計不合理時，輪胎磨損將加劇。另外，轉向系統桿系設計不合理，汽車經常會出現跑偏、轉向盤振蕩、轉向桿系干涉、轉向力不均勻及轉向盤左右轉角不一致等問題，對汽車操縱穩定性產生很大影響。轉向系統按照轉向器的結構一般分為2種，一種是循環球式轉向器，主要應用在商用車上；另一種是齒輪齒條式轉向器，主要應用在乘用車上。循環球式轉向系統又可細分為2種類型，一種是與非獨立懸架配合，結構相對簡單；另一種是與獨立懸架配合，結構桿系復雜，影響性能因素較多。項目車是一款中型巴士，采用雙橫臂獨立前懸架和循環球式轉向系統，優化設計難度較大。文章將利用ADAMS軟件對這種復雜的轉向系統進行優化設計。

1　轉向系統性能指標

轉向系統是用來保持或者改變汽車行駛方向的機構，在汽車轉向行駛時，保證各轉向輪之間有協調的轉角關系[1]608。不同汽車的軸距和輪距不同，對轉向桿系的硬點要求也不同，幾乎每輛車的開發都需要對轉向桿系進行優化設計。轉向系統的運動學特性是由轉向桿系的幾何關系決定的，根據轉向幾何定義轉向系統如下性能參數。

1.1　阿克曼轉向幾何

轉向系統轉角關系，如圖1所示。

圖1　汽車轉向系統轉角關系圖

當汽車轉向幾何關系滿足阿克曼轉向幾何關系時，內外輪的轉向中心點重合，落在后軸延長線位置。此時汽車的4個車輪做純滾動，輪胎沒有磨損[1]610。

1.2　理想轉角

在阿克曼轉向幾何下，內外輪轉角關系為理想的轉角關系，此時，外輪實際轉角與理想轉角相等，內外輪在轉向時做純滾動。根據圖1b可知，理想的轉角關系應該滿足：cot β-cot α=K/L。

1.3　阿克曼

汽車轉彎時內側車輪轉角與外側車輪轉角之差稱為阿克曼。

1.4　阿克曼百分比

阿克曼百分比是指實際阿克曼與理想阿克曼的比率，并且表示成百分數的形式。它反映轉向時外側車輪轉角與理想轉角的偏離程度，是表征轉向桿系性能的重要參數。

阿克曼百分比為0，是指內側車輪實際轉角與外側車輪實際轉角相等。當轉向系統滿足阿克曼幾何時，阿克曼百分比即為100%，即外輪實際轉角與理想轉角相等。

商用車在車輪20°轉角時，阿克曼百分比應控制在70%～80%，以兼顧轉向靈敏性和減少輪胎的磨損。

1.5　轉向盤左右轉角差

實際轉向過程中，轉向盤轉角輸入經過轉向器傳遞到搖臂，轉向盤轉角與搖臂轉角存在線性關系，因此為了簡化模型，通過優化搖臂轉角差來優化轉向盤左右轉角差。對于循環球轉向器，轉向盤左右轉角差應控制在60°之內。轉向盤左右轉角差=轉向器傳動比×搖臂轉角差搖臂轉角差=左轉極限搖臂轉角-右轉極限搖臂轉角

1.6　轉向系統力傳動比

轉向系統力傳動比反映轉向力矩波動情況，一般變化范圍應在0.8～1.2。在ADAMS中可以分析出搖臂軸和主銷的力矩，然后根據公式進行計算。

1.7　懸架與轉向系統干涉量

懸架與轉向系統干涉量即懸架上下跳動時的前束角變化范圍。針對于非獨立懸架配合的循環球式轉向器，需要優化直拉桿的前點或者后點；針對于獨立懸架配合使用的循環球轉向器，需要優化橫拉桿的內點和外點，屬于懸架優化部分內容，可以通過ADAMS/Car進行分析和優化。

2　ADAMS建模

2.1　搭建基礎模型

在ADAMS軟件View模塊中搭建轉向系統模型，根據硬點坐標創建轉向直拉桿、三角臂、中間橫拉桿、橫拉桿、轉向節及車輪等part，桿系之間的運動副按照實際運動關系添加，驅動添加在左主銷上。轉向系統部分參數，如表1所示。轉向系統模型，如圖2所示。

表1　轉向系統部分硬點　mm

圖2　轉向系統模型

參與計算的其他參數：主銷中心距為1 700 mm，軸距為3 935 mm，車輪最大轉角為41°，前束角為0，外傾角為0。

2.2　編輯測量項

ADAMS軟件中View模塊是基礎模塊，與Car模塊有編輯好的公式不同，View模塊中的公式需要手動編輯，工作量相對較大，但是View模塊更加靈活，可以通過手動編輯公式的方式進行一些特定的分析。根據以上介紹的轉向系統主要性能參數，通過計算公式將所要關注的性能指標編成測量項。

3　ADAMS分析

3.1　桿系運動學分析

轉向桿系運動學分析與桿系力學分析相對應，主要針對桿系的運動特性進行分析。角度驅動施加在左主銷旋轉副上，左輪即為內輪，右輪即為外輪。仿真時間為1 s，仿真步驟數為500。仿真結束后，在后處理模塊，將編輯好的測量項生成曲線。

左輪轉角、右輪轉角和理想轉角隨內輪轉角的變化曲線，如圖3所示，圖3中右輪轉角與理想轉角偏差較大。

圖3　車輪轉角曲線

阿克曼百分比曲線，如圖4所示。從圖4可以看出，車輪轉角為20°時，阿克曼百分比低于55%，轉向桿系需要優化。

圖4　阿克曼百分比曲線

搖臂轉角曲線，如圖5所示。在左轉極限和右轉極限位置，搖臂轉角相差7°，折算為轉向盤轉角則相差137°，需要優化。

圖5　搖臂轉角曲線

3.2　桿系力學分析

轉向系統力傳動比分析是在搖臂旋轉副施加轉矩，分別測量傳遞到主銷上的轉矩，按照公式計算出力傳動比。

力傳動比曲線，如圖6所示。從圖6可以看出，轉向桿系的力傳動比在0.9～1.1，滿足要求，不需要優化。

圖6　轉向系統力傳動比曲線

4　轉向系統優化

4.1　轉向系統模型參數化

轉向系統優化之前需要將模型參數化。

1）運動副參數化。模型中直拉桿前點和橫拉桿內點處的運動副為等速副，在優化的過程中，當硬點位置變化時，這種運動副就不再正確，所以需要對等速副進行參數化。

2）硬點參數化。將需要進行優化的硬點坐標通過“原值+變量”的形式表達出來，在進行優化的時候只需優化“變量”即可。模型中橫拉桿內點和直拉桿后點等需要進行參數化。

3）搖臂參數化。在進行轉向盤轉角對稱性優化時，主要優化搖臂初始布置角度，即搖臂與yz平面的夾角，同時要保證搖臂的長度不變，所以要把搖臂的長度和布置角度參數化。

4.2　優化阿克曼百分比

通過對桿系的分析，橫拉桿內點的x坐標和橫拉桿外點的y坐標對阿克曼百分比影響較大，但是橫拉桿外點的y坐標往往受到轉向節的限制無法調整，優化時主要考慮優化橫拉桿內點x方向，以此作為變量，將阿克曼百分比作為優化目標[2-3]。

優化前后阿克曼百分比，如圖7所示。優化后，阿克曼百分比為75%左右，滿足要求。此時，橫拉桿內點的x方向坐標增加20 mm。

圖7　優化前后阿克曼百分比曲線

4.3　優化搖臂前后轉角差

在進行循環球式轉向系統靈敏度分析和優化時，一般將搖臂長度固定，通過調整搖臂角度來使轉向盤左右轉角對稱。在調整搖臂角度時不會對轉向系統的阿克曼百分比造成影響，搖臂轉角差“設計研究”界面，如圖8所示。

圖8　搖臂轉角差“設計研究”界面

優化后搖臂轉角曲線，如圖9所示，在左轉極限和右轉極限位置，搖臂轉角差為0.05°，轉向盤左右轉角差為1°，滿足要求。優化后搖臂初始位置與yz平面的夾角由原來的10°變為現在的0.85°（搖臂向前擺動角度為正）。

圖9　優化后的搖臂轉角曲線

4.4　轉向系統優化結果確認

各項性能優化過程中，硬點坐標均有所變動，可能對優化好的性能造成一定的影響，因此所有性能優化完成后，需查看全部性能曲線，確認全部性能曲線全部滿足要求。

5　結論

在某中巴車轉向系統開發過程中，基于與獨立懸架配合的循環球轉向系統的復雜性，使用ADAMS/View模塊對轉向系統進行分析，并對阿克曼百分比和轉向盤轉角對稱性進行靈敏度分析及優化設計，得出：

1）轉向橫拉桿的外點y坐標和內點x坐標對于阿克曼百分比影響較大，由于橫拉桿外點y坐標受到車輪等限制，因此優先選擇優化橫拉桿內點x坐標；

2）轉向盤左右轉角對稱性主要受搖臂初始擺角影響較大，優化時主要優化搖臂初始擺角；

3）目前對于獨立懸架與齒輪齒條轉向系統配合及非獨立懸架與循環球轉向系統配合的轉向性能分析研究較多，對于獨立懸架與循環球轉向系統配合的情況研究較少，文章經過實際驗證，在ADAMS軟件View模塊下對轉向系統進行分析和優化，提升了這種復雜轉向系統的性能，且提高了設計效率；

4）轉向系統模型中阿克曼百分比的測量并未考慮轉向時輪距和軸距的變化，與汽車實際轉彎情況稍有差異，后續研究可以在此方面進一步提升。