DMU在轉向橋中的應用

武正圓，鐘勇，廖振全

DMU在轉向橋中的應用

武正圓，鐘勇，廖振全

（上汽依維柯紅巖商用車有限公司技術中心，重慶 401122）

文章通過介紹汽車轉向理論轉角關系和DMU電子樣機技術在轉向橋中的應用，準確把握整體式轉向梯形機構在轉向橋中的運動規律，接合實例介紹了DMU在整體式轉向橋中的應用過程。

阿克曼轉角；轉向梯形；CATIA；DMU

前言

機動車輛大多具有方向可控制性，駕駛者可以依據行駛狀況和路面情況的變化信息，通過車輛轉向系統調整轉向輪偏轉角度，實時控制車輛完成預期轉向目的。汽車轉彎時，全部車輪若都能盡可能做無滑動的純滾動運動，可以減小轉向力，改善輪胎的磨損情況。而這一現象多取決于轉型梯形的幾何性能的優劣。

特種車輛底盤多存在小批量，多品種供貨的特點；不同品牌，不同市場，不同用途的的整車參數變化較大。在整體式轉向驅動橋設計當中，借用老平臺開發新橋型時，針對整車參數差別較大的整車設計方案，有必要對借用老平臺的轉向梯形機構論證所用轉向梯形機構是否還適用于新的整車底盤。

此時，工程師更加關注的是怎么樣使轉向梯形所決定的轉向輪內外轉角比例更符合理論轉角比例關系，相比比傳統的計算和平面作圖，DMU可以幫助工程師更直觀高效的完成設計任務。

1 阿克曼轉向幾何關系定義

車輪轉向角δ：車輪中心面與車輛坐標系x方向的夾角。車輪轉向角顯示車輪轉向的強度。由于轉向運動學和阿克曼規則，左右轉向輪的轉向角不同。

通常設計當中最大轉向角的典型值：雙向30°～43°。

阿克曼轉角δAM：前輪轉向的車輛在無側向力作用，無側向偏離情況下的前輪轉向角。也就是說，以非常慢的速度，曲線行駛時的前輪轉向角。因為左右兩個車輪轉彎半徑不同，因此他們有不同的阿克曼角（內側轉向車輪的轉向角一定大于外側）。

阿克曼比例是指實際的內外車輪轉向角之差與按照阿克曼規則計算出的理論轉向角之差的百分比：

說明：由于忽略了側偏角的存在，按照阿克曼規則設計會增大車輛的轉向半徑。1°的轉向角誤差可以減小約0.1的轉向半徑，因此我們可以允許10%的阿克曼比例。[3]

式中o——車輛轉向時外側車輪轉向角

δi——車輛轉向時內側車輪轉向角

K——主銷中心線延長到地面之間的距離

L——軸距

圖1 理想的內、外車輪轉角關系簡圖

2 轉向梯形參數初步選定的倆種方法

2.1 由函數模型構建非線性規劃的可行域法向

轉向梯形的不同的轉角范圍的使用密度并不相同，以高速行駛和非急轉彎需要的零轉角附近小轉角范圍較常使用，而大轉角范圍使用頻率較低的情況下，可以構建一個加權目標函數用來評價轉向梯形的設計優劣，式中(oi)為加權因子，δ‘i為實際內轉角，函數關系如：

期望實際因變角δ‘i能和理論期望值δi的偏差盡可能的小，即求取函數最小值。

圖2 轉向梯形可行域

m為梯形臂長；γ為梯形底角。圖2中mmin≤m≤mmax，γ≥γmin，轉向梯形傳動角β-βmin≧0，通常mmin=0.11K、 mmax=0.15K；γmin=70°。

實際因變角δ‘i為：

這個求取目標函數最小值的代數過程繁瑣不直觀。

2.2 CAD作圖法

在圖1中，點O是轉向瞬心，A、B是主銷中心線的延長線與地面的交點，過A、B做垂線交后軸與C、D，連接AB中點E和D，在ED線上任意一點F與A、B組成的兩個三角形△FAE和△FBE都滿足阿克曼轉向幾何關系。

如此，利用ED線，用CAD作圖，以AB為底邊，以B為圓心每畫出一個角∠FBE，即一個外轉角δo，交ED于F，連接FA，∠FAE即是相對應的內轉角δi。如此重復可以得到特定的K和L下的多組內外轉角參數。

3 DMU建模過程

根據整車參數以及性能要求，選定橋型平臺，確定相關參數如下：

L=4500mm、K=1847.25mm、m=274、γ=70.96°、δimax= 35°、δomax=27°

圖3 轉型梯形及內、外轉角示意

圖4 轉向橋運動模型爆炸圖

1-左輪邊總成 2-橋殼 3-轉向橫拉桿 4-右輪邊總成 5-左橫拉桿臂 6-右橫拉桿臂

圖5 轉向橋運動副的建立

國內車輛是駕駛位左置，轉向傳動拉桿使左側輪邊總成沿著主銷在橋殼的轉向節支撐座上轉動，左側輪邊總成上的橫拉桿臂通過一個球鉸與轉向橫拉桿鉸接，同樣的，右側輪邊總成上的橫拉桿臂也通過一個球鉸與轉向橫拉桿鉸接，從而左側輪邊總成的轉動會帶動右側輪邊總成完成隨動轉向。因此，建立轉向梯形約束如下：固定橋殼，在左輪邊總成和橋殼之間建立一個旋轉副約束，為了避免橫拉桿在運動過程中沿其自身軸線過度翻轉，我們在左輪邊總成左橫拉桿臂上的球銷與轉向橫拉桿之間引入一個U型結合，在右輪邊總成左橫拉桿臂上的球銷與轉向橫拉桿之間建立一個球面約束，在右輪邊總成和橋殼之間建立一個旋轉副約束。

完成四個運動副約束的建立之后，添加驅動命令，即選中左輪邊總成與橋殼之間的運動副旋轉.1，勾選驅動角度，并添加驅動下限值0°，驅動上限值35.153°。通過完成左輪邊總成相對于主銷的旋轉角度的驅動，使輪輞安裝平面和車輛行駛方向所在豎直平面夾角從1°（車輪外傾角）到35°（車輪最大內轉角）變化。并通過測量命令，測量出車輪內轉角和車輪外轉角倆個值。

通過運動模擬命令，激活傳感器，將測量到的車輪內轉角角度和車輪外轉角角度激活，并在傳感器選項命令中創建曲線，添加橫坐標為車輪外傾角，縱坐標為車輪內傾角。驅動旋轉.1變化，點擊傳感器界面的圖形命令，即可獲得我們所設計的轉向橋的內、外轉角關系曲線。

圖6 轉向梯形內外轉角曲線的建立過程

根據阿克曼轉角幾何關系，利用excel或者VB等其他軟件完成catia二次開發，幫助完成內外轉角的理論轉角計算，得到的多組對應的內、外轉角數據，并在圖8的坐標系中描繪出一條理論內外轉角關系曲線，如圖9，可以直觀的比較實際曲線和理論曲線的擬合程度，以此來判斷初選參數的優劣。

為了評價實際內、外輪轉角關系和理論轉角在特定外輪轉角范圍內的離散程度，我們引入平均內輪轉角偏差概念，定義為：

也可以利用DMU直接輸出測得的內外轉角數據的excel文件；根據式（4）的概念，計算出期望值來評判初選參數的合理性。

表1 轉向橋內外轉角與理論轉角數值取樣

即在常用轉角內，實際和理論平均偏差不超過1度。

如若不滿足偏差要求，沒有達到我們的期望值，在參數化建模的基礎上，就可以在快速改變m和γ的數值，在進行曲線的校核比對來審查轉向梯形設計是否滿足期望。

3 結論

不難看出利用函數模型構建非線性規劃的可行域的優化設計方法計算繁瑣，而CAD作圖法工作量大，這兩種設計方法效率低，且忽略了車輪外傾角的存在。通過零部件DMU模擬設計，效率高，過程較為直觀，容易理解。需要注意的是，現有的轉向梯形機構只能近似滿足阿克曼轉角關系，且只是忽略了輪胎側偏角的情況下的靜態的轉向系統設計。考慮了輪胎側偏角等其他因素時的動態的轉向系統的設計和定量的評估準則需要通過大量的試驗數據統計分析和實踐經驗的積累來獲得。

[1] 劉惟信.汽車設計叢書_驅動橋[M].北京:人民交通出版社,1987.8.

[2] (德)B.海興M.埃爾斯著孫鵬譯汽車底盤手冊:基礎知識,行駛動力學,部件,系統,機電一體化及展望[M].北京:機械工業出版社, 2012.1.

[3] 孫奇涵.董恩國.張蕾.轉向四連桿機構的參數分析及優化設計[J].遼寧工程技術大學學報,2007(02):120-122.

[4] 柳獻初.整體式轉向梯形機構幾何參數的確定[J].重型汽車,2001. (03):17-19.

[5] 呂天碩.杜磊.汽車總布置DMU校核的運用[J]工程技術,2016(11): 269.

[6] 姚凱.侯忠明.王佑君.李良.萬云進.童科.伸縮臂叉車轉向梯形機構優化模型的建立[J].機電產品開發與創新,2008,21（2）:101-110.

Application of DMU in steering axle

Wu Zhengyuan, Zhong Yong, Liao Zhenquan

( Saic-iveco Hongyan Commercial Vehicle Co., Ltd. Technical center, Chongqing 401122 )

By introducing the relationship between the theoretical turning angle of automobile steering and the application of DMU in steering axle, this paper accurately grasps the motion law of integral steering trapezoidal mechanism in steering axle, and introduces the application process of DMU in integral steering axle by connecting examples.

Ackerman corner; Steering trapezium; CATIA; DMU

U463.4

B

1671-7988(2019)18-154-03

U463.4

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1671-7988(2019)18-154-03

武正圓，本科，就職于上汽依維柯紅巖商用車有限公司技術中心，主要從事重型卡車設計制造方面的研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.051