特種汽車多軸轉向技術的優化設計淺析

李本堂

摘要：本文介紹了特種汽車多軸轉向技術的設計和優化內容，簡要分析了轉向系統的結構、轉向傳動、轉向助力匹配和轉向零部件分析等方面，總結了平面投影法、多體動力學優化法、梯形機構設計和縱向傳動系統等優化目標，以及在應用數學模型和約束時要考慮的因素。

關鍵詞：特種汽車;多軸轉向;優化設計

中圖分類號：U463.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0001-02

0? 引言

隨著汽車行業的發展，用戶要求大型特種車輛具有更高的轉向性能。因為轉向性能直接影響汽車可控制性[1]，操縱穩定性和效率，因此對特種車輛轉向系統的設計提出了更高的要求。

根據用戶需求，大多數大型特種車輛轉向系統都設計用于多軸轉向。一般的設計方法是基于現有產品，經過并行分析后進行部分更改，這些變化不能滿足估計的運行要求，并且不能提高整車的經濟性。伴隨零部件改進結構的同時，特種汽車的批量開發和產品升級也在加速，轉向系統的設計過程將大大縮短。因此，為更深入了解特種汽車轉向系統的合理性，有必要分析其性能，并開發設計優化的轉向系統和功能。

1? 多軸轉向機構的結構和原理

對轉向系統進行優化設計的主要目的是分析轉向系統的結構和傳動機構。可通過結構調整優化函數變量，并通過對轉向桿系進行運動學分析優化傳動機構。另外，從轉向梯形機構和轉向時前后輪同步軌跡協調方面進行優化設計。

1.1 轉向系統的結構優化? 平面投影法是將轉向搖臂系統細分為多個子系統，并將搖臂伸入垂直面，而轉向節臂伸入水平面，假設搖臂在垂直面上旋轉，在水平面旋轉，然后建立多個子系統的數學模型，然后與轉向梯形系統組合形成系統的完整模型。圖1中所示的雙前橋轉向搖臂系統可以分為第一軸節壁至搖臂，搖臂至中間臂，中間臂至第二軸搖臂，第二軸搖臂至轉向節臂四個系統。這樣，可以獲得每個轉向輪的旋轉角度以及兩個梯形機構[5]，然后可以使用Ackerman轉角關系來執行優化函數。

多體動力學優化法是利用多剛體動力學知識，首先通過對轉向桿連接點坐標的參數化來確定連接點的空間布置，再進一步確定待優化桿件的空間初始角度和長度模型參數，最后建立誤差目標函數，確定待優化變量的初始值，最終優化目標是以目標函數的最大值進行最小化控制，進而對各設計變量進行優化。

1.2 轉向傳動機構的優化設計? 首先是轉向梯形機構的設計。這是通過根據特定條件選擇合適的參數來設計梯形機構。梯形機構是必要的，以確保在轉向過程中所有車輪都在同一瞬時中心旋轉，以減少輪胎磨損和功耗。梯形機構必須滿足左右車輪的最佳比率，以使每個車輪執行純滾動轉向。由于當前的轉向梯形機構設計有待優化，因此實際轉向特性和理論轉向特性曲線可能不會完全重疊。因此，在轉向角不大的情況下，要求兩者盡可能地接近以滿足車輛轉向優化設計需求。

特種車輛通常具有多軸轉向[4]，因此需要優化每個轉向軸上的轉向梯形機構。轉向梯形機構分為整體轉向梯形機構和斷開梯形機構。它們的數學模型不同，但優化目標相同。

縱向傳動機構[6]是轉向傳動機構的另一部分。在轉向過程中，應以最佳方式將轉向器的角度轉向至車輪的轉向角，并且在確保車輪達到目標角度時，轉向器應具有足夠的夾角。同時，在設計轉向器系統時，有必要考慮轉向角、橫向變速比、動力傳遞比和其他因素。在特種汽車多軸轉向機構的設計中，除前軸外的后多軸同樣參與整車轉向，以及使用各種后轉向功能而導致車輛響應發生變化，因此存在差異。前軸和后軸之間的協調運動關系包括車輪旋轉角度與前軸和后軸控件之間的反應時間。由于普通汽車上的軸數較少且機身較短，因此在汽車轉彎時，后軸的外輪軌跡不會超過前軸的外輪軌跡。因此，在觀察特種汽車的轉向性能時，不必考慮外輪胎與后軸的偏差以及外輪胎與前軸的偏差。但是對于多軸特種汽車來說，由于車身長且是多軸，復雜的轉向以及主動地參與整車轉向的多軸車橋，車身的前部會感覺良好，而車身的后部有可能會偏移道路軌跡。為了防止這種情況的發生，有必要考慮轉向傳動機構的響應和延遲時間。

假設自變量是前輪角度α;旋轉時間是t，其是縱向傳動系統最優化設計的客觀作用，縱向傳動機構的優化設計的目標函數：

在車輛轉向動力學方面，左右旋轉時轉向力和動力之間的差異很小。在優化轉向器系統設計時，在設計關鍵參數時，應考慮動力傳遞比不應太大，還應考慮總體規劃要求。

在優化轉向器系統時，重要的是建立正確的數學模型。數學模型的質量直接影響優化結果和優化過程中的計算量。現在正在創建的數學模型，其基本上是局部模型。當然，即使對結果的影響很小，也可以使用簡化模型。優化現有車輛轉向系統時，必須使用準確的空間模型，以達到優化目的。

1.3 轉向助力系統匹配優化

大多數特種車輛的轉向助力系統使用液壓動力轉向，轉向助力系統主要分為機械液壓助力和電控液壓助力兩種不同的方式。

機械液壓助力大部分是整體式轉向器集成液壓助力系統。該系統具有集成的液壓控制系統，其匹配程度主要體現在轉向阻力、動力轉向特性和效率以及良好的轉向感等方面。選擇轉向器的特性時，請考慮車輛轉向輪的回正力矩大小和車輛工作的側向加速度范圍。動力轉向缸根據每個動力缸的加力進行合理匹配，并通過分析轉向時助力缸的受力情況來進行選擇。液壓助力轉向系統的原理如圖2所示。

電控液壓助力轉向系統與機械液壓助力轉向系統結構基本相同。其區別在于，將車輛的速度和轉向盤轉角用作控制參數，從而改善液壓轉向助力系統中路感和輕便特性間的矛盾。圖3是電控液壓助力轉向系統的控制示意圖。

2? 轉向系統各子構件的結構優化設計

轉向系統各子構件的結構優化設計的主要途徑是對整車轉向系統進行強大的分析。轉向器不僅必須在轉向過程中實現均勻運動，而且還必須具有足夠的強度，以確保其部件不會在各種復雜的力作用下受到損壞。在上述要求的情況下，應盡可能減少質量，以減輕車輛的重量，并減少材料的使用。特別是對于特種車輛，由于方向盤中涉及的車輪數量眾多，操縱轉向系統的連桿結構非常復雜，并且部件眾多，在滿足使用要求的同時減少材料消耗非常重要。因此，有必要選擇合適的算法來分析轉向器的動態特性，從而為轉向器的設計和制造提供理論依據。操作系統每個子組件的優化設計的結構通常分為兩個過程，轉向系統的功率水平分析和組件的最終分析。

2.1 轉向系統的受力狀況分析

為了分析轉向系統各部分的強度，有必要分析轉向系統受力的位置，而轉向系統的動力位置與轉向齒輪系統的運動位置有關。在各種地面負載和行駛條件下，轉向系統上的負載會隨著時間變化。除了在轉向過程中作用在轉向器上的力外，路面還將力反饋給車輪和轉向器。同時，考慮到輪胎的柔韌性，動力條件將變得更加復雜，并且在所有工作條件下都無法通過精確的計算方法來診斷應力條件。在實際的工程設計中，通過大量案例的分析工作，以來確定每個組件的最大負載，以及最大負載時的位置分析。

2.2 零部件的有限元分析

有限元是增強零部件受力分析準確程度和提高分析效率的有效方法。在分析過程中，通常會建立零部件的靜態模型，通過系統計算施加有效負荷，這等于零部件的最終主節點，其形式為壓縮力或分布力。同時，加上相應的極限，零部件結構受到限制。優化設計通常是改變零部件的橫截面尺寸，以達到減輕特種車輛重量和減少材料消耗的目的。

3? 結束語

特種汽車轉向技術優化設計的研究內容是多方面的，本文從特種汽車多軸轉向系統、傳動結構、助力轉向匹配和轉向結構件優化等方面綜述了特種汽車多軸轉向技術優化設計的主要研究內容。特種汽車多軸轉向性能有必要進行進一步提升和研究。今后特種汽車轉向系統的優化設計順應集成化和專業化的車輛發展方向，可進行更深入的開發和研究，創建更準確的計算模型并全面研究車輛的穩定性，以確保進一步的發展。

參考文獻：

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[3]雷雨成，鄭德林.汽車多軸轉向搖臂機構的優化設計[J].哈爾濱工業大學學報，1997，029（005）：131-134.

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