特種車(chē)輛多軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化

陳 慶，郝 亮*，劉叢浩，張 勇，呂永津，劉 超，付長(zhǎng)濤

（1.遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.北京航天科技一院十五所，北京 100000）

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)民用基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和國(guó)防軍事現(xiàn)代化的要求越來(lái)越高，激發(fā)了特種車(chē)輛的市場(chǎng)需求，使特種車(chē)輛技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。特種車(chē)輛多應(yīng)用多軸轉(zhuǎn)向技術(shù)，由于我國(guó)多軸轉(zhuǎn)向技術(shù)的研發(fā)起步較晚，同時(shí)又受限于軍事領(lǐng)域，外加國(guó)外對(duì)我國(guó)實(shí)行長(zhǎng)期技術(shù)封鎖政策[1]，造成我國(guó)在該領(lǐng)域發(fā)展緩慢滯后，推進(jìn)特種車(chē)輛多軸轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展仍迫在眉睫。特種車(chē)輛多軸轉(zhuǎn)向方式一般有以下幾種[2]：機(jī)械轉(zhuǎn)向、液壓轉(zhuǎn)向、機(jī)械液壓轉(zhuǎn)向、電控轉(zhuǎn)向、電控液壓轉(zhuǎn)向，各種轉(zhuǎn)向方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)。本文采用機(jī)械液壓式轉(zhuǎn)向方式對(duì)特種車(chē)輛多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2021年，筆者參與設(shè)計(jì)了一特種車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作。該車(chē)輛總重80 t，采用六軸布置，一橋?yàn)楣潭颍⑺臉驗(yàn)檗D(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋，三、五、六橋?yàn)檗D(zhuǎn)向橋，除二、四橋采用液壓制動(dòng)外，其余橋均采用氣壓制動(dòng)。本論文則根據(jù)設(shè)計(jì)要求，匹配設(shè)計(jì)多軸汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)，利用三維建模軟件建立多軸轉(zhuǎn)向車(chē)輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)模型，再通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立多軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型，將機(jī)構(gòu)聯(lián)接點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)化處理，將各車(chē)輪理論轉(zhuǎn)角和實(shí)際轉(zhuǎn)角差的絕對(duì)值設(shè)定為目標(biāo)函數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，得到最接近理論要求的連桿和梯形機(jī)構(gòu)的尺寸。將理論體系知識(shí)，運(yùn)用到實(shí)際的工程設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，解決實(shí)際的工程設(shè)計(jì)問(wèn)題。

1 多軸汽車(chē)的轉(zhuǎn)向特性

1.1 阿克曼轉(zhuǎn)向原理

阿克曼轉(zhuǎn)向原理的要求是汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中，每個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)向半徑都不相同，各轉(zhuǎn)向輪軸線延長(zhǎng)線應(yīng)交在兩后輪軸的延長(zhǎng)線上O點(diǎn)，從而使所有車(chē)輪的運(yùn)動(dòng)軌跡與其自然運(yùn)動(dòng)軌跡相同，這樣才能保證輪胎與地面之間處于純滾動(dòng)而無(wú)滑移現(xiàn)象[3]，讓車(chē)輛順利轉(zhuǎn)彎，從而控制輪胎的早期磨損[4]，如圖1所示。

圖1 阿克曼轉(zhuǎn)向原理圖

1.2 轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化思路

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[5]可知，轉(zhuǎn)向梯形結(jié)構(gòu)尺寸可決定左右輪轉(zhuǎn)角關(guān)系，若轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的幾何尺寸固定，則外側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)角與內(nèi)側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系也隨之確定。針對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化過(guò)程，即減小實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角曲線的差異，并使之最大程度地重合的過(guò)程。與單橋的轉(zhuǎn)向梯形優(yōu)化不同，整車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化，需要考慮的東西更多更復(fù)雜，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）需要更多地考慮空間需求的情況，以避免出現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果無(wú)法通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的情況。

2）由于系統(tǒng)變量過(guò)多，針對(duì)所有的變量進(jìn)行優(yōu)化，必然大大增加運(yùn)算量，降低運(yùn)算效率。同時(shí)，也有一部分運(yùn)算對(duì)整體優(yōu)化無(wú)意義。因此，還要考慮到各個(gè)變量對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響程度問(wèn)題。

2 多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模

2.1 多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)

對(duì)于大型特種車(chē)輛，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置和設(shè)計(jì)難度較大，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）布置困難。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各部件應(yīng)布置在同一平面上，同時(shí)還要保證在橫向平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)件之間不能產(chǎn)生干涉。

2）縱梁強(qiáng)度削弱。需要在縱梁上設(shè)計(jì)相應(yīng)的孔洞，才能保證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)順利裝配和工作，這將直接削弱縱梁的強(qiáng)度造成應(yīng)力集中。

3）回轉(zhuǎn)空間較大。車(chē)輛越寬，所需的回轉(zhuǎn)空間就越大，為了能夠滿足車(chē)輛的轉(zhuǎn)向要求，中心轉(zhuǎn)向板的回轉(zhuǎn)空間要足夠。

根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，本文采用液壓拉桿轉(zhuǎn)盤(pán)式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，對(duì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)主要由液壓油缸、中心轉(zhuǎn)向盤(pán)、中心轉(zhuǎn)向板、轉(zhuǎn)向節(jié)板和轉(zhuǎn)向拉桿組成，如圖2所示。

圖2 六軸車(chē)輛轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)連接示意圖

2.2 多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模

根據(jù)合作車(chē)企提供的主要數(shù)據(jù)，實(shí)車(chē)共六軸，以第一軸為基準(zhǔn)，其余五軸均為轉(zhuǎn)向軸。相鄰兩根軸的間距為 1 550 mm，同一根軸間，輪距為1 820 mm，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)具體細(xì)節(jié)根據(jù)公司實(shí)物圖紙尺寸而來(lái)。因涉及公司機(jī)密，在此不一一展開(kāi)。

根據(jù)已有數(shù)據(jù)，利用CATIA軟件進(jìn)行多軸系統(tǒng)的建模，如圖3所示。

圖3 特種車(chē)輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的裝配圖

3 多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)建模與仿真分析

將上文所示CATIA模型轉(zhuǎn)換為只描述運(yùn)動(dòng)關(guān)系的簡(jiǎn)化模型，如圖4所示，該圖為特種車(chē)輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)向中心板、轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂各部件連接關(guān)系的簡(jiǎn)化圖，圖中轉(zhuǎn)向節(jié)板和轉(zhuǎn)向輪連接到一起，中心轉(zhuǎn)向板安裝在汽車(chē)車(chē)架縱梁上，左右擺角為20°。該圖扭矩傳遞路線：轉(zhuǎn)向助力缸帶動(dòng)中心轉(zhuǎn)向板繞縱梁旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)力傳給轉(zhuǎn)向橫拉桿，轉(zhuǎn)向拉桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)臂擺動(dòng)從而控制車(chē)輪實(shí)現(xiàn)左右擺動(dòng)。

圖4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

對(duì)中心板施加一個(gè)20°的正弦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角，測(cè)量左側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)角及其垂直方向的轉(zhuǎn)角變化與實(shí)物對(duì)比，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 仿真結(jié)果

4 多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化匹配及實(shí)車(chē)驗(yàn)證

4.1 車(chē)輪轉(zhuǎn)角匹配優(yōu)化

在對(duì)車(chē)輪轉(zhuǎn)角進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要確定優(yōu)化目標(biāo)[6]，因此，將特種車(chē)輛第六軸的右側(cè)車(chē)輪實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角的差為優(yōu)化目標(biāo)，使理論轉(zhuǎn)角與實(shí)際轉(zhuǎn)角絕對(duì)值差值達(dá)到最小，即曲線達(dá)到最大重合度。取第六軸右側(cè)車(chē)輪仿真轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角的差值平方數(shù)值最小化為目標(biāo)函數(shù)[7]，確定約束條件，最后得出優(yōu)化結(jié)果，如圖6所示。

圖6 六軸左側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)角差優(yōu)化曲線

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前理論與實(shí)際差值最大達(dá)到16.77°；優(yōu)化以后，實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角的差值最大處為 1.6°，差值平均控制在 2°以內(nèi)。因此，優(yōu)化后，車(chē)輪基本能保證在運(yùn)動(dòng)時(shí)處于純滾動(dòng)狀態(tài)，可有效減少輪胎磨損，轉(zhuǎn)向特性得到明顯改善[8-9]。

4.2 實(shí)車(chē)驗(yàn)證

運(yùn)用多輪定位測(cè)量系統(tǒng)，將特種車(chē)輛各車(chē)輪放在定位系統(tǒng)的托盤(pán)上，用專用儀器測(cè)量各車(chē)輪的實(shí)際轉(zhuǎn)角。避免數(shù)據(jù)過(guò)度，表1只展示了部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 車(chē)輛原地轉(zhuǎn)向各車(chē)輪實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)角 單位：(°)

通過(guò)將各車(chē)輪轉(zhuǎn)角的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)角值與仿真轉(zhuǎn)角值進(jìn)行對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，各轉(zhuǎn)向輪實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)角值與仿真轉(zhuǎn)角值差異不大，因此，可以驗(yàn)證通過(guò)運(yùn)用 ADAMS軟件來(lái)優(yōu)化各車(chē)輪的轉(zhuǎn)角這種方法是比較可靠的，精確度較高。

5 結(jié)論

本文結(jié)合汽車(chē)車(chē)型，完成了特種車(chē)輛多軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化，將理論知識(shí)與實(shí)際運(yùn)用相結(jié)合，匹配設(shè)計(jì)多軸汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)，通過(guò)三維建模軟件建立多軸轉(zhuǎn)向車(chē)輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)模型，再通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立多軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型，將機(jī)構(gòu)聯(lián)接點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)化處理，將各車(chē)輪理論轉(zhuǎn)角和實(shí)際轉(zhuǎn)角差的絕對(duì)值設(shè)定為目標(biāo)函數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，得到最接近理論要求的連桿和梯形機(jī)構(gòu)的尺寸。將理論體系知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際的工程設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，解決實(shí)際的工程設(shè)計(jì)問(wèn)題。