多轴汽车的操纵稳定性研究及转向机构优化

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1、多轴汽车的操纵稳定性研究及转向机构优化1绪论1.1引言近些年来，全世界汽车工业飞速发展，工程建设任务日益繁重，重型汽车的工作环境也随之发生了变化，这就要求重型汽车需要具备通过性好、燃油经济性高和转向操控灵敏等特点。在国外，随着工程施工难度的日益增大，重型汽车、超重型汽车和特种车辆脱颖而出，如今国外重型汽车的产量显著提高，其研究水平也趋于成熟，这是因为重型汽车不仅可以在恶劣的环境下工作，更为生产需要提供了方便性、快捷性、安全性和可靠性。在国内，一些重要施工工地集中在山区、洼地、矿山和油田等地区，重型汽车有着很好的转向性能和通过性能，因

2、此此类汽车的需求量大大增加，比如西部大开发战略就促进了我国重型汽车迅速发展。目前，国内外重型汽车，大多数采用多轴转向技术。采用多轴转向特性可确保重型汽车在低速转弯时更为灵敏，转弯半径得到减小，进而提高整车的通过性、安全性和可靠性；多轴汽车由于采用多轴进行驱动，自身的驱动力增加，增强通过性；大部分多轴重型汽车采用油气弹簧悬挂，此类悬挂使多轴汽车在恶劣的环境中具有较强的承载能力，车轴数量的增加也使得承载能力大大提高，从而增加安全性和可靠性。2004年4月28日，国家质检总局和国家标准委员会共同发布《道路汽车外廓尺寸、轴荷及质量限值》（G

3、B1589-2004）。该标准明确规定：汽车不得随意地增加长、宽、高值，针对不同类型的汽车轴荷以及整车质量有了最大的限制，此三者必须匹配长、宽、高的限定值。此标准于2004年10月1日起在全国范围内实施，针对国家颁布的此项标准，国内的一些重型汽车生产厂商开始进行改良和优化。操纵稳定性作为评价汽车的一项重要指标，是指驾驶员在不感到过分紧张、疲劳的条件下，能操控汽车沿着转向系统及转向车轮给定的方向（直线或转弯）行驶；当受到外界干扰时（路面不平、侧向风、货物或乘客偏载），汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的性能。.1.2课题的研究意义随着现代公

4、路的迅猛发展，大型特种车辆和重型汽车已经成为大型设备、武器、施工原料的主要运输工具。尤其是在工程建设方面，由于工作环境的复杂恶劣，那么对其转向性能的研究显得尤为重要。针对重型汽车来说，多轴转向技术是提高操控性和灵活性的一个重要手段。理想的多轴转向过程是指转弯时，各车轮绕同一转向中心O作纯滚动而无滑动状态[8]，对多轴转向汽车来说，转向机构包括转向梯形机构和转向摇臂机构，转向梯形机构、转向摇臂机构以及多轴汽车转向轴间距的选择对操纵稳定性的影响重大，这些因素对提高多轴汽车性能的重要意义主要表现在以下几个方面：（1）转向梯形机构与保证转向

5、时同轴上内、外车轮绕同一转向中心O作纯滚动联系密切，在实际转弯时，大多数汽车只能近似地保证理想转向过程，但随着对转向梯形机构的研究，这种误差越来越小。（2）多轴转向系统是通过转向摇臂机构来保证不同转向轴上同侧的转向车轮绕同一转向中心O作纯滚动，如果这个机构在设计上不合理，会与转向轴在空间上发生运动干涉，如此将导致转向困难、操纵灵敏性下降，严重时影响安全性能。所以运用优化方法进行优化增加了转向的可靠性，从而提高汽车的安全性和稳定性。（3）在建立多轴转向汽车的多自由度数学模型时，从理论角度对多轴转向汽车转向性能进行研究计算，确定转向轴间

6、距[9]，这样为提高转向性能提供了理论基础。（4）利用虚拟样机技术建立整车的模型并进行操纵稳定性仿真试验，增加了对多轴转向汽车操纵稳定性分析的有效性和准确性，节省实际车型的研发周期和成本，对提高汽车的各种性能有很大帮助。.2多轴汽车转向特性相关理论2.1多轴转向汽车的转向原理无论是双轴，还是三轴及三轴以上的多轴汽车，为了让所有车轮在转弯过程中绕同一个瞬时转向中心作纯滚动而无滑移状态，或存在一个微小的位移。在实际行驶过程中，每一车轮的转弯半径是不同的。因此，同一转向轴上两个转向轮的转向角（即内侧车轮和外侧车轮的转向角）以及不同转向轴上

7、同侧转向轮的转向角必定是不同的。内、外侧车轮之间的关系应与理论计算出的比例一致，并以此为理论基础对转向机构进行设计。不同工作环境下的多轴汽车对转向模式的要求不同，例如普通的三轴越野车多采用双前轴转向模式；部分军用的特种车辆根据工作环境的要求，可以采用前后轴转向或者是全轮转向；开采煤矿或油田时所使用的大型岩石破碎机采用的转向模式则是前三轴转向[36]。对于多轴汽车转向模式的选择：汽车在低速行驶过程中，前后轴的车轮转角方向相反，既减小了转弯半径，也保证了汽车具备更好的操纵性，而且方便汽车在转弯过程中运动轨迹的控制，提高了汽车的侧向稳定性

8、。在高速行驶过程中，前后轴的车轮转角方向相同，车身的侧倾方向与整车前进方向的偏离程度减小，整车的稳定性得到提高[37]。.2.2多轴转向汽车线性三自由度操纵模型以双轴汽车二自由度操纵模型为理论基础，将多轴转向汽车的三自由度操纵模型探索