新型越野车转向摇臂机构的优化设计

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1、新型越野车转向摇臂机构的优化设计陆友林　　摘要　介绍了新型越野车转向摇臂机构的结构组成，用空间几何方法建立了转向摇臂机构优化设计的数学模型，并用复合形法对摇臂机构的参数进行了优化。　　关键词　汽车，转向机构，优化设计。 1前言  汽车在行驶中，要经常改变行驶方向，即转向。汽车转向是通过转向轮在路面上偏转一定的角度来实现的。由驾驶员操纵的用来使转向轮偏转的一整套系统，称为转向系统。某新型越野车为8×8、双前桥转向形式，其转向系统是由转向器、转向传动机构和动力转向系统组成的。转向摇臂机构是转向传动机构中很关键的一部分，它是由一桥转向节、一桥直拉杆臂、一桥直拉杆、一桥

2、摇臂、连杆、二桥摇臂、二桥直拉杆、二桥直拉杆臂、二桥转向节等组成的，如图1所示。该新型越野车在原车的基础上作了许多重大的改进：a)悬架系统由原来的钢板弹簧改为油气弹簧；b)轴距由1450mm+4200mm+1450mm改为2200mm+3850mm+1750mm；c)采用了大直径宽断面轮胎(轮胎直径由1.26m增大到1.5m，轮胎宽度变化最大，由412mm增加到600mm)；d)轮距由2500mm缩小为2480mm；e)转向轮最大转角由33(°)增加到35(°)。为了适应这些变化，转向传动机构必须重新设计。尤其是轮胎直径增大、轮胎宽度加宽、轮距缩小、转角增大、采

3、用油气悬架等因素的共同影响，使转向摇臂机构的空间布置特别困难，这不仅会给转向传动机构的设计带来极大的困难，而且也影响到整车总体方案的成功。对于这样的难题可以用优化设计方法来解决。汽车在转向时，总是希望所有的车轮都绕同一个瞬时转向中心滚动，而且这个瞬时转向中心要始终位于三、四桥轴距的垂直平分线上，见图2。这样，一、二桥的转向轮之间就要满足一定的转角关系，这就是理想关系。但是，实际上，这个转角关系是由转向摇臂机构来实现的，由转向摇臂机构所实现的一、二桥转向轮之间的转角关系就是实际关系。实际关系和理想关系之间存在着一定的误差，设计时总是希望这种误差越小越好。但是，由

4、于空间布置的限制，为了避免干涉，摇臂机构的零件几乎全是弯杆或斜杆，这就使减小误差特别难以实现。优化设计的目的就是在允许的范围内，使这种误差尽可能地减小。图1转向传动机构示意图 图2理想的转角关系 2目标函数的建立2.1理想的转角关系汽车左转时，从图2可得：tgα1=L1／OA    tgα2=L2／OA由此可得：α2=arctg(L2tgα1／L1)    (1)右转时，同理可得：β2=arctg(L2tgβ1／L1)    (2)这就是转向摇臂机构理想的转角关系。从式(1)和(2)可以看出，无论是左转还是右转，理想的转角关系是一

5、样的。 2.2实际的转角关系当一桥的内轮转过角度α1时，经摇臂机构的传动，二桥内轮相应转过角度α2S，传动路线是：一桥转向节→一桥直拉杆臂→一桥直拉杆→一桥摇臂→连杆→二桥摇臂→二桥直拉杆→二桥直拉杆臂→二桥转向节。计算时分3步进行：1)一桥直拉杆臂→一桥摇臂；2)一桥摇臂→二桥摇臂；3)二桥摇臂→二桥直拉杆臂。a)一桥直拉杆臂→一桥摇臂。设输入角为α，输出角为γ，如图3所示。图3一桥直拉杆臂→一桥摇臂转角关系图中h2=d-［(h0-r1sinδ)tgδ］式中d为主销中心点与一桥摇臂球铰点在Y轴方向的距离，d=485mm；h0为直拉杆中心线

6、与车轴中心线在Z轴方向的距离，h0=210mm；δ为主销内倾角，δ=7(°)。从图中可得：    b)一桥摇臂→二桥摇臂。设输入角为α，输出角为γ，如图4所示。 图4  一桥摇臂→二桥摇臂转角关系   c)二桥摇臂→二桥直拉杆臂。计算时以一桥为例，用于二桥时，只需将输入角设为负值即可。设输入角为α，输出角为γ。二桥摇臂→二桥直拉杆臂转角关系如图5所示。图5  二桥摇臂→二桥直拉杆臂转角关系 图中  h2=d-(h0-r2sinδ)tgδ］式中d为主销中心点与二桥摇臂球铰点在Y轴方向的距离，d=405mm；h0为直拉杆中心线与车轴

7、中心线在Z轴方向的距离，h0=210mm；δ主销内倾角，δ=7(°)。从图中可得：   当一桥内轮输入转角α1时，经上述3步计算，即可得到相应的二桥内轮转角α2S。即α2S=f(α１)    (3)式(3)所表示的隐函数，隐函了优化变量X1，X2，X3，X4和X5。这就是摇臂机构实际的转角关系。2.3误差  摇臂机构的实际转角关系和理想关系的误差为Eα2=α2S-α2将式(1)和式(3)代入得：Eα2=f(α1)-arctg(L2tgα1／L1)  (4)2.4目标函数在设计时，应使误差尽量小。对于转角误差，考虑到使用情况，应使这种误差

8、在最常使用