铰接转向机构铰接点位置优化分析

王岩　张海潮　张军

摘要：车辆转向机构用以控制各类轮式或履带式车辆的行驶方向的机构。本文研究并分析铰接转向机构铰接点位置的设计与优化

关键词：铰接转向；接点位置；优化

一、铰接转向机构铰点位置在RecurDyn中的试验设计

在DOE（试验设计）中，试验因素（Factor，简称因素或因子）是试验的设计者希望考 察的试验条件，因素的具体取值水平（Level）；根据试验因素的数目可分为单因素优化试验和多因素优化试验；衡量试验结果好坏程度的指标称为性能指标或响应变量（Response Variable）。

通常的DOE包括5个基本步骤：首先确定试验的目的，然后选择因素集，接下来确定因素的水平，之后进行试验并记录每次的试验结果，最后分析因素对目标性能的影响；当前的DOE被分为两大类，第一类是传统的DOE技术，考虑模型行为的固有随机性，通常适用于固有测量误差的物理试验；第二类指空间填充，尤其适用于确定性的计算机仿真，如拉丁方、正交矩阵、最大熵等。

RecurDyn在设计研究过程中自动执行DOE过程，自动建立设计矩阵，并填充设计空间，根据各种给定的设计变量组合形式，评价其性能指标。

在RecurDyn中效果分析（EffectAnalysis）的DOE方法包括：

（1）Extended Plackctt-BurmanDesign：可以产生混合水平设计（2-，3-，4-水平）；

（2）3-levelOrthogonalArrayDesign： 3水平正交矩阵设计，从2?1000因素中生成 3水平正交矩阵；

（3）Level-BalancedDescriptiveDesign：水平平衡描述设计，对于大规模问题可以 产生Strength-1正交矩阵。尽管不如Strength-2正交矩阵，但对于大规模问题非常有效。例如，对于10个水平20个因素，仅仅产生200个抽样。

（4）Full Factorial Design：全因子设计，经典的DOE方法，仅适用于小模型。

（5）2-level Orthogonal Array Design： 2水平正交矩阵设计，可从2?1023因素中产生2水平正交矩阵；

（6）Boses orthogonal Array Design：可以产生正交表，如 OA（q2，q+1，q， 2），其 中q是一个素数（2， 3， 5， 7，11，13，17……）。在正交矩阵OA（n， k，q，t）中，n、k、q及t分别表示矩阵行数、列数、各列因素中最大值以及互相关系数。

本文选用Full Factorial Design方法进行DOE研究，水平为5级，试验次数共600 次，通过对仿真结果进行分析，可以得出使转向过程中转向力矩均方根值最大化、最小化的四个变量组合如图1所示，各个变量对其的影响分析如图2所示，DV4的变化对其的影响最为显著且方差最小，而DV3的变化对其影响最小，每个变量的各水平对方差影响不大；同理，得到使转向过程中左右油缸速度差绝对值最大和最小的变量组合，和各个变量的对其的影响分析及方差分析，从中可以看出，DV1、DV2的变化对其影响较大，而DV4的变化对其影响最小；可以得到使转向过程中左右油缸形成的力矩差绝对值最大和最小化的变量组合，DV1和DV2的变化对其目标影响较大，且方差有小的变化，而DV4变化时目标函数的方差变化很小。从结果中可以看出变量对油缸速度差和力矩差的影响趋势相似。两侧油缸速度差与其形成的力矩差的相关性分析，可知由变量变化引起的速度差增大同样会引起力矩差的变大。

二、优化结果及分析

进行收敛误差项设置，可以对优化目标、等式约束和不等式约束分别进行误差设置，数值分别为1.e-10、l.e-5和l.e-5，设定最大迭代次数100步， 然后执行计算。计算完成后可以通过ResultSheet选项卡查看目标值的计算过程，如图3所示，选择SummarySheet选项卡，查看详细信息，如图4所示，优化过程中采用的初始DOE方法是离散拉丁方设计，元模型方法采用的协同克拉格法。

从Summary Sheet选项卡中可以看出优化的性能指标。可知优化后转向过程的

转向力矩得均方根值为336.19KNm，此时的设计变量最优值如表1所示，考虑到加工制造问题，应对得到的变量值进行圆整。

根据优化后得到的圆整的变量值生成新的铰接转向机构，将其进行仿真得到分析结果与原有的设计结果进行对比，在转向铰点处加运动驱动速度函数IF（time-5： 5.5d，5.5d，-5.5d），表示在前5s时转向角速度5.5°/s即向左转向，在后5s时角速度 -5.5°/s即从左转向极限位置向中间回正，在回正过程中产生的力矩大于转向时产生的力矩，优化后的机构其转向力矩和转向回正力矩与原设计相比略有降低，最小值从275kNm下降到270kNm，仅降低了1.82%；在转向回正过程中的左右油缸产生力矩差的绝对值大于转向过程的，优化后的机构在整个运动过程中的力矩差的绝对值最大值变小，从67kNm下降到37kNm，降低了43.12%；另外，优化后的左右油缸速度差与原设计相比有很大幅度的降低，从0.01m/s下降到0.005m/s，降低了50%，力矩差与速度差的降低对车辆转向时的稳定性有了很大的提高。

结束语：可见，经过优化后的轉向机构性能有很大的提升。

基金项目：国家科技支撑计划（2015BAK06B03） 。