分段式转向梯形断开点的优化设计

王成玲 刘富强 张勇 李玉

摘 要：文章建立了某轮式车辆的前独立悬架和转向系统的参数化模型，阐述了分段式梯形断开点设计需要遵循的两点原则，分析了断开点三个方向坐标对阿克曼转向特性以及车轮跳动过程中前束角变化的影响，以实际外轮转角与理论外轮转角差值最小以及前束角变化最小为优化目标，对断开点位置进行了优化分析。研究结果表明，断开点坐标的优化可以改善车辆转向特性，同时提高转向系统与悬架系统的运动协调性，为轮式车辆转向梯形的设计提出了较为合理的优化方案。

关键词：转向梯形;断开点;优化设计

中图分类号：U461.6  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）05-93-03

Abstract： The parametric analysis model of the suspension and steering system of certain wheeled vehicle has been established. Two design principle for Splitting Point of steering trapezium has been expounded. The effect of splitting point on Ackerman steering characteristics and toe angle has been studied. Taking minimum deviation between actual wheel turning angle from the angle and theoretical turning angle， the minimum variation of the toe angle as the optimal object， Optimization Design of Splitting Point has been studied. The results indicated that， the wheeled vehicle steering characteri -stics and the correspond between steering system and suspension has been improved by Optimization Design of Splitting Point. A reasonable optimization program for the optimize and design of vehicle is proposed in this paper.

Keywords： Steering trapezium; Splitting point; Optimization design

引言

轮式车辆分段式转向梯形机构断开点的确定是转向梯形设计的难点[1-3]。轮式车辆的双横臂独立悬架与转向机构组成的系统是空间杆机构，当转向梯形断开点位置选择不当时，会造成副横拉杆与悬架导向机构运动不协调，汽车行驶时会出现前轮摆振现象，增大转向节臂的受力，破坏整车操纵稳定性，加剧轮胎磨损。对双横臂式独立悬架，确定转向梯形断开点位置的传统方法是平面作图法[4]，有一定的局限性。本文以多体系统动力学理论为基础，在Adams/view中建立轮式车辆样车的悬架转向系统参数化模型，分析转向梯形断开点对阿克曼转向特性和车轮前束角变化特性的影响，利用Adams的优化设计功能对转向梯形断开点位置进行优化设计。

1 转向梯形断开点的设计原则

转向梯形断开点位置的设计，需同时考虑转向时内外车轮转角关系应尽量符合阿克曼转向几何条件的要求，同时需要使得车轮前束角在常用的跳动行程范围内变化量最小。

1.1 满足阿克曼转向特性原则

满足阿克曼转向特性的车辆，转向梯形的布置要满足阿克曼转向几何条件：为了确保汽车在转弯时四轮作纯滚动而不产生滑移，必须使两轮转向前轮轴的延长线与后轮轴延长线的交点作为转向中心进行转向，即所谓的阿克曼理论转向特性。

1.2 前束值变化最小的原则

转向梯形断开点的设计要满足在车轮常用的跳动行程范围内，车轮前束角变化最小，以保证转向梯形和悬架之间的运动尽可能的协调，避免转向杆系在车轮跳动过程中承受较大的附加阻力。

车轮的上下跳动引起转向梯形和悬架之间的运动不协调，这种不协调性主要表现在：车轮跳动过程中，一方面转向轮依靠悬架导向杆系来保证车轮与车身的相对运动关系，另一方面转向机与转向轮之间的传动杆系也使车轮与车身之间有一定的相对运动关系。这两种运动关系是由两套独立机构来实现的，因此，会出现运动的不协调性，进而引起车轮绕主销发生旋转，导致了在车轮跳动过程中，前束值发生了变化。通过调节断开点的位置来调整转向梯形和悬架之间的运动不协调性，进而调节车轮跳动过程中前束值的变化量。

2 转向梯形参数化模型的建立

为了分析转向梯形断开点位置对车辆转向特性及车轮跳动过程中前束值的影响，在Adams/view中导入样车的悬架模型[5-6]，并建立转向梯形的参数化模型，该样车转向系统采用循环球转向器，转向节臂与轮边是通过錐面配合连接的，在模型的建立过程中，将转向节臂与轮边视为一个刚体来处理，转向副横拉杆一端与转向节臂通过球头连接，另一端与转向摇臂或者转向随动臂连接，将转向系统的各个杆件均视为刚体。进行转向特性分析时，在摇臂与车体的柱约束上添加motion;进行车轮上下跳动时前束角变化分析时，在车轮与地面之间添加上下运动的motion。为了保证转向杆系的左右对称性，对转向梯形进行参数化建模时，将摇臂与随动臂的位置点进行关联，将杆系之间利用球绞连接，转向摇臂及转向随动臂分别与车体利用柱销连接，完成转向梯形的参数化建模。

3 转向梯形断开点位置对转向特性及车轮跳动时前束角的影响

依据上节建立的双横臂独立悬架及转向系统的虚拟样机模型，通过改变断开点三个方向的坐标值，利用Adams/view进行仿真分析， 绘制相应的转向特性曲线以及车轮跳动时的前束角曲线，以确定断开点各个方向坐标对转向特性以及车轮跳动时前束角的影响，为下一步进行断开点位置优化做好准备。

3.1 断开点X坐标的影响

断开点的X方向坐标的前后移动对转向特性影响比较大，而对车轮跳动时前束角的变化影响比较小，如图1所示。断开点的X方向坐标的前移容易引起外轮转角偏大，最小转向半径减小，断开点的X方向坐标的后移容易引起外轮转角偏小，最小转向半径增大。

3.2 断开点Y坐标的影响

断开点的Y方向坐标的内外移动对转向特性影响很小，而对车轮跳动时前束角的值影响较大，如图2所示。断开点Y方向坐标的外移容易引起车轮下跳时前束角的反向增加，断开点Y方向坐标的内移容易引起车轮下跳时前束角的正向增加。

3.3 断开点Z坐标的影响

断开点Z方向坐标的上下移动对转向特性影响几乎为零，但是对车轮跳动时前束角的值影响比较大，如图3所示。

综上，断开点的X方向坐标对车辆的转向特性影响较大，断开点的Y、Z方向坐标对车轮上下跳动过程中前束角的影响较大。

4 转向梯形断开点的优化设计

转向梯形断开点的设计要求既能使车辆具有良好的转向特性，又可以尽量减少车轮上下跳动过程中前束角的变化量。为了对断开点的位置进行优化设计，分别以如上两种设计原则为目标函数，分别对断开点的三个方向坐标进行优化设计分析。

以阿克曼转向特性为目标的优化：由阿克曼理论得到目标外轮角度为，在Adams中利用mesure测量内、外轮的实时转角β和αa，创建目标函数min（αa-α），即外轮转角的实测值与理论值之间的差值最小为设计目标，将梯形断开点的X方向坐标设定为设计目标变量，Y、Z方向坐标不变。

以车轮上下跳动过程中前束角为目标的优化：以前束角的值为设计目标，将梯形断开点的Y、Z方向坐标设定为设计目标变量，X方向坐标不变。

通过对模型进行两次优化分析可以得到优化后的转向梯形断开点的X、Y、Z三方向的坐标，绘制出断开点优化后的转向特性曲线以及车轮跳动时的前束角曲线如图4所示。通过曲线对比，可以得出断开点优化后的转向特性曲线以及车轮跳动时的前束角曲线都优于当前断开点位置下的曲线。

5 结论

綜上，通过在Adams中建立轮式车辆1/4悬架模型以及转向梯形参数化模型，分析了转向梯形断开点三个方向坐标对整车转向特性以及前束角的影响，结果表明梯形断开点的X坐标对转向梯形的转向特性有重要影响，断开点Y、Z坐标对车轮跳动过程中前束角的变化有重要影响。利用参数化模型对梯形断开点进行优化设计可以改善转向梯形的转向特性，同时减小车轮跳动过程中前束角的变化，提高了转向梯形与悬架运动的协调一致性，为轮式车辆转向梯形的工程设计提供了有效的方法手段，可以极大的简化设计人员的工作。

参考文献

[1] 郭孔辉.汽车操纵动力学[M].长春：吉林科学技术出版社，1991： 206～220.

[2] 毛务本，韩锐.双横臂独立悬架转向梯形机构断开点的优化[J].江苏大学学报（自然科学版）， 2004， 25（2）： 124-127.

[3] 王宵锋，张小乐，胡涛.轿车转向杆系的优化设计[J].清华大学学报（自然科学版）， 2004， 44（11）： 1528-1531.

[4] 刘惟信.汽车设计[M].北京：清华大学出版社，2001： 649～654.

[5] 李军，刑俊文，覃文洁.ADAMS实例教程[M].北京：北京理工大学出版社， 2002.

[6] 陈黎卿，王继先.基于ADAMS的悬架系统与整车匹配优化设计[J].合肥工业大学学报（自然科学版）， 2006， 29（7）： 814-817.