鉸接轉向機構鉸接點位置優化分析

王巖　張海潮　張軍

摘要：車輛轉向機構用以控制各類輪式或履帶式車輛的行駛方向的機構。本文研究并分析鉸接轉向機構鉸接點位置的設計與優化

關鍵詞：鉸接轉向；接點位置；優化

一、鉸接轉向機構鉸點位置在RecurDyn中的試驗設計

在DOE（試驗設計）中，試驗因素（Factor，簡稱因素或因子）是試驗的設計者希望考 察的試驗條件，因素的具體取值水平（Level）；根據試驗因素的數目可分為單因素優化試驗和多因素優化試驗；衡量試驗結果好壞程度的指標稱為性能指標或響應變量（Response Variable）。

通常的DOE包括5個基本步驟：首先確定試驗的目的，然后選擇因素集，接下來確定因素的水平，之后進行試驗并記錄每次的試驗結果，最后分析因素對目標性能的影響；當前的DOE被分為兩大類，第一類是傳統的DOE技術，考慮模型行為的固有隨機性，通常適用于固有測量誤差的物理試驗；第二類指空間填充，尤其適用于確定性的計算機仿真，如拉丁方、正交矩陣、最大熵等。

RecurDyn在設計研究過程中自動執行DOE過程，自動建立設計矩陣，并填充設計空間，根據各種給定的設計變量組合形式，評價其性能指標。

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

（1）Extended Plackctt-BurmanDesign：可以產生混合水平設計（2-，3-，4-水平）；

（2）3-levelOrthogonalArrayDesign： 3水平正交矩陣設計，從2?1000因素中生成 3水平正交矩陣；

（3）Level-BalancedDescriptiveDesign：水平平衡描述設計，對于大規模問題可以 產生Strength-1正交矩陣。盡管不如Strength-2正交矩陣，但對于大規模問題非常有效。例如，對于10個水平20個因素，僅僅產生200個抽樣。

（4）Full Factorial Design：全因子設計，經典的DOE方法，僅適用于小模型。

（5）2-level Orthogonal Array Design： 2水平正交矩陣設計，可從2?1023因素中產生2水平正交矩陣；

（6）Boses orthogonal Array Design：可以產生正交表，如 OA（q2，q+1，q， 2），其 中q是一個素數（2， 3， 5， 7，11，13，17……）。在正交矩陣OA（n， k，q，t）中，n、k、q及t分別表示矩陣行數、列數、各列因素中最大值以及互相關系數。

本文選用Full Factorial Design方法進行DOE研究，水平為5級，試驗次數共600 次，通過對仿真結果進行分析，可以得出使轉向過程中轉向力矩均方根值最大化、最小化的四個變量組合如圖1所示，各個變量對其的影響分析如圖2所示，DV4的變化對其的影響最為顯著且方差最小，而DV3的變化對其影響最小，每個變量的各水平對方差影響不大；同理，得到使轉向過程中左右油缸速度差絕對值最大和最小的變量組合，和各個變量的對其的影響分析及方差分析，從中可以看出，DV1、DV2的變化對其影響較大，而DV4的變化對其影響最小；可以得到使轉向過程中左右油缸形成的力矩差絕對值最大和最小化的變量組合，DV1和DV2的變化對其目標影響較大，且方差有小的變化，而DV4變化時目標函數的方差變化很小。從結果中可以看出變量對油缸速度差和力矩差的影響趨勢相似。兩側油缸速度差與其形成的力矩差的相關性分析，可知由變量變化引起的速度差增大同樣會引起力矩差的變大。

二、優化結果及分析

進行收斂誤差項設置，可以對優化目標、等式約束和不等式約束分別進行誤差設置，數值分別為1.e-10、l.e-5和l.e-5，設定最大迭代次數100步， 然后執行計算。計算完成后可以通過ResultSheet選項卡查看目標值的計算過程，如圖3所示，選擇SummarySheet選項卡，查看詳細信息，如圖4所示，優化過程中采用的初始DOE方法是離散拉丁方設計，元模型方法采用的協同克拉格法。

從Summary Sheet選項卡中可以看出優化的性能指標。可知優化后轉向過程的

轉向力矩得均方根值為336.19KNm，此時的設計變量最優值如表1所示，考慮到加工制造問題，應對得到的變量值進行圓整。

根據優化后得到的圓整的變量值生成新的鉸接轉向機構，將其進行仿真得到分析結果與原有的設計結果進行對比，在轉向鉸點處加運動驅動速度函數IF（time-5： 5.5d，5.5d，-5.5d），表示在前5s時轉向角速度5.5°/s即向左轉向，在后5s時角速度 -5.5°/s即從左轉向極限位置向中間回正，在回正過程中產生的力矩大于轉向時產生的力矩，優化后的機構其轉向力矩和轉向回正力矩與原設計相比略有降低，最小值從275kNm下降到270kNm，僅降低了1.82%；在轉向回正過程中的左右油缸產生力矩差的絕對值大于轉向過程的，優化后的機構在整個運動過程中的力矩差的絕對值最大值變小，從67kNm下降到37kNm，降低了43.12%；另外，優化后的左右油缸速度差與原設計相比有很大幅度的降低，從0.01m/s下降到0.005m/s，降低了50%，力矩差與速度差的降低對車輛轉向時的穩定性有了很大的提高。

結束語：可見，經過優化后的轉向機構性能有很大的提升。

基金項目：國家科技支撐計劃（2015BAK06B03） 。