多軸汽車的轉向機構優化設計研究

陳前有+常健

摘 要：隨著我國經濟的發展，對貨車的需求越來越大。多軸汽車作為承重能力良好的貨車，是改善我國貨物運輸的強力工具。本次研究依據阿克曼轉角的幾何原理與前輪定位參數的變化規律使用多目標優化的方法，進行復核加權函數的優化設計，結合多軸汽車車輪轉向的特性，構建數學模型對優化方法進行分析。希望本次研究有利于完善多軸汽車轉向機構的優化設計，縮減研發周期，促進我國多軸汽車的設計與生產。

關鍵詞：多軸汽車；轉向機構；優化設計；研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.217

0 前言

多軸汽車，是指具有較多軸數的載貨汽車，與六軸、五軸的牽引半掛車的區別在于，多軸車是貨箱與車頭固定在一個底盤上的普通貨車。從市場上的情況來看，多軸車盡管具有強大的載重能力，銷量卻非常低，許多車主習慣了駕駛2軸車與3軸車，對4軸車與5軸車等多軸車的質量存有疑慮。強化多軸汽車的性能，對提高車主對多軸車認可度，改變其小車中的狀態，具有重要意義。汽車的轉向性能是保障汽車安全行駛的基本功能，而多軸汽車由于具有車身過長的特點，對轉向機構具有更高的要求。因此，對多軸汽車的轉向機構進行優化設計，是提升多軸汽車性能的關鍵。

1 多軸轉向機構設計原理

轉向機構的設計原理包括阿克曼轉向集合原理與系統性懸架干涉最小化原理。阿克曼幾何差，是指外轉向輪實際轉角與理想狀態下的轉角的差值。汽車以低速率進行轉向時，忽略其輪胎偏角的影響，為保持汽車轉向中保持純滾動，內外的轉向角度應當滿足阿克曼的集合關系。其中需要的數據有外向轉交輪的轉角度，內輪轉角度，內外輪中心延長線與地面交點距離及軸距。汽車轉向時滿足阿克曼集合集合關系的程度代表轉角誤差，用該數據可以對誤差進行驗證。阿克曼轉角的誤差值越小，證明汽車的轉向系統越好，對轉角誤差要求一般小于3度。同時該原理可以計算出汽車最小轉彎的半徑，該數值還可以推出汽車機動性能。

系統性懸架干涉最小化原理，是利用前輪定位參數，保證轉向穩定，防治輪胎受損而設置的。包括前兩輪前束角，外傾角，后傾角等。轉向子系統與懸架子系統，二者是相互獨立的。但是都可以作為整體進行分析，對運動存在干涉。轉向機構的設計就是要最大限度減少干涉，保證兩系統的吻合，控制前輪定位參數在某種范圍變化，可以有效提升轉型系統的穩定性能[1]。

2 多軸轉向優化設計的模型構建

2.1 平面轉向梯形結構模型

汽車在轉彎時，要求汽車前方的兩車抽線相交與后輪的軸線延長線上，這是為了減少輪胎測滑現象，防治輪胎磨損，減小轉向的摩擦力。構建平面梯形結構的數學模型，可以利用函數關系，更清晰的研究出同軸外輪轉角與內輪角變化。建立梯形機構數學模型，可以簡化成平面連桿機構，利用每軸以前軸為例的方法。

計算左輪與由輪的的變化值。

2.2 縱向傳動機構模型

縱向傳動機構中的可根據各軸的實際變化，進行分別獨立計算，每個相鄰的軸作為整體，構建四軸連桿機構。根據一軸二軸的轉向汽車縱向傳動連桿機構，建立二軸、三軸等簡化模型，滿足關系后依照此類方式進行。需要注意的是，各軸轉向節點擊初始叫的賦值為確定值。轉向連桿機構的過度部分形成四邊形結構，確定好第一軸與第二軸之間的角傳動比。保證同側的車輪，圍繞同一個中心作滾動。另外，角速度是關鍵系數，進行傳動臂的長度對比是，首先需要優化角傳動比[2]。

3 多軸轉向梯形的優化設計

3.1 轉向梯形機構優化

轉向梯形機構優化設計包括幾個步驟。第一，對參數進行優化。本次設計中，是要求將轉向梯形方面的梯形角與轉向桿長度作為優化目標。第二，對于目標函數的確立中，需要注意，計算出理論數值與實際的差值后，用其平方積分實現目標函數的理論值，若所得值與目標值相同或者接近，就是達到優化的目的。另外，在優化設計中，具有一定的約束條件。當轉向梯形臂的長度值過小時，會導致轉向拉桿的平均受力加大，阻礙了正常的運動，球頭受到一定程度的磨損，這會引起轉向拉桿與車軸之間發生運動干涉，對汽車的有效穩定操縱造成影響。梯形越接近矩形，與優化的目的函數要求的極小值結果越背離。另外，根據機械原理，梯形四聯拉桿機構傳動角度不能過小，否則會影響實際計算的結果[3]。

3.2 縱向傳動機構優化

縱向傳動機構優化中同樣分為優化參數、目標函數、約束條件等過程。優化參數選擇一軸、二軸的傳動比作為優化變量。在使用理論值與實際差值的積分，越接近目標函數理論值，越能達到優化效果。其中左轉向與右轉向的內側車輪最大轉角，既可以取正值，也可以取得負值。根據以上建立的數學模型，對比其角度的傳動比，觀察是否滿足目標函數關系。在約束條件方面，一般根據統計經驗，定值參數選擇單位值最佳，根據一、二軸的轉角值，可以適當增大[4]。

4 結論

根據相關文獻可知，建立簡單的數學模型，是實現優化方案的前提。在生產、設計多軸汽車時，如果忽視了轉向機構和懸架干涉，就會導致實際的設計、生產中前輪定位參數的浮動很大，影響實際操縱的穩定性。本文針對多軸汽車的轉向機構的優化設計研究，是以多軸轉向機構設計原理入手，結合阿克曼轉向集合原理與系統性懸架干涉最小化原理應用，建立平面轉向梯形結構數學模型與縱向傳動機構模型。最后對兩種模型的進行多軸轉向梯形的優化設計。并提出具體的優化參數與約束條件等。本次的優化結果可以證明構建數學模型的重要性，并且，優化方法也是從相關原理得出，具有合理可行的性質，達到了多軸汽車的轉向機構的優化目的。為我國多軸轉向車輛的生產及設計提供一定的借鑒。

參考文獻：

[1]鮑時超，莫思劍.汽車起重機雙前橋轉向系統的匹配計算及驗證[J].建設機械技術與管理，2016（02）：79-83.

[2]范珍珍.基于油缸鉸接點位置鉸接車轉向機構優化設計[J].機械設計與制造，2016（10）：110-113+117.

作者簡介：陳前有（1988-），男，廣西玉林人，本科，助理工程師，研究方向：轉向系統設計。