某多軸載重汽車轉向橋轉角關系匹配的優化設計

摘要：設計某多軸載重汽車的轉向系統，在ADAMS/VIEW搭建轉向系統虛擬樣機模型并對其進行模擬，得到轉向輪轉角變化曲線。同時與通過阿克曼定理獲得的轉向輪轉角理論值進行比較，分析、優化各轉向橋左右輪以及橋與橋之間的轉角匹配關系，使得轉角模擬值與通過阿克曼定理獲得的轉向輪轉角理論值趨近一致。

關鍵詞：多軸汽車；ADAMS/VIEW；轉角關系匹配

中圖分類號：U463.45"收稿日期：2024-10-17

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2025.01.007

1前言

隨著時代的發展，大噸位、多軸軍車的地位不斷提高，軍用汽車已不僅是支援勤務、保障物資裝備的運輸工具，而且是運載重型裝備的載體，更是現代化機動作戰平臺和武器系統的組成部分[1-2]。作為底盤構成之一的轉向系統，是保障其操縱穩定性與動力性的關鍵因素。多軸車一般有兩個以上的轉向橋，為避免輪胎的側向磨損，減小轉彎直徑，提高復雜路面適應性，在設計轉向傳動機構時應使所有軸的瞬時中心在同一點上。

以某型八軸汽車為例，該車的轉向分為前組轉向與多輪轉向，前組轉向模式為前三軸參與轉向，前組轉向轉彎簡圖如圖1（a）所示；多輪轉向模式為前三軸、后三軸參與轉向，多輪轉向轉彎簡圖如圖1（b）所示。

2載重汽車各轉向軸內外輪理論轉角

2.1前組轉向時各轉向軸內外輪理論轉角計算

為避免汽車在轉向時輪胎的側向磨損，在設計轉向傳動機構時應使所有軸的軸線都在同一點上，這一點被稱為瞬時中心。當汽車為前組轉向時，選取的瞬時中心的軸線為六橋中心線，前組轉向的轉角關系見圖1（a）。根據阿克曼定理，可以得到汽車的理論轉角。

前組轉向時，汽車前三橋的內外輪轉向需滿足以下公式[3-4]：

[cotαi-cotβi=Bi5Li]"""""""""""""""""""""""（1）

式中，B為左右輪主銷延長線與地面交點之間的距離；Li為i橋中心線與i+1橋中心線軸距；αi為i橋外輪轉角；βi為i橋內輪轉角。

并且，前i橋與前i+1橋的內外轉角還需滿足以下公式：

[tanαitanαi+1=tanβitanβi+1=i5Lii+15Li+1]"""""""""""""""""""（2）

由式（1）、式（2）可得前組轉向時前三橋的內外輪理論轉角，如表1所示。

2.2多輪轉向時各轉向軸內外理論轉角計算

當汽車為多輪轉向時，選取的瞬時中心的軸線為4橋中心線，多輪轉向的轉角關系見圖1（b）。根據阿克曼定理，可以得到汽車的理論轉角。

多輪轉向時，汽車前三橋的內外輪轉向同前組轉向前三橋的計算方法。

多輪轉向的后三橋內外輪轉向需滿足以下公式：

[cotγi-cotδi=B4i-1Li-1]""""""""""""""""""""""（3）

式中，γi為i橋外輪轉角；δi為i橋內輪轉角。

并且，前i橋與前i+1橋的內外轉角還需滿足以下公式（后三橋）：

[tanγitanγi+1=tanδitanδi+1=4i-1Li4iLi+1]"""""""""""""""""""（4）

由式（3）、式（4）可得多輪轉向時各軸的內外輪理論轉角，如表2所示。

2.3載重汽車各轉向軸內外理論轉角

由于受到傳統轉向系統機械結構的制約，同一套轉向機械結構帶動車輪轉向，車輪轉彎角度只有唯一值，該車設計的前三橋理論轉角取前組轉向、多輪轉向轉角的平均值。根據表1、表2設計該載重汽車轉向時的理論轉角如表3所示。

2.4載重汽車的最小轉彎直徑

2.4.1最小轉彎直徑的概念

最小轉彎直徑是指方向盤轉到左右轉彎極限位置時，汽車輪胎中心線在平整地面上的軌跡圓直徑中的較大者。

2.4.2最小轉彎直徑的計算

該車要求的最小轉彎直徑≤37m。

載重汽車的最小轉彎直徑由以下公式求得：

[D=L1+L2+L3sinγ+0.268×2+2=35.4（m）lt;37（m）]

故滿足最小轉彎直徑要求。

3轉向系統仿真分析

3.1使用Pro/E測量硬點坐標

硬點是轉向系統仿真模型的重要組成要素之一。在Pro/E三維模型中建立統一坐標系，測量各個硬點的參數值，轉向系統一橋左側的硬點坐標如表4所示，根據硬點坐標在ADAMS中搭建的一橋左側模型如圖2所示。

3.2運用ADAMS搭建虛擬樣機模型

本文仿真載重汽車的前三橋，在ADAMS/VIEW中仿真模型如圖3所示，方法如下：

a.將在Pro/E中測量的硬點參數值輸入ADAMS的TableEditorforpoints中，建立上下橫臂、轉向節、轉向搖臂、橫拉桿、過渡擺臂等各個部件。

b.在ADAMS大地上創建各個轉向輪測試平臺。

c.建立各個Part之間的運動副：建立上下橫臂與橋的球副、轉向節臂與橫拉桿的球副、橫拉桿與轉向擺臂的球副等連接。

d.以轉向擺臂固定點與地面之間的旋轉副創建驅動。

e.創建相關函數測量車輪的左右輪轉角、前輪前束角等曲線。

3.3仿真分析

將一、二、三橋作為整體，在ADAMS模型中以一橋左擺臂固定點與大地之間的旋轉副作為驅動，驅動時間1s、步數100。創建相關的測量函數，調整驅動的輸入值，確定當一橋內輪轉角值為36°時，得到一橋外輪轉角以及二、三橋內外輪轉角相關參數曲線，如圖4～圖9所示。其中圖4為一橋外輪轉角曲線，圖5為二橋內輪轉角曲線，圖6為二橋外輪轉角曲線，圖7為三橋內輪轉角曲線，圖8為三橋外輪轉角曲線，圖9為各橋轉角相對于一橋內輪轉角變化曲線。模擬值與理論值對比見表5。

由表5可以看出，將一、二、三橋作為整體對模型進行模擬，得到的內外輪轉角與理論轉角存在差異。

在ADAMS軟件中，單獨模擬一橋、二橋、三橋，以各橋左擺臂固定點與大地之間的旋轉副作為驅動，驅動時間1s、步數100。

調整驅動的輸入值，模擬當一橋內輪轉角為36°、二橋內輪轉角為30°、三橋內輪轉角為24°時，記錄各橋相對應的外輪轉角值。

創建相關的測量函數，調整驅動的輸入值，模擬當一橋左輪轉角分別為36°、32°、二橋左輪轉角分別為30°、27°、三橋左輪轉角分別為24°、20.5°時，記錄各橋相對應的過渡擺臂固定點旋轉的角度以及此時驅動的輸入值。

單獨模擬一橋時，當左輪轉角為36°時得到右輪轉角度數如圖10所示。當左輪轉角分別為36°、32°時，此時ADAMS設定的一橋擺臂點輸入角度為27.12°、23.72°，一橋過渡擺臂旋轉角度如圖11、圖12所示。

單獨模擬二橋時，當左輪轉角為30°時得到右輪轉角度數如圖13所示。當左輪轉角分別為30°、27°時，此時ADAMS設定的二橋擺臂點輸入角度為29.3°、24.25°，二橋過渡擺臂旋轉角度如圖14、圖15所示。

單獨模擬三橋時，當左輪轉角為24°時得到右輪轉角度數如圖16所示。當左輪轉角分別為24°、20.5°時，此時ADAMS設定的二橋擺臂點輸入角度為14.96°、11.66°，三橋過渡擺臂旋轉角度如圖17、圖18所示。

仿真結果以及模擬值與理論值對比見表6。

由表6可以看出，單獨模擬各橋時，得到的內外輪轉角與理論轉角仍存在差異。

3.4優化模型

斷開式梯形轉向系統影響左右輪轉角關系為中間拉桿的兩個硬點，通過調整中間點的值即可優化最終左右輪的模擬值；影響橋與橋之間的轉角匹配則是過渡擺臂上硬點，調整過渡擺臂硬點值即可優化橋與橋之間的轉角匹配。

運用三維軟件Pro/E優化各橋中間點坐標以及橋與橋之間的過渡擺臂點坐標，在三維軟件Pro/E中，將一橋與二橋的過渡擺臂相關的點投影在其草繪界面中，如圖19所示，其中OA、OB表示過渡擺臂長度，AB表示拉桿長度。通過在Pro/E草繪界面中約束相關條件即可得到優化后的點坐標值，優化結果見表7。

各橋中間點坐標的調整方法與過渡擺臂點坐標的調整方法相同。

將更改后的坐標代入ADAMS的TableEditorforpoints中，重新將一、二、三橋作為整體，模擬虛擬樣機模型，當一橋內輪轉角為36°，得到的一橋外輪轉角為32°，二橋內外輪轉角為30°、27°、三橋內外輪轉角為24°、20.5°。

各橋優化前后結果與理論值對比如表8所示。

從以上結果可以發現優化之后的坐標點使各轉向橋的模擬值與理論值相同，達到了優化的目的。

4結語

本文介紹一種基于ADAMS平臺的八軸汽車轉向系統機械桿系部分的設計方法，該設計方法經過實車驗證，設計可靠。將Pro/E中測量的轉向系統硬點的坐標導入ADAMS表格中，在ADAMS中創建Part，添加約束，施加驅動，建立相關函數測量各轉向橋左右輪轉角，進行仿真模擬；利用Pro/E建立各硬點之間的投影模型，優化過渡擺臂點、中間點的初始位置；優化后模型的模擬轉角值與理論轉角值一致，達到優化的目的，提高了汽車的運動安全性，同時也保障了本長軸距車輛對復雜路面的適應性，減小了輪胎的磨損，增加了輪胎的使用壽命。

參考文獻：

[1]彭莫，周良生，岳驚濤，等.多軸汽車[M].北京：機械工業出版社，2014.

[2]彭莫，刁增祥，姚國平.軍用汽車的發展趨勢[J].軍用汽車，1999（2）：12-14.

[3]朱琳.吉林工業大學汽車教研室.汽車設計[M].北京：機械工業出版社，1981.

[4]朱琳，余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，1981.

作者簡介：

袁梓恒，男，1999年生，助理工程師，研究方向為車輛轉向設計。