基于ＡＤＡＭＳ的汽车后轮转向机构优化设计 陶盛飞 黄妙华 （武汉理工大学汽车工程学院，武汉４３００７０） 【摘要】 为了减小在车轮跳动时后轮转向机构与悬架之间的运动干涉、后轮摆振以及车轮磨损，提出了 通过建立后轮转向机构的动力学虚拟模型。直接以减小转向拉杆和悬架的运动不协调偏差量为目标函数的优 化设计方法，计算后轮在不同转角下的运动偏差量，得到合理的后轮转向机构布置方案，为后轮转向机构的设计 提供一定参考。 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】 Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｒｅａｒ ｗｈｅｅｌ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｍｅｃｈ． ａｎｉｓｍ ａｎｄ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ，ｓｗｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｗｅａｒ ａｎｄ ｔｅａｒ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｒ ｗｈｅｅｌｓ ｗｈｅｎ ｔｈｅｙ ａｒｅ ｍｏｖｉｎｇ ｕｐ ａｎｄ ｄｏｗｎ．Ａ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｒ ｗｈｅｅｌ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｗｈｉｃｈ ｐｕｔｓ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｕｎｃｏｏｒ－ ｄｉｎａｔｅｄ ｍｏｔｉｏｎ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｒｏｄ ａｎｄ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ａｓ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｂｙ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ａ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｖｉｒｔｕａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｒ ｗｈｅｅｌ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅ．Ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｄｅ— ｖｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｒ ｗｈｅｅｌ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｎｇｌｅ ａｎｄ ａ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｌａｙｏｕｔ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｒ ｗｈｅｅ！ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｓ ｇｏｔ．Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｒ ｗｈｅｅｌ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｍｅｃｈａ－ ｎｊｓｍ． 【关键词】 后轮转向机构汽车运动偏差优化设计 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－４５５４．２０１４．０３．０６ 悬架的运动干涉情况，包括空间法和平面法。但 ０ 引言 后轮转向系统是四轮转向商用车的核心技术 是，这些方法无法在动态情况下模拟运动过程，存 在明显的不足。本文基于ＡＤＡＭＳ软件，建立了后 轮转向机构动力学虚拟模型，创新地直接以减小 运动偏差量为目标函数进行优化仿真，研究了优 化前后后轮在不同转角下随着后轮跳动时转向拉 杆和钢板弹簧悬架的运动不协调偏差量的变化， 结合实车试验，结果真实直观。 之一。目前只有前轮转向机构的商用车由于体积 和吨位较大，导致了低速时的机动性和高速转向 时操纵稳定性较差，因此后轮转向系统显得尤为 重要。转向性能的差异主要是由于转向机构的不 同引起的，而转向机构的空间运动规律直接影响 着转向性能。若后轮转向机构布置不合理，则会 导致后轮反复摆振、轮胎异常磨损、制动干涉跑偏 １ 后轮转向机构的初始布置 由于底盘空间的不同，后轮转向机构的布置 以及转向轻便性变差等问题。目前对转向机构的 设计通常单独采用的是作图法来校核转向机构与 与前轮转向机构的布置不同。首先在后桥上方的 收稿日期：２０１３—１２—０９ 上海汽车２０１４．０３ ・２３・ 车架上设计一个横梁来固定动力转向器与转向电 机，其次是确定垂臂的长度和初始摆角。垂臂的 长度可根据后桥上节臂的长度来确定。通常情况 下，后桥上节臂的长度与垂臂的长度之比为０．８～ １．２。确定垂臂的初始摆角时，要保证动力转向器 的分中性。最后确定转向拉杆的长度，可由垂臂 的长度和后桥上节臂的位置而定。由于考虑车轮 的跳动的情况以及横梁的位置，把转向拉杆设计 成弯曲形状。后轮转向机构的初始布置如图１所 示 图１后轮转向机构的结构图 ２ 后轮转向机构的校核 一般单独采用作图法来校核转向机构与悬架 的运动干涉有以下不足。 （１）平面作图法是将转向器垂臂和转向节臂 投影到一个平面上，分析误差较大。 （２）空间作图法虽然建立转向机构的空间模 型，但是只限于静态状态下的校核，有局限性。 （３）无论平面法还是空间法，优化设计时，需 反复作图，精度不高，都不适合对转向机构优化设 计。 另外，工程师将运动偏差转化为垂臂摆角的 大小，在优化时以减小车轮跳动时垂臂摆角的大 小作为目标函数，此方法虽然可以在一定程度上 达到优化目的，但是不能有效直观地反映运动偏 差的变化。 由于以上原因，结合后轮转向机构不同于传 统前轮转向机构的设计方案，本文创新的运用后 ・２４・ 轮转向机构的空间模型来推导运动偏差计算公 式，在ＡＤＡＭＳ软件里直接以此作为目标函数优化 设计后轮转向机构。后轮转向机构与悬架系统运 动干涉分析的空间模型如图２所示。 图２后轮转向机构与悬架运动干涉示意图 Ｉ ＥＦ ｌ、１ Ｅ Ｆ Ｉ为上下跳动时，后转向桥上节臂 与转向拉杆相连的球销中心点Ｂ两种运动轨迹的 偏差量。 ３ 后轮转向机构虚拟样机模型 汽车设计中的虚拟样机技术是以多刚体系统 动力学为理论基础的。假设除了钢板弹簧以外的 各部件都是刚体，即在运动过程不变形；中间轴与 半轴连接成一个构件；各运动副之间的摩擦不计， 部件之间间隙不计。利用机械系统动力学仿真软 件ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ，按照实际整车参数的要求（见表 １），为了简化计算步骤，只建立了主钢板弹簧片的 柔性结构，本文采用离散ＢＥＡＭ梁方法，将每片弹 簧离散为多段刚体，刚体之间通过无质量的铁木 辛柯梁连接，模型板簧刚度为６２．５ ｋｇ／ｍｍ，而实际 板簧刚度为６２．１ ｋｇ／ｍｍ。因此，模型准确度较高。 最后建立了后轮转向机构的虚拟样机模型（如图３ 所示）。 表１后轮转向机构实际结构参数 Ｌ１／ｍｍ Ｌ，／ｍｍ ｒ／ｉｎｔｎ ａ／。 ８４５ ８１５ ２６ ２２５ ２．５ Ｊ／ｍｍ Ｂｏ／。 ｆｄ／ｍｍ ｆｅ／ｍｍ ２７４ ９ １３５ ６５ 上海汽车２０１４．０３ 图３后轮转向机构的虚拟样机图 ４优化仿真分析 建立关键点坐标，将动力转向器位置、垂臂与 转向拉杆的连接点、转向拉杆和后桥上节臂连接 点以及垂臂初始角度、转向节臂初始角度参数化， 根据上述推导公式，直接建立以减少后转向轮在 不同的跳动位置时后转向桥上节臂与转向拉杆相 连的球销中心点Ｂ两种运动轨的偏差量为目标函 数，对后轮转向机构进行优化，结果会更加有效直 观。目标函数为 ｆｆ＝ｒａｉｎ（Ｊ Ｆ ｆ）向上 Ｉ动时 ｔｙ－＿ｍｉｎ（ＩＥ 向下跳动时 式中：ＪＥＦｆ、ｆＥ Ｆ Ｊ为上下跳动时，后转向桥上节 臂与转向拉杆相连的球销中心点 两种运动轨的 偏差量。 为了使得仿真分析结果符合真实客观性，对 模型进行双侧车轮转向平行跳动仿真。仿真时， 令双侧轮胎中心在车辆转向时悬架的主要跳动方 向上下平行跳动范围为一６５一＋１３５ ｍｍ，如图４ 所示。 图４仿真试验台架图 优化后的后轮转向机构中动力转向器位置下 移，垂臂初始角度为１．５。，转向节臂初始角度为 １０．８。。计算优化前后转向拉杆和悬架的运动不 协调偏差量。导出计算数据，拟合曲线如图５。 上海汽车２０１４．０３ 吕 量 Ⅻ酬 堡 褥 ｌ 图５直行时优化前后运动偏差曲线图 由于上述仿真是在车轮转角为０。的情况下进 行的，即直行状态下的仿真结果，所以还得计算车 轮在不同角度工况下的运动偏差量，来验证此优 化方法的合理性。根据实车测量，以右后车轮左 转为例，得到以下结果，如图６、７所示。 ｌ ５ 囊； 菱 ０ 车轮跳动量 图６右后车轮左转１５。时优化前后运动偏差曲线图 七＿七后 塔＿？互明偏爱算／ 明偏茬量 ／ ｌ ， 堡 ｊ 一 ＿ ’ ！捌 一一 图７右后车轮左转２５。时优化前后运动偏差曲线图 由图５可知，得到优化后后轮转向机构运动 偏差量比优化前的值更小，直行时优化前最大运 动偏差量为６．４ ｍｍ，优化后最大运动偏差量为 ４．５ ｍｍ；由图６可知，右后车轮左转ｌ５。时优化前 最大偏差量为６．６ ｍｉｉｌ，优化后最大偏差量为 ４．６ ｍｍ；由图７可知，右后车轮左转２５。时优化前 最大偏差量为６．９ ｍｍ，优化后最大偏差量为 ５．１ ｍｍ。一些国际设计公司将运动偏差控制在 ５ ｍｍ以内，发现当右后车轮转到极限角度时，优化 ・２５・ 后最大偏差量稍大，这是由于垂臂布置时还要把 转向器位置以及垂臂前、后摆角对称性等因素考 虑在内，不能只考虑运动偏差量。但是总体来说， 优化后的布置方案大大减小了后轮转向机构与钢 板弹簧悬架的运动干涉。 通过测量转向拉杆和后桥上节臂连接点上作 用力大小，可以验证优化后的后轮转向机构具有 轻便性，从而表明此方法的合理性。优化前转向 拉杆和垂臂接点作用力最大为３０ ２７０ Ｎ，优化后 转向拉杆和垂臂接点作用力最大为１８ ４６０ Ｎ，显 然优化后加强了后轮转向轻便性，如图８、９所示。 ｌ—匈；ｌ昧线ｌ ＾ ．？ ｛ ｜。 ｆ ／ ／ ７ 图８优化前转向拉杆和垂臂接点作用力 时间／ｓ 图９优化后转向拉杆和垂臂接点作用力 ５ 结语 针对后轮转向机构的独特性，通过建立后轮 转向机构动力学虚拟模型，创新的运用后轮转向 机构的空间模型，直接建立以转向拉杆和悬架的 ・２６・ 运动不协调偏差量为目标函数，进行动力学优化 仿真，得到优化的布置方案。通过研究后轮在不 同转角工况下随着后轮跳动时转向拉杆和钢板弹 簧悬架的运动不协调偏差量的变化以及测量转向 拉杆和垂臂接点作用力来验证优化方法的合理 性，结合实车试验数据，论证了此方法的正确性， 为后轮转向机构的设计提供了一定的参考，同时 对于减小四轮转向汽车转向轮的磨损问题，提高 车辆的操纵稳定性具有重要意义。 参考文献 ［１］符亮．汽车转向机构的特性研究［Ｄ］．重庆：重庆理工 大学，２０１２． ［２］ 《汽车工程手册》编辑委员会．汽车工程手册设计篇 ［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００１． ［３］ 廖丹．重型汽车双前桥转向系统的优化设计及仿真研 究［Ｄ］．长沙：湖南大学，２００２． ［４］ 王阳阳，靳晓雄，张代胜．双前桥转向机构优化设计方 法研究［Ｊ］．汽车工程，２００６，２８（６）：５７４ ５７７． ［５］ 李志魁，王建宇，温圣灼．某自卸车转向与悬架干涉的 ＡＤＡＭＳ校核和优化设计［Ｊ］．设计・计算・研究，２０１２（２）：３０－ ３４． ［６］赵韩，钱德猛，魏映．基于ＡＤＡＭＳ的车辆空气悬架一转 向机构的运动学仿真［Ｊ］．机械科学与技术，２００５，２４（４）：４８８— ４９０． ［７］ 孙荣军，钱晓．几种客车悬架与转向传动装置的运动校 核［Ｊ］．客车技术与研究，２００６（６）：２６－２８． 上海汽车２０１４．０３
