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1、矿用汽车转向梯形的设计陈风帆 北京科技大学摘 要：文中采用了传统的计算方法对矿用汽车的转梯形进行了优化。以一定外转角范围内理论内转角和实际内转角差值的绝对值的和为目标函数的终值，利用EXCEL软件编得出了不同梯形底角、梯形臂长下，转过各个外转角时，理论内转角与实际内转角的关系。并在ADAMS中建立了本文设计的转向梯形及原有矿用汽车转向梯形的模型，对两种转向梯形的原地转向过程进行仿真，得到两个转向梯形外轮转角与内轮转角间的关系。关键词：转向梯形，内转角，仿真优化。The Design of Steering Linkage for TruckChen Fengfan University of
2、Science and Technology BeijingAbstract：In the article ,the author used the traditional computational method to carry on the optimization to the mineral product automobile extension trapezoid. Took the certainty outside the corner of a certain theory within the framework of the corner and the actual
3、difference in the absolute value of the corner and as the objective function of the terminal value, using the EXCEL to obtain that under the different trapezoidal angle of dead rise, the trapezoidal reach, when transferred each outside corner, theory inside lock and actual inside lock relations. Acc
4、ording to the objective function, the author determined the steering trapezium parameter after the analysis.The author has established the steering trapezium and the original mineral product motor turning trapezoid model in ADAMS which this article designs. Steering linkage of the two steering the p
5、rocess of in situ simulation, obtained from the two steering trapezoid outer and inner corner of the relationship between rotation angles. Keywords：Steering linkage, Inside corner, Simulation and Optimization1 转向梯形的介绍转向梯形机构用来保证转弯行驶时汽车的车轮均能绕同一瞬时转向中心在不同半径的圆周上作无滑动的纯滚动。同时，为了达到总体布置要求的最小转弯直径值，转向轮应有足够大的转角。
6、为此，转向梯形应保证内、外转向车轮的理想转角关系如式(1)所示。图1是转向梯形示意图：图1转向梯形示意图转向梯形机构分为整体式和分段式两种。整体式用于非独立悬架的转向轮；分段式用于独立悬架的转向轮，本车采用非独立悬架系统，故而使用整体式转向梯形。整体式转向梯形是由转向横拉杆、转向梯形臂、和汽车前轴组成。这种方案的优点是结构简单，调整前束容易，制造成本低；主要缺点是一侧转向轮向上、下跳动时，会影响另一侧转向轮。而分段式转向梯形两转向轮互不影响，结构复杂，制造成本较2 整体式转向梯形机构的优化设计汽车转向行驶时，受弹性轮胎侧偏角的影响所有车轮不是绕位于后轴延长线上的点滚动，而是绕位于前轴和后轴之间
7、的汽车内侧某一点滚动。此点位置与前轮和后轮的侧偏角大小有关。由于影响轮胎侧偏角的因素很多，且难以精确确定，所以以下都是在忽略车轮侧偏角影响的条件下分析有关两轴汽车的转向问题。此时，两转向轮轴线的延长线交在后轴延长线上，如图2。图2内、外车轮转角关系简图设为外侧车轮转角，为内侧车轮转角，为汽车轴距，为两主销中心线延长线到地面交点之间的距离。若要保证全部车轮绕一个瞬时转向中心行驶，梯形机构应保证内、外转向车轮的转角关系为： (1)若自变角为，则应变角的期望函数可以表示为： (2)但是，在实际情况下，转向梯形机构仅能近似满足上式关系。利用图2中各个角度的关系，运用余弦定理可以推算出实际内轮转角为：
8、(3)式中：为梯形臂长。3 目标函数为了减小车轮侧滑，延长轮胎使用寿命，转向机构应使两前轮转角在整个转向过程中尽可能精确的满足式中的关系，即转向梯形结构设计的实质是使转向梯形实际内侧转角和理想内侧转角尽可能的一致。通常矿车80%以上的使用工况的转向轮转角都小于，因此本文在设计和优化时的目标函数就是在度变化范围内，最大的理论外转角与实际外轮转向角的偏差最小化，即 (4)又由于这个偏差在最常用的中间位置附近小转角范围内应尽量小，而在不常用的最大转角附近时则可以适当放宽要求。因此，引入一个加权因子，构成的目标函数为： (5)4 设计变量在传统的转向梯形机构设计中，为了减小转向时横拉杆的轴向力，一般要
9、求转向臂不宜过短，通常取，考虑到空间的布置，梯形臂也不宜过长，取，对于后置的转向梯形机构，为了避免干涉，梯形的底角，因底角越大，梯形就越接近于矩形，则目标函数的值就越大。而设计并优化的过程是取目标函数的最小值，因此不必限制梯形底角的上限，即。由此，本文所进行的设计的梯形机构的常规约束条件是：计算中我选用的约束条件是： (6)5 设计优化过程设计计算的原理就是运用EXCEL软件编辑出公式，得出目标函数的值，然后比较得出相对的最优值，取得最优值时的梯形底角和梯形臂长即为所设计的最终优化结果。在所做的EXCEL中，, 在变化范围内变化，外轮转角从变化到，然后根据式3.2和式3.3分别求出内轮转角的理
10、论值和实际值，进而求出目标函数3.5的值。最后对目标函数的值求和，即为后文所说的目标函数值，从而列出表1。表1是当梯形底角为，梯形臂长为570 mm时，该EXCEL表格所显示数据。MLm夹角外轮转角实际内转角理论内转角目标函数249042505706811.0085862431.0103301480.002615857249042505706822.0346651642.0417385960.010610148249042505706833.078766573.0948504150.024125767249042505706844.141492694.1702855680.0431893182
11、49042505706855.2235273595.2686554090.067692075249042505706866.3256468936.3905587210.097367742249042505706877.4487330527.5365772940.131766363249042505706888.5937885848.7072709940.170223615249042505706899.7619560189.9031723240.21182445924904250570681010.9545405411.124780450.17023991424904250570681112.
12、173038112.372554720.19951661924904250570681213.4191702813.646907610.22773733324904250570681314.6949279714.948197250.25326928924904250570681416.0026267316.276719410.27409267224904250570681517.34497817.632699080.28772108224904250570681618.7251817119.016281820.29110010224904250570681720.1470491920.4275
13、24710.28047551324904250570681821.6151688521.866387310.25121845324904250570681923.1351347623.33272260.19758783424904250570682024.7138696324.826268120.05619924924904250570682126.3600946426.346637540.00672854824904250570682228.0850369927.893312790.09586209824904250570682329.9035403229.465637110.21895160224904250570682431.8358995431.062809190.38654517824904250570682533.9110962632.683878630.6136088164.570269645 根据以上的EXCEL表格更换不同的梯形底角和梯形臂长，就可以得到一些列的目标函数数值，因为梯形底角和臂长都在约束范围内变化，现将底角以为公差，而臂长以30 mm为公差，先大概确定最优解的大致范围，然后在缩小范围，继续进行优化计算。根据以上分析各个底角，臂长取值下的目标函数值为（如表2）：表2初始约束条件下的目标函数值270300330360390420
