（車輛工程專業(yè)論文）重型汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)方法研究.pdf

摘要 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)連續(xù)多年的快速發(fā)展，載貨汽車市場(chǎng)迅速發(fā)展，而重型載貨汽 車是載貨汽車發(fā)展的主要方向。重型載貨汽車由于具有運(yùn)輸效率高、運(yùn)輸成本低 的特點(diǎn)，逐漸成為公路運(yùn)輸?shù)氖走x，重型載貨汽車的生產(chǎn)與丌發(fā)成為國(guó)內(nèi)載貨汽 車生產(chǎn)廠家競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。 本文以重型汽車為研究對(duì)象，首先介紹了汽車轉(zhuǎn)向系的類型、組成和發(fā)展。 基于對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的技術(shù)分析和轉(zhuǎn)向性能的評(píng)價(jià)進(jìn)行了闡述，研究了轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)學(xué)特性計(jì)算分析方法、動(dòng)力轉(zhuǎn)向器匹配計(jì)算方法、懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性 計(jì)算分析方法等。還介紹了在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的選型方法，另 外還針對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器匹配及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)匹配問題做了進(jìn)一步的研究，對(duì) 重型汽車匹配兩種動(dòng)力轉(zhuǎn)向器時(shí)車輛的轉(zhuǎn)向盤力和力矩梯度進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)兩 種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)匹配方案進(jìn)行了整車性能的仿真研究。另外還介紹了 a d a m s 仿真軟件的特點(diǎn)和功能，綜述了利用a d a m s c a r 模塊進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分 析的理論基礎(chǔ)和分析過程。并建立了整體的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng) 學(xué)動(dòng)力學(xué)仿真，在此基礎(chǔ)上對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)。該課題的研究為重型汽 車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了更加科學(xué)的方法，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，有效地縮短了 汽車研發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，對(duì)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量探索了新的途徑。 關(guān)鍵詞：重型汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向性能分析 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a ie c o n o m yc o n t i n u o u s l yi nm a n y y e a r s ，t h et r u c km a r k e td e v e l o p sf a s t a n dt h eh e a v y d u t yv e h i c l ei st h em a i n d i r e c t i o no ft r u c kd e v e l o p m e n t t h eh e a v y - d u t yv e h i c l eh a sm a n ys t r o n g p o i n t s s u c ha sh i g he f f i c i e n c y ，i o wc o s t ，a n ds oo n s oi tg r a d u a l l yb e c o m e st h ef i r s t c h o i c eo ft r a n s p o r t a t i o n t h ep r o d u c t i o na n dr e s e a r c ho ft h eh e a v y d u t v v e h i c l ea r ec o m p e t i t i o nf o c a ip o i n ti nd o m e s t i cc o r p o r a t i o n s i nt h i sp a p e r ，t a k i n gh e a v y - d u t yv e h i c l ea st h er e s e a r c ho b j e c t ，f i r s t i n t r o d u c e dt h et y p e c o m p o s i t i o na n d d e v e l o p m e n t o ft h ea u t o m o t i v e s t e e r i n g - s y s t e m t h r o u g ha n a l y z e d t h e s t e e r i n g - s y s t e m s t r u c t u r ea n d a p p r a i s e dt h es t e e r i n gp e r f o r m a n c e ，i th a sr e s e a r c h e dc o m p u t a t i o n a la n a l y s i s m e t h o d so ft h es t e e r i n g - s y s t e mk i n e m a t i c sc h a r a c t e r ，s u i t e dc o m p u t a t i o n m e t h o d so ft h ep o w e rr e d i r e c t o r s ，c o m p u t a t i o n a l a n a l y s i s m e t h o d so f m o v e m e n tc o o r d i n a t i o no ft h es u s p e n s i o ns y s t e ma n dt h es t e e r i n g s y s t e m a n ds oo n i ta l s oi n t r o d u c e ds e l e c t i n gm e t h o d so ft h ep o w e rr e d i r e c t o r si nt h e s t e e r i n g s y s t e md e s i g n m o r e o v e ri ta l s od i dt h ef u r t h e rr e s e a r c ho nt h ep o w e r r e d i r e c t o r sm a t c h i n ga n dc o o r d i n a t i o np r o b l e mo ft h es u s p e n s i o ns y s t e ma n d t h es t e e r i n g s y s t e m c a l c u l a t e d s t e e r i n gw h e e is t r e n g t h a n dm o m e n t a i g r a d i e n tw h e nt h eh e a v y - d u t yv e h i c l em a t c h e dt w ok i n do fp o w e rr e d i r e c t o r s d i de n t i r ev e h i c l ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o nr e s e a r c ho nt w om a t c h i n gs c h e m e s o ft h es u s p e n s i o ns y s t e ma n dt h es t e e r i n g s y s t e m m o r e o v e rt h i sp a p e ra l s o i n t r o d u c e dt h ec h a r a c t e ra n df u n c t i o no fa d a m ss i m u l a t i o n s o f t w a r e ， s u m m a r i z e dt h er a t i o n a l ea n dp r o c e s so ft h ed y n a m i c ss i m u l a t i o na n a l y s i sb y u s i n gt h ea d a m s c a rm o d u l e a n di te s t a b l i s h e dt h ew h o l es t e e r i n g s y s t e m m o d e l ，d i dt h ek i n e m a t i c s ，d y n a m i c ss i m u l a t i o n so nt h es t e e r i n g s y s t e m ， c a r r i e do np r e l i m i n a r ya p p r a i s a ii nt h i ss i m u l a t i o n sf o u n d a t i o n t h i st o p i c r e s e a r c hh a s p r o v i d e d am o r es c i e n t i f i cm e t h o df o rt h e d e s i g n a n d d e v e l o p m e n to ft h eh e a v y d u t yv e h i c l es t e e r i n g s y s t e m i m p r o v e dt h ed e s i g n q u a l i t y ，e f f e c t i v e l ys h o r t e n e dt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp e r i o d s ，r e d u c e d t h ed e v e l o p m e n tc o s t 1 th a se x p l o r e dt h en e ww a yt oe n h a n c e dt h ep r o d u c t d e s i g na n dt h em a n u f a c t u r eq u a l i t y k e yw o r d s ：h e a v y 。d u t yv e h i c l e ，s t e e r i n g - s y s t e m ，p o w e rs t e e r i n g p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 問題的提出 第1 章緒論 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)連續(xù)多年的高速發(fā)展，尤其是國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入的逐年 加大，使得重型汽車的生產(chǎn)在近年來呈現(xiàn)了爆發(fā)式發(fā)展。而重型載貨汽車由于具 有運(yùn)輸效率高、運(yùn)輸成本低的特點(diǎn)，逐漸成為公路運(yùn)輸?shù)氖走x。2 0 0 2 年重型卡車 市場(chǎng)為2 4 5 萬輛，中型卡車市場(chǎng)為1 6 5 萬輛，重型卡車占整體市場(chǎng)的比例為6 0 ， 重型載貨汽車的生產(chǎn)與開發(fā)成為國(guó)內(nèi)載貨汽車生產(chǎn)廠家競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。汽車技術(shù)的 進(jìn)步和人民生活水平的進(jìn)一步提高，使載貨汽車用戶對(duì)車輛的性能水平要求越來 越高，而越來越大的競(jìng)爭(zhēng)壓力使整車廠家的產(chǎn)品開發(fā)周期不斷縮短。如何使車輛 開發(fā)各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方案都得到充分的分析與篩選，使其性能得到有效控制，以 保障在限定的周期內(nèi)開發(fā)出性能優(yōu)越的汽車產(chǎn)品，已成為重型載貨汽車產(chǎn)品研發(fā) 部門所關(guān)注的重要課題。 由于汽車保有量的增加和社會(huì)生活汽車化而造成交通錯(cuò)綜復(fù)雜，使轉(zhuǎn)向盤的 操作頻率增大，這就要求減輕駕駛疲勞。在汽車向輕便靈活、容易駕駛的方向發(fā) 展的同時(shí)，對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的需求也提到日程上來。要求其成本低，性能方面能 適應(yīng)車速變化，實(shí)現(xiàn)變特性的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，并且可以與不同類型的重型汽車相適 應(yīng)、相匹配。 重型載貨汽車和其它車輛相比具有些顯著的特點(diǎn)，為保障重型載貨汽車良 好的轉(zhuǎn)向性能，必須對(duì)這些特點(diǎn)及由此引發(fā)的問題進(jìn)行專門的研究。按照g b 1 5 8 9 2 0 0 4 “道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值”的要求，每側(cè)單輪胎的車軸 軸荷限值為7 噸，6 4 載貨車的設(shè)計(jì)軸荷之和可達(dá)3 0 噸，車長(zhǎng)可達(dá)1 2 m ，鉸接 式列車的車長(zhǎng)可至1 6 5 m 。同時(shí)，g b7 2 5 8 2 0 0 4 “機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件”要 求車輛必須能夠通過外徑2 5 m 內(nèi)徑1 0 6 m 的通道。另外，載貨汽車公路運(yùn)輸?shù)?高速化發(fā)展趨勢(shì)也已是不爭(zhēng)的事實(shí)，尤其國(guó)家于2 0 0 4 年5 月開始的治理公路運(yùn) 輸車輛超限超載專項(xiàng)工作的開展，使以提高行駛速度來帶動(dòng)運(yùn)輸效率的提高成為 載貨汽車設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。高的運(yùn)輸速度對(duì)車輛的操縱性與穩(wěn)定性提出了更高的 要求。 為在法規(guī)允許的情況下盡可能提高車輛的運(yùn)輸能力，重型車的設(shè)計(jì)軸荷及外 廓尺寸基本接近法規(guī)的限值。對(duì)于轉(zhuǎn)向軸，7 噸的軸荷使動(dòng)力轉(zhuǎn)向器成為必選的 配置，如何合理匹配動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，提高車輛的轉(zhuǎn)向能力并保持操縱路感值得進(jìn)行 進(jìn)一步的研究。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車輛轉(zhuǎn)彎能力的要求，給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了新的 第1 頁 武漢理上大學(xué)碩七學(xué)位論文 課題。對(duì)于長(zhǎng)軸距的汽車，必須通過增加轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角才能提高其轉(zhuǎn)彎能力。對(duì)于 載貨車慣常采用的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，大的轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)很容易造成轉(zhuǎn)向輪與周邊部件干 涉及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)卡死、左右轉(zhuǎn)向不對(duì)稱等后果。因此，必須建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 的輔助分析方法，提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力和水平。 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能和整車及其它總成、系統(tǒng)的性能息息相關(guān)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一 個(gè)環(huán)節(jié)都需要考慮整車及其它總成的性能。首先，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)整車所 要求的車輪轉(zhuǎn)角，這為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及動(dòng)力轉(zhuǎn)向器匹配提出了基本要求。其次， 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和懸架系統(tǒng)必須有協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，這就對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了附加 的要求。這兩項(xiàng)要求基本可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面進(jìn)行分析解決，而和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān) 的行駛穩(wěn)定性及行駛路感則必須在整車層面進(jìn)行計(jì)算分析。 綜上所述，隨著我國(guó)重型載貨汽車的發(fā)展，新的問題及要求不斷涌現(xiàn)，在車 輛設(shè)計(jì)與開發(fā)領(lǐng)域尚存在很多的問題需要研究和解決，如何使基礎(chǔ)研究與產(chǎn)品設(shè) 計(jì)實(shí)踐緊密結(jié)合，將研究成果最大限度地應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)過程，不斷提高重型載 貨汽車的性能水平是擺在汽車產(chǎn)品研究與開發(fā)人員面前的重要課題。 1 2 汽車轉(zhuǎn)向系的類型和組成 汽車在行駛過程中，需按駕駛員的意志經(jīng)常改變其行駛方向，即所謂汽車轉(zhuǎn) 向。就輪式汽車而言，實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向的方法是，駕駛員通過一套專設(shè)的機(jī)構(gòu)，使 汽車轉(zhuǎn)向橋( 一般是前橋) 上的車輪( 轉(zhuǎn)向輪) 相對(duì)于汽車縱軸線偏轉(zhuǎn)一定角度。在 汽車直線行駛時(shí)，往往轉(zhuǎn)向輪也會(huì)受到路面例向干擾力的作用，自動(dòng)偏轉(zhuǎn)而改變 行駛方向。此時(shí)，駕駛員也可以利用這套機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪向相反的方向偏轉(zhuǎn)，從而 使汽車恢復(fù)原來的行駛方向。這一套用來改變或恢復(fù)汽車行駛方向的專設(shè)機(jī)構(gòu)， 即稱為汽車轉(zhuǎn)向系，如圖1 - 1 是某重型汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。因此，汽車轉(zhuǎn)向系的功 用是，保證汽車能按駕駛員的意志而進(jìn)行轉(zhuǎn)向行駛。 汽車轉(zhuǎn)向系可按轉(zhuǎn)向能源的不同分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系和動(dòng)力轉(zhuǎn)向系兩大類。機(jī)械 式轉(zhuǎn)向器由轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。按照轉(zhuǎn)向器的 不同形式可分為循環(huán)球式、齒輪齒條式、蝸桿曲柄指銷式等轉(zhuǎn)向器。不同的轉(zhuǎn)向 器有著不同的特點(diǎn)應(yīng)用于不同的汽車上。其中小轎車上常用的是齒輪齒條式的轉(zhuǎn) 向器。在本文的后面分析中，就是以這種轉(zhuǎn)向器來做分析的。動(dòng)力式按照加力裝 置的不同可以分為液壓助力式、氣壓助力式和電動(dòng)助力式三種。氣壓助力式主要 應(yīng)用于一部分其前軸最大軸載質(zhì)量為3 7 t 并采用氣壓制動(dòng)系的貨車和客車上。 由于氣壓系統(tǒng)的工作壓力較低( 一般不高于0 7 m p a ) ，使得其部件的尺寸比較龐 大；同時(shí)壓縮空氣工作時(shí)的噪聲和滯后性使得這種助力方式的轉(zhuǎn)向器只配置在極 少一部分車輛上。相比之下，液壓助力式的轉(zhuǎn)向器成了當(dāng)今汽車助力轉(zhuǎn)向器的主 第2 貞 武漢理工夫?qū)W碩士學(xué)位論文 流。液壓助力轉(zhuǎn)向器按照動(dòng)力源還可分為機(jī)械油泵液壓助力轉(zhuǎn)向器和電動(dòng)油泵助 力轉(zhuǎn)向器兩種形式。本文研究的是第二種助力形式電動(dòng)油泵助力轉(zhuǎn)向器。 轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 圖1 - 1 汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 1 2 1 機(jī)械轉(zhuǎn)向系 機(jī)械轉(zhuǎn)向系以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源，其中所有傳力件都是機(jī)械的。機(jī) 械轉(zhuǎn)向系由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。 圖1 2 所示為機(jī)械轉(zhuǎn)向系的組成和布置示意圖。當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員對(duì)轉(zhuǎn) 向盤1 施加一個(gè)轉(zhuǎn)向力矩。該力矩通過轉(zhuǎn)向軸2 、轉(zhuǎn)向萬向節(jié)3 和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸4 輸入轉(zhuǎn)向器5 。經(jīng)轉(zhuǎn)向器放大后的力矩和減速后的運(yùn)動(dòng)傳到轉(zhuǎn)向搖臂6 ，再經(jīng)過 轉(zhuǎn)向直拉桿7 傳給固定于左轉(zhuǎn)向節(jié)9 上的轉(zhuǎn)向節(jié)臂8 ，使左轉(zhuǎn)向節(jié)和它所支承的 左轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)。為使右轉(zhuǎn)向節(jié)1 3 及其支承的右轉(zhuǎn)向輪隨之偏轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，還設(shè) 置7 轉(zhuǎn)向梯形。轉(zhuǎn)向梯形由固定在左、右轉(zhuǎn)向節(jié)上的梯形臂1 0 、1 2 和兩端與梯 形臂作球鉸鏈連接的轉(zhuǎn)向橫拉桿1 i 組成。 從轉(zhuǎn)向盤到轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸這一系列部件和零件，均屬于轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)。出轉(zhuǎn)向 搖臂至轉(zhuǎn)向梯形這一系列部件和零件f 不含轉(zhuǎn)向節(jié)) ，均屬于轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。 目前，許多國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的新車型在轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)中采用了月向傳動(dòng)裝置( 轉(zhuǎn) 第3 負(fù) 銷 拋 躺 蝴 橢 鋤 蝻 電 士j 文 i 薹 掀 虱 瑚 條 刻 躲 液 輪 惑 齜 撼 球 瓢 稍 氣 埔 操 式 黼 撇 艨 柳 功 棚、，b 武漢理上大學(xué)碩士學(xué)位論文 向萬向節(jié)和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸) 。這有助于轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器等部件和組件的通用化和系 列化。只要適當(dāng)改變轉(zhuǎn)向萬向傳動(dòng)裝冕的幾何參數(shù)，便可滿足各種變型車的總布 置要求。即使在轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向器同軸線的情況下，其間也可采用萬向傳動(dòng)裝置， 以補(bǔ)償由于部件在車上的安裝誤差和安裝基體( 駕駛室、車架) 的變形所造成的二 者軸線實(shí)際上的不重合。 i i 圖1 2 機(jī)械轉(zhuǎn)向系示意圖 1 轉(zhuǎn)向盤；2 - 轉(zhuǎn)向軸；3 轉(zhuǎn)向萬向節(jié)：4 。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸；5 轉(zhuǎn)向器 6 轉(zhuǎn)向搖臂：7 轉(zhuǎn)向直拉桿；8 轉(zhuǎn)向節(jié)臂：9 左轉(zhuǎn)向節(jié)； 1 0 、1 2 梯形臂：1 1 - 轉(zhuǎn)向橫拉桿；1 3 一右轉(zhuǎn)向節(jié) 轉(zhuǎn)向盤在駕駛室安放的位置與各國(guó)交通法規(guī)規(guī)定車輛靠道路左側(cè)還是右側(cè) 通行有關(guān)。包括我國(guó)在內(nèi)的大多數(shù)國(guó)家規(guī)定車輛右側(cè)通行，相應(yīng)地應(yīng)將轉(zhuǎn)向盤安 置在駕駛室左側(cè)。這樣，駕駛員的左方視野較廣闊，有利于兩車安全交會(huì)。相反， 在一些規(guī)定車輛靠左側(cè)通行的國(guó)家和地區(qū)使用的汽車上，轉(zhuǎn)向盤則應(yīng)安置在駕駛 室右側(cè)。 1 2 2 動(dòng)力轉(zhuǎn)向系 動(dòng)力轉(zhuǎn)向系是兼用駕駛員體力和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力為轉(zhuǎn)向能源的轉(zhuǎn)向系。在正常情 況下，汽車轉(zhuǎn)向所需的能量，只有- j , 部分由駕駛員提供，而大部分是由發(fā)動(dòng)機(jī) 通過動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置提供的。但在動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置失效時(shí)，般還應(yīng)當(dāng)能由駕駛員獨(dú) 立承擔(dān)汽車轉(zhuǎn)向任務(wù)。因此，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系是在機(jī)械轉(zhuǎn)向系的基礎(chǔ)上加設(shè)一套動(dòng)力 轉(zhuǎn)向裝置而形成的。 對(duì)最大總質(zhì)量在5 g t 以上的重型汽車而言，一旦動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝罨失效，駕駛員 通過機(jī)械傳動(dòng)系加于轉(zhuǎn)向節(jié)的力遠(yuǎn)不足以使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。故這種汽車 的動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置應(yīng)當(dāng)特別可靠。 圖1 3 為種液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系的組成和液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置的管路布置示意 圖。其中屬于動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝鼉的部件是：轉(zhuǎn)向油罐、轉(zhuǎn)向油泵、轉(zhuǎn)向控制閥和轉(zhuǎn)向 第4 負(fù) 武漢理t 大學(xué)碩士學(xué)位論文 動(dòng)力缸。當(dāng)駕駛員逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤( 左轉(zhuǎn)向) 時(shí)，轉(zhuǎn)向搖臂帶動(dòng)轉(zhuǎn)向直拉桿前移。 直拉桿的拉力作用于轉(zhuǎn)向節(jié)臂，并依次傳到梯形臂和轉(zhuǎn)向橫拉桿，使之右移。與 此同時(shí)，轉(zhuǎn)向直拉桿還帶動(dòng)轉(zhuǎn)向控制閥中的滑潤(rùn)，使轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的右腔接通液面 壓力為零的轉(zhuǎn)向油罐。轉(zhuǎn)向油泵的高壓油進(jìn)入轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的左腔，于是轉(zhuǎn)向動(dòng)力 缸的活塞上受到向右的液壓作用力便經(jīng)推桿施加在轉(zhuǎn)向橫拉桿上，也使之右移。 這樣，駕駛員施于轉(zhuǎn)向盤上很小的轉(zhuǎn)向力矩，便可克服地面作用于轉(zhuǎn)向輪上的轉(zhuǎn) 向阻力矩。 圖1 - 3 動(dòng)力轉(zhuǎn)向系示意圖 旃5 貞 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展 汽車轉(zhuǎn)向一直存在著“輕”與“靈”的矛盾。盡管，人們采用了變速比轉(zhuǎn)向 器等手段，但始終不能從根本上解決這矛盾。在2 0 世紀(jì)5 0 年代初出現(xiàn)了液壓動(dòng) 力轉(zhuǎn)向技術(shù)，比較好地緩解了“輕”與靈”的矛盾，符合人們對(duì)轉(zhuǎn)向輕便性更 高的要求，在保證其他性能的條件下，能大大降低轉(zhuǎn)向盤上的手力，特別是原地 轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向盤上的手力。 1 3 1 傳統(tǒng)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向 液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向首先是在重型車輛上得到發(fā)展的，隨著當(dāng)時(shí)汽車裝載質(zhì)量和整 備質(zhì)量的增加，在轉(zhuǎn)向過程中所需克服的前輪轉(zhuǎn)向阻力矩也隨之增加，從而要求 加大作用在轉(zhuǎn)向盤上的轉(zhuǎn)向力，使駕駛員感到“轉(zhuǎn)向沉重”。當(dāng)前軸負(fù)荷增加到 菜數(shù)值后，靠人力轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪就很吃力。為使駕駛員操縱輕便和提高車輛的機(jī) 動(dòng)性，最有效的方法就是在汽車轉(zhuǎn)向系中加裝轉(zhuǎn)向助力裝置，借助于汽車發(fā)動(dòng)機(jī) 的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)油泵、空氣壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)等，以液力、氣力或電力增大駕駛員操縱 前輪轉(zhuǎn)向的力矩。使駕駛員可以輕便靈活地操縱汽車轉(zhuǎn)向，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提 高了行駛安全性。液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)除了傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向器以外，尚需增加控制 閥、動(dòng)力缸、油泵、油罐和管路等。轎車對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向的要求與重型車輛不完全相 同。比如重型車輛對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)噪聲的要求較低，轎車則對(duì)噪聲要求很高，轎 車還要求裝用的轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要更簡(jiǎn)單、尺寸更小、成本更低等。但是重型車 輛動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展無疑為轎車動(dòng)力轉(zhuǎn)向技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。 開始階段液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向的控制閥采用滑閥式，即控制閥中的閥以軸向移動(dòng)來 控制油路?；y式控制閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)工藝性好，操縱方便，宜于布置，使用 性能較好。但是滑閥靈敏度不夠高，后來逐漸被轉(zhuǎn)閥代替。 2 0 世紀(jì)5 0 年代末沙基諾發(fā)明了轉(zhuǎn)閥式液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向，即控制閥中的閥芯以旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來控制油路。與滑閥相比，轉(zhuǎn)閥的靈敏度高、密封件少、結(jié)構(gòu)比較先進(jìn)。 雖然由于轉(zhuǎn)閥利用扭桿彈簧來使閥回位，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，特別是對(duì)扭桿的材質(zhì)和熱 處理工藝要求較高。但是其性能相對(duì)于滑閥有很大改進(jìn)，達(dá)到令人滿意的程度， 并且在齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器中布置轉(zhuǎn)閥比較容易，目前在轎車及大部分重型汽車上 的液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向采用的均是轉(zhuǎn)閥式控制閥。 在重型汽車上裝備液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)： ( 1 ) 減小駕駛員的疲勞強(qiáng)度。動(dòng)力轉(zhuǎn)向可以減小作用在轉(zhuǎn)向盤上的力，提高 轉(zhuǎn)向輕便性。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 2 ) 提高轉(zhuǎn)向靈敏度。可以比較自由地根據(jù)操縱穩(wěn)定性要求選擇轉(zhuǎn)向器傳動(dòng) 比，不會(huì)受到轉(zhuǎn)向力的制約。允許轉(zhuǎn)向車輪承受更大的負(fù)荷，不會(huì)引起轉(zhuǎn)向沉重 問題。 ( 3 ) 衰減道路沖擊，提高行駛安全性。液壓系統(tǒng)的阻尼作用可以衰減道路不 平度對(duì)轉(zhuǎn)向盤的沖擊；另一方面，當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，如果發(fā)生爆胎，將導(dǎo)致汽 車轉(zhuǎn)向盤難以把握，應(yīng)用動(dòng)力轉(zhuǎn)向可以使駕駛員較容易把握轉(zhuǎn)向盤。 同時(shí)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也有不足： ( 1 ) 選定參數(shù)完成設(shè)計(jì)之后，助力特性就確定了，不能再進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制。 因此協(xié)調(diào)輕便性與路感的關(guān)系困難。低速轉(zhuǎn)向力小時(shí)，高速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向力往往過 輕、“路感”差，甚至感覺汽車發(fā)“飄”，從而影晌操縱穩(wěn)定性；而按高速性能 要求設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)，低速時(shí)轉(zhuǎn)向力往往過大。 ( 2 1 即使在不轉(zhuǎn)向時(shí)，油泵也一直運(yùn)轉(zhuǎn)，增加了能量消耗。 ( 3 1 存在滲油與維護(hù)問題，提高了保修成本，泄漏的液壓油會(huì)對(duì)環(huán)境造成污 染。 黻 j 挈 通x i 劂5 緲 窿州膩 斛| 叫t q 產(chǎn) 繁 ；| 睜i 蘑妒 i 缸d 遵平 側(cè)痞毒卜、i | 、卜、 島q 酷吖 1 弋 圖4 - 1 t a s 系列應(yīng)用實(shí)例 4 1 2 配套的轉(zhuǎn)向油泵對(duì)選型的影響 選擇各種動(dòng)力轉(zhuǎn)向器型號(hào)時(shí)，必須考慮與之配套的轉(zhuǎn)向油泵是否適用。 f 1 、配套的轉(zhuǎn)向油泵的工作壓力必須滿足動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的要求。如果所配轉(zhuǎn)向 油泵工作壓力低于動(dòng)力轉(zhuǎn)向器要求。則應(yīng)考慮選擇大一個(gè)檔的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，增大 缸徑尺寸以滿足輸出力矩的要求。 配套的轉(zhuǎn)向油泵應(yīng)考慮到計(jì)算所得實(shí)際需要流量。油泵的流量不夠會(huì)出 現(xiàn)明顯的加力滯后現(xiàn)象，給駕駛員以沉重的感覺a 在滿足輸出力矩情況下可考慮 選用d , - 擋的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器。 4 1 3 根據(jù)整車布置的需要選型 整車佰簧不同所選擇的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)也不同，所以動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的選型必 第3 8 頁 武漢理工人學(xué)碩士學(xué)位論文 須綜合各方面因素考慮。 ( 1 ) 轉(zhuǎn)向器對(duì)整車來講是左置還是右置，相對(duì)轉(zhuǎn)向器支架轉(zhuǎn)向器輸出朝左還 是朝右固定，都會(huì)使所選動(dòng)力轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)有很大變化。一是要確定輸出軸相對(duì)轉(zhuǎn) 向軸向左還是向右伸出，會(huì)轉(zhuǎn)向器殼體帶來相應(yīng)變化。二是要注意輸出軸安裝方 向和輸出軸擺動(dòng)方向給螺桿螺母滾道螺旋線方向帶來的變化。 ( 2 ) 對(duì)于整體式動(dòng)力轉(zhuǎn)向器來說，由于內(nèi)部閥的長(zhǎng)度不同，活塞密封部位布 置在上部還是下部，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向器輸入端到輸出軸軸線的距離有長(zhǎng)有短，所以選型 時(shí)要根據(jù)布置需要選擇。如前翻駕駛室就需要轉(zhuǎn)向器立置，上端要求短才好布置。 ( 3 】根據(jù)布置的特殊要求，轉(zhuǎn)向器還有臥景的要求。對(duì)于前懸較長(zhǎng)的汽車， 轉(zhuǎn)向器如果布置在車架前端，導(dǎo)致直拉桿太長(zhǎng)，但是轉(zhuǎn)向軸還必須從前端引出。 此時(shí)，一般可以采用直角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加臥置轉(zhuǎn)向器的方法，如圖4 2 所示。既可以 保證轉(zhuǎn)向軸仍定位于車架前端，又可以保證直拉桿長(zhǎng)度較短，形狀簡(jiǎn)單，不與輪 胎干涉。這種臥置轉(zhuǎn)向器選型時(shí)要特別注意螺桿螺母滾道的螺旋方向。 圖4 - 2 臥罱布置的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器 4 1 4 特種車輛動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的選型 對(duì)于特種車輛，如雙前橋轉(zhuǎn)向或非公路使用的重型汽車( 前軸負(fù)荷超過8 t ) ， 必須采取特殊措施解決轉(zhuǎn)向阻力增大帶來的系列問題。 對(duì)于這樣一類特種車輛，可以根據(jù)不同車型采用不同動(dòng)力助力方式。 對(duì)于單前軸轉(zhuǎn)向的車型，前軸負(fù)荷超過7 5 8 t 時(shí)，因?yàn)榍拜S負(fù)荷過重，必須 采取個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器輔加一個(gè)助力缸的方法，這樣才能保證動(dòng)力助力所需的推 力。動(dòng)力轉(zhuǎn)向器布置在左側(cè)，輔助油缸布置在右側(cè)，如圖4 3a ) 所示，二者靠梯 形機(jī)構(gòu)連接保證運(yùn)動(dòng)關(guān)系。 對(duì)于雙前軸轉(zhuǎn)向的車型，由十采用兩個(gè)前軸，轉(zhuǎn)向助力增加一倍，可以采用 第3 9 頁 武漢理上大學(xué)碩士學(xué)位論文 個(gè)大動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，一個(gè)大的輔助油缸，也可以采用一個(gè)小一些的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器， 則需要采用三個(gè)小一些的輔助油缸。對(duì)于前者動(dòng)力轉(zhuǎn)向器布置在左前輪位置，輔 助油缸布置在第二軸左輪位置，二者用直拉桿按轉(zhuǎn)向幾何學(xué)原理將其連接實(shí)現(xiàn)聯(lián) 動(dòng)。對(duì)于后者動(dòng)力轉(zhuǎn)向器布置在左前輪位置，輔助油缸分別布置在右前輪，第二 軸左右輪位置各一個(gè)，如圖4 3 所示。各軸左右車輪直接靠梯形機(jī)構(gòu)控制運(yùn)動(dòng) 關(guān)系，一、二軸之間靠專門設(shè)計(jì)的直拉桿系連接以保證運(yùn)動(dòng)關(guān)系，這種雙前橋直 拉桿系的設(shè)計(jì)要嚴(yán)格按照轉(zhuǎn)向幾何學(xué)原理設(shè)計(jì)。輔助油缸可以是軸向活塞式油 缸，也可以是擺動(dòng)油缸。也就是利用動(dòng)力轉(zhuǎn)向器本身，將其控制閥部分去掉，改 造成擺動(dòng)油缸。這種方法可以簡(jiǎn)化桿系，提高了部件通用性，減少零部件品種， 有利于提高生產(chǎn)效率。如圖4 3c ) 某8 4 車型，總重3 8 t ，就是采用一機(jī)三缸方 式，輔助油缸采用動(dòng)力轉(zhuǎn)向器改造成擺動(dòng)式油缸的方式。該車的轉(zhuǎn)向器支架通用， 直拉桿通用，轉(zhuǎn)向器( 除轉(zhuǎn)向閥外) 通用。增加油缸后應(yīng)重點(diǎn)考慮控制閥的油道通 徑要大，要增加油泵的流量，不可因?yàn)榱髁吭龃笤黾娱y本身的壓力損失，影響系 統(tǒng)的空載壓力。 圖4 - 3 各種特種車輛的轉(zhuǎn)向桿 4 2 動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的靜特性 良好的轉(zhuǎn)向路感是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)的一個(gè)重要目標(biāo)，良好的路感是優(yōu)良的 操縱穩(wěn)定性中不可缺少的部分。在車輛行駛中，駕駛者接受各種信息，但最重要 的信息是來自轉(zhuǎn)向盤反饋給駕駛者的路感。轉(zhuǎn)向盤力矩，由于體力的原因不能太 大，而在高速時(shí)為保持路感，又不能太小。而轉(zhuǎn)向盤力矩一側(cè)向加速度梯度可以 反映路感。為兼顧低速時(shí)車輛的轉(zhuǎn)向輕便性和高速時(shí)的轉(zhuǎn)向路感，對(duì)于配有動(dòng)力 轉(zhuǎn)向器的車輛，要對(duì)可選動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的靜特性進(jìn)行分析。這就必須先建立輪胎的 第4 0 虹 武漢理工人學(xué)碩士學(xué)位論文 模型。 4 2 1 統(tǒng)一指數(shù)輪胎模型 用于汽車操縱穩(wěn)定性研究的輪胎模型有很多，其中比較著名的有荷蘭d e l f t 大學(xué)p a c e j k a 教授提出的“魔術(shù)公式”( m a g i cf o r m u l a ) 和我國(guó)的郭孔輝院士提 出的“統(tǒng)一指數(shù)輪胎模型”。統(tǒng)一輪胎模型具有理論邊界好，運(yùn)算速度快，仿真 精度高的特點(diǎn)，特別適合進(jìn)行復(fù)雜和極限工況車輛動(dòng)力學(xué)的仿真，是進(jìn)行整車動(dòng) 態(tài)仿真研究的理想的輪胎力學(xué)模型。 描述輪胎姿態(tài)及受力的輪胎坐標(biāo)系如圖4 - 4 。 統(tǒng)一指數(shù)輪胎模型側(cè)向力的表達(dá)式見式( 4 - 1 ) ( 4 - 6 ) 。 輪胎所受無量綱總切力： f = 1 - - e x p ( - 一e 妒2 一e ：妒3 ) ( 4 1 ) 式( 4 1 ) 中 e ，- - e ? + 1 1 2 ( 4 - 2 ) 妒= 妒；+ ；( 4 3 ) 2 丸= 籌= 囂 惹 圖4 - 4 輪胎坐標(biāo)系 第4 1 頁 ( 4 4 ) ( 4 - 5 ) 武漢理下大學(xué)碩士學(xué)位論文 輪胎力： 模型中輪胎拖距表達(dá)式： d 。2 ( d ：o d 。) e x p ( 一d 。礦一d ：。妒2 ) + d 。( 4 - 7 ) 輪胎回正力矩： m ：= ( d ，+ x o ) 一y 0( 4 - 8 ) 式( 4 1 ) ( 4 8 ) 中，、k x 、k y 、以、仉、取。、噬、d ，、d ：為輪胎載 荷的函數(shù)，須根據(jù)不同載貨下輪胎試驗(yàn)的數(shù)據(jù)辨識(shí)它與載荷的關(guān)系。 4 2 2 靜特性的分析比較 圖4 - 5 給出了兩種動(dòng)力轉(zhuǎn)向的靜特性試驗(yàn)曲線。圖中兩動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的靜特性 有明顯差別：當(dāng)輸入扭矩為1 7 】n m 時(shí)，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器a 丌始產(chǎn)生助力油壓，之后， 油壓隨輸入力矩增長(zhǎng)均勻增長(zhǎng)。而對(duì)于動(dòng)力轉(zhuǎn)向器b ，當(dāng)輸入力矩4 n m 時(shí)，助 力油壓才開始明顯建立，隨后油壓隨輸入扭矩的增加迅速增加。 第3 章研究了匹配動(dòng)力轉(zhuǎn)向器車輛原地轉(zhuǎn)向性能的計(jì)算方法。在車輛原地轉(zhuǎn) 向過程中，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)力由上而下傳遞。而在行車中駕 駛員感受到的轉(zhuǎn)向盤力是由下而上逆向傳遞的。對(duì)3 2 1 3 中的計(jì)算方法稍作修改 即可計(jì)算行車中的轉(zhuǎn)向盤力特性。 行車過程中動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的阻力矩緣自轉(zhuǎn)向輪的綜合回正力矩肼一： m 2 肘t + m g + 肘c + 肘d( 4 - 9 ) 上式中： m ，一輪胎回正力矩； m 。一主銷內(nèi)傾產(chǎn)生的重力回正力矩； m ，一主銷后傾拖距產(chǎn)生的回正力矩； m 。一輪胎與主銷接地點(diǎn)橫向偏置距產(chǎn)生的回正力矩。 第4 2 頁 t t 以 以 丸一妒墮 一f f ； l 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 二扎轉(zhuǎn)瞄氛 、! 川滯囂b i y 是 2 5 1 ，： z 圖4 5 動(dòng)力轉(zhuǎn)向器靜特性 8 0 d 舞6 0 0 番 娶4 0 0 毫 善 2 0 0 0 l i ， 糍j e 一一一 - 專i t 女e ，二 ，一 多 01234 刪陽i 澳! ，叫司 圖4 - 6 轉(zhuǎn)向輪回正力矩 輪胎回正力矩可由4 2 1 所述輪胎模型計(jì)算得出，主銷內(nèi)傾產(chǎn)生的重力回正 力矩可由3 2 1 2 給出的公式計(jì)算，在非制動(dòng)工況下，輪胎與主銷接地點(diǎn)橫向偏 置距產(chǎn)生的回正力矩可忽略不計(jì)。主銷后傾拖距產(chǎn)生的回正力矩為： m c = f 。r k t a ( y ) f 4 一l o ) 上式中： f 。一輪胎側(cè)向力； r 。一車輪靜力半徑： r 主銷后傾角。 應(yīng)用以上的計(jì)算方法，可計(jì)算出車輛在各行駛工況下轉(zhuǎn)向輪的綜合回正力 矩。圖4 - 6 給出了重型汽車在向左穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真中左右轉(zhuǎn)向輪繞主銷的綜合回正 力矩。將式( 3 1 8 ) 改變?yōu)橄率娇捎?jì)算動(dòng)力轉(zhuǎn)向器阻力： 肘“= m ，7 l i 。+ m 月叩月f 。( 4 1 1 ) 上式中： m ，一左轉(zhuǎn)向輪綜合回正力矩； m 。一右轉(zhuǎn)向輪綜合回正力矩。 式( 3 1 9 ) 變?yōu)?( m 日+ m h i ，) ，7 m m = o 上式中叩m 動(dòng)力轉(zhuǎn)向器逆效率。 應(yīng)用式( 3 - 1 5 ) 、( 3 1 6 ) 、( 4 1 1 ) 、 ( 4 1 2 ) ( 4 1 2 ) 計(jì)算所得轉(zhuǎn)向力特性結(jié)果見圖4 - 7 。 第4 3 斑 武漢理t 大學(xué)碩十學(xué)位論文 8 0 0 ：6 1 2 0 褥4 d 0 2 0 2 4 高 鎰 一 l ， 前 _ _ 一一，一 ，一 ， b ) 3 0 2 5 _ ， ， ， ，。 ，。 ，7 c ) h ：磚 1 酶u 器 、 i j i 、d 器b 。 、 、 、 、 一_ - 一、d 1 嘲揶逮艘 r n s ?！?圖4 7 不同動(dòng)力轉(zhuǎn)向器對(duì)轉(zhuǎn)向特性的影響 由圖4 7 可知，在車輛側(cè)向加速度o 3 7 柳s 范圍內(nèi)，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的輸出 力矩最大為9 0 0 n m ( 1 羽4 - 7a 1 ，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的輸出油壓小于2 5 m p a ( i g l4 - 7b ) 。裝 用動(dòng)力轉(zhuǎn)向器b 時(shí)，在各側(cè)向加速度下轉(zhuǎn)向盤力明顯大于裝用動(dòng)力轉(zhuǎn)向器a ( 圖 4 7c ) 。圖4 7d ) 貝j j 表明，在側(cè)向加速度較小時(shí)，匹配動(dòng)力轉(zhuǎn)向器b 的轉(zhuǎn)向路感 要好于動(dòng)力轉(zhuǎn)向器a ，而當(dāng)側(cè)向加速度大于l m s 2 時(shí)，則f 好相反，裝用動(dòng)力 轉(zhuǎn)向器a 的車輛路感要明顯好于動(dòng)力轉(zhuǎn)向器b 。對(duì)照?qǐng)D4 5 ，當(dāng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器油壓 大于2 5 m p a 后，動(dòng)力轉(zhuǎn)向器b 的輸出油壓對(duì)輸入扭轉(zhuǎn)非常敏感，而動(dòng)力轉(zhuǎn)向器 a 則相對(duì)遲鈍。這說明，如果轉(zhuǎn)向輪的回正力矩隨車輛的側(cè)向加速度進(jìn)一步加大， 使動(dòng)力轉(zhuǎn)向器輸出油壓加大，則對(duì)于動(dòng)力轉(zhuǎn)向器b 來說，其輸入扭矩基本不會(huì) 變化，使轉(zhuǎn)向盤力矩梯度接近于o ，從而基本喪失轉(zhuǎn)向路感。而動(dòng)力轉(zhuǎn)向器a 則 要求繼續(xù)增加輸入力矩，因此可繼續(xù)保持路感。 由以上分析可知，在選擇動(dòng)力轉(zhuǎn)向器特性時(shí)，要考慮轉(zhuǎn)向輪的回正力矩大小 及車輛經(jīng)常工作的側(cè)向加速度范圍。對(duì)出現(xiàn)較大側(cè)向加速度概率很大的高速公路 運(yùn)輸車輛，匹配動(dòng)力轉(zhuǎn)向器a 更合適。目前，對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器靜特性的檢驗(yàn)往往 集中與高壓區(qū)輸入力矩對(duì)稱性，而計(jì)算結(jié)果表明，在行車轉(zhuǎn)向工況下，動(dòng)力轉(zhuǎn)向 器工作在低油壓區(qū)域。因此，為保障車輛轉(zhuǎn)向路感必須嚴(yán)格控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向器低壓 第4 4 頁 0 5 0 5 o 2 o 日 6 4 2 2 1 1 o 0 j ： 昏、_鎣爭(zhēng)。j點(diǎn)攀要曩縛 武漢理上人學(xué)碩士學(xué)位論文 區(qū)工作特性。 4 3 轉(zhuǎn)向、懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性 3 1 2 中提到轉(zhuǎn)向器到左右轉(zhuǎn)向輪的傳動(dòng)關(guān)系應(yīng)盡可能對(duì)稱，以保障良好的 操縱感覺，并且由圖3 3 判定轉(zhuǎn)向系方案b 較方案a 具有更好的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。 不同運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)車輛轉(zhuǎn)向性能的影響是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)者非常關(guān)心 的問題。 懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性對(duì)車輛操縱穩(wěn)定性有顯著影響己為汽車設(shè)計(jì)師 所熟知，但有時(shí)出于其它方面的考慮，不可能將系統(tǒng)的性能設(shè)計(jì)的非常理想，甚 至是有明顯缺陷的，這種缺陷對(duì)車輛性能的影響大小也是設(shè)計(jì)師所急于知道的， 而這些則必須通過整車性能的仿真進(jìn)行分析。 假定重型汽車分別匹配第3 章所述的懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案a 、b ，其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn) 向性能的計(jì)算結(jié)果見圖4 - 8 。該計(jì)算結(jié)果表明，車輛采用兩種方案都可取得良好 的不足轉(zhuǎn)向效果。同時(shí)，該結(jié)果驗(yàn)證了3 3 2 3 中關(guān)于兩種懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配 方案對(duì)整車性能的影響。由于在車輛側(cè)傾時(shí)，方案a 干涉轉(zhuǎn)角具有減小不足轉(zhuǎn) 向的趨勢(shì)，而方案b 干涉轉(zhuǎn)角增加不足轉(zhuǎn)向趨勢(shì)，故圖4 8 中，裝用方案a 的 車輛在左、右兩各方向的轉(zhuǎn)彎過程中，其不足轉(zhuǎn)向度均小于方案b 。其中，左轉(zhuǎn) 時(shí)方案a 對(duì)不足轉(zhuǎn)向的減小程度更為明顯。 。一。辨南系菇露曩 口 “ 。事1 1 | i l 泉醯0 甏b 。 面，n ，一 j ， 。 ， l32- 10，23_ f ， 4 陽i | j l j 嗣；墩 m s 勺4 協(xié) 圖4 - 8 懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性的影響 3 3 2 3 中已經(jīng)提出，在車輛直線制動(dòng)時(shí)，懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案b 的干涉轉(zhuǎn) 向角明顯小于方案a 。圖4 - 9 、圖4 1 0 為兩種匹配方案在整車狀態(tài)、初速度8 0 k m h 直線制動(dòng)的仿真結(jié)果。圖4 - 9 表明，該匹配轉(zhuǎn)向系方案a 的列車制動(dòng)直線制動(dòng)是 己經(jīng)超出3 6 6 m 寬的車道，其跑偏程度已不能滿足g b l 2 6 7 6 1 9 9 9 對(duì)制動(dòng)穩(wěn)定性 第4 5 負(fù) 武漢理j 二人學(xué)碩士學(xué)位論文 的要求。由圖4 1 0a ) 、c ) 可知，在4 8 m s2 制動(dòng)強(qiáng)度下，方案a 牽引車質(zhì)心的橫 向偏移量達(dá)2 9 4 m ，而方案b 只有0 2 8 m ：由圖4 1 0 b ) 、d ) 可知，制動(dòng)時(shí)方案a 左、右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角達(dá)0 7 7 。和0 9 6 。是使方案a 產(chǎn)生明顯制動(dòng)跑偏的主要原因。 圖4 - 9 、圖4 1 0 的計(jì)算結(jié)果證明，匹配方案b 的車輛具有良好的直線制動(dòng)穩(wěn)定 性。 - j = 口i ，i e 目；il 暑目一li 三一目一i 一 向最 餐b 瑚習(xí)一 。 確翦輔 j 0 陽彖，i 盤a 0 二j 薹- 3 0 2 0 0 0 2 ；04 并06 08 10 圖4 - 9 列車制動(dòng)跑偏 f t a ) b ) 023456 l l s 茸 垃 o ； ：二 謄 、r ； s 00 d5 3o o 2 = 00 豈o2 ；04 0 ：、06 - 08 、10 牲_ 最b4 鋌a ，叫粼山苯盡 i 、c ) d 1 。t o1234 56 ；寸川s 圖4 1 0 汽車列車直線制動(dòng) 第4 6 1 j f 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 4 本章小結(jié) 綜上所述，本章介紹了在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中動(dòng)力轉(zhuǎn)向器的選型方法，另 外還針對(duì)第3 章已經(jīng)提到的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器匹配及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)匹配問題做 了進(jìn)一步的研究，對(duì)重型汽車匹配兩種動(dòng)力轉(zhuǎn)向器時(shí)車輛的轉(zhuǎn)向盤力和力矩梯度 進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)第3 章研究的兩種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)匹配方案進(jìn)行了整車性 能的仿真研究。 研究結(jié)果表明，重型汽車匹配兩種動(dòng)力轉(zhuǎn)向器時(shí)，用轉(zhuǎn)向盤力矩梯度表征的 行駛路感有明顯差別，在較大側(cè)向加速度下，匹配動(dòng)力轉(zhuǎn)向器b 會(huì)使車輛的路 感更強(qiáng)。兩種動(dòng)力轉(zhuǎn)向器在整車上匹配的的計(jì)算結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向器低油壓區(qū)特性 是影響車輛的轉(zhuǎn)向路感的主要因素，在動(dòng)力轉(zhuǎn)向器選配及檢驗(yàn)時(shí)，對(duì)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器 低油壓區(qū)特性應(yīng)給予專門的關(guān)注。兩種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)匹配方案的整車性能 仿真結(jié)果驗(yàn)證了第3 章中對(duì)其性能的分析結(jié)論：匹配方案b 對(duì)增加車輛不足轉(zhuǎn) 向的效果要好于方案a ，匹配方案a 的車輛在進(jìn)行直線制動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生明顯的制 動(dòng)跑偏。這說明，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的分析對(duì)預(yù)防和控制整車上某些問題的發(fā)生具有 積極的意義。 第4 7 負(fù) 武漢理t 大學(xué)碩士學(xué)何論文 第5 章轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真 5 1a d a m s 仿真軟件的介紹 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 軟件，是由美國(guó) 機(jī)械動(dòng)力公( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 開發(fā)的最優(yōu)秀的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟 件，是世界上最具權(quán)威性的，使用范圍最廣的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件。工程師、 設(shè)計(jì)人員利用a d a m s 軟件能夠建立和測(cè)試虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上仿真分析復(fù) 雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能。 利用a d a m s 軟件，用戶可以快速、方便地創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾 何模型。它可以有效地將三維實(shí)體模型及應(yīng)用有限元f e a ( f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ) 軟件描述的零部件模態(tài)有機(jī)地結(jié)合起來，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)在虛擬實(shí) 驗(yàn)室、虛擬場(chǎng)地上進(jìn)行的各種模擬試驗(yàn)的性能。 a d a m s 軟件具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： ( 1 ) 利用交互式圖形環(huán)境和零件、約束、力庫(kù)建立機(jī)械系統(tǒng)三維參數(shù)化模型。 ( 2 ) 分析類型包括運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)和準(zhǔn)靜力學(xué)分析，以及線性和非線性動(dòng)力 學(xué)分析，包管剛體和柔性體分析。 ( 3 ) 具有先進(jìn)的數(shù)值分析技術(shù)和強(qiáng)有力的求解器，使求解快速、準(zhǔn)確。 ( 4 ) 具有組裝、分析和動(dòng)態(tài)顯示不同模型或同一個(gè)模型在某個(gè)過程變化的 能力，提供多種“虛擬樣機(jī)”方案。 ( 5 ) 具有一個(gè)強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)供用戶自定義力和運(yùn)動(dòng)發(fā)生器。 ( 6 ) 具有開放式結(jié)構(gòu)，允許用戶集成自己的子程序。 ( 7 ) 自動(dòng)輸出位移、速度、加速度和反作用力，仿真結(jié)果顯示為動(dòng)畫和曲線 圖形。 ( 8 ) 可預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞、包裝、峰值載荷和計(jì)算有限 元的輸入載荷。 ( 9 ) 支持同大多數(shù)c a d ，f e a 和控制設(shè)計(jì)軟件包之間的雙向通訊。 a d a m s 作為一款虛擬樣機(jī)技術(shù)專業(yè)軟件其核心理論是多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，多 體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是由多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)組成的。多剛體系統(tǒng)動(dòng) 力學(xué)的研究對(duì)象是由任意有限個(gè)剛體組成的系統(tǒng)，剛體之間以某種形式的約束連 接。研究這些系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)需要建立非線性運(yùn)動(dòng)方程、能量表達(dá)式、運(yùn)動(dòng)學(xué)表達(dá) 式以及其他一些量的公式。多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象是由人量剛體和柔體組 成的系統(tǒng)。 第柏頁 武漢理上大學(xué)碩士學(xué)位論文 多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)主要解決多個(gè)剛體組成的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題，各個(gè)構(gòu)件之間 可以有較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)可以看作是多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的自然 延伸。根據(jù)多柔體系統(tǒng)組成特點(diǎn)，一般以多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究為基礎(chǔ)，對(duì)系 統(tǒng)中柔性體進(jìn)行不同的處理，在機(jī)械系統(tǒng)中常用的處理方法有離散法、模態(tài)分析 法、形函數(shù)法和有限單元法等。將柔性體的分析結(jié)果與多剛體系統(tǒng)的研究方法相 結(jié)合，最終得到系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程( 本課題中系統(tǒng)中各部件均假設(shè)為剛體，不作 柔性假設(shè)1 。 5 2a d a m s 軟件模塊簡(jiǎn)介 圖5 1a d a m s 軟件模塊圖 5 3a d a m s 仿真軟件的計(jì)算方法 5 3 1 廣義坐標(biāo)選擇 動(dòng)力學(xué)方程的求解速度很大程度上取決于廣義坐標(biāo)的選擇。a d a m s 用剛體 i 的質(zhì)心笛卡爾坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角( 或廣義歐拉角) 作為廣義坐標(biāo)，即 q 】= i x , y ，z ，妒，日，妒 i ，q - q j ，g ；，“】7 。由于采用了不獨(dú)立的廣義坐標(biāo)，系統(tǒng)動(dòng) 力學(xué)雖然是最大數(shù)量，但是卻是高度稀疏耦合的微分代數(shù)方程，適用于稀疏矩陣 的方法高效求解。 第4 9 頁 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 3 2 動(dòng)力學(xué)方程的建立 a d a m s 程序采用拉格朗只乘予法建立系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程： 丟一ia 陽t r + 州刪 完整約束方程 妒( q ，t ) 一0 非完整約束方程 o ( q ，口，t ) 0