多轴线液压板挂车转向机构优化设计.pdf

1 2 3 4 5 6 1 ． 液压悬挂轮组2 ． 制动气室3 ． 转向纵拉杆4 ． 转向横拉杆5 ． 转向臂 板 6 ． 挂车主轴线 图 1 多轴线液压板挂车转 向机构结构示意图 } 基金项目 连云港市科学技术局科技发展计划 科技攻关 项 目 C G 0 6 1 1 。 作者简介 郭朋彦 1 9 8 1 一 ， 男， 河南人， 北京科技大学博士在读 ， 专业方向 专用车设计开发。 一 3 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 9 卷2 0 0 8 年1 O 月 工程机 械 板 、 转向横拉杆和液压悬架等零件所组成 前 3者 没有在 图中给出 ， 对于拼接有动力鹅颈的液压板半 挂车而言， 其转向机构由动力鹅颈、 转向缸、 转向纵 ／ 横拉杆 、 转 向臂和液压悬挂等组成。这种全 ／ 半挂车 都是通过转 向缸的伸缩来实现整车的全轮转 向， 当 转 向缸伸缩时 ，带动整车的所有纵拉杆前移 ／ 后退 一 定距离 ，在转 向纵拉杆的带动下转 向臂实现一定 角度的转向， 从而通过铰接在转 向板 转向板 固接在 转 向臂上 上的转向横拉杆推动各轴车轮实现一定 角度的转向。转 向缸 的转 向动力可以来 自于放置于 车辆上 的液压泵站 ，也可以来 自于牵引车牵引的转 矩 ，故这种液压板挂车的转向既可以实现在牵引车 的牵引下 “ 随动 ” 转向 ， 也可以借助于液压泵站动力 实现“ 主动” 转向。由图 1 可看 出在任何时刻所有 的 转 向臂转过 的角度都是相等的，当转 向板转角最大 时前后车轮的转角最大 ， 此时整车的转弯半径最小 。 2 多轴线液压板挂车转向系统优化模型的 建立 由图 1 可知 ，多轴线液压板挂车在转 向时各个 转向臂转过的角度是相等的 ，而我们的实际条件要 求各轮组的转角各不相同，并使各个轮组的轴线尽 可能实时地交于一点 ，故我们建立的优化模 型就需 要优化横 横拉杆连 交 于一 点 。 2 ． 1 多轴线液压板挂车转 向系统运动学分析 在对车辆的转 向系统进行设计 时 ， 为了避免 车 辆转 向时产生路 面对 车辆行驶 的附加阻力和车轮 轮胎的过快磨损 ， 要求转 向系统能保证汽车转向时 做纯滚动 ， 这就需要转 向时所 有车轮 的轴线能交 于 一 点 即转 向中心 ； 同样 ， 对于多轴线液压板挂 车转向系统设计 来说 ， 也需要使车辆 的所有车轮的 轴线能落于转向中心这一点上， 这就意味着不但要 求同一轴线上所有车轮 的轴线交于一点 ， 而且要求 所有轴线上车轮的轴线都要交于一点 。简化 的多轴 线液压板挂车转 向时各轴线 的理想转 角关系如图 2 所示 。 2 ． 2 多轴线液压板挂车转 向机构分析 由图 2可知 ， 多轴线车转 向时 ， 转向板向某侧转 动则该侧为整车转向时的外侧 ， 即， 得到转向板转向 侧的车轮为整 车转向时的外侧车轮 ，失去转 向板转 向侧 也 即另一侧 的车轮为整车转 向时的内侧车 轮 ； 结合 图 3 ， 如果转 向板绕 A点做顺 时针转向 ， 则 右侧 车轮 因转 向板转 向而形成 的转 向角 o ／ 为外侧 车轮转向角 ， 相应地 ， 左侧车轮形成的转向角 为 内 侧车轮转角。 图2 多轴线液压板挂车转向时各轴线的理想转角关系图 一 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 3 4一 图 3 多轴线液压板挂车单轴转向机构平面图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 9 卷2 0 0 5 年1 0 月 工程机械 ￡ Kt a n T／ 2 7 式 5 、 6 、 7 中 厶为第 根轴线到转 向中心 线的距离 ； 为第一根轴线 内侧 车轮理想转角 与 挂车主轴线交点到转 向中心线 的距离 ； T为轴距 ； n 为整车的轴线数。 对于第 根轴线来说 ， 由式 1 和式 2 分 别可 以 得到其内外侧车轮的机构转角， 设为 、 O ／ ； 由式 5 和式 6 可 以分别得 到其 内外侧车轮 的理 论转 角 ， 设转 向板 的最大转 角 A 为 4 5 。 ， 则 目标 函数 为 4 5 。 b ff u n ∑ l l I ig h t A 8 式中 w e ig h t A 表示 A取不同值时的权值， 这 个权值 由车辆在实际行驶过程 中 A出现 的频 率来 确定 ，在这里我们设 A E[ 0 ， 2 0 ]的权值为 1 ． 5 ， A ∈ f 2 1 ， 3 5 ] 的权值为 1 ， A e [ 3 6 ， 4 5 ] 的权值为 0 ．5 引 。 在此我们采用加权角差和作为目标函数可以很 好地发挥不同区间权值的作用，同时，我们把变量 b 、 C 、 0 作为设计变量 ， 把变量 、 、 、 厶、 作为设计 参数 ，这样对于给定 、 K、 、 值 的多轴线液压板 挂车， 我们优化设计的目标就是求出对应 于 L 第 i 根轴线 的 b 、 c 、 0的最佳组合， 以获得最小的组合角 差和。 本优化模型的约束条件主要包括以下 4部分， 第一部分为保证式 1 、 2 、 3 在转 向板各个转 角 下计算时可以开根号 ， 也即保证转 向机构成立 I z 1 1 ， Z 2 ， Z 3 ， 1 4 ， 咖 --0 { Z 1 ， 如， Z 3 ， 1 4 ， A ≥0 9 I z t 1 ， Z 2 ， Z 3 ， Z 4 ， 一 A --0 第二部分为根据车辆各机构的实际布置尺寸及 转 向板和拉杆的强度 ，需要给出设计变量 的边界约 束 ， 同时为了提高优化结果 的总体性能， 我们可以在 实际条件允许 的情况下对该边界约束进行调整 。 l ≤ { 6 Ⅱ i n --b s6 一 1 0 I c E c ， c 一 u{ 0 l 第三部分，由于本转向机构本质上是一个并列 对称的双摇杆机构 ，为了防止其在使用过程 中出现 死点 ， 并改善机构的受力状况 ， 对于每个双摇杆机构 需要加入两个传动角约束， 设定最小传动角为 ， 即 得 f s in z 3 ，z ， z ，z ， 1 T z 。 ，z ， z 3 ，z ， 咖 一 A _ s i n I s in f l， f 2 ， f 3， f 4 ， f 3 ，f 4 l z z ， 1 T f lf 2 ， f 3 ，f 4 ， 一 A 1 一 一 A s i n 1 s i z ， z ， z ， z ， 霄 z ， z ， z ， z ， A s i n l s i z z ， f ， z ， z ， 咖 z ， z ， z ， f ， z ， z ， z ， z i ， l A 一 A --s i n 1 1 第 四部分，由于本 目标函数是 以在转 向板为不 同转角时本轴线内外车轮实际转角和理论转角的差 值 和为优化 目标 ，而在使用过程 中引起爆胎或车轮 脱落现象往往是 由于该车轮实际转角和理论转角过 大引起的， 为了避免这种情况发生 ， 我们在此加入最 大角差约束 ， 设其最大角差为 叼， 则 。 l I 一 l 叼 3 转 向机构优化模型计算实例 本优化设计为一典型的带有不等式约束的非线 性优化 问题 ，且约束条件第二部分里中 c的可行域 内包含有离散点，在此采用改良的复合型法来对其 进行优化[91 ， 并编制了易于使用的通用转向机构优化 程序。 在此， 应用本优化模型程序计算了某专用车辆 制造厂生产的2 O 轴线液压板挂车的转向机构， 设定 车辆转 向中心线为整车前后对称中心线 ， 即 1 6 0 0 9 8 0 0 1 5 2 0 0 n l m， 车宽 3 ． 4 i n ， 轴距 1 -- 1 6 0 0 m m， 轮 距 K 2 0 3 0 m m， L 3 6 0 0 r l l m， L 5 4 5 0 m m。表 1为 2 O 轴线液压板挂车各轴线优化结果数据和原轴线车使 用数据对 比表 ；从对 比数据 中我们可以发现本优化 模型优化结果所产生的各轴角差和 o b j f u n明显小于 原转向机构对应的值，故本优化结果可以较好地改 良轴线车的转 向性能 ，尤其是很好地改 良了靠近转 向中心线附近车轮的转向性能 。为了进一步证 明本 优化结果好于原数据 ， 我们用 a d a ms 建立 了 2 0轴线 车转向机构虚拟样机模型㈣， 仿真了各轴理论转角 和实际转角的偏差。 在此我们仅给出了第 9 、 1 0 轴线 靠近转向中心线的轴线 内外侧车轮在转向板转角 A从 0 4 5。时的理论转角及优化前后实际转角 如 图 4 、 5所示 ， 从 图中我们可以明显看出优化后车辆 的转向性能得到了良好 的改善 。 一 3 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 落g g 囊 搿 謦墨露习 | 灞 |潍 国 盈瓣翱 翻 譬 ≯ 一 | 毒 誊 0 塞誊 _ 震 榭 ≯ 。 曩 | | 疆 露 ■蟹圆 ■ 盘蛹m 蕊霸 圈 嚣 宙 表1 20轴线车各轴线优化数据及转向效果与原数据及转向效果对照表 轴名 第1轴 第2轴 第3轴 第4轴 第5轴 第6轴 第7轴 第8轴 第9轴 第1O轴 总计 原 b 550 505 453 399 349 265 209 148 123 123 i， 来 C 1 5 5 7 0 7 1 7 0 7 0 l 2 0 7 6 7 0 7 0 7 0 数 口 - 1 0 O 1 2 0 3 O - 3 0 3 O 2 7 2 7 据 o b ff u n 1 6 ． 8 9 6 ． 5 5 6 2 5 ． 1 4 3 8 ． 5 9 4 5 ． 5 5 4 5 ．6 0 4 0 ．4 7 3 5 ． 1 6 1 0 0 ． 7 3 0 8 ． 3 6 6 3 ． 0 优 b 5 2 7 5 o 4 4 3 8 3 7 O 3 1 8 2 6 5 2 o 9 1 4 9 1 o 2 8 0 化 C 2 5 0 O 0 0 0 1 2 0 7 6 4 3 0 0 数 - 2 0 7 1 1 1 5 1 8 - 3 0 - 3 0 - 3 0 7 4 据 2 0 ．9 9 1 3 4 ． 7 2 3 9 5 ． 2 o h j f u n 1 3 ． 5 6 6 ． 2 8 2 1 ． 8 9 3 5 ． 9 7 4 4 ． 0 4 4 5 ．6 O 4 0 ．4 7 3 1 ． 7 0 r 1r i～车轮理想转角 l l 一 一优化前车轮转角l _ l⋯一 优化后车轮转角I ， 一、1 0 ． 0． 一 _ _- 一 一 ／ ＼ ．． ； 二 I 二 a 抖基0 ． l _ ； ～0 ． 0 。恼。 3 ,5 ． 0 ⋯ 删 。。 5 0 妪屯0 蜱 簿3 ． 0 ， 2O- l _ 0． 转 向板转角 ／ 。 b 第9 轴线外侧年轮转角 i l l 4 2 0轴线液压板挂车第 9轴线内外侧车轮优化前后转角对比图 4 结 束 语 售 蓄 妻 墓 本文通过分析多轴线液压板挂车转向机构中各 模型进行了优化求解，并编制了易于使用的通用转 -- 3 6- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 舯 峰 蛳 ， 。 誊 J 鳓l 槲 ， l 吻 物 | I／ 一 。 ＼ 摆 * 一 。 一 、 、 l一车轮理想转角 }一 一优化前车轮转角 一 ，_ ，-● L 一， _，p ． ，， ● ，， _ ． ， ，_ ． 一一 一 - ●●。- ， ， ● ， 。 ● ． - - ， _ -● ● __- _ r ●一 一 ，． 一 ● ● 一．- |二 转 向板转角／ 5 2 O 轴线 1 0桃内 黼 ⋯ 卿 钢 磬 三 茎 统 设 计 中 可 减 少 滑 转 磨 损 ， 避 免 汽 车 ，1 ’ 一 寸田 h 干 豫 刃 们 u 导 用 等 警 要 车 的 整 车 【6] 赵 礼 东 ． 向 系 统 的 运 动 分 析 与 优 化 薹 皇 拦 璧 ， 尤 其 是 改 善 靠 近 转 向 中 心 线 附 近 车 轮 的 [J】 ．专用汽 ； 刚 避 们 一] 优 化 转 向 性 能 。 【 7 】郭凌汾． 多轴挂车 机 计【 J 】 ．中国公路学 参考 文献 f 1 】成凯， 高建辉． 可拼接式重型多轴全挂车[ J 】 ．重 型汽 车． 1 9 9 6 ， 1 1 4 1 6 ． [ 2 ] 梅彦利， 司鹏昆． 组合式重型多轴半挂车【 J ] ． 商用汽 车． 2 0 0 2 ， 1 2 4 3 4 5 ． 【 3 ]陈家瑞 汽车构造 下册 [ M】 ．北京 人民交通出版社 ． 2 0 0 2 2 6 3 ～ 2 7 7 ． [ 4 】 余志生 汽车理论 第 3 版 【 M】 ．北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 0 1 4 5 1 5 5 【 8 】王萍， 李成刚． 重型特种车辆多轴转向技术的优化设 计[ J ] ． 专用汽车， 2 0 0 2 ， 1 l 9 2 0 ． [ 9 ]陈立周 机械优化设计方法【 M ] ．北京 冶金工业出版 社 ， 2 8 8 5 8 9 2 4 6 ． 【 l o 】石博强． A D A Ms基础与工程范例教程 幻 ．北京 中 国铁道出版社 ， 2 0 0 7 ． 通信地址 北京市海淀区学院路 3 0号 北京科技大学土木与 环境工程学院3 9 6信箱 o o o s 3 收稿 日期 2 0 0 8 一 o 6 0 9 一 37 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m