雷旭東, 劉栗均, 何 川, 趙小波

(1.清華大學 汽車工程系，北京 100084；2.重慶鐵馬工業(yè)集團軍品設計研究所，重慶 400050)

輪式裝甲車斷開式平行桿轉向機構優(yōu)化設計

雷旭東1,2, 劉栗均2, 何 川2, 趙小波2

(1.清華大學 汽車工程系，北京 100084；2.重慶鐵馬工業(yè)集團軍品設計研究所，重慶 400050)

斷開式平行桿轉向機構是實現(xiàn)裝甲車轉向時內、外車輪理想轉角關系的關鍵機構.根據(jù)斷開式平行轉向桿系布置，推導出斷開式平行桿轉向機構數(shù)學模型，建立了滿足阿克曼轉角關系和轉向角傳動比要求的最優(yōu)化目標函數(shù)，基于Matlab優(yōu)化工具進行了轉向桿系長度最優(yōu)化，驗證了數(shù)學模型和優(yōu)化方法的正確性.

輪式裝甲車；斷開式平行桿轉向機構；優(yōu)化設計

隨著輪式裝甲車最高車速不斷提高，車輛轉向橋內、外車輪轉角匹配日益重要.通過對裝甲車轉向橋內、外轉向輪的合理匹配，確保轉向過程中所有車輪繞同一轉向中心轉動，從而減少輪胎磨損和動力消耗[1-2].近年來，國內外學者對整體式轉向梯形機構、齒輪齒條轉向機構都做了深入的研究[3]，采用了作圖法、直接搜索法、遺傳算法和穩(wěn)健性分析等最優(yōu)化算法對轉向機構進行了研究和優(yōu)化.

目前，針對輪式裝甲車普遍采用的斷開式平行桿轉向機構的研究較少，本文建立了輪式裝甲車斷開式平行桿轉向機構數(shù)學模型，并結合Matlab優(yōu)化工具箱對某裝甲車輛轉向桿系進行優(yōu)化設計.

1 斷開式平行桿轉向系統(tǒng)數(shù)學解析

承載式車身輪式裝甲車輛因行駛工況復雜和實戰(zhàn)化要求，轉向橋多采用獨立懸架裝置，同時因轉向阻力矩較大均采用整體式方向機和斷開式平行桿轉向機構，見圖1.

將圖1所示斷開式平行桿轉向機構沿垂直于地面方向投影可得轉向機構簡圖，見圖2.t為轉向臂(與轉向節(jié)連接)長度;s為轉向橫拉桿長度;h為轉向搖臂長度;l為左右轉向搖臂橫向距離;n為轉向斷開點距離(由懸掛硬點求得);q為車輪中效轉向梯形底角;k為左右車輪主銷軸線與轉向梯形平面交點距離；γ為等效轉向梯形底角.

圖1 斷開式平行桿轉向機構模型圖

圖2 斷開式平行桿系轉向機構布置簡圖

對任意裝甲車輛而言，左右車輪主銷軸線和轉向梯形平面交點的距離k及左右車輪斷開點的距離n，由懸掛硬點、輪距和主銷傾角共同決定，因此，在轉向機構設計時為實常數(shù).

(1)

當內側車輪轉過一定角度θ0時，對應外側車輪轉角為θ1，內、外車輪橫拉桿與水平線夾角分別為β0和β1，轉向搖臂與車輛縱向夾角為α.如圖3.

圖3 斷開式平行桿轉向機構運動簡圖

根據(jù)轉向機構運動簡圖建立運動學方程：

(2)

(3)

(4)

(5)

tcos(γ-θ0)+s·cosβ0-hsinα=hsinα+
s·cosβ1-tcos(180°-γ-θ1).

(6)

將式(1)～(6)轉換簡化，可建立內輪轉角θ0和外輪轉角θ1函數(shù)關系θ1=f(θ0).

(7)

(8)

(9)

(10)

解式(9)和式(10)對應的高次非線性方程組，即可求得θ1.

2 轉向桿系優(yōu)化設計

2.1 目標函數(shù)

1)車輛轉向角符合阿克曼轉角關系

假設轉向桿系設計時，忽略輪胎側偏角、車輪縱向滑移和側向滑移的影響，各車輪作純滾動時，各車輪繞同一瞬時轉動中心運動，滿足阿克曼轉角[4].符合阿克曼轉角關系的理想內、外車輪轉角關系[5]，則有：

(11)

式中:L為車輛軸距.

2)轉向系統(tǒng)滿足轉向角傳動比要求

轉向系統(tǒng)角傳動比(方向盤轉角增量與車輪轉角增量之比)：

iwt=iwf·iwg,

(12)

式中:iwf為方向器角傳動比；iwg為轉向桿系傳動比.轉向桿系傳動比由桿系結構確定：

(13)

(14)

設計轉向桿系時應使車輛的角傳動比接近該目標值，則目標函數(shù)如下：

(15)

綜合上述兩個目標函數(shù)建立如下加權目標函數(shù)[6]：

minf(X)=min[w1f1(X)+w2f2(X)]，

(16)

式中:w1和w2是加權系數(shù).

2.2 約束條件

為保證車輛轉向過程中轉向系統(tǒng)穩(wěn)定和無死點應杜絕轉向橫拉桿和轉向臂共線，故轉向約束條件為

(17)

其中：

3 優(yōu)化實例

某裝甲車輛轉向桿系初始轉向臂長度、轉向橫拉桿長度、轉向搖臂長度和左右轉向搖臂橫向距離對應參數(shù)為[t,s,h,l]T=[260.4,417.1,421.2,859.4]T，懸掛硬點確定的轉向斷開點距離n=1 688.7 mm，左右車輪主銷軸線與轉向梯形平面交點距離k=1 866.5 mm.綜合車輛布置和安裝調試要求，確定各設計變量的邊界條件見表1.

表1 設計變量邊界條件

取轉向系統(tǒng)傳動比目標值為iwt=21.5，方向器傳動比iwf=16.5，則可算得轉向桿系角傳動比iwg=1.3；取加權系數(shù)w1=w2=1.

根據(jù)數(shù)學模型編寫Matlab程序，采用非線性多元函數(shù)最小值求解函數(shù)fmincon可求得最優(yōu)轉向桿系長度為[t,s,h,l]T=[246.1,416.0,415.8,858]T.優(yōu)化后內外車輪轉角關系和理想阿克曼轉角關系對比圖，見圖4.

圖4 優(yōu)化結果與理想阿克曼轉角對比圖

由圖4可知，當內輪轉角θ0≤25°時，優(yōu)化結果與理想阿克曼轉角基本吻合；當內輪轉角θ0>25°時，優(yōu)化結果和理想值偏差逐漸增大.當內輪達到最大轉角32°時，優(yōu)化結果和理想值的最大偏差為1.01°.考慮到車輛高速小轉向和低速大轉向的特點，在大多數(shù)情況下，轉向輪轉角在20°以內，尤其是10°以內小轉角使用較為頻繁，因此，斷開式平行桿轉向機構優(yōu)化結果較為理想.

4 結 論

建立了輪式裝甲車斷開式平行桿轉向機構的數(shù)學解析模型，并針對具體車型進行了優(yōu)化設計，驗證了數(shù)學模型和優(yōu)化設計方法的正確性.在輪式裝甲車轉向系統(tǒng)設計之初引入優(yōu)化設計方法，確保轉向桿系長度和角傳動比更合理，從而有效地避免轉向桿系不合理引起的車輪磨損，提高轉向性能和輪胎壽命.

[1] 石啟龍,楊建偉.基于MATLAB的斷開式轉向梯形機構優(yōu)化設計[J].機械設計與制造,2011,2(2)：8-10.

[2] 王霄鋒,張小龍.轎車轉向桿系的優(yōu)化設計[J].清華大學學報(自然科學版),2004,11(11):1528-1531.

[3] 史天澤,王登峰,陳書明，等.基于穩(wěn)健性的電動汽車斷開式轉向梯形優(yōu)化設計[J].吉林大學學報(工學版),2016,5(3):700-705.

[4] 王霄鋒.汽車懸架和轉向系統(tǒng)設計[M].北京：清華大學出版社，2015.

[5] 劉惟信.機械最優(yōu)化設計[M]. 北京：清華大學出版社，1994.

[6] 胡 濤.輕型貨車轉向桿系優(yōu)化設計方法研究[D].北京：清華大學，2005.

Optimization Design of Divided Parallel-rod Steering Linkagefor Wheeled Armored Vehicles

LEI Xu-dong1,2, LIU Li-jun2, HE Chuan2, ZHAO Xiao-bo2

(1.Department of Automotive Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084，China；2.Research center of special vehicles, Tiema industries corporation, Chongqing 400050，China)

The divided parallel-rod steering linkage is a key mechanism to realize an ideal steering angle relationship between the inner and outer wheels for wheeled armored vehicles. According to the arrangement of the linkage, a mathematical model of the mechanism was derived, an optimal objective function was established to meet the needs of the Ackerman rotation angle, the lengths of the steering linkage were optimized in Matlab, and the correctness of the mathematics model and optimization method were verified.

wheeled armored vehicles; divided parallel-rod steering linkage; optimization design.

1009-4687(2017)02-0007-03

2017-4-5

雷旭東(1986-)，男，工程師，碩士，研究方向為裝甲車輛懸架和轉向系統(tǒng)設計.

U270.1

A