DMU在转向桥中的应用

武正圆，钟勇，廖振全

DMU在转向桥中的应用

武正圆，钟勇，廖振全

（上汽依维柯红岩商用车有限公司技术中心，重庆 401122）

文章通过介绍汽车转向理论转角关系和DMU电子样机技术在转向桥中的应用，准确把握整体式转向梯形机构在转向桥中的运动规律，接合实例介绍了DMU在整体式转向桥中的应用过程。

阿克曼转角；转向梯形；CATIA；DMU

前言

机动车辆大多具有方向可控制性，驾驶者可以依据行驶状况和路面情况的变化信息，通过车辆转向系统调整转向轮偏转角度，实时控制车辆完成预期转向目的。汽车转弯时，全部车轮若都能尽可能做无滑动的纯滚动运动，可以减小转向力，改善轮胎的磨损情况。而这一现象多取决于转型梯形的几何性能的优劣。

特种车辆底盘多存在小批量，多品种供货的特点；不同品牌，不同市场，不同用途的的整车参数变化较大。在整体式转向驱动桥设计当中，借用老平台开发新桥型时，针对整车参数差别较大的整车设计方案，有必要对借用老平台的转向梯形机构论证所用转向梯形机构是否还适用于新的整车底盘。

此时，工程师更加关注的是怎么样使转向梯形所决定的转向轮内外转角比例更符合理论转角比例关系，相比比传统的计算和平面作图，DMU可以帮助工程师更直观高效的完成设计任务。

1 阿克曼转向几何关系定义

车轮转向角δ：车轮中心面与车辆坐标系x方向的夹角。车轮转向角显示车轮转向的强度。由于转向运动学和阿克曼规则，左右转向轮的转向角不同。

通常设计当中最大转向角的典型值：双向30°～43°。

阿克曼转角δAM：前轮转向的车辆在无侧向力作用，无侧向偏离情况下的前轮转向角。也就是说，以非常慢的速度，曲线行驶时的前轮转向角。因为左右两个车轮转弯半径不同，因此他们有不同的阿克曼角（内侧转向车轮的转向角一定大于外侧）。

阿克曼比例是指实际的内外车轮转向角之差与按照阿克曼规则计算出的理论转向角之差的百分比：

说明：由于忽略了侧偏角的存在，按照阿克曼规则设计会增大车辆的转向半径。1°的转向角误差可以减小约0.1的转向半径，因此我们可以允许10%的阿克曼比例。[3]

式中o——车辆转向时外侧车轮转向角

δi——车辆转向时内侧车轮转向角

K——主销中心线延长到地面之间的距离

L——轴距

图1 理想的内、外车轮转角关系简图

2 转向梯形参数初步选定的俩种方法

2.1 由函数模型构建非线性规划的可行域法向

转向梯形的不同的转角范围的使用密度并不相同，以高速行驶和非急转弯需要的零转角附近小转角范围较常使用，而大转角范围使用频率较低的情况下，可以构建一个加权目标函数用来评价转向梯形的设计优劣，式中(oi)为加权因子，δ‘i为实际内转角，函数关系如：

期望实际因变角δ‘i能和理论期望值δi的偏差尽可能的小，即求取函数最小值。

图2 转向梯形可行域

m为梯形臂长；γ为梯形底角。图2中mmin≤m≤mmax，γ≥γmin，转向梯形传动角β-βmin≧0，通常mmin=0.11K、 mmax=0.15K；γmin=70°。

实际因变角δ‘i为：

这个求取目标函数最小值的代数过程繁琐不直观。

2.2 CAD作图法

在图1中，点O是转向瞬心，A、B是主销中心线的延长线与地面的交点，过A、B做垂线交后轴与C、D，连接AB中点E和D，在ED线上任意一点F与A、B组成的两个三角形△FAE和△FBE都满足阿克曼转向几何关系。

如此，利用ED线，用CAD作图，以AB为底边，以B为圆心每画出一个角∠FBE，即一个外转角δo，交ED于F，连接FA，∠FAE即是相对应的内转角δi。如此重复可以得到特定的K和L下的多组内外转角参数。

3 DMU建模过程

根据整车参数以及性能要求，选定桥型平台，确定相关参数如下：

L=4500mm、K=1847.25mm、m=274、γ=70.96°、δimax= 35°、δomax=27°

图3 转型梯形及内、外转角示意

图4 转向桥运动模型爆炸图

1-左轮边总成 2-桥壳 3-转向横拉杆 4-右轮边总成 5-左横拉杆臂 6-右横拉杆臂

图5 转向桥运动副的建立

国内车辆是驾驶位左置，转向传动拉杆使左侧轮边总成沿着主销在桥壳的转向节支撑座上转动，左侧轮边总成上的横拉杆臂通过一个球铰与转向横拉杆铰接，同样的，右侧轮边总成上的横拉杆臂也通过一个球铰与转向横拉杆铰接，从而左侧轮边总成的转动会带动右侧轮边总成完成随动转向。因此，建立转向梯形约束如下：固定桥壳，在左轮边总成和桥壳之间建立一个旋转副约束，为了避免横拉杆在运动过程中沿其自身轴线过度翻转，我们在左轮边总成左横拉杆臂上的球销与转向横拉杆之间引入一个U型结合，在右轮边总成左横拉杆臂上的球销与转向横拉杆之间建立一个球面约束，在右轮边总成和桥壳之间建立一个旋转副约束。

完成四个运动副约束的建立之后，添加驱动命令，即选中左轮边总成与桥壳之间的运动副旋转.1，勾选驱动角度，并添加驱动下限值0°，驱动上限值35.153°。通过完成左轮边总成相对于主销的旋转角度的驱动，使轮辋安装平面和车辆行驶方向所在竖直平面夹角从1°（车轮外倾角）到35°（车轮最大内转角）变化。并通过测量命令，测量出车轮内转角和车轮外转角俩个值。

通过运动模拟命令，激活传感器，将测量到的车轮内转角角度和车轮外转角角度激活，并在传感器选项命令中创建曲线，添加横坐标为车轮外倾角，纵坐标为车轮内倾角。驱动旋转.1变化，点击传感器界面的图形命令，即可获得我们所设计的转向桥的内、外转角关系曲线。

图6 转向梯形内外转角曲线的建立过程

根据阿克曼转角几何关系，利用excel或者VB等其他软件完成catia二次开发，帮助完成内外转角的理论转角计算，得到的多组对应的内、外转角数据，并在图8的坐标系中描绘出一条理论内外转角关系曲线，如图9，可以直观的比较实际曲线和理论曲线的拟合程度，以此来判断初选参数的优劣。

为了评价实际内、外轮转角关系和理论转角在特定外轮转角范围内的离散程度，我们引入平均内轮转角偏差概念，定义为：

也可以利用DMU直接输出测得的内外转角数据的excel文件；根据式（4）的概念，计算出期望值来评判初选参数的合理性。

表1 转向桥内外转角与理论转角数值取样

即在常用转角内，实际和理论平均偏差不超过1度。

如若不满足偏差要求，没有达到我们的期望值，在参数化建模的基础上，就可以在快速改变m和γ的数值，在进行曲线的校核比对来审查转向梯形设计是否满足期望。

3 结论

不难看出利用函数模型构建非线性规划的可行域的优化设计方法计算繁琐，而CAD作图法工作量大，这两种设计方法效率低，且忽略了车轮外倾角的存在。通过零部件DMU模拟设计，效率高，过程较为直观，容易理解。需要注意的是，现有的转向梯形机构只能近似满足阿克曼转角关系，且只是忽略了轮胎侧偏角的情况下的静态的转向系统设计。考虑了轮胎侧偏角等其他因素时的动态的转向系统的设计和定量的评估准则需要通过大量的试验数据统计分析和实践经验的积累来获得。

[1] 刘惟信.汽车设计丛书_驱动桥[M].北京:人民交通出版社,1987.8.

[2] (德)B.海兴M.埃尔斯著孙鹏译汽车底盘手册:基础知识,行驶动力学,部件,系统,机电一体化及展望[M].北京:机械工业出版社, 2012.1.

[3] 孙奇涵.董恩国.张蕾.转向四连杆机构的参数分析及优化设计[J].辽宁工程技术大学学报,2007(02):120-122.

[4] 柳献初.整体式转向梯形机构几何参数的确定[J].重型汽车,2001. (03):17-19.

[5] 吕天硕.杜磊.汽车总布置DMU校核的运用[J]工程技术,2016(11): 269.

[6] 姚凯.侯忠明.王佑君.李良.万云进.童科.伸缩臂叉车转向梯形机构优化模型的建立[J].机电产品开发与创新,2008,21（2）:101-110.

Application of DMU in steering axle

Wu Zhengyuan, Zhong Yong, Liao Zhenquan

( Saic-iveco Hongyan Commercial Vehicle Co., Ltd. Technical center, Chongqing 401122 )

By introducing the relationship between the theoretical turning angle of automobile steering and the application of DMU in steering axle, this paper accurately grasps the motion law of integral steering trapezoidal mechanism in steering axle, and introduces the application process of DMU in integral steering axle by connecting examples.

Ackerman corner; Steering trapezium; CATIA; DMU

U463.4

B

1671-7988(2019)18-154-03

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武正圆，本科，就职于上汽依维柯红岩商用车有限公司技术中心，主要从事重型卡车设计制造方面的研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.051