重型汽車雙橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化開題報告

1、重型汽車雙橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化開題報告第 1 章 緒論1.1 選題背景1.1.1 課題的來源雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種比較先進(jìn)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)， 目前在商用車領(lǐng)域應(yīng)用比較廣 泛。雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雖然可以起到節(jié)省成本的作用， 但是在使用過程中普遍存在 著輪胎異常磨損、 容易跑偏、 擺振嚴(yán)重等問題。 本課題分析雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)市場 上使用現(xiàn)狀， 以及在現(xiàn)有的條件下， 雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)用時故障特點(diǎn)， 結(jié)合學(xué)習(xí) 內(nèi)容而確定。 要求對一款重型汽車的雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化， 以減少其轉(zhuǎn)向輪 輪胎的異常磨損，該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用雙前橋助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。1.1.2 課題的提出橡膠輪胎由橡膠和骨架材料構(gòu)成， 裝在汽車車輪輪輞上， 是汽車與地面

2、之間 的傳力元件，起著承載、驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、制動等作用，其性能的優(yōu)劣將直接影響到 汽車的動力性、轉(zhuǎn)向操縱性、制動性、行駛平順性、越野性、乘坐舒適性及安全 性等。輪胎磨損主要是輪胎與地面間滑動產(chǎn)生的磨擦力造成的， 汽車起步、 轉(zhuǎn)彎 及制動等行駛條件的不斷變化，轉(zhuǎn)彎速度過快、起步過急、制動過猛，輪胎的磨 損就快。另外，輪胎的磨損還與汽車的行駛速度有關(guān)，行駛速度愈快，輪胎磨損 愈嚴(yán)重，路面的質(zhì)量也直接影響到輪胎與地面的摩擦力， 路面較差時， 輪胎與地 面滑動加劇，輪胎的磨損加快。以上情況產(chǎn)生的輪胎磨損，基本上是均勻的，屬 正常磨損。輪胎的正常磨損就是指在正常情況下， 輪胎花紋的磨損狀況比較均勻， 故使

3、用壽命比較長。 而輪胎的異常磨損則是在不正常的情況下， 輪胎花紋的磨損量不 一致，磨損狀況變得不均勻，從而影響正常的使用壽命。這也就是為什么要經(jīng)常檢查自己汽車輪胎的磨損狀況的原因， 因?yàn)槿绻l(fā)現(xiàn) 輪胎的磨損出現(xiàn)異常， 就肯定有問題存在， 如果不能及時發(fā)現(xiàn)問題， 不僅會大大 縮短輪胎的使用壽命，而且會留下安全故障隱患。輪胎的磨損是輪胎與地面間的磨擦力造成的。 磨擦有靜摩擦， 活動摩擦， 滾 動摩擦。 要產(chǎn)生摩擦是由力引起的。 因此在不同的摩擦狀態(tài)， 不同的力的情況 下其輪胎磨損程度各不相同。 靜摩擦狀態(tài)下汽車的牽引力或制動力為零時， 即汽 車為靜止?fàn)顟B(tài)， 輪胎的磨損等于零。 活動摩擦狀態(tài)下因摩擦

4、系數(shù)很大， 且汽車的 牽引力或制動力也很大， 即汽車為猛啟動， 制動抱死， 打滑等情況下輪胎的磨損 就很大。滾動摩擦狀態(tài)下因摩擦系數(shù)比活動摩擦狀態(tài)下因摩擦系數(shù)小， 在外力相 等情況下。輪胎的磨損就小。造成輪胎的異常磨損的原因有許多， 如前輪定位不等、 輪胎氣壓不符合要求、 超載、載荷分布不均等等， 但是，首要因素是要找到輪胎不同異常磨損的原因。1) 輪胎成多角形磨損 特別是臺肩處磨損嚴(yán)重，其主要原因是：車輪、輪胎偏心或彎曲；輪轂、轉(zhuǎn) 向節(jié)偏心或彎曲；軸承或者轉(zhuǎn)向銷松匡，回轉(zhuǎn)部分處于不平衡。2) 輪胎的半周產(chǎn)生早期磨損其原因出以上所述之外， 還應(yīng)查看制動狀況是否良好。 3) 輪胎某一部位 出現(xiàn)異

5、常磨損其原因很明顯是由于緊急制動使車輪抱死， 或者快速起步使車輪打滑引起的 胎面局部磨損。 這種磨損會加速縮短輪胎的使用壽命， 應(yīng)該盡量避免緊急制動與 急速起動。武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文34) 輪胎凸緣處發(fā)生單側(cè)邊緣早期磨損 形成鋸齒狀單側(cè)凸緣，其原因是：前部輪胎受制動力影響易發(fā)生此類磨損， 后部輪胎受制動力驅(qū)動力交替作用影響， 易產(chǎn)生較均勻的磨損。 特別是制動器分 離不徹底，易產(chǎn)生此類磨損。5) 輪胎兩側(cè)臺肩處外側(cè)發(fā)生異常磨損原因是前輪外傾調(diào)整過大； 前束值過大； 主銷后傾角和內(nèi)傾角過大。 或者是 充氣量不足，或長期超負(fù)荷行駛。充氣量小或負(fù)荷重時， 輪胎與地面的接觸面大， 使輪胎的兩邊與地面

6、接觸參加工作而形成早期磨損。6) 輪胎兩側(cè)臺肩處發(fā)生位置不同的異常磨損 其原因是車輪、輪胎偏心或彎曲； 曲軸轉(zhuǎn)向銷松曠，前后橋不平衡。 7) 輪 胎臺肩處槽早期磨損中冠部磨損量較小，其原因是：超載；輪胎氣壓偏低。 8) 輪胎中冠部磨 損嚴(yán)重臺肩處磨損較輕， 其原因是輪胎氣壓偏高。 適當(dāng)提高輪胎的充氣量， 可以減 少輪胎的滾動阻力，節(jié)約燃油。但充氣量過大時，不但影響輪胎的減振性能，還 會使輪胎與地面的接觸面積減小， 正常磨損只能由胎面中央部分承擔(dān)， 形成早期 磨損。如果在窄輪輞上選用寬輪胎，也會造成中央部分早期磨損。本課題所研究的車型從輪胎磨損的形狀看主要表現(xiàn)在輪胎兩側(cè)臺肩處外側(cè) 發(fā)生異常磨損，

7、 所以，經(jīng)過分析決定從轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的參數(shù)及結(jié)構(gòu)入手對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn) 行最優(yōu)化分析，從而減少異常磨損量。1.1.3 技術(shù)難點(diǎn)1.2 課題的目的和意義進(jìn)入 21 世紀(jì)，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車市場中對商用汽車的需 求不斷增加，尤其是近年來， 隨著地區(qū)間的物流需求日益增大， 商用車迎來了高 速增長的良機(jī)。在這種環(huán)境下，商用車的地位就日見突出。 2007 年，中國商用 車市場整體火爆，據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)顯示， 2007 年商用車產(chǎn)量增長 24%。 而在商用車領(lǐng)域，重型載貨汽車的增長速度尤其顯著， 2007 年增長幅度達(dá)到 58.64%，創(chuàng)歷史最高記錄， 重型卡車市場很大一部分是被物流運(yùn)輸業(yè)消化，

8、重卡 可節(jié)省大量人力和時間成本， 不少運(yùn)輸企業(yè)已經(jīng)開始為計(jì)重收費(fèi)做準(zhǔn)備， 自重小、 運(yùn)速快的大功率多軸牽引車也成為發(fā)展方向。隨著國家治理汽車“雙超”的持續(xù)深入開展，以及車用油價的走高，市場及 用戶迫切需要一種在滿足汽車法規(guī)的前提下， 經(jīng)濟(jì)效益更好、 安全性更高的汽車 用于運(yùn)輸?；谶@種市場需求信息，市場上出現(xiàn)了雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的載重汽車。 在重型汽車領(lǐng)域雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種較新型的結(jié)構(gòu)。 這種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車載貨 量大，轉(zhuǎn)向穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向阻力較小，并且轉(zhuǎn)向半徑較小。另外具備承載能力強(qiáng)、經(jīng) 濟(jì)效益好、安全性高等特性。中國重汽研制出的國內(nèi)首輛雙轉(zhuǎn)向前橋6X2重型牽引車，在承載力與6X 4車型基本相同的情況

9、下，減少了一根驅(qū)動橋，多了一 根轉(zhuǎn)向橋， 但轉(zhuǎn)向橋的價格和重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于驅(qū)動橋， 使整車價格降了很多。 目前 我國已經(jīng)相繼有幾家重卡汽車公司推出了一系列雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車型。但是，在雙前轉(zhuǎn)向橋的運(yùn)用越來越多的時候， 卻也帶來一些比較典型的故障， 該故障主要表現(xiàn)在雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向橋尤其是轉(zhuǎn)向中橋的異常磨損問題 上。本課題研究的目的是按照優(yōu)化的要求， 分析重型汽車雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件對某載重汽車雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行性能優(yōu)化， 并對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一些技術(shù)參數(shù)進(jìn)行修正， 匹配合適的轉(zhuǎn)向傳動方案， 以達(dá)到盡量減少輪 胎異常磨損的目的。1.3 國內(nèi)外雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r與研究現(xiàn)狀

10、 自從日本第一輛雙轉(zhuǎn)向橋載貨汽車問世以來， 就受到各個國家汽車公司的重 視。2004年3月，日本五十鈴兩種型號的重型車底盤（CXH50S CXH50T因轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)存在安全隱患， 被國家質(zhì)檢總局吊銷強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證證書， 并禁止進(jìn)口后， 引起國內(nèi)媒體及汽車企業(yè)的關(guān)注。 兩款五十鈴底盤車是自另一款五十鈴 “CXZ51K” 底盤車改裝而來，與“ CXZ51K出自同一生產(chǎn)線。不同的是，其在“ CXZ51K的 基礎(chǔ)上加了一個轉(zhuǎn)向橋， 成為雙轉(zhuǎn)向橋車。 據(jù)稱，這種改裝是出于中國用戶的 “需 求”，因?yàn)殡p轉(zhuǎn)向橋車的轉(zhuǎn)彎半徑小，載重量大。也正是因?yàn)檫@件事情，雙前橋 轉(zhuǎn)向汽車一度引起國人的廣泛關(guān)注。1.3.1 雙

11、前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國外研究狀況早在 80 年代初期，國內(nèi)就對雙前橋汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了探索，提出了多 種行之有效的設(shè)計(jì)方法。 早期的設(shè)計(jì)方法以平面投影設(shè)計(jì)方法為主， 因?yàn)槿狈χ?接在空間中建立機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方程的數(shù)學(xué)理論， 所以通常將空間問題轉(zhuǎn)化為平面問 題來解決。 通過這種方法不僅可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 同時也可以建立便于實(shí)現(xiàn)數(shù)值 計(jì)算的系統(tǒng)模型。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要想通過轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使所有車輪在每一個轉(zhuǎn)向角度都能繞同一 個瞬心轉(zhuǎn)動是無法實(shí)現(xiàn)的。 通常的做法是依靠經(jīng)驗(yàn)公式來設(shè)計(jì)。 在研究中， 則采 用優(yōu)化算法，建立目標(biāo)函數(shù)，求解出最優(yōu)值。眾多的優(yōu)化研究方法都認(rèn)為， 對于雙前橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)， 可以將整個系統(tǒng)拆分成 幾個

12、小系統(tǒng)來考慮， 即每一個轉(zhuǎn)向橋均可由一個轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)來保證左右轉(zhuǎn)向輪 按轉(zhuǎn)向規(guī)律偏轉(zhuǎn)， 而兩前橋之間的運(yùn)動協(xié)調(diào)關(guān)系則需要根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)搖臂機(jī) 構(gòu)來加以保證， 通常研究者認(rèn)為， 梯形機(jī)構(gòu)是無須進(jìn)行優(yōu)化的， 左右車輪的關(guān)系 完全可以由獨(dú)立設(shè)計(jì)的梯形機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。主要影響多軸轉(zhuǎn)向特性的是搖臂機(jī)構(gòu)， 因此，大多數(shù)雙前橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的研究論文將搖臂機(jī)構(gòu)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)， 并根據(jù)優(yōu)化理論編寫了許多有效的計(jì)算軟件。隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高， 出現(xiàn)了許多用于工程計(jì)算的專用軟件， 為工程 技術(shù)人員的研究工作帶來了方便， 減少了工程開發(fā)中自己編程的麻煩； 同時也使 得許多優(yōu)秀的數(shù)學(xué)理論得到了推廣應(yīng)用。我國第一輛

13、雙前橋重型汽車最早出現(xiàn)在 1998 年，開發(fā)于一汽汽車技術(shù)中心， 代號 CA1200P1K2L11T，4 主要是依據(jù)日本同類車型開發(fā)研制而來。該重型汽車采 用8X4布置方式，同年投放市場，從市場反應(yīng)看，因?yàn)楹芏嘤脩粲脩T了 2軸或 3 軸車，雖然喜歡多軸車較強(qiáng)的載重能力，但不少人對這種新設(shè)計(jì)心里沒底，不 知道是否可靠，因此銷量不是很大。 2005 年，中國重汽濟(jì)南商用車公司成功研 制出國內(nèi)首輛雙轉(zhuǎn)向前橋 6X 2 重型牽引車。此車型在承載力與 6X 4 車型基本相 同的情況下，比 6X 4 車型減少一根驅(qū)動橋。雖然比 6X 2 車型多了一根轉(zhuǎn)向橋， 但轉(zhuǎn)向橋的價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于驅(qū)動橋，使得整車價格比

14、6X 4 車型低很多。近幾年以 來雙前橋載重汽車表現(xiàn)得異常突出， 非?；鸨?， 幾乎一直是供不應(yīng)求， 我國其他 的一些商用車公司也紛紛向市場投放雙前橋重型汽車。隨著雙前橋載重汽車在市場上的比例不斷擴(kuò)大， 對雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方面的研 究工作也越來越引起國內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)開發(fā)人員的關(guān)注， 同時各個大專院校和整車的 生產(chǎn)廠針對雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提出了很多優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和相應(yīng)的理論。 湖南大學(xué)唐 應(yīng)時副教授及學(xué)生，同時運(yùn)用 Adams MATLAB及C+建立雙前橋系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模 型，并對系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。 吉林大學(xué)郭孔輝教授運(yùn)用空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式， 編寫轉(zhuǎn) 角關(guān)系程序?qū)η蠼饬苏囖D(zhuǎn)彎過程中回轉(zhuǎn)直徑及回轉(zhuǎn)中心相對于后軸的前置

15、距。 合肥工業(yè)大學(xué)張代勝教授及學(xué)生運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)心的三 大問題運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)及干涉進(jìn)行了分析，對轉(zhuǎn)向的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行了分 析。但是，早期的研究大多將前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)拆分成幾個小系統(tǒng)來考慮， 把搖臂機(jī) 構(gòu)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)， 或者把前橋的轉(zhuǎn)向梯形簡化為平面結(jié)構(gòu)， 這些方法雖然 可以使計(jì)算方法大大簡化， 但也使計(jì)算精度受到了較大的影響， 導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與 實(shí)際偏差較大。 并且許多研究采用了數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析， 數(shù)學(xué)模型復(fù)雜且出現(xiàn)的 錯誤不易發(fā)現(xiàn)， 另外，在優(yōu)化過程中都是基于同一個轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)的假設(shè)。 在 這種假設(shè)條件下， 忽略了轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)改變對整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響， 僅僅考慮 傳動

16、桿的優(yōu)化不符合雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的現(xiàn)狀。第2章雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理論基礎(chǔ)2.1轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)2.1.1轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)2.1.2桿系及搖臂機(jī)構(gòu)2.1.3轉(zhuǎn)向器2.1.4 轉(zhuǎn)向橋2.2 轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)2.2.1 主銷后傾2.2.2 車輪外傾2.2.3 主銷內(nèi)傾2.2.4 前輪前束2.3 轉(zhuǎn)向時車輪運(yùn)動規(guī)律2.3.1 單轉(zhuǎn)向橋車輪運(yùn)動規(guī)律2.3.2 雙轉(zhuǎn)向橋車輪運(yùn)動規(guī)律2.3.3 雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)分析第 3 章 雙前橋重型汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化3.1 雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)模型3.2 運(yùn)動學(xué)仿真分析及優(yōu)化3.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學(xué)分析3.3.1 轉(zhuǎn)向阻力矩3.3.2 轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)受力分析3.3.3 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析 總結(jié)參考文獻(xiàn)1 Melle Serge M, Alavie A Tino,Karr Shawn,et al. IEEE Photonics Technology Lette2 Cruz J L. Diez A, Andres M V , et al, Electron Lett. 1997:33(3):2352363 Cavaleiro P M, Araujo F M. Lobo Ribeiro A B, Electr