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1、重型汽车双桥转向系统优化开题报告第1章绪论1.1选题背景1.1.1课题的来源双前桥转向系统是一种比较先进的转向系统，目前在商用车领域应用比较广泛。双前桥转向系统虽然可以起到节省成本的作用，但是在使用过程中普遍存在着轮胎异常磨损、容易跑偏、摆振严重等问题。本课题分析双前桥转向系统市场上使用现状，以及在现有的条件下，双前桥转向系统运用时故障特点，结合学习内容而确定。要求对一款重型汽车的双前桥转向系统进行优化，以减少其转向轮轮胎的异常磨损，该转向系统采用双前桥助力转向系统。1.1.2课题的提出橡胶轮胎由橡胶和骨架材料构成，装在汽车车轮轮辋上，是汽车与地面之间的传力元件，起着承载、驱动、转向、制动等作
2、用，其性能的优劣将直接影响到汽车的动力性、转向操纵性、制动性、行驶平顺性、越野性、乘坐舒适性及安全性等。轮胎磨损主要是轮胎与地面间滑动产生的磨擦力造成的，汽车起步、转弯及制动等行驶条件的不断变化，转弯速度过快、起步过急、制动过猛，轮胎的磨损就快。另外，轮胎的磨损还与汽车的行驶速度有关，行驶速度愈快，轮胎磨损愈严重，路面的质量也直接影响到轮胎与地面的摩擦力，路面较差时，轮胎与地面滑动加剧，轮胎的磨损加快。以上情况产生的轮胎磨损，基本上是均匀的，属正常磨损。轮胎的正常磨损就是指在正常情况下，轮胎花纹的磨损状况比较均匀，故使用寿命比较长。而轮胎的异常磨损则是在不正常的情况下，轮胎花纹的磨损量不一致，
3、磨损状况变得不均匀，从而影响正常的使用寿命。这也就是为什么要经常检查自己汽车轮胎的磨损状况的原因，因为如果发现轮胎的磨损出现异常，就肯定有问题存在，如果不能及时发现问题，不仅会大大缩短轮胎的使用寿命，而且会留下安全故障隐患。轮胎的磨损是轮胎与地面间的磨擦力造成的。磨擦有静摩擦，活动摩擦，滚动摩擦。要产生摩擦是由力引起的。因此在不同的摩擦状态，不同的力的情况下其轮胎磨损程度各不相同。静摩擦状态下汽车的牵引力或制动力为零时，即汽车为静止状态，轮胎的磨损等于零。活动摩擦状态下因摩擦系数很大，且汽车的牵引力或制动力也很大，即汽车为猛启动，制动抱死，打滑等情况下轮胎的磨损就很大。滚动摩擦状态下因摩擦系数
4、比活动摩擦状态下因摩擦系数小，在外力相等情况下。轮胎的磨损就小。造成轮胎的异常磨损的原因有许多，如前轮定位不等、轮胎气压不符合要求、超载、载荷分布不均等等，但是，首要因素是要找到轮胎不同异常磨损的原因。1)轮胎成多角形磨损特别是台肩处磨损严重，其主要原因是：车轮、轮胎偏心或弯曲；轮毂、转向节偏心或弯曲；轴承或者转向销松匡，回转部分处于不平衡。2)轮胎的半周产生早期磨损其原因出以上所述之外，还应查看制动状况是否良好。3)轮胎某一部位出现异常磨损其原因很明显是由于紧急制动使车轮抱死，或者快速起步使车轮打滑引起的胎面局部磨损。这种磨损会加速缩短轮胎的使用寿命，应该尽量避免紧急制动与急速起动。武汉理工
5、大学硕士学位论文34)轮胎凸缘处发生单侧边缘早期磨损形成锯齿状单侧凸缘，其原因是：前部轮胎受制动力影响易发生此类磨损，后部轮胎受制动力驱动力交替作用影响，易产生较均匀的磨损。特别是制动器分离不彻底，易产生此类磨损。5)轮胎两侧台肩处外侧发生异常磨损原因是前轮外倾调整过大；前束值过大；主销后倾角和内倾角过大。或者是充气量不足，或长期超负荷行驶。充气量小或负荷重时，轮胎与地面的接触面大，使轮胎的两边与地面接触参加工作而形成早期磨损。6)轮胎两侧台肩处发生位置不同的异常磨损其原因是车轮、轮胎偏心或弯曲；曲轴转向销松旷，前后桥不平衡。7)轮胎台肩处槽早期磨损中冠部磨损量较小，其原因是：超载；轮胎气压偏
6、低。8)轮胎中冠部磨损严重台肩处磨损较轻，其原因是轮胎气压偏高。适当提高轮胎的充气量，可以减少轮胎的滚动阻力，节约燃油。但充气量过大时，不但影响轮胎的减振性能，还会使轮胎与地面的接触面积减小，正常磨损只能由胎面中央部分承担，形成早期磨损。如果在窄轮辋上选用宽轮胎，也会造成中央部分早期磨损。本课题所研究的车型从轮胎磨损的形状看主要表现在轮胎两侧台肩处外侧发生异常磨损，所以，经过分析决定从转向系统的参数及结构入手对转向系统进行最优化分析，从而减少异常磨损量。1.1.3技术难点1.2课题的目的和意义进入21世纪，随着我国国民经济的不断发展，汽车市场中对商用汽车的需求不断增加，尤其是近年来，随着地区间
7、的物流需求日益增大，商用车迎来了高速增长的良机。在这种环境下，商用车的地位就日见突出。2007年，中国商用车市场整体火爆，据中国汽车工业协会统计显示，2007年商用车产量增长24%。而在商用车领域，重型载货汽车的增长速度尤其显著，2007年增长幅度达到58.64%，创历史最高记录，重型卡车市场很大一部分是被物流运输业消化，重卡可节省大量人力和时间成本，不少运输企业已经开始为计重收费做准备，自重小、运速快的大功率多轴牵引车也成为发展方向。随着国家治理汽车“双超”的持续深入开展，以及车用油价的走高，市场及用户迫切需要一种在满足汽车法规的前提下，经济效益更好、安全性更高的汽车用于运输。基于这种市场需
8、求信息，市场上出现了双前桥转向系统的载重汽车。在重型汽车领域双前桥转向系统是一种较新型的结构。这种转向系统的汽车载货量大，转向稳定，转向阻力较小，并且转向半径较小。另外具备承载能力强、经济效益好、安全性高等特性。中国重汽研制出的国内首辆双转向前桥62重型牵引车，在承载力与64车型基本相同的情况下，减少了一根驱动桥，多了一根转向桥，但转向桥的价格和重量远远低于驱动桥，使整车价格降了很多。目前我国已经相继有几家重卡汽车公司推出了一系列双前桥转向系统的车型。但是，在双前转向桥的运用越来越多的时候，却也带来一些比较典型的故障，该故障主要表现在双前桥转向系统的转向桥尤其是转向中桥的异常磨损问题上。本课题
9、研究的目的是按照优化的要求，分析重型汽车双前桥转向系统的结构特点，利用计算机设计软件对某载重汽车双前桥转向系统进行性能优化，并对转向系统的一些技术参数进行修正，匹配合适的转向传动方案，以达到尽量减少轮胎异常磨损的目的。1.3国内外双前桥转向系统的发展状况与研究现状自从日本第一辆双转向桥载货汽车问世以来，就受到各个国家汽车公司的重视。2004年3月，日本五十铃两种型号的重型车底盘（CXH50S、CXH50T）因转向系统存在安全隐患，被国家质检总局吊销强制性产品认证证书，并禁止进口后，引起国内媒体及汽车企业的关注。两款五十铃底盘车是自另一款五十铃“CXZ51K”底盘车改装而来，与“CXZ51K”出
10、自同一生产线。不同的是，其在“CXZ51K”的基础上加了一个转向桥，成为双转向桥车。据称，这种改装是出于中国用户的“需求”，因为双转向桥车的转弯半径小，载重量大。也正是因为这件事情，双前桥转向汽车一度引起国人的广泛关注。1.3.1双前桥转向系统国外研究状况早在80年代初期，国内就对双前桥汽车的转向系统进行了探索，提出了多种行之有效的设计方法。早期的设计方法以平面投影设计方法为主，因为缺乏直接在空间中建立机构的运动方程的数学理论，所以通常将空间问题转化为平面问题来解决。通过这种方法不仅可以简化系统结构，同时也可以建立便于实现数值计算的系统模型。在实际设计中，要想通过转向机构使所有车轮在每一个转向
11、角度都能绕同一个瞬心转动是无法实现的。通常的做法是依靠经验公式来设计。在研究中，则采用优化算法，建立目标函数，求解出最优值。众多的优化研究方法都认为，对于双前桥转向机构，可以将整个系统拆分成几个小系统来考虑，即每一个转向桥均可由一个转向梯形机构来保证左右转向轮按转向规律偏转，而两前桥之间的运动协调关系则需要根据具体情况设计摇臂机构来加以保证，通常研究者认为，梯形机构是无须进行优化的，左右车轮的关系完全可以由独立设计的梯形机构来实现。主要影响多轴转向特性的是摇臂机构，因此，大多数双前桥转向机构的研究论文将摇臂机构作为优化设计研究的重点，并根据优化理论编写了许多有效的计算软件。随着计算机性能的不断
12、提高，出现了许多用于工程计算的专用软件，为工程技术人员的研究工作带来了方便，减少了工程开发中自己编程的麻烦；同时也使得许多优秀的数学理论得到了推广应用。1.3.2双前桥转向系统国内研究状况我国第一辆双前桥重型汽车最早出现在1998年，开发于一汽汽车技术中心，代号CA1200P1K2L11T4，主要是依据日本同类车型开发研制而来。该重型汽车采用84布置方式，同年投放市场，从市场反应看，因为很多用户用惯了2轴或3轴车，虽然喜欢多轴车较强的载重能力，但不少人对这种新设计心里没底，不知道是否可靠，因此销量不是很大。2005年，中国重汽济南商用车公司成功研制出国内首辆双转向前桥62重型牵引车。此车型在承
13、载力与64车型基本相同的情况下，比64车型减少一根驱动桥。虽然比62车型多了一根转向桥，但转向桥的价格远远低于驱动桥，使得整车价格比64车型低很多。近几年以来双前桥载重汽车表现得异常突出，非常火爆，几乎一直是供不应求，我国其他的一些商用车公司也纷纷向市场投放双前桥重型汽车。随着双前桥载重汽车在市场上的比例不断扩大，对双前桥转向系统方面的研究工作也越来越引起国内相关设计开发人员的关注，同时各个大专院校和整车的生产厂针对双前桥转向系统提出了很多优化设计方法和相应的理论。湖南大学唐应时副教授及学生，同时运用Adams、MATLAB、及C+建立双前桥系统的数学模型，并对系统进行了优化。吉林大学郭孔辉教
14、授运用空间坐标转换公式，编写转角关系程序对求解了整车转弯过程中回转直径及回转中心相对于后轴的前置距。合肥工业大学张代胜教授及学生运用虚拟样机技术对双前桥转向系统关心的三大问题运动学、动力学及干涉进行了分析，对转向的刚度和强度进行了分析。但是，早期的研究大多将前桥转向系统拆分成几个小系统来考虑，把摇臂机构作为优化设计的重点，或者把前桥的转向梯形简化为平面结构，这些方法虽然可以使计算方法大大简化，但也使计算精度受到了较大的影响，导致计算结果与实际偏差较大。并且许多研究采用了数学模型进行分析，数学模型复杂且出现的错误不易发现，另外，在优化过程中都是基于同一个转向轮定位参数的假设。在这种假设条件下，忽
15、略了转向轮定位参数改变对整个转向系统的影响，仅仅考虑传动杆的优化不符合双前桥转向系统的现状。第2章双前桥转向系统理论基础2.1转向系统的总体结构2.1.1转向操纵机构2.1.2杆系及摇臂机构2.1.3转向器2.1.4转向桥2.2转向轮定位参数2.2.1主销后倾2.2.2车轮外倾2.2.3主销内倾2.2.4前轮前束2.3转向时车轮运动规律2.3.1单转向桥车轮运动规律2.3.2双转向桥车轮运动规律2.3.3双前桥转向系统运动学分析第3章 双前桥重型汽车转向系统优化3.1双前桥转向系统运动学模型3.2运动学仿真分析及优化3.3转向系统的动力学分析3.3.1转向阻力矩3.3.2转向传动机构受力分析3
16、.3.3液压助力转向系统分析总结参考文献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, Electron Lett. 1998:34(11):11334 Grattan K T V ,Meggitt B T, Optical fiber sensor tecnology. Published by Chapman & Hall. London, UK, First Edition5 Tajima K, Kobayashi R, Kuwabara N, Electron Lett, 1998; 34(11):11301326 John Wallace. Laser Focus World. 1998:34(12):2426