《基于减少轮胎磨损的客车前轮定位参数优化.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于减少轮胎磨损的客车前轮定位参数优化.pdf（4页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、设计 计算 研究 基于减少轮胎磨损的客车前轮定位参数优化 钱 立军 向世伟 祝安 定 马骏(合肥工 业 大学)【摘要】根据前轮定位参数动态变化和轮胎磨损的关系 建立了计算客车前轮动态外倾角和实际转角值的数值 模 型。提 了以各定位参数为设计变量 以转角范围内的动态外倾值 与理论倾角相差最小为 目标的多约束优化设计 方法，并得 到设计值范围 内使 轮胎磨损最小的最优解，为客车前轮定位参数的选取与优化提供理论依据。试验证明，此优化匹配方法对减少轮胎磨损有效 主题词：客车前轮定位参数轮胎磨损参数优化 中图分类号：U 4 6 9 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 0 3 7 0 3(2 0 1
2、 1)0 2 0 0 1 4 0 4 Opt i m i z a t i o n o f W h e e l Al i g n m e nt Pa r a me t e r s o f Bus ba s e d o n Re d uc t i o n o f Ti r e W e a r Q i a n L ij u n，X i a n g S h i w e i，Z h u A n d i n g，Ma J u n (He f e i Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y)【Ab s t r a c t A n u m e ri c a l m
3、 o d e l o f c o m p u t i n g b u s f r o n t w h e e l d y n a mi c c a m b e r a n d t h e a c t u a l s t e e ri n g a n g l e i s e s t a b l i s h e d b a s e d o n t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n f r o n t wh e e l a l i g n me n t p a r a me t e r d y n a mi c v a r i a t i o n a
4、 n d t i r e we a r A mu l t i c o n s t r a i n t o p t i mi z a t i o n d e s i g n me t h o d i s p r e s e n t e d wi t h a l i g n me n t p a r a me t e r s a s d e s i g n v a r i a b l e s a n d t h e mi n i mu m d i f f e r e n c e b e t w e e n d y n a mi c c a mb e r a n d t h e o r e t i
5、c a l c a m b e r w i t h i n t h e s t e e ri n g a n g l e a s o b j e c t i v e，t h e o p t i ma l s o l u t i o n t o r e d u c e t i r e we a r t o t h e mi n i mu m wi t h i n t h e d e s i g n l i mi t i s o b t a i n e d，t h u s p r o v i d i n g t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n f o
6、 r s e l e c t i o n a n d o pt i mi z a t i o n o f b us fro n t whe e l a l i g n me nt p a r a me t e r s Te s t p r o v e s t ha t t h i s o pt i mi z a t i o n a nd ma t c h me tho d i s e f f e c t i ve i n r e d uc i ng t i r e wea r Ke y wo r d s：Bus，Fr on t whe e l a l i g n m e nt pa r ame
7、 t e r s，Ti r e we a r，Pa r a m e t e r o p t i mi z a t i o n 1 前言 对于客车前轮定位参数的选取和匹配，目前在 我 国还处 于先 类 比和经 验设计、再试 验验 证 的阶段，没有足够的理论指导 因此许多车型的前轮定位参 数 匹配不 合 理，出现 了大 量 前轮 胎 早期 异 常 磨损 问 题 针对此问题，本文结合理论分析，找出前轮定位 参数变化及其在转向时与轮胎磨损的关系，建立计 算模 型 并 提 出了合理 可行 的匹配 优化设 计方 法。2 客车前轮定位参数 与轮胎磨损 的关 系 2 1 定位参数影响轮胎磨损的机理 影 响轮
8、胎磨损 的主要 因素是作 用 于轮胎 的侧 向 力、胎面力矩。车辆直线行驶时，通过外倾和前束的 合理搭配 可以使侧滑量减小、侧向力减轻。而侧向 力最小时 由于存在侧偏角以及纵 向和侧向滑移，胎 1 4 面上 的 回正力 矩 和剪切 滑移力 矩未 必最小 过 大 的 胎面力矩也会造成磨损 这一情况出现在许多有早 期异常磨损的车辆上。因此，应采用较小的外倾和前 束搭配 使侧向力和胎面力矩均较小。转向时，比直 行时大得多的侧向力使得前轮胎面与地面间的相对 滑移严重 前轮胎的磨损较直行时要严重得多。以往 研 究轮 胎磨损 问题 时 大多仅 注重 直行 工况 时侧滑 量最小。实 际上，在客 车行驶 工况
9、 中，转 向工 况并不 少 急转向时前轮胎磨损量很大，相当于直行工况十 几小时的磨损量l l l。对前轮外倾角与侧 向力的关系加以分析。图 1 所 示 为 右 前 轮 的前 视 图，在 前 桥 垂 直载 荷 作用 下 外倾角使得轮胎即使在直行时也有侧 向力 存在 它与外倾角的关系可表示为：t a n T (1)手。(1)汽车技术 设计 计算 研究 图 1 右 前 轮 外 倾 角 与 侧 向力 的关 系 右转 时。右前轮的转 向侧 向力，与 方 向相 反 左、右轮的转 向侧向力一致 而外倾侧 向力相反。即在 转 向 中 适 当 的动 态倾 角 对 减 少 轮胎 所 受 侧 向 力有利，若 出现外
10、侧车轮 内倾 能使，与动态倾角 所产 生 的侧 向力 相 平衡，是 最理 想 的。由于转 向 侧向力主要取决于转向速度 和半径 故很难使 与 完 全相 平衡。转 向时，左、右转 向轮转角必须满足 阿克曼原 理 但 由于轮胎宽度影响 阿克曼理论转角只能保证 转 向轮 轮胎 中心 面上 无 侧 向滑 动 并不 能 保 证 整 个 轮胎与地面间为纯滚动 理想的无滑动转向条件还 应包括合理 的转 向时前轮动态外倾 角 这样。转向轮 类似圆锥体滚动 如图 2所示 无侧滑 的纯滚动转 向 中心 应 与 由 阿克 曼 原 理 确定 的 瞬 时 转 动 中 心 重 合 转向半径为：R=r j s i n y
11、(2)式中 为车轮的滚动半径。因此，理论上要求转 向时前轮动态外倾角为：s i n =r d=一=r s i n 0Ls n O (3)-。一。n (j 图 2动态外倾 角与转向半径的关 系 2 2 车轮 转 向角、外倾 角数 学模 型 的建 立 由于转向轮有外倾 角主销又有内倾角和后倾 角，故客车转向梯形有空间几何关系闭。转向梯形决 定了左、右轮实际的转角关系 为得到准确的转角值 和外倾角变化量 须考虑定位参数对空间梯形机构 运动模型的影响 汽车左前转 向轮定 位角之间 的关 系如图 3所 示。图 3中，为铅垂线，为主销轴线。ANO B 位于汽车前轴的横 向铅垂 面内 AO B所在平面与 2
12、 O l 1年第 2期 AN O B所在 平 面垂 直，是 主销 内倾 角，O L 为 主 销后 倾角，为主销轴线 与铅垂线 空间夹角。O 图 3 左前转 向轮各定位角度之 间的关系 若 AN A B为球面三角形 且球的半径取单位长 度，则：(4)转 向节绕 主销 转 角 后 的车 轮轴 线 及 铅 垂 线 的关 系如 图 4所 示。图 4中，Y为直 行 时前 轮 外倾角，为绕主销 转过 帆 角 之后 的外倾 角，为 车轮转角，为右转 向节绕主销转角。图 4主销轴线与车轮轴线转动的关系 若取、为单位长度，且令 d，则 由 图 4中球 面 M C可 知：d=c o s (-c o s s i n
13、 y-s i n o c o s T c o s 6)(5)i n 一()(6)由球 面 三角 形 AC C 可 知：A=c o s (c o s 2 d+s i n 2 d c o L)(7)由球面三角形 AN AC 可知：Y =s i n (一 c o s c o s d-s i n q s i n d c o s(0 -o J)(8)由球面三角形 ANC C 可知：=c。s(C OS T)(9)e o S 1，。、同理，可以推导 出右侧车轮转角：()(1 o)一1 5 一 一 ，设计 计算 研究 其中，A -C O S (c o s 2 d+s i n 2 d c 0 L)(1 1)右侧
14、 车轮 转 向时外倾 角：y =s i n 一 c o s c o s d-s i n q s i n d c o s(R+)(1 2)3 前轮定位参数 匹配优化设计模型 3 1 优化 变量 和约 束条件 以 O 和 为 优化 变量。其 中，主要 影 响汽车 在低 速 时 的转 向 回正 性 O 主要 影 响 汽 车在 高 速 时 的转向回正 t3 1。取值不 当会造成前 轮摆振和轮胎 磨 损，根 据 国外 资 料14 1，轻 型客 车 一般 为 0。4。，为 3。9。，为 0 o 1。3 2优化 目标 前 已述及，所提 出 的优 化设 计 目标 为在 转角 范 围内的动态外倾值与理论外倾值相
15、差最小 根据式(8)、式(1 2)可得到在转 向时左、右轮 的动态外倾角 根 据式(9)、式(1 O)可得到左、右轮转角的精确值。即：()=()(a-)(1 3)一()=o(0 R )(一 )(1 4)f 1 5 0 0 1 0。()=1 1 0 0 2 0 (1 5)l0 5 2 0。0 m a x F(X)=m i n F L()+()(1 6)式 中，R()、()分 别 为左、右轮 转 向时 的 目标 函 数；0 u、为左、右轮瞬时转角值；。、为外倾 角实 际和理论值；()为不 同转 角时设置 的权重系数 上 述模 型为 多 约 束 非 线 性 规 划 问题 可 调 用 Ma t l a
16、 b O p t i mi z a t i o n T o o l b o x 中的复合形法算法求解 4实例分析与试验结果 用该优化设计方法对有轮胎异常磨损的某轻型 客车进 行优 化。该 车型基 本参 数如表 1 所 列。表 1 样 车 参 数 参数 数值 参数 数值 轴距 m m 3 3 0 8 外倾角(。)1 主销接地 中心距 K mm 1 6 3 8 后倾角(。)2 轮胎滚动半径 T J mm 3 6 2 内倾角(。)8 利 用 Ma t l a b编制优 化 程序，输 入 相关 参 数，得 到优化后的结果为内倾角 8 4 1 5。，后倾 角 2 6 7 2。，外 倾角 0 3 0 3。
17、，目标 函数值 由 9 3 0 7减小为 4 0 3 3。优 化前、后的内外侧车轮动态倾角曲线(实线)与理论 值曲线(虚线)对 比如图 5所示。一1 6 一 坚 L 转 角 f。)(b)优化后 图 5 优化前、后 内外侧车轮动态倾 角与理论值 从 图 5中可看 出 优 化后 的 内外侧 车轮 动态倾 角值与 理想值 的相 对误差 显著 减小 说 明优化 后 的 定位参数使动态倾角的变化更趋近于理想值 外倾 角减小，有利于减小与之匹配的前束值 并减少前胎 磨损。根据文献【6】中的计算方法，将与外倾角合理 匹配的前束由原先的 6 m m调整为 1 9 m m 用 内、外侧车轮相对滑移率 Kj，和
18、K。作为衡量 轮 胎 磨 损 指 标用 来 分 析 优 化 前、后 定 位 参 数 对 轮 胎 磨损 程度 的变 化 从 图 6中可 以看 出优化后 相对 滑 移率值显著减小 龄 艇 靛(1 7)转角(。)图 6 优化前、后相对滑移率 的对 比 对改变定位参数后 的样 车进行 了 2 0 0 0 0 k m的 道路试验，其中，9 0 0 0 k m普通公路(平均车速 6 0 k m h)，3 0 0 0 k m坏路，3 0 0 0 k m山路(平均车速 4 O 汽车技术 设计 计算 研究 k m h)5 0 0 0 k m 高 速公 路(平 均 车 速 7 5 k m h)，试验 后原先的明显
19、异常磨损现象没有出现。道路试验中，在 轮胎 宽 度 方 向上 从 外 侧 向 内侧 等 间 距 标 记 4个 点 并 测得 该 车型 分别 采用 优化 前、后定 位参 数 的 左、右 轮胎 花纹 磨损 高度 的对 比结 果 如 图 7所 示，可 知左右轮外侧的最大磨损高度分别从优化前 的 8 7 mm和 8 5 m m 减小 为优 化后 的 5 5 m m 和 5 7 mm。暑 g 魁 逭 辎 盥 吕 宣 1 叵 墩 2 3 4 (b)右轮胎 图 7道路试 验中优化前、后轮胎花纹磨损高度对比 试验结果表明，优化后前轮磨损程度大大降低，轮胎寿命有了显著提高 根据道路试验结果估算其 使 用 寿命
20、应在 4 5 0 0 0 k m 以上 从 而 验证 了优 化结 果 的适用 性。5结束 语 总结了转向轮动态定位参数对客车轮胎磨损的 影响关系 并建立了相应 的计算模型，提出了将 内倾 角、后倾角和外倾角作为设计变量的优化设计方法，优化结果表明此方法可以减小客车轮胎的早期异常 磨损 所采用的方法克服了使用动力学软件对减少 客 车轮胎 磨 损进 行优 化 的 困难与 局 限性 具有 工 程 实用 价值 参 考 文 献 1 黄 兴华 等 拖 拉机转 向时前 轮定位参数 对前轮轮胎磨 损 的理论分析 农机化研 究，1 9 9 0，(4)2王阳阳 重型汽 车双 前桥系统运动学和动力 学分 析：学位
21、论 文1 安徽：合肥工业 大学，2 0 0 5 3 郭孔辉 汽车操纵动力学 长春：吉林科学技术出版社。1 9 9 1 4 J o ms e n Re i mp e l 1 T h e Au t o mo t i v e C h a s s i s：E n g i n e e r i n g P r i n c i pl e s S e c o n d Edi t i o nW a r r e n da l e，El s e v i e r S ci e n c e，2 0 02 5 Ma t l a b Op t i mi z a t i o n T o o l b o x Us e r S
22、Gu i d e Ve r s i o n 2,T h e Ma t h w o r k s 2 0 0 7 6 魏 道高 等 车辆 前轮前束值 与外倾角合 理匹配算法 的商 讨 农业 工程 学报，2 0 0 3。1 9(6)：1 3 9 1 4 2 7 M 米奇克 汽车动力学(第 4版)北京：清华大学出版社，2 0 0 9 (责任编辑帘青)修改稿收到 13期为 2 0 1 0年 1 2月 1 13 (上接第 1 3页)Z 挺 位 移 mm 图 1 3初始气体压力 0 5 MP a弹性特性仿真与试验 曲线 图 1 2显示空气弹簧表现 出一定的非线性 空 气 弹 簧压 缩 作 用 时 仿 真 稍
23、 小 于试 验 所 得 数 据。但 从总体趋势上看 仿真结果与实测结果基本一致 有 限元分析结果与试验数据之间的误差不超过 5 证明该模型正确，仿真结果有效 7 结束 语 选 取 某 型膜 式 空气 弹 簧 为研 究对 象 应 用 A B A Q U S非线性有限元软件进行仿真分析。讨论了 不 同初始压力下。气囊 中帘线 角、帘线 间距、帘线层 数、帘线材料变化对空气弹簧静特性的影响。并将 0 3 MP a和 0 5 M P a空气弹簧垂 向刚度 曲线 与试验 2 0 1 1 年第 2 期 曲线进行 比较 验证了模型的正确性 从而为空气弹 簧性能的研究及新产 品开发提供 了一种较好的、经 济可
24、行 的途径 参 考 文 献 1 Gi e c k J a c k Ri d e o n a i n A h i s t o r y o f a i r s u s p e n s i o n Ne w Yo r k：S AE I n c，1 99 9 2 方凯高速客车空气弹簧力 学参 数的非线性有 限元 分析 北京：铁道部科学研究院 2 0 0 1 3袁春元 周孔亢。吴琳琪。等 车用空气 弹簧有 限元 分析方法 机械工程学报。2 0 0 9，4 5(6)：2 6 2 2 6 6 4何锋 蔡永周 曹龙 田 基于变帘线参 数的商用车膜式空气 弹簧刚度特性研究 橡胶工业，2 0 1 0，5 7(7)
25、：4 0 1 4 0 5 5 郭微 钱德猛 汽车用膜式空气 弹簧的非线性有 限元分 析 客车技术 与研究。2 0 0 6 2 8(3)：1 4 1 6 6 陈灿辉 谢建藩 陈娅玲 汽 车悬架用 空气 弹簧的非线性有 限元 分析 汽车工程 2 0 0 4 4：4 6 8 4 7 1 7 庄茁 张帆，岑松 等AB A Q U S非线性有 限元 分析与实例 北京：科 学出版社 2 0 0 5 8 鲍卫 宁，陈立平，张云 清。等 基 于腔体单 元和 R e b a r 单 元 的空气弹簧性能分析 汽车技术 2 0 0 7 1 0：2 1 2 4 (责任编辑帘青)修改稿收到 13期为 2 0 1 0年 l 2月 1日 一】7 一 O 8 6 4 2 Q O 0 8 6 4 2 QU 加 m