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轮式车辆麦弗逊悬架转向梯形断开点位置优化设计

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导读轮式车辆麦弗逊悬架转向梯形断开点位置优化设计
维普资讯 http://www.cqvip.com 第28卷第3期 2 0 0 7年3月 兵 工 学 报 V01.28 NO.3 Mar. 2007 ACTA ARMAMENTARII 轮式车辆麦弗逊悬架转向梯形断开点位置优化设计 卞学良,马国清 (河北工业大学车辆工程系,天津300130) 摘要:运用多刚体系统动力学中R—W方法,建立了轮式车辆麦弗逊悬架和转向系统运动方 程,导出了系统关联矩阵、通路矩阵、体铰矢量矩阵以及系统约束方程。在此基础上建立了麦弗逊 悬架转向梯形断开点位置优化模型。在优化模型中,根据转向要求创建出了一种权重函数,从而可 以获得最佳的优化效果。 关键词:机械设计;R—W方法;麦弗逊悬架;优化设计;权重函数;断开点 中图分类号: 文献标志码:A 文章编号:1000—1093(2007)03—0262—05 Optimization of Splitting Point of Mc Pherson Strut and Steering Mechanism for Wheeled Vehicle BIAN Xue—liang.MA Guo-qing (Vehicle Engineering Department,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China) Abstract:The motion equation of Mc Pherson strut and steering mechanism for wheeled vehicles was established by using the R—W(Roberson R E and Wittenburg J)method known in dynamics of multi— body systems.Systematic incidence matrix,route matrix,body hinge vector matrix and system re— straint equation were derived.On this foundation,the optimization model of the splitting point of Mc Pherson strut and steering mechanism was established.In the optimization model,according to steer— ing request,a weight function was founded to obtain the best optimization effect. Key words:machinery design;R—W method;Mc Pherson strut;optimization design;weight func— tion;splitting point 麦弗逊悬架和转向梯形组成的系统是空间杆机 构,当转向梯形断开点位置选择不当时,会出现前轮 1系统运动学方程的建立 摆振现象,破坏操纵稳定性,加剧轮胎磨损…1。对 1.1机构有向图 麦弗逊式悬架,确定转向梯形断开点位置的传统方 麦弗逊悬架转向系统简图如图1所示,图中: 法是平面作图法l2 J,这些方法忽略了主销后倾角和 Bo为车身,Bl为下摆臂,B2为转向节,B3为车轮, 摆臂轴轴线空间角度的影响,很难获得较好的断开 B4为滑柱,B5为转向摇臂,B6为转向横拉杆,h1 点位置。为获得最佳的断开点位置,文献[3]应用空 为下摆臂轴柱铰链,h2为转向节下球头铰链,h 为 间机构运动学方法对麦弗逊悬架转向系统断开点位 车轮轴柱铰链,h4为滑柱上端球铰链,h5为摇臂轴 置进行了优化设计。本文将应用多刚体系统动力学 柱铰链,h6为转向摇臂与横拉杆连接的球铰,h 为 中的R—w理论,在对麦弗逊悬架转向系统进行优化 滑柱上下部之间的滑动约束,h 为横拉杆与转向节 设计的基础上l4],对转向梯形断开点位置进行优化 连接的球铰链。 设计。 引入图论的概念,将刚体B (i=1,2,…,6)定 收稿日期:2005—07—12 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 轮式车辆麦弗逊悬架转向梯形断开点位置优化设计 263 图1麦弗逊悬架转向系统简图 Fig.1 Diagram of Mc Pherson strut and the steering mechanism 义为顶点,将铰链h ( .=1,2,…,8)定义为弧,采用 规则标号法规定的方向,得到麦弗逊悬架转向系统 的有向图(图2)。由图可见B0一B1一B2一B4一B0 和B0一B5一B6一B2一B1一B0构成两个闭环运动 链。为了能利用树形系统的运动学关系式,将此闭 环系统简化成树形系统。首先将闭环系统中的铰链 矗 和矗 切除,得到原系统的减缩系统,减缩系统的 有向图(图3).铰链矗 和矗8的作用由约束方程来 补充。 一0 0 0~0一十  一0 0 0 一一1 1 : 图2系统有向图 Fig.2 Directed graph of the system 一Bs Bn B : 图3减缩系统有向图 Fig.3 Directed graph of a reduced system 1.2系统的关联矩阵、通路矩阵和运动学方程 根据关联矩阵S和通路矩阵T的定义[引,由减 缩系统的有向图(图3)可求出麦弗逊悬架转向系统 的关联矩阵S和通路矩阵T分别为 = 隧S1  i0 一 Ji 0 1,’ T l 0 0.. I2;0 J.  (2) 。j 减缩系统的S和T均为分块对角阵(用虚线分 开)。即减缩系统被刚体B0分为3个子系统:第一 个为B0一B1一B2一B3子系统,具有的关联矩阵S1 和通路矩阵T1;第二个为B0一B4,具有S2和T2; 最后一个为B0一B5一B6,具有S3和T3.这3个子 系统均为有根树型系统,其运动学方程为  一 rk=rol ^+D{I , (3)  1 式中:愚为为子系统的标号;r为由B 刚体质心位 置 矢径构成的列阵;r0为刚体B0的质心矢径;I 为元素为1的 ×1维列阵;D通路矢量矩阵。 1.3系统体铰矢量距阵和通路矢量矩阵 在麦弗逊悬架转向梯形运动分析中,为获得转 向轮摆动角,需要计算B、C、G、F点任意时刻在参 考系下的坐标,为此在第一个子系统中,按图4所示 0 图4质心位置 Fig.4 Centroid location ~0一一一 ~1维普资讯 http://www.cqvip.com 兵 工 学 报 第28卷 把B点作为刚体B1的质心C1,把C点作为刚体B2 的质心C2,把F点作为刚体B3的质心C3,把G点 作为数值计算点,可得质心矢量c】】、c22、c2 c 由图4绘制出第一个子系统体铰矢量和通路矢量分 布图(图5),同理可得到第二和第三个子系统体铰 矢量和通路矢量分布图(在此从略)。由系统分布图 得系统体铰矢量矩阵和通路矢量矩阵 图5体铰矢量和通路矢量 Fig.5 Body hinge vectors and route vectors l cl1 0 0 i 0 0 0 l 0 c22 c23 0;0 0 l l 0 0 c33 0 0 0 j C= 1 0 0 0 C44 0 0 l 【0 0 0 0 c55 c 56 l L 0 0 0 0 0 C66.J I C1;0;0 l l 0 C2 0 I, (4) L 0;0 C3j dll d12 d13 i 0 i 0 0 0 d22 d23 0 0 0 1 0 0 d33 0;0 0 D= ………………………’ ……… ……………一 0 0 0 i d44 0 0 0 0 0 0 d55 d56 0 0 0 0 i 0 d66 厂I)1 0;0] l 0 D2‘’ … 0  I. (5) 2系统约束方程 麦弗逊悬架系统约束方程的建立见图6,在与 转向节相连的滑柱体(刚体B2)上设置一个单位矢 量L2,在滑柱的上部(刚体B4)设置一个与L2平行 的单位矢量L4,连接L2和L4 2矢量的端点,设置 1个矢量d 图6悬架机构约束方程矢量 Fig.6 Constraint equation vectors of the suspension system 在悬架运动的任意时刻,刚体B2和B4之间只 能沿滑柱轴线滑动,两者轴线始终在一轴线上,3矢 量都应满足相互平行的条件,即 fL2×L4=0; (6) I L2×d=0. (7) 将(6)式和(7)式写成坐标分量为 f—z2£z4v+12314£=0, 12。14 一12x/4。=0, (8) 【一12314 +12z/4 =0; f—z2 +z2 。=0, z 一z2 。=0, (9) 【一Z2 +12xdy=0. 上述(8)式和(9)式中的每3个公式中,只有2 个是独立的,第3公式可由另2个公式导出。各取 其中两个组成联立方程组,即为麦弗逊悬架系统约 束方程。 转向机构的约束方程的建立见图7,在刚体 B0,B1,B2,B5,B6上分别设置5个矢量L 00,L1, L12,L22,L5,L6,5个矢量构成的矢量封闭图,在系 统运动过程中任意时刻均封闭,即满足 Loo+L 5+L6=L1+L12+L22, (10) 写成坐标分量形式,得转向机构的约束方程 f 15 +16 +loo 一z1z—z12 一/22 =0, 15 +16 +loo 一11 一/12 一/22 0, (11) 【Z5£+Z6£+Z00£一Z1£一Z12£一/22£=0. 综上麦弗逊悬架和转向系统的约束方程组成7 阶非线性方程组,方程组中除L0,L 00为常矢量外, 其余矢量均是12个广义坐标的函数。选下摆臂摆 动角 }、摇臂摆动角 {、车轮绕轮轴转角 i、拉杆 绕其轴线转角 2及滑柱绕其轴线的转动角 j作为 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 轮式车辆麦弗逊悬架转向梯形断开点位置优化设计 265 意时刻车轮摆动误差最小,则优化设计目标函数为 J J minF(x)=∑∑W l 0 —00J 1. (15) 2)设计变量和约束函数 取断开点的位置坐标为优化设计变量,即 X=[z1 X2 X3]=[ E YE ],(16) 式中:zE、YE和zE为转向梯形断开点位置坐标。 在转向梯形设计中,断开点的位置坐标应满足 图7转向机构约束方程矢量 Fig.7 Constraint equation vectors of the steering mechanism 输入变量,则可由悬架及转向系统的约束方程解出 其余的7个未知量。 3转向梯形断开点位置优化 3.1转向轮摆动角 汽车在行驶过程中,转向轮随着路面的不平相 对于车身上下跳动,由于悬架机构和转向机构运动 的相互关联性,造成转向轮在上下跳动过程中绕其 主销轴线摆动。摆动角的计算是通过(3)式计算出 车轮中心点G和M点任意时刻在参考系下的坐 标,从而求得前轮摆动角 0=arctan L . (12) M G 根据汽车的操纵稳定性要求,转向梯形断开点 理想的位置应是在转向轮处于某一转向位置时,随 着车轮上下跳动,车轮不应绕其主销轴线摆动。但 是由于麦弗逊悬架转向梯形是空间杆机构,悬架运 动过程中转向杆系与悬架杆系的运动不协调,会造 成车轮在上下跳动过程中总是有些摆动,其不协调 摆动误差,用车轮上跳或下跳动某一位置车轮转角 与车轮平衡位置的车轮转角Ooi之差表示,即 =J ~ 0 J. (13) 考虑整个转向过程时车轮总的摆动误差为 J f E(O ):∑∑l 0 —00 l, (14) 式中: 为车轮从最低跳至最高位置总分数;J为车 轮转角总分数。 3.2优化设计模型 1)目标函数 为了体现转向轮不同转向角时对车轮摆动误差 的要求不同,一般在最常使用的小转向角,平衡位置 附近工况,车速较高,车轮摆动要小。而在非经常使 用的大转角,非平衡位置工况,车速较慢,误差适当 放宽,为此在转向误差前加上权重函数w 为使任 结构和布置条件的限制,可得约束函数为 {蒹菱’ (1789) 为获得3.2中对权重函数 的要求,用概率 2 曲线e一函数叠加构建权重函数为 w“:e一‘ 驯 一)‘+‘ 一 e, (20) 式中:z 为转向轮最大垂直跳动量mm. 权重函数W 中的第一项e一‘ 一 ‘和转向角 0有关,随着转向角的增大数值减小,其惩罚作用可 以得到小转向角时具有小的车轮摆动量;第二项 ,  ,、2 。e max 和转向轮的垂直跳动量z有关,随着跳动 量的增大数值减小。其惩罚作用可以得到小跳动量 时具有小的车轮摆动量。 4计算实例与分析 利用本文程序对TJ7136U汽车麦弗逊悬架转 向梯形断开点位置进行了优化设计,在优化设计中 取转向轮转向角最大值0f =一30。~+30。,上下 跳动量为一40 mm~+40 mm,取等份数为J=15, J=31进行优化计算。优化前后车轮摆动误差见表 1,车轮摆动误差分布分别如图8和图9所示,汽车 直线行驶时的摆动误差如图10所示,由表1和车轮 摆动误差图8和图9可以看出,优化后的车轮摆动 总误差为134.76。,车轮最大摆动误差为0.820。,不 仅误差减小而且分布合理。 表1优化前后参数对比 Tab.1 Comparison of parameters between the original and optimized schemes 维普资讯 http://www.cqvip.com 兵 工 学 报 第28卷 毫 稃 鞋 辑 * 图8原设计方案车轮摆动角分布 Fig. 8 Distirbution of the swinging angle of the wheel of the original blue print 司 稃 齄 辑 * 30 图9优化后车轮摆动角分布 Fig.9 Optimized distribution of the swinging angle of the wheel 毫 司 幅 齄 辑 * 车轮跳动量/mm 图10转向角为零时车轮摆动角 Fig.10 The comparison of the swinging angle of the wheel between the original and the optimized schemes at 0= 0。 5结论 运用多刚体系统动力学中R—w方法,构建出了 系统有向图和减缩系统有向图,导出了系统关联矩 阵、通路矩阵和体铰矢量矩阵,建立了系统运动方程 和约束方程。在此基础上建立了麦弗逊悬架转向梯 形断开点位置优化模型。 在断开点位置优化模型中,根据转向要求,考虑 了不同转向角和不同车轮跳动位置对车轮摆动角要 求不同,创建出了一种权重函数,不仅可以获得最小 的车轮摆动角,而且具有合理的分布。作为实例对 TJ7136U汽车进行了计算,验证了模型的可行性和 正确性。 参考文献(References) [1】耶尔森・赖姆帕尔.汽车底盘基础[M】.张洪欣,余卓平,译. 北京:科学普及出版社,1992:110—112. 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