摘 要

双轴转向系统在多轴汽车上占有举足轻重的地位，许多大型商用车都采用双轴转向系统，目前人们正在考虑在一些电动巴车上装配双轴转向系统，以满足一些景区旅游运输的需要，因此双轴转向系统的设计显得尤为重要。

本文对四轴小巴车的双前轴转向系统进行了主要的设计，首先介绍了双前轴转向系统的研究目的以及国内外的研究现状，分析了双前轴转向系统应用在小巴车上的可行性以及对人类的深远意义；指出了目前研究设计中所存在的一些尚未解决的难点问题。随后介绍了双前轴转向系统的设计计算过程，在设计计算之前先对有关转向系统的一些理论知识进行了简单说明，然后应用数学几何知识建立目标车型双前轴转向系统的转向机构数学计算模型，得出了在初始设计条件下的实际转向轮转角关系；紧接着利用MATLAB对设计的转向机构尺寸参数进行优化计算，得到了具有较好转向性能的尺寸结果；最后对转向机构中一些关键零件进行了强度分析，验证了此次设计的合理性。

关键词：双前轴转向；转角关系；数学模型；优化设计；建模

Abstract

Dual-axle steering system plays an important role in multi-axle vehicles. Many large commercial vehicles adopt dual-axle steering system. At present, people are considering installing dual-axle steering system on some electric buses to meet the needs of tourism transportation in some scenic spots. Therefore, the design of dual-axle steering system is particularly important.

This paper mainly designs the dual front axle steering system of four-axle minibus. Firstly, it introduces the research purpose of the dual front axle steering system and the research status at home and abroad, analyses the feasibility of the application of the dual front axle steering system in minibus and its far-reaching significance to human beings, and points out some unsolved difficulties in the current research and design. Secondly, the design and calculation process of the Dual-front-axle steering system is introduced. Before the design and calculation, some theoretical knowledge about the steering system is briefly explained. Then, the mathematical calculation model of the steering mechanism of the Dual-front-axle steering system of the target vehicle model is established by using mathematical geometry knowledge, and the actual steering wheel angle relationship under the initial design conditions is obtained. Then, the setting up of the steering system is carried out by using MATLAB. The dimension parameters of the steering mechanism are optimized, and the dimension results with better directional performance are obtained. Finally, the strength analysis of some key parts of the steering mechanism is carried out to verify the rationality of the design.

Key words: Double front axle steering; Angle relationship;Mathematical model;Optimization design; Modeling

目录

第1章 绪论 1

1.1 本设计的研究背景、意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 设计的主要内容 2

1.4 主要设计方法和技术路线 3

1.5 本章小结 3

第2章 双前轴转向系统设计基础 4

2.1转向系统功能和设计要求 4

2.2双前轴转向系统整体设计 5

2.2.1 设计目标车型分析 5

2.2.2 转向阻力矩计算 6

2.2.3 转向器的选型 6

2.2.4 转向系统的整体布置 7

2.3 转向轮定位参数 8

2.3.1 主销后倾 8

2.3.2 主销内倾 9

2.3.3 车轮外倾 9

2.3.4 车轮前束 9

2.4汽车转向理论 9

2.4.1 单轴转向车轮转角关系 9

2.4.2 双前轴转向车轮转角关系 10

2.5 本章小结 12

第3章 转向系统数学模型的建立 13

3.1 双前轴转向系统传动机构数学模型 13

3.2 转向梯形机构的数学模型 15

3.3 转向系统整体数学模型 17

3.4 本章小结 17

第4章 转向系统杆系的优化计算 18

4.1 优化设计理论简介 18

4.2 系统的优化模型 18

4.2.1 优化设计变量的选择 18

4.2.2 确定约束条件 19

4.2.3 目标函数的建立 20

4.3 基于MATLAB的优化结果 20

4.4 优化结果分析 21

4.5 本章小结 23

第5章 双前轴转向系统动力学分析 24

5.1 转向系统的受力分析 24

5.2 转向系统主要部件强度计算 25

5.2.1 纵拉杆强度计算 25

5.2.2 转向横拉杆强度校核 26

5.2.3 转向摇臂强度校核 27

5.2.4 球头销强度校核 28

5.3 最小转弯半径计算 29

5.4本章小结 29

第6章 总结 30

参考文献 31

附录 33

致谢 36

第1章 绪论

1.1 本设计的研究背景、意义

随着汽车行业的发展，各种满足人们需要的运输车、专用车应运而生；我国是人口资源大国，幅员辽阔，伴随着全国各地公路设施条件不断优化改善，各地区的物流交易日益频繁，交通运输业就需要越来越多承载能力强的汽车，因此多轴汽车的地位不断提升，许多商用车和专用车都是多轴的。目前人们也在考虑增加客车和巴车轴数，来达到增加汽车的客运量以及减少车轮对路面损坏的目的。然而，汽车轴数的增加，必然导致汽车总长的增加，汽车越长其转向机动灵活性就越差；为了解决这个问题，多轴汽车往往搭配双轴甚至是多轴转向系统，多轴转向可大大减小汽车转弯半径，提高汽车转向的操纵稳定性，且转向稳定可靠，故多轴转向系统在众多车型上受到了青睐，因此多轴转向系统的设计问题已经成为多轴汽车底盘设计的一个重要课题。

多轴转向系统由于转向机构复杂、空间布置方案灵活，导致其设计还存在许多不足之处，例如由于转向机构设计不合理导致的轮胎异常磨损、转向杆系和悬架之间的运动干涉等问题，因此需要在前人的大量实验研究基础上不断改进多轴转向系统的设计方案，使多轴转向汽车的转向性能更好。

在多轴转向系统中，双轴转向由于其转向机构相对简单且便于布置的特点，使其被广泛应用于多轴汽车上；双轴转向系统又有很多不同的转向形式，如一、二轴转向（即双前轴转向），一、四轴转向等，不同的转向形式其设计的思路和方法有很大差别，在汽车上的布置难度也不一。在双轴转向系统中，双前轴转向系统由于其转向杆系布置较为简单、纵向空间跨度较小、结构紧凑、转向传递反应迅速等优点受到了许多设计人员的青睐。双前轴转向系统设计的主要难题是对转向机构的空间优化布置，使转向系统的运动关系相协调，达到最佳的转向性能。目前，双前桥转向系统主要应用于一些中重型的商用卡车上，经过数十年的发展，其设计方法不断完善，使其性能逐渐得到人们的认可，因此，目前有不少设计人员将目光转向其他车型，而不再仅仅局限于卡车；本设计的小巴车在客运和旅游运输行业具有举足轻重的地位，在小巴车上搭配双轴转向系统可大大提升其转向性能，适应汽车在复杂地段的转向要求，进而促进旅游运输业的发展。

1.2 国内外研究现状

上世纪80年代，国外的一些研究人员便开始了探索双前轴转向系统的研究之路，并先后探索出了多种有效的设计方法；由于早期计算机设备功能不够全面，转向系统的分析计算又复杂多变，人们的设计计算难度较大，只能对转向模型进行大量简化假设，因此得到的设计结果往往不够理想。早期的办法是利用投影的办法将转向机构的空间模型简化为平面模型，再通过对平面模型的计算分析得出设计的数学计算模型；大部分的研究设计方法认为，双前轴转向系统是由几个典型的子系统相互作用而构成的，在研究分析时可将这几个子系统单独拿出来研究，比如两个梯形机构能保证同一轴内外轮的转角关系，中间传动机构把一二轴的运动联系在一起，最后再将子系统联系起来就构成了整个双前轴转向系统模型。

随着计算机功能的不断增强，不少计算仿真优化软件被开发出来，大大降低了设计人员的工作量，同时也提高了设计结果的质量，给设计人员带来了前所未有的便捷体验。目前设计人员主要利用一些强大的计算仿真软件搭建出设计的数学计算模型，便能进行一系列的计算、优化及仿真。在众多软件中，CATIA主要被用来建立三维空间模型，MATLAB主要被用来计算及优化，Admas主要进行动力学仿真及优化分析，其他一些软件也被人们用来进行计算仿真。

我国的一些汽车企业及研究人员也在对双轴转向系统进行大量的研究，都集中在对转向拉杆的优化设计方面，还没有深入到对转向机构杆件的力学和运动学研究，相信不久后这方面的研究便会更加完善。

1.3 设计的主要内容

本设计主要对四轴小巴车的双前轴转向系统的整体布置和结构尺寸进行了设计，建立了四轴小巴车的双前轴转向系统数学计算模型，利用MATLAB编写程序对其进行优化设计，设计出符合要求的转向系统，主要包括如下内容：

(1) 基于悬架系统的设计要求确定转向车轮的定位参数；

(2) 由经验公式进行转向阻力矩计算；

(3) 基于载荷和转向阻力矩进行转向器的选型；

(4) 小巴车双轴转向系统整体布置方案的确定；

(5) 基于几何关系建立转向系统的计算模型；

(6) 利用MATLAB对转向机构的尺寸参数进行优化设计；

(7) 对转向系统重要零件进行力学分析及强度校核；

(8) 基于汽车转向轮的最大内外轮转角计算汽车的最小转弯半径；

1.4 主要设计方法和技术路线

本次设计我主要利用MATLAB的优化工具箱对小巴车的双轴转向系统进行优化设计。首先确定好转向系统整体的布置方案以及各个部件之间的连接关系及相互作用关系，然后对其空间结构进行简化，得到了转向机构的简化示意图，利用数学几何知识建立整体转向系统的计算模型，再根据转向系统设计要求得出设计变量的约束条件，最后利用MATLAB优化工具箱中的fmincon函数对转向系统的各个结构参数进行优化，得到符合设计要求的各结构的尺寸参数。本次设计的技术路线总结如下，后面的设计工作将按照这个路线图执行。

图1-1 本文设计的主要技术路线

1.5 本章小结

该章节主要介绍了双轴转向系统设计的背景和意义，阐述了开展双轴转向系统研究对交通运输及其他行业的深远意义；简单介绍了双前轴转向系统在国内外的研究设计领取得的研究成果，也分析了目前研究中存在的一些难题；简单阐述了目前一些强大的仿真计算软件为人们带来的便捷；最后总结了本次设计的主要内容和技术路线。

第2章 双前轴转向系统设计基础

2.1转向系统功能和设计要求

汽车的转向系统是保证汽车按驾驶员意图行驶的重要执行系统，顾名思义，转向系统就是使汽车改变原来的行驶轨迹，并能保持汽车按一定轨迹行驶的总成系统^[2]。按照转向时是否有助力可分为机械转向系统和动力转向系统；由于机械转向系统没有助力来源，其一般用于转向力较小的小型轿车，动力转向系统由于转向轻便，在汽车上得到了广泛应用。转向系统还可按照转向器类型不同分为齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式等；动力转向系统是在机械转向系统基础上加装一套转向助力装置而形成的，按照助力能量来源不同可分为液压式、电控液压式、电动助力式等^[4]。尽管转向系统的类型多种多样，但它们的设计都要达到共同的要求，一些基本的设计要求如下：

(1)汽车转弯行驶时，应保证所有车轮轴线交于一点，即瞬时转向中心，任何车轮只做纯滚动不得出现侧滑；多轴汽车由于后轴轴线无法相交，应保证转向中心距后轴较近；

(2)汽车转向行驶后，在驾驶员松开转向盘的条件下，转向轮能自动返回到直线行驶位置，并使汽车保持稳定的直线行驶状态；

(3)转向必须安全可靠，应保证转向轮和转向盘的运动方向一致，且转向盘的转动圈数较小，保证高速行驶时的操纵稳定性和低速时迅速转向；

(4)合理布置转向系统，应使转向系统和悬架导向装置的布置合理，保证两种机构运动时的相互干涉较小，以保证不影响汽车的行驶稳定性；

(5)应保证汽车有较高的机动灵活性，使汽车在有限场地内具有迅速转向和小转弯能力，一般要求汽车的最小转弯半径不大于汽车轴距的2-2.5倍；

(6)应保证转向系统具有一定的操纵轻便性。低速行驶时，驾驶员施加在方向盘上的力应在一定范围之内，对于小轿车而言不得超过150N，对于商用车而言，不得超过450N；

(7)汽车在粗糙路面行驶时，车轮受到地面的冲击力传到方向盘上引起的作用要小，以减轻驾驶员的疲劳，但这种作用不应过小而使驾驶员丧失路感；

(8)转向系统中的各机构间的间隙要小，并且应该在转向器和各转向机构球头处设有调整间隙的装置，以消除因转向机构磨损而造成的间隙变化^[4]。

2.2双前轴转向系统整体设计

顾名思义，双前轴转向就是前两轴都作为转向轴的多轴汽车的转向形式，与单轴转向系统相比，双前轴转向系统由于有两个转向轴，其结构往往更为复杂。虽然转向系统有很多不同的种类，但一般的转向系统都由转向操纵机构、转向器、转向传动机构、转向梯形机构等几大部分构成，只是不同类型的转向系统各部分的布置方案选择不同而已；双前轴转向系统同样由这些部分构成，只是比普通的单轴转向系统多了一套转向梯形机构和一套中间连杆机构，中间连杆机构用来连接第一轴和第二轴并传递由转向器输出的力使两转向轴的转向轮同时转动。货车一般采用一套双摇臂机构作为中间的传动机构，两个摇臂垂直固定在底盘的纵梁上，中间有一套连杆机构这就构成了双摇臂机构。本设计的车型为四轴小巴车，底盘结构和货车有很大区别，若中间的传动机构采用双摇臂结构在小巴车上将无法布置，因此需要根据小巴车的尺寸参数和底盘特征单独为小巴车设计一套中间传动机构。下面我将逐步展开对小巴车双前轴转向系统的整体布置设计。

2.2.1 设计目标车型分析

在确定转向系统的整体设计方案之前，需要对目标车型进行全面分析，以便选择出适合目标车型的转向系统布置方案。为设计出一套适合目标车型的转向系统布置方案，需要对该车型的整车尺寸、轴距、轮距、轴荷等参数进行综合分析；下面是本次设计的四轴小巴车的一些参数：

表2-1 目标车型参数表

由这些参数可以看出，该车型的小巴车总长超过5米，各轴的轴荷也相对比较大，主要影响转向系统布置的是第一二轴的轴距和轮距，这两个参数限制了转向系统的传动机构和转向梯形的尺寸，汽车各轴的轴荷尤其是前轴轴荷将影响转向器的选型。

2.2.2 转向阻力矩计算

一般情况下，转向阻力矩的大小受汽车的轴荷、轮胎气压、轮胎与路面间的摩擦系数、转向系统内部摩擦、车速等因素的影响，想要精确计算出转向时的阻力矩比较困难，为此，一般采用足够精确的半经验公式来计算汽车在沥青或混凝土路面上的原地转向阻力矩，计算公式如下^[4]：

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