基于CATIA的商用車雙轉向橋轉角一致性研究

李國斌 高嵩

摘 要：本文通過對重卡雙轉向前橋轉角的理論計算，和CATIA軟件DMU運動仿真功能的模擬，將雙前橋輪胎實際轉角與理論轉角的誤差控制在一定范圍內，保證轉向的一致性，為重卡雙轉向系統(tǒng)的設計提供了精確可靠的依據。

關鍵詞：CATIA；重卡；雙轉向；DMU；轉角一致性

0 引言

重卡雙前橋轉向一致性達不到要求時，將會導致轉向輪“吃胎”嚴重，采用CATIA軟件中的DMU功能，在參數化建模的基礎上，可以方便的實現各輪轉角的運動仿真，進行雙前橋轉角一致性的校核。

1 雙前橋轉角理論計算

為了避免在汽車轉向時產生路面對汽車行駛的附加阻力和輪胎過快磨損，要求轉向系統(tǒng)能保證在汽車轉向時所有車輪均做純滾動。顯然，這只有在所有車輪的軸線都相交于一點時方能實現。此交點O稱為轉向中心。

對于本次研究的漢風G700系列重卡轉向系統(tǒng)，為簡化分析，假設：

1）轉向時車速較低，側向慣性力很小，勻速行駛；

2）忽略車輪的側偏角對轉向運動的影響；

3）瞬時轉向中心線位于雙后橋中心線上。

同一轉向橋的內外輪轉角對應關系應符合阿克曼原理；

式中：α1、β1分別為前Ⅰ橋外輪轉角、內輪轉角，α2、β2分別為前Ⅱ橋外輪轉角、內輪轉角，L1、L2分別為前Ⅰ橋、前Ⅱ橋距離雙后橋中心線的距離，B為轉向主銷中心延長線與地面交點之間的距離。

前Ⅰ橋、前Ⅱ橋同側車輪轉角對應關系應滿足條件：

據此可解出：

漢風G700系列重卡車型參數為：

根據上述解出的α1、α2、β2與β1的關系，對前Ⅰ橋內輪轉角β1在5 ?～45 ?范圍內，以5 ?為間隔取值，求出相應前Ⅰ橋外輪轉角α1、前Ⅱ橋外輪轉角α2、前Ⅱ橋內輪轉角β2，即為雙前橋轉角理論值，如下表：

2 CATIA DMU運動機構雙前橋轉角仿真校核

為保證轉向一致性，必須精心設計轉向轉動機構中轉向梯形的幾何參數。但是迄今為止，所有汽車的轉向梯形實際上都只能設計在一定的車輪偏轉角范圍內，使得兩側車輪轉角的關系大體上接近理論值，尤其在Ⅰ橋內輪轉角20?～25?范圍內的常用工況，一般要求設計值與理論值的轉角誤差在0.5?以內。

因此，對新設計車型的轉角一致性校核顯得尤為重要。采用CATIA軟件數字化裝配中的DMU運動機構，可以快速準確的進行相應校核。

首先，建立車架、前橋（包括轉向節(jié)、工字梁、轉向橫拉桿）、車輪總成、轉向直拉桿、方向機及中間搖臂數模。由于要進行運動仿真分析，參與運動仿真的裝配零部件需要在同一級裝配中。對于前橋，其本身的的轉向機構是可以運動的，需要對其進行拆分，確保各運動部件處于同一級裝配中。如下圖所示。

轉向的輸入端由方向盤開始，通過轉向傳動軸傳遞到方向機。這個過程很簡單，都是轉動副。方向機的機械傳動機構其實就是一個減速機構，起到減速增扭、改變力矩傳遞方向的作用，具體不再詳述。方向機的輸出端有一個搖臂與輸出軸相連，這樣方向機就可以將輸入軸大角度的轉動轉變成輸出軸轉向搖臂的小角度擺動。方向機搖臂的擺動是一個轉動副。本文的運動仿真以搖臂隨方向機輸出軸的轉動開始，作為運動仿真機構的初始運動。

當轉向搖臂向后擺動，通過直拉桿、轉向節(jié)、轉向梯形機構，車輪右轉向；轉向搖臂向前擺動，車輪左轉向，這就是整個轉向機構的運動過程。因此要做好機構的運動仿真，必須掌握一定的機械原理等相關基礎知識。

每一種運動副其實都是由一種或幾種約束組成。這些約束可以在運動仿真模塊里通過添加運動副時添加，也可以使用裝配約束轉換命令（Assembly Constraints Conversion），將裝配中已經存在的某些約束直接轉換成運動副。

然后，從裝配模塊進入仿真模塊，點擊“開始”→“數字化裝配”→“DMU運動機構”，即可進入CATIA運動仿真模塊。

進入DMU運動機構模塊后，需要新建一個“新機械裝置”，然后進行一系列運動副的添加，以車架作為基座，輪胎需要與轉向節(jié)固結起來成為一個整體參與運動仿真。特別需要說明的是，轉向拉桿的兩個球鉸之間的任何一個需要插入一個萬向節(jié)約束來限制拉桿的轉動，最終整套運動機構的自由度為0，即可進行仿真模擬。

使用運動模擬命令（Simulation with Commands）出現下圖所示對話框，用鼠標左右拖動命令欄中的滑塊即可實現轉向機構的運動仿真。

同時，選擇“激活傳感器”即可實現模擬值的文件輸出，輸出文件為電子表格格式，為了與理論值對比方便，對模擬的輸出值數據進行處理，結果如下：

通過DMU仿真輸出的轉角值（表3）與理論值（表2）對比可以看出，本次設計的漢風重卡轉向系統(tǒng)，在常用轉角20?～25?范圍內，設計值與理論值的轉角誤差在0.5?以內，最大誤差在1.5?以內，滿足要求。

3 結束語

目前徐工汽車事業(yè)部進行車型設計，已經基本實現CATIA三維設計，通過已經有的三維數模，可以很方便的實現DMU運動仿真，縮短設計校核周期，提高準確性。同時基于CATIA參數化的建模特點，當一次仿真結果不理想時，可以快速的修改轉向系統(tǒng)桿系參數，優(yōu)化設計值，馬上進行再次仿真分析，對整個轉向系統(tǒng)設計過程有重要意義。

參考文獻

[1]周松盛.汽車雙前橋轉向系統(tǒng)的分析、建模仿真與優(yōu)化[D].武漢理工大學.2009.

[2]朱敏.我國雙前橋轉向貨車使用狀況分析研究[D].長安大學.2012.

[3]張蕾、董恩國、梁立學.載重汽車雙前橋轉向機構優(yōu)化設計[J].中國制造業(yè)信息化.2012（19）.

[4]楊俊智、楊文興、周強.基于MATLAB的轉向梯形機構的優(yōu)化研究[J].移動電源與車輛.2013（01）.

作者簡介

李國斌（1989.02-），性別：男，民族：漢，籍貫：山西交城，當前職務：轉向懸架室主任，當前職稱：主任設計師，學歷：本科。

（作者單位：徐州徐工汽車制造有限公司）