變輪距底盤機械式可變特性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真分析
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韓國旭，孟廣耀，李雪萊
（青島理工大學(xué)機械工程學(xué)院，山東 青島 266033）
摘要：針對交叉變輪距車輛底盤，基于阿克曼轉(zhuǎn)向原理，提出一種機械式可變特性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；應(yīng)用UG建立底盤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型，分析車輛變輪距條件下的轉(zhuǎn)向需求，建立轉(zhuǎn)向單元的可變特性；并進行轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性仿真分析，驗證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與交叉變輪距底盤的協(xié)調(diào)性。分析表明：在該型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱下轉(zhuǎn)向輪滑移率符合設(shè)計標準的要求，轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計思路正確，為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供了保證。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；運動仿真；UG;動態(tài)分析
中圖分類號：TP391.9：U463.4
1 交叉變輪距底盤機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實現(xiàn)
在車輛行駛過程中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要使車輪在轉(zhuǎn)向時不發(fā)生滑動，理論上各車輪必須圍繞同一個中心點滾動，即轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角滿足阿克曼轉(zhuǎn)向原理：
圖1為阿克曼梯形轉(zhuǎn)向機構(gòu)原理圖，通過利用兩個梯形臂的轉(zhuǎn)角差異來近似滿足車輛轉(zhuǎn)向條件，在車輛軸距l(xiāng)和輪距b確定的情況下，主銷中心距k確定，梯形臂m、連桿n的長度和轉(zhuǎn)向梯形底角y決定了車輛的轉(zhuǎn)向性能。
本文研究的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是基于一種車橋交叉布置、通過改變車橋間的夾角來改變車輛底盤輪距的專利技術(shù)而設(shè)計的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。圖2為交叉變輪距底盤及其前
該轉(zhuǎn)向技術(shù)核心是依據(jù)車橋交叉布置的特點，將阿克曼梯形轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計為一個獨立的轉(zhuǎn)向單元，單獨設(shè)置在一個車橋上，并通過一系列連桿機構(gòu)實現(xiàn)車輛的轉(zhuǎn)向，同時通過改變轉(zhuǎn)向單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整其轉(zhuǎn)向特性，以滿足不同輪距條件下的轉(zhuǎn)向要求。
根據(jù)該機構(gòu)的幾何關(guān)系，設(shè)置如下角度關(guān)系：
2轉(zhuǎn)向單元可變特性建立
基于UG建立機架及轉(zhuǎn)向模型部件，并進行裝配。在裝配模型中，根據(jù)變特性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計原理，通過裝配角度約束，以函數(shù)形式對轉(zhuǎn)向單元機構(gòu)中的y值與車橋間夾角θ值的關(guān)系定義如下：
選定驅(qū)動橋夾角后，可以模擬出兩前轉(zhuǎn)向輪在轉(zhuǎn)彎時角位移隨時間的變化規(guī)律。同時根據(jù)公式(1)，將兩前轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角理論關(guān)系函數(shù)作對比輸入，計算轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角模擬值與理論值的偏差，得到車輪在轉(zhuǎn)向時滑移率的變化規(guī)律，進而對該變特性轉(zhuǎn)向單元的性能進行分析與優(yōu)化設(shè)計。
3建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型
3.1 定義連桿與運動副
分類定義模型中結(jié)構(gòu)組件，并且以圖層進行管理。根據(jù)各連桿間的接觸與相對運動關(guān)系，設(shè)置運動副如表1所示。
3.2驅(qū)動設(shè)置與解算方案
將底盤驅(qū)動以扭矩形式添加于旋轉(zhuǎn)副(J003～J004)，轉(zhuǎn)向驅(qū)動添加于旋轉(zhuǎn)副(J021)。選用STEP函數(shù)輸入，建立轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)角、位移對時間的響應(yīng)關(guān)系。模擬車輛在轉(zhuǎn)彎時進彎減速、出彎加速過程，后輪的驅(qū)動選用： STEP（ time，0，-1 000，8），STEP( time,8,-600,16,-1 000)。
定義兩交叉驅(qū)動橋間夾角臼，轉(zhuǎn)向特性單元將自動調(diào)整轉(zhuǎn)向機構(gòu)特性。本文分別取用3個整數(shù)角度
解算方案中選擇仿真時間為18 s，步長為1 000步，分析類型為運動動力學(xué)仿真。
4仿真結(jié)果與轉(zhuǎn)向單元轉(zhuǎn)向性能分析
根據(jù)公式(1)，利用函數(shù)編輯器編輯車輪轉(zhuǎn)角理論關(guān)系函數(shù)作為對比輸入，同時記錄兩前輪轉(zhuǎn)向架回轉(zhuǎn)副(J006～J007)相對角位移，分別繪制3組仿真曲線如圖3～圖5所示。
回轉(zhuǎn)副J006的轉(zhuǎn)角，以派生函數(shù)形式輸入，對比回轉(zhuǎn)副J O07轉(zhuǎn)角曲線與理論轉(zhuǎn)角函數(shù)曲線。同時建立旋轉(zhuǎn)副角位移與理論角位移的差值函數(shù)，應(yīng)用峰值探測功能，計算峰值點位置車輪產(chǎn)生最大側(cè)滑時的側(cè)滑率，結(jié)果如表2所示。
從圖3、圖4、圖5中可以看出，隨著轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角增大，J007的角位移與理論值的差值逐漸增大，這意味著隨著轉(zhuǎn)向角的增大，轉(zhuǎn)向輪在轉(zhuǎn)彎過程中的側(cè)滑增加。在向左與向右轉(zhuǎn)彎的過程中，轉(zhuǎn)向車輪的側(cè)向滑動變化規(guī)律有所不同，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)向特性單元布置在右前驅(qū)動橋并采用中央轉(zhuǎn)向驅(qū)動臂的設(shè)計原理相符合。結(jié)合表2分析，隨著驅(qū)動橋夾角θ的增大，轉(zhuǎn)向輪的側(cè)滑率逐漸減小，并且，隨著兩驅(qū)動橋間夾角從600到800的改變，相同時刻的回轉(zhuǎn)角與理論值的切合程度也在發(fā)生著變化，可以推斷出在車橋夾角過大（或過�。⿻r，該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將使轉(zhuǎn)向輪在轉(zhuǎn)向過程中發(fā)生相對較大的側(cè)滑，但側(cè)滑率會穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。
5結(jié)論
基于UG建模與仿真系統(tǒng)結(jié)合的機構(gòu)設(shè)計思路，經(jīng)過對模型仿真的設(shè)計與結(jié)果分析，得到了這種機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本運行參數(shù)。結(jié)合相關(guān)車輛轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計標準，進一步驗證了該新型變特性機械轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計滿足變輪距底盤的轉(zhuǎn)向要求。同時，建立了該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與底盤機構(gòu)的仿真模型和各主要參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，為該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)整體優(yōu)化提供了參考。
