矿用汽车转向梯形的设计-USTB本科毕业论文正文模板ecdi.docx

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1、矿用汽车车转向梯梯形的设设计陈风帆 北京科技技大学摘要：文文中采用用了传统统的计算算方法对对矿用汽汽车的转转梯形进进行了优优化。以以一定外外转角范范围内理理论内转转角和实实际内转转角差值值的绝对对值的和和为目标标函数的的终值，利利用EXXCELL软件编编得出了了不同梯梯形底角角、梯形形臂长下下，转过过各个外外转角时时，理论论内转角角与实际际内转角角的关系系。并在ADDAMSS中建立立了本文文设计的的转向梯梯形及原原有矿用用汽车转转向梯形形的模型型，对两两种转向向梯形的的原地转转向过程程进行仿仿真，得得到两个个转向梯梯形外轮轮转角与与内轮转转角间的的关系。关键词：转向梯梯形，内内转角，仿仿真优化

2、化。The Dessignn off Stteerringg Liinkaage forr TrruckkChenn Feengffan Univverssityy off Scciennce andd Teechnnoloogy BeiijinngAbsttracct：In thee arrticcle ,thhe aauthhor ussed thee trradiitioonall coompuutattionnal metthodd too caarryy onn thhe ooptiimizzatiion to thee miinerral prooducct aautoomobbi

3、lee exxtennsioon ttrappezooid.Tookk thhe ccerttainnty outssidee thhe ccornner of a ccerttainn thheorry wwithhin thee frrameeworrk oof tthe corrnerr annd tthe acttuall diiffeerennce in thee abbsollutee vaaluee off thhe ccornner andd ass thhe oobjeectiive funnctiion of thee teermiinall vaaluee, usinng

4、 tthe EXCCEL to obttainn thhat undder thee diiffeerennt ttrappezooidaal aanglle oof ddeadd riise, thhe ttrappezooidaal rreacch, wheen ttrannsfeerreed eeachh ouutsiide corrnerr, ttheoory inssidee loock andd acctuaal iinsiide locck rrelaatioons.Acccorddingg too thhe oobjeectiive funnctiion, thhe aauth

5、hor dettermmineed tthe steeeriing traapezziumm paarammeteer aafteer tthe anaalyssis.Thee auuthoor hhas esttabllishhed thee stteerringg trrapeeziuum aand thee orrigiinall miinerral prooducct mmotoor tturnningg trrapeezoiid mmodeel iin AADAMMS wwhicch tthiss arrticcle dessignns. Steeeriing linnkagge o

6、of tthe twoo stteerringg thhe pproccesss off inn siitu simmulaatioon, obttainned froom tthe twoo stteerringg trrapeezoiid oouteer aand innner corrnerr off thhe rrelaatioonshhip bettweeen rrotaatioon aanglles.Keywwordds：Steeeriing linnkagge, Inssidee coorneer, Siimullatiion andd Opptimmizaatioon1转向梯梯

7、形的介介绍转向梯形形机构用用来保证证转弯行行驶时汽汽车的车车轮均能能绕同一一瞬时转转向中心心在不同同半径的的圆周上上作无滑滑动的纯纯滚动。同同时，为为了达到到总体布布置要求求的最小小转弯直直径值，转转向轮应应有足够够大的转转角。为为此，转转向梯形形应保证证内、外外转向车车轮的理理想转角角关系如如式(11)所示示。图11是转向向梯形示示意图：图1转向梯形示意图转向梯形形机构分分为整体体式和分分段式两两种。整整体式用用于非独独立悬架架的转向向轮；分分段式用用于独立立悬架的的转向轮轮，本车车采用非非独立悬悬架系统统，故而而使用整整体式转转向梯形形。整体式转转向梯形形是由转转向横拉拉杆、转转向梯形形臂

8、、和和汽车前前轴组成成。这种种方案的的优点是是结构简简单，调调整前束束容易，制制造成本本低；主主要缺点点是一侧侧转向轮轮向上、下下跳动时时，会影影响另一一侧转向向轮。而而分段式式转向梯梯形两转转向轮互互不影响响，结构构复杂，制制造成本本较2整体式式转向梯梯形机构构的优化化设计汽车转向向行驶时时，受弹弹性轮胎胎侧偏角角的影响响所有车车轮不是是绕位于于后轴延延长线上上的点滚滚动，而而是绕位位于前轴轴和后轴轴之间的的汽车内内侧某一一点滚动动。此点点位置与与前轮和和后轮的的侧偏角角大小有有关。由由于影响响轮胎侧侧偏角的的因素很很多，且且难以精精确确定定，所以以以下都都是在忽忽略车轮轮侧偏角角影响的的条

9、件下下分析有有关两轴轴汽车的的转向问问题。此此时，两两转向轮轮轴线的的延长线线交在后后轴延长长线上，如如图2。图2内、外车轮转角关系简图设为外侧侧车轮转转角，为为内侧车车轮转角角，为汽汽车轴距距，为两两主销中中心线延延长线到到地面交交点之间间的距离离。若要要保证全全部车轮轮绕一个个瞬时转转向中心心行驶，梯梯形机构构应保证证内、外外转向车车轮的转转角关系系为：(1)若自变角角为，则则应变角角的期望望函数可可以表示示为：(2)但是，在在实际情情况下，转转向梯形形机构仅仅能近似似满足上上式关系系。利用用图2中中各个角角度的关关系，运运用余弦弦定理可可以推算算出实际际内轮转转角为：(3)式中：为为梯形

10、臂臂长。3 目目标函数数为了减小小车轮侧侧滑，延延长轮胎胎使用寿寿命，转转向机构构应使两两前轮转转角在整整个转向向过程中中尽可能能精确的的满足式中的的关系，即即转向梯梯形结构构设计的的实质是是使转向向梯形实实际内侧侧转角和和理想内内侧转角角尽可能能的一致致。通常常矿车880%以以上的使使用工况况的转向向轮转角角都小于于，因此此本文在在设计和和优化时时的目标标函数就就是在度变化范范围内，最最大的理理论外转转角与实实际外轮轮转向角角的偏差差最小化化，即(4)又由于这这个偏差差在最常常用的中中间位置置附近小小转角范范围内应应尽量小小，而在在不常用用的最大大转角附附近时则则可以适适当放宽宽要求。因因此

11、，引引入一个个加权因因子，构构成的目目标函数数为：(5)4 设设计变量量在传统的的转向梯梯形机构构设计中中，为了了减小转转向时横横拉杆的的轴向力力，一般般要求转转向臂不不宜过短短，通常常取，考考虑到空空间的布布置，梯梯形臂也也不宜过过长，取取，对于于后置的的转向梯梯形机构构，为了了避免干干涉，梯梯形的底底角，因因底角越越大，梯梯形就越越接近于于矩形，则则目标函函数的值值就越大大。而设设计并优优化的过过程是取取目标函函数的最最小值，因因此不必必限制梯梯形底角角的上限限，即。由由此，本本文所进进行的设设计的梯梯形机构构的常规规约束条条件是：计算中我我选用的的约束条条件是：(6)5 设设计优化化过程

12、设计计算算的原理理就是运运用EXXCELL软件编编辑出公公式，得得出目标标函数的的值，然然后比较较得出相相对的最最优值，取取得最优优值时的的梯形底底角和梯梯形臂长长即为所所设计的的最终优优化结果果。在所做的的EXCCEL中中，,在变化化范围内内变化，外外轮转角角从变化到到，然后后根据式式3.22和式3.3分别别求出内内轮转角角的理论论值和实实际值，进进而求出出目标函函数3.5的值值。最后后对目标标函数的的值求和和，即为为后文所所说的目目标函数数值，从从而列出出表1。表1是当当梯形底底角为，梯梯形臂长长为5770 mmm时，该该EXCCEL表表格所显显示数据据。MLm夹角外轮转角角实际内转转角理

13、论内转转角目标函数数24900425005706811.0008588624431.0110333014480.00026115855724900425005706822.0334666516642.0441733859960.01106110144824900425005706833.077876665773.0994855041150.02241225766724900425005706844.144149926994.1770288556680.04431889311824900425005706855.2223522735595.2668655540090.06676992077524

14、900425005706866.3225644689936.3990555872210.09973667744224900425005706877.4448733305527.5336577729940.13317666366324900425005706888.5993788858848.7007277099940.17702223611524900425005706899.7661955601189.9003177232240.2111822445592490042500570681010.9954554055411.112477804450.17702339911424900425005

15、70681112.117300381112.337255547720.1999511661192490042500570681213.4419117022813.664699076610.2227733733332490042500570681314.6694992799714.994811972250.2553266928892490042500570681416.0002662677316.227677194410.2774099267722490042500570681517.3344997817.663266990080.2887722108822490042500570681618.

16、7725118177119.001622818820.2991100010022490042500570681720.1147004911920.442755247710.2880477551132490042500570681821.6615116888521.886633873310.2551211845532490042500570681923.1135113477623.33327722660.1997588783342490042500570682024.7713886966324.882622681120.0556199924492490042500570682126.336000

17、9466426.334666375540.0006722854482490042500570682228.0085003699927.889333127790.0995866209982490042500570682329.9903554033229.446566371110.2118955160022490042500570682431.8835889955431.006288091190.3886544517782490042500570682533.9911009622632.668388786630.6113600881164.577026696445根据以上上的EXXCELL表格更更

18、换不同同的梯形形底角和和梯形臂臂长，就就可以得得到一些些列的目目标函数数数值，因因为梯形形底角和和臂长都都在约束束范围内内变化，现现将底角角以为公公差，而而臂长以以30 mmm为公公差，先先大概确确定最优优解的大大致范围围，然后后在缩小小范围，继继续进行行优化计计算。根据以上上分析各各个底角角，臂长长取值下下的目标标函数值为（如如表2）：表2初始始约束条条件下的的目标函函数值2703003303603904204504805105405706645.044144495665.666253314226.400054490777.255955514338.2226099192219.3112233

19、9900110.5527116911811.8859774899713.2287772622314.8815998900616.446288836646664.355899947334.188838811334.100169999554.066863321444.100734443554.288054443884.588546665555.000635596775.544714416336.200965559556.999440040336688.5554444191167.988779925887.4002999924426.7999044362296.311784432445.844805

20、5951185.4882666704455.1555522555534.8995900063364.7111433798844.57702669644577013.7776774444113.3348115677712.9907992755112.445555192211.9990335655811.5511882277811.0019225500110.551199396619.9889100643349.4449922229938.89934883455877218.5522441618.2201776288817.8873770833617.5537996844417.119422429

21、916.8842221400216.4481554511716.111188792215.7732883666915.3344001400114.9944998177422.8873888199322.6638118155822.3397887777422.1152882344121.9902886477221.6647884055121.3387558188721.1121991155820.8850664355920.5573558244120.2290552244 说明：由表格格内数据据的变化化趋势可可知，当当梯形底底角大于于时目标标函数值值为肯定定大于220，现现在需要要选取合合适的最

22、最小值，所所以之后后的数据据不需要要计算了了。对表3.2得出出的数据据进行分分析，可可以得知知：当梯梯形底角角为，梯梯形臂长长在27704800 mmm之间时时，目标标函数的的值在44.35589994733和5.0066359967之之间，目目标函数数值都比比较小；而当底底角为，梯梯形臂长长在51105700 mmm之间时时，目标标函数的的值在44.899590006336和44.577026696445之间间，目标标函数值值也比较较小。所所以，继继续优化化的约束束范围可可以改成成：所以，继继续优化化只需要要求出当当底角为为，梯形形臂在33004200 mmm之间时时目标函函数的最最小值或或

23、最小值值附近的的值和当当角度为为，梯形形臂在22705700 mmm时目标标函数的的最小值值和最小小值附近近的值以以及底角角为，梯梯形臂在在51005700 mmm时目标标函数的的最小值值和其附附近的值值。从而而可以对对比这三三个角度度所求出出的一系系列值，进进而从这这一系列列值中求求出最后后需要的的最优解解。这个个最优解解不一定定是最小小值，而而是最优优值。由表3，44，5可可以看出出：当梯梯形底角角为，梯梯形臂在在34003800 mmm之间时时，目标标函数值值在4.076674117355到4.073309556155之间，函函数值相相对较小小；当梯梯形底角角为，梯梯形臂在在5600 m

24、mm、5700 mmm时，目目标函数数值为44.600820035339到44.577026696445之间间，也相相对比较较小；当当梯形底底角为，梯梯形臂在在47004900 mmm之间时时，目标标函数值值在4.272269660044到4.276675776933之间，函函数值也也比较小小。故最最后选择择的是以以上九组组数据。表3角度度为时的目标标函数值值663004.188838811333104.155288844443204.122709903113304.1001699994463404.0776744173353504.0665044515513604.0668633213373

25、704.0773099561153804.0778477875593904.10073444355表4角度度为时的的目标函函数值370673804.6449700957743904.5880477961194004.5225922089964104.4771366116664204.4116811866624304.3662311291144404.3338722051194504.3116177099954604.2994155105574704.2772699600044804.266890061884904.2776755769935004.2885655667755104.299565

26、5599995204.333015552115表5角度度为时的的目标函函数值685504.6559755409975604.6008200353395704.577026696445现在利用用理论转转向角和和实际转转向角的的比较图图来确定定以上一一系列参参数值下下转向系系统的优优劣。也也就是比比较在这这一系列列值下理理论内转转角与实实际内转转角的差差值，通通过比较较这两个个角的差差值来确确定最优优解。根据最后后选出的的几组数数据用EEXCEEL绘出出各组数数据下的的实际内内转角和和理论内内转角的的关系图图。然后后根据最最后的关关系图确确定最后后的最优优解。各组数据据的图如如下：图3底角角为梯形

27、形臂长为为3400 mmm时实际际内转角角和理论论内转角角的关系系图4底角角为梯形形臂长为为3500 mmm时实际际内转角角和理论论内转角角的关系系图5底角角为梯形形臂长为为3600 mmm时实际际内转角角和理论论内转角角的关系系图6底角角为梯形形臂长为为3700 mmm时实际际内转角角和理论论内转角角的关系系图7底角角为梯形形臂长为为4700 mmm时实际际内转角角和理论论内转角角的关系系图8底角角为梯形形臂长为为4800 mmm时实际际内转角角和理论论内转角角的关系系图9底角角为梯形形臂长为为4900 mmm时实际际内转角角和理论论内转角角的关系系图10底底角为梯梯形臂长长为5660 mm

28、m时实实际内转转角和理理论内转转角的关关系图11底底角为梯梯形臂长长为570 mmm时实实际内转转角和理理论内转转角的关关系由上面的的一系列列数据绘绘制的曲曲线可以以看出，当当梯形底底角为，臂臂长为5560 mm时时，尽管管在以上上理论内内转角和和实际内内转角的的差值较较大，但但是在到到之间的的时，两两个内转转角的差差值却很很小。由由于在输输入角度度在小于于的范围围内是本本次设计计的矿用用汽车常常用的转转角角度度，而大大于则相相对来说说矿车利利用较少少，从使使用频率率这个理理论的角角度来看看，选择择梯形底底角为，臂长长为5660 mmm会比比选择其其他各组组数据要要好。6运用AADAMMS软件

29、件创建模模型在用ADDAMSS软件建建模之前前，必须须对实际际的自卸卸汽车模模型进行行简化。这这样不仅仅可以节节省大量量的建模模时间，也也可以保保证ADDAMSS的仿真真及分析析过程能能顺利的的进行。同同时，由由于ADDAMSS在运动动学和动动力学求求解时，只只考虑零零件的质质心和质质量，而而对零件件的外部部形状不不予考虑虑，因此此在模型型中精确确的描述述出复杂杂的零件件外形，并并没有多多大的实实际意义义。所以以，我在在建立的的模型中中用圆杆杆代替了了所有的的杆件零零件，并并且轮胎胎也只是是用圆柱柱代替了了。图12两两个转向向轮的转转角曲线线7 最优优值下的的模型利用相同同方法制制作另一一个转

30、向向的模型型。图13最最优值模模型下两两轮转角角曲线结论论（1）本本文对SSGA337233矿用汽汽车转向向机构进进行了优优化设计计，设计出出了最优优的转向向梯形，其其参数如如下：梯梯形上底底长，梯形下下底长，梯形底底角=，梯形臂臂长。（2）运运用ADDAMSS软件对对原始和和文章设设计最优优值下的的两组数数据都制制作了模模型。同同时也用用EXCCEL作作出了转转角的图图形。参 考 文 献献1 刘惟信著著. 机机械最优优化设计计. 北北京：清清华大学学出版社社，19994.2 王望予著著. 汽汽车设计计第四版版. 北北京：机机械工业业出版社社，20007.3 顾柏良著著. 汽汽车工程程手册. 北京京：北京京工业大大学出版版社，220044.4 王敏等. 汽车车转向机机构的优优化设计计，汽车车工程，119955，（66）.336036665 申焱华矿用汽汽车转向向杆系的的仿真分分析冶冶金设备备，20003(3)：34436