基于CATIA的商用车双转向桥转角一致性研究

李国斌 高嵩

摘 要：本文通过对重卡双转向前桥转角的理论计算，和CATIA软件DMU运动仿真功能的模拟，将双前桥轮胎实际转角与理论转角的误差控制在一定范围内，保证转向的一致性，为重卡双转向系统的设计提供了精确可靠的依据。

关键词：CATIA；重卡；双转向；DMU；转角一致性

0 引言

重卡双前桥转向一致性达不到要求时，将会导致转向轮“吃胎”严重，采用CATIA软件中的DMU功能，在参数化建模的基础上，可以方便的实现各轮转角的运动仿真，进行双前桥转角一致性的校核。

1 双前桥转角理论计算

为了避免在汽车转向时产生路面对汽车行驶的附加阻力和轮胎过快磨损，要求转向系统能保证在汽车转向时所有车轮均做纯滚动。显然，这只有在所有车轮的轴线都相交于一点时方能实现。此交点O称为转向中心。

对于本次研究的漢風G700系列重卡转向系统，为简化分析，假设：

1）转向时车速较低，侧向惯性力很小，匀速行驶；

2）忽略车轮的侧偏角对转向运动的影响；

3）瞬时转向中心线位于双后桥中心线上。

同一转向桥的内外轮转角对应关系应符合阿克曼原理；

式中：α1、β1分别为前Ⅰ桥外轮转角、内轮转角，α2、β2分别为前Ⅱ桥外轮转角、内轮转角，L1、L2分别为前Ⅰ桥、前Ⅱ桥距离双后桥中心线的距离，B为转向主销中心延长线与地面交点之间的距离。

前Ⅰ桥、前Ⅱ桥同侧车轮转角对应关系应满足条件：

据此可解出：

漢風G700系列重卡车型参数为：

根据上述解出的α1、α2、β2与β1的关系，对前Ⅰ桥内轮转角β1在5 ?～45 ?范围内，以5 ?为间隔取值，求出相应前Ⅰ桥外轮转角α1、前Ⅱ桥外轮转角α2、前Ⅱ桥内轮转角β2，即为双前桥转角理论值，如下表：

2 CATIA DMU运动机构双前桥转角仿真校核

为保证转向一致性，必须精心设计转向转动机构中转向梯形的几何参数。但是迄今为止，所有汽车的转向梯形实际上都只能设计在一定的车轮偏转角范围内，使得两侧车轮转角的关系大体上接近理论值，尤其在Ⅰ桥内轮转角20?～25?范围内的常用工况，一般要求设计值与理论值的转角误差在0.5?以内。

因此，对新设计车型的转角一致性校核显得尤为重要。采用CATIA软件数字化装配中的DMU运动机构，可以快速准确的进行相应校核。

首先，建立车架、前桥（包括转向节、工字梁、转向横拉杆）、车轮总成、转向直拉杆、方向机及中间摇臂数模。由于要进行运动仿真分析，参与运动仿真的装配零部件需要在同一级装配中。对于前桥，其本身的的转向机构是可以运动的，需要对其进行拆分，确保各运动部件处于同一级装配中。如下图所示。

转向的输入端由方向盘开始，通过转向传动轴传递到方向机。这个过程很简单，都是转动副。方向机的机械传动机构其实就是一个减速机构，起到减速增扭、改变力矩传递方向的作用，具体不再详述。方向机的输出端有一个摇臂与输出轴相连，这样方向机就可以将输入轴大角度的转动转变成输出轴转向摇臂的小角度摆动。方向机摇臂的摆动是一个转动副。本文的运动仿真以摇臂随方向机输出轴的转动开始，作为运动仿真机构的初始运动。

当转向摇臂向后摆动，通过直拉杆、转向节、转向梯形机构，车轮右转向；转向摇臂向前摆动，车轮左转向，这就是整个转向机构的运动过程。因此要做好机构的运动仿真，必须掌握一定的机械原理等相关基础知识。

每一种运动副其实都是由一种或几种约束组成。这些约束可以在运动仿真模块里通过添加运动副时添加，也可以使用装配约束转换命令（Assembly Constraints Conversion），将装配中已经存在的某些约束直接转换成运动副。

然后，从装配模块进入仿真模块，点击“开始”→“数字化装配”→“DMU运动机构”，即可进入CATIA运动仿真模块。

进入DMU运动机构模块后，需要新建一个“新机械装置”，然后进行一系列运动副的添加，以车架作为基座，轮胎需要与转向节固结起来成为一个整体参与运动仿真。特别需要说明的是，转向拉杆的两个球铰之间的任何一个需要插入一个万向节约束来限制拉杆的转动，最终整套运动机构的自由度为0，即可进行仿真模拟。

使用运动模擬命令（Simulation with Commands）出现下图所示对话框，用鼠标左右拖动命令栏中的滑块即可实现转向机构的运动仿真。

同时，选择“激活传感器”即可实现模拟值的文件输出，输出文件为电子表格格式，为了与理论值对比方便，对模拟的输出值数据进行处理，结果如下：

通过DMU仿真输出的转角值（表3）与理论值（表2）对比可以看出，本次设计的漢風重卡转向系统，在常用转角20?～25?范围内，设计值与理论值的转角误差在0.5?以内，最大误差在1.5?以内，满足要求。

3 结束语

目前徐工汽车事业部进行车型设计，已经基本实现CATIA三维设计，通过已经有的三维数模，可以很方便的实现DMU运动仿真，缩短设计校核周期，提高准确性。同时基于CATIA参数化的建模特点，当一次仿真结果不理想时，可以快速的修改转向系统杆系参数，优化设计值，马上进行再次仿真分析，对整个转向系统设计过程有重要意义。

参考文献

[1]周松盛.汽车双前桥转向系统的分析、建模仿真与优化[D].武汉理工大学.2009.

[2]朱敏.我国双前桥转向货车使用状况分析研究[D].长安大学.2012.

[3]张蕾、董恩国、梁立学.载重汽车双前桥转向机构优化设计[J].中国制造业信息化.2012（19）.

[4]杨俊智、杨文兴、周强.基于MATLAB的转向梯形机构的优化研究[J].移动电源与车辆.2013（01）.

作者简介

李国斌（1989.02-），性别：男，民族：汉，籍贯：山西交城，当前职务：转向悬架室主任，当前职称：主任设计师，学历：本科。

（作者单位：徐州徐工汽车制造有限公司）