重型车辆多轴转向系统设计综述

最小化控制作为最终优化目标，同时对各设计变量
进行优化得到优化结果Ｌ ２１。 在建立系统优化模型过程中，将空间机构简化
为平面机构分析时必定会出现误差，而直接建立的
一２一 万方数据
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图４电控液压助力转向系统控制不意
对于电控液压助力转向系统的匹配…］，一方面 根据特定车型、驾驶员的要求合理匹配助力特性曲 线的特征与参数，它是决定转向轻便性、转向路感 和操纵稳定性的首要条件；另一方面是助力系统的 输入、输出机构的驱动能力与系统要求的匹配，它 是实现整个控制系统的基础。转向助力系统的匹配 设计与仿真一般是建立机一液一体化或者机一电一液 一体化联合仿真模型。 ２．３多轴转向控制技术
基于多体动力学理论的分析软件，为分析汽车这 类复杂机械系统提供了可靠的手段㈤】。在ＡＤＡＭＳ 中建立包括转向机、转向传动机构、转向助力系统、 悬架系统及轮胎在内的转向系统及整车的虚拟样 机模型，进而可对转向系统进行运动学分析和动力 学分析、转向传动机构的优化设计、转向杆系与悬 架运动干涉进行校核。在ＡＤＡＭＳ中进行转向系统 分析、设计的一般过程可用图５表示。
现各车型设计的高效率与自动化。
主题词：重型汽车 多轴汽车转向系统设计
中图分类号：Ｕ４６３．４文献标识码：Ａ文章编号：１０００—３７０３（２００９）０１—０００１—０５
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｈｅａｖｙ－ｄｕｔｙ Ｔｒｕｃｋ Ｍｕｌｔｉ－ａｘｌｅ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ
Ｇｕ Ｙｕｆｅｎｇ，Ｆａｎｇ Ｚｏｎｇｄｅ，Ｚｈａｎｇ Ｇｕｏｓｈｅｎｇ，Ｑｉ Ｙｕｘｕａｎ
·综述·
重型车辆多轴转 向系统设计综述
古玉锋 方宗德 张国胜 戚玉轩 （西北工业大学）
【摘要】综述了重型汽车多轴转向系统设计的现状、主要内容及方法，分析了目前我国在该领域研究所存在的主
要问题，提出了基于整车底盘系统集成优化匹配平台的转向系统设计方法。以某８ｘ４载货汽车双前桥转向系统为
例，阐述了基于该方法的横拉杆设｝Ｉ％ｔ程。结果表明，该设计方法能够充分发挥所集成的各优化分析软件的优势，实
在对转向系统进行优化设计时，国内发表的文 献是在转向传动机构优化时将转向与悬架的干涉 运动作为约束条件考虑的ｕ６１，或者在ＡＤＡＭＳ优化 后只进行干涉校核［１７ ３；对于转向系统对整车操纵稳 定性的影响则是通过转向系统优化前、后整车操纵 稳定性虚拟试验进行比较得出的ｕ引。文献［１９］在 ＡＤＡＭＳ中建立了整车的虚拟样机模型，运用灵敏 度分析方法分析了各总成参数对于整车的影响程 度，对于影响较大的参数进行优化，再用整车操纵 稳定性试验结果进行比较，其灵敏度分析的目标函 数是整车操纵稳定性评价指标，研究方法有一定的 意义。在设计阶段依照整车操纵稳定性指标对转向 系统进行优化，必将开发出具有理想性能的转向系 统，这方面还有待进一步研究。 ２．５多轴转向系统分析设计方法
２００９年第１期
万方数据
’’√’’ ｌ、５．中间拉杆２．一轴商拉杆３．一轴转向节臂 ４．中间摇臂６．二轴摇臂７．二轴转向助力缸８． 二轴转向节臂９．二轴转向梯形机构 ｌＯ．二轴直 拉杆 １１．一轴转向梯形机构 １２．转向节 １３．车 轮１４．一轴摇臂 １５．转向机１６．转向盘
图１某８ｘ４载货汽车双前桥转向系统示意
空间模型减小了误差。两种优化方法都假定转向系 统杆系为刚体，没有考虑转向系统的力特性，这给 系统优化带来了误差。 ２．２转向助力系统的匹配
液压助力转向系统是当今蕈型车辆转向助力 的主流，液压助力转向系统又可分为机械液压助力 转向和电控液压助力转向系统两种形式。
机械液压助力转向系统大多使用整体式动力 转向器，其中已集成了液压助力系统，其匹配主要 考虑转向阻力、动力转向器的特性及效率、良好的 转向路感等。为兼顾低速时车辆的转向轻便性和高 速时的转向路感，要对动力转向器的静特性进行分 析。在选择动力转向器特性时，要考虑转向轮的回 正力矩大小及车辆经常工作的侧向加速度范围。转 向动力缸依据各动力缸加力的合理分配，通过分析 转向过程中助力缸的受力来进行选择【３】。
目前，对于转向系统结构的优化设计主要有平 面投影及多体动力学优化两种方法。
平面投影方法是将转向摇臂机构拆分成若干个 分机构，并将摇臂投影到垂直面内，转向节臂投影到 水平面，即假定摇臂在垂直面内转动，而转向节臂则 在水平面内转动，然后分别建立各分机构的数学模 型，再与梯形机构组合得到机构的总体模型【８】。如对 于图１所示的双前桥转向摇臂机构，可拆分成一轴 转向节臂至一轴摇臂、一轴摇臂至中间摇臂、中间 摇臂至二轴摇臂、二轴摇臂至二轴转向节臂４个分 机构，如图２所示，这样再与两个梯形机构结合就 可以得到各个转向轮的转角关系，进而利用阿克曼 转角关系即可建立优化函数。
对于多轴转向控制技术的研究比较有代表性 的有：文献［９］建立了基于零侧偏角控制的电液比 例控制策略，但采用该控制策略的车辆虽在低速时 具有较高的机动灵活性、高速时具有较高的安全稳 定性，但高速时灵活性下降，因此又提出了横摆率 跟踪Ｈ：／Ｈ。混合最优控制方法，增强了车辆的稳定 性和安全性；文献［１５］阐述了电液比例控制多轮独 立转向系统的构建方法，设计了基于ＣＡＮ总线的电 液比例控制多轮独立转向系统，解决了因为后轮转 向带来的转向轴之间的等效轴距在转向时不定而 转向轮无法绕同一瞬心旋转的问题。 ２．４转向系统总成与整车的匹配
２重型车辆多轴转向系统研究现状
重型车辆多轴转向技术多与军工有关，国外对 我国蕈型车辆多轴转向技术处于封锁状态，系统的 研究报道很少。国内对于重型载货汽车多轴转向的 研究主要集中在双前桥转向系统的机构优化设计Ⅲ，
·综述－ 此外还有液压助力转向匹配特性［３］、轮胎磨损及转 向系统的振动Ｈ１等方面，而对于多轴转向系统与整 车其它系统的匹配的研究却很少；对于大型的专用 车辆如油田钻机底盘多轴转向系统吲及起重机械㈣ 研究的重点是转向传动机构的优化设计、转向控制 策略及操纵稳定性；对于军用特种车辆多轴转向系 统口］贝０趋向于采用断开式转向梯形机构及独立悬架 系统。 ２．１转向系统的结构优化设计
图３为某双前桥机械液压助力转向系统，文献 ［９］给出的六轴转向车辆液压助力转向系统原理与 此类似。
（ａ）一轴转向节臂至 一轴摇臂关系
（ｂ）一轴摇臂至中 间摇臂关系
Ｆ
Ａ２
图３某双前桥机械液压助力转向系统不意
电控液压助力转向系统与机械液压助力转向 系统结构基本相同ｕ ０１，所不同的足将车速和转向盘 转角作为控制参数引入转向系统的控制，以改善机 械液压助力转向系统中轻便性和路感之间的矛盾， 图４为电控液压助力转向系统控制示意。
（Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｅａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）
【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ，ｍａｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｈｅａｖｙ－ｄｕｔｙ ｔｒｕｃｋ ｍｕｌｔｉ—ａ】【ｌｅ
ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ，ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｅｓｓｅｎｔｉａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｉｅｌｄ，ａｎｄ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ
横摆角速度和车身侧偏角是决定汽车转向性能
汽车技术
·综述· 的两个重要参数¨２１，所以转向控制系统没计的思路 就是使车辆在转向时跟踪理想情况下的横摆角速度 和车身侧偏角，并以此来判定车辆的行驶状态［１３１。
目前关于多轴转向控制技术的研究，国内还主 要集中于电动四轮转向，四轮转向和前轮转向车辆 与多轴转向车辆存在着较大的差距¨４１，其控制策略 大多采用质心零侧偏角控制策略。
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图５ ＡＤＡＭＳ中进行转向系统分析、设计的一般过程
３我国重型车辆多轴转向技术研究存在的 主要问题
图１所示为某８ｘ４载货汽车双前桥转向系统 示意。重型车辆多轴转向系统的设计主要包括：动 力转向器及转向助力与转向系统的匹配，匹配时主 要考虑转向系力特性及转向路感等；转向系统传动 机构的优化设计，主要是转向摇臂机构及转向梯形 机构的优化设计；转向系统总成与整车其它总成系 统的匹配，主要考虑转向系统与悬架系统的相互作 用及转向系统对于整车操纵稳定性影响；对于主动 转向系统的多轴转向还包括转向控制器及控制策 略的设计。对转向系统设计的主要要求…有：正确的 转向运动规律以降低转向误差及轮胎磨损；良好的 回正性；小的转弯半径以提高机动性；转向系统不 得摆振，应具有操纵轻便、工作可靠、调整方便、良 好路感等特点。
目前在用ＭＡＴＬＡＢ／ＡＤＡＭＳ对转向系统进行 结构优化设计时，一般假定转向传力杆件为刚性及
２００９年第１的优化设计与 转向助力系统及悬架系统的设计完全分开【２１ｌ，这是 不合理的。在运用质心零侧偏角控制策略进行多轴 转向系统设计时所基于的２自由度及３自由度模型 简单有效，但是都未能考虑转向系统与悬架系统的 耦合关系及转向系统内部杆系结构的受力变形。文 献［２２］建立了考虑车架柔性的２自由度模型，分析 了车架的变形对于转向系统的影响，将有限元模态 分析方法引入转向系统的设计；文献［９］利用所推导 的２自由度线性多轴转向车辆模型，对转向系统刚 度，转向助力系统加力系数、轮胎侧偏刚度等因素对 转向性能的影响进行了分析，并建立了考虑杆系结 构及球铰链变形的六轴转向系统柔性模型；文献 ［２３］建立了基于电液作动器（Ｅ／Ｈ）的转向系统执行 机构非线性电液联合仿真模型。这些都说明在重型 车辆转向系设计过程中把杆系及车体结构当作刚 体、或者把转向系与悬架系统的设计分开独立进行 已经不利于车辆性能的进一步提升，仅依靠某一软 件已无法完成整个转向系统的设计，而必须采用多 学科综合优化设计的方法ｍ］。