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摘要近年来随着基础设施建设和工程建设的需要,一些大功率、高承载能力的多轴重型车辆得到了广泛的应用。由于多轴重型车辆一般车身比较长,受于作业场地和道路限制,要求其转弯半径控制在一定的范围,因此多采用多轴转向技术,其转向性能的优劣在一定程度上制约着它自身的发展。本文主要对 3+（1）+3型多轴车辆的转向杆系进行了结构设计与优化，运用 UG 软件建立杆系的空间三文模型，同时利用运动学仿真软件 ADAMS 对空间杆系进行仿真分析，在通过有限元软件对杆系进行结构设计与优化。27367
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毕业论文关键词 多轴车辆 转向杆系 三文模型 运动学仿真 有限元分析
Title The design and optimization of Multi-axle vehicleSteering bar system structureAbstractIn recent years, with the infrastructure construction and the needs of theengineering construction, some high power, high bearing capacity of multi-axleheavy-duty vehicles has been widely used. Because the multi-axle heavy vehiclebody is longer, usually limited to the job site and road, the turning radius controlin a certain scope, so much the multi-axle steering technology, the pros and consof its steering performance to some extent, restricts the development of its own.In this paper, the main type of 3 + (1) + 3 multi-axle vehicle steering bar systemto carry on the structural design and optimization, using UG software space trussof the three-dimensional model is established, at the same time by using kinematicssimulation software ADAMS simulation analysis was carried out on the space barsystem, through the finite element software of truss structural design andoptimization.Keywords Multi-axle vehicle Steering bar system 3D modelKinematics simulation The finite element analysis
目 次
1 绪论 1
1.1 本课题的背景 1
1.2 国内外研究现状.. 1
1.3 本课题的研究意义. 2
1.4 本课题的研究内容. 3
2 多轴车辆转向结构及工作原理. 4
2.1 多轴车辆转向杆系工作原理 4
2.2 3+1+3 和 3+3型车辆基本参数 7
2.3 本章小结.. 8
3 3+1+3 和 3+3 型车辆转向杆系的主要参数计算. 9
3.1 各轮的偏转角度计算 9
3.2 拉杆铰接点的设计计算 10
3.3 蝴蝶板的设计及其计算 12
3.4 液压缸的定位. 12
3.5 各拉杆长度和蝴蝶板拉杆长度尺寸计算.. 13
3.6 各拉杆拉力和液压缸所需提供的液压力.. 14
3.7 转向杆系的简化图与参数计算结果. 15
3.8 本章小结 17
4 转向杆系三文模型建立.. 18
4.1 三文建模软件UG 简介.. 18
4.2 UG 建模与装配图.. 18
4.3 本章小结 19
5 空间杆系的运动学仿真分析 20
5.1 运动学仿真软件ADAMS介绍. 20
5.2 运动学仿真过程 20
5.3 本章小结.. 25
6 基于 Hepermesh 的多轴车辆转向杆系有限元分析 26
6.1 Hepermesh 软件的基础介绍.. 26
6.2 部件的有限元分析.. 26
6.3 本章小结 29
结论. 30
致谢. 31
1 绪论现如今基础设施建设和工程建设迅猛发展,重型功率大、 载重量大的车辆应用开始变得广泛。但重型车辆也存在其自身的缺点，如一般车身比较长,场地和道路限制性大,转弯的半径较大难以控制,因此大多需采用多轴转向技术来克服其转弯困难的缺陷,而多轴转向技术转向性能的优劣在一定程度上影响着重型车辆的发展状况[1]。在多轴转向车辆行驶转弯过程中,进行转向运动的轴数比一般汽车都多,所以其在整个转弯过程中更易产生轮胎的磨损以及杆系的损坏。为了解决多轴车辆转向性能不足的问题，并减少转向过程中车轴上车轮的磨损和转向杆系中拉杆等部件的损坏，我们需要对多轴重型车辆的转向杆系机构设计与研究。通过本课题的研究，了解重型车辆转向杆系的基本结构与工作原理，并对其结构进行设计与优化。1.1 本课题的背景随着世界范围内经济的快速发展，载重量大，运输量多的新型重型车辆不断出现。由于重型车辆体型偏大，在道路上行驶时会带来诸多的不便，所以受到交通法规的限制，重型车辆需采用多轴技术。由于重型车辆载重后质量偏大，与地面之间的摩擦阻力大，惯性矩大、轴数多与一般中小型车辆，所以它的行驶能力劣于一般中小型车辆。随着转向技术的不断发展，全轮转向和多轴动态转向技术能显著地提高多轴重型车辆高速操纵稳定性、低速机动灵活性等驾驶性能，大大弥补了重型车辆行驶能力的不足。现今世界上工程行业技术巨头利勃海尔 （Liebherr Hare） 公司已经推出了9 轴多模式动态转向全地面起重机， 同时格鲁夫 （Grove） 、沃尔沃（Volvo）等公司也相继推出了5 轴以上的多轴转向重型车辆。近几年，国内徐州重型机械有限公司也紧跟国际发展，相继推出了多轴转向重型设备，发展势头十分地迅猛。多轴转向重型车辆运用到了交叉学科的多项核心技术，技术含量高。其中，多轴转向技术是提高多轴重型车辆操纵稳定性和行驶安全性的关键技术之一[2]。由于相对于中小型车辆，多轴重型车辆运用范围偏窄，对其研究较少，致使现存的相关核心技术的研究文献资料十分有限。重型车辆的转向杆系技术的设计与优化的研究内容设计许多方面，而且在对多轴重型车辆前后轴同步转向的研究过程里，一般都将诸如侧向质量转移、悬架运动和底盘转动等很多重要因素的影响忽略，因而计算和研究的结果都不是很精确[3]。还需要进一步深化研究重型车辆多轴转向技术的发展，为其建立更为精准的计算模型，对车辆的稳态和瞬态两个特性进行相应的研究，这需要建立在其它相关领域，如控制理论、测试技术等方面的进一步发展的基础上。1.2 国内外研究现状近年来，国内各单位、企业对多轴重型车辆的需求量增大，对其的各方面的性能要求也愈发高了。在行驶过程中，汽车转向性能的优劣直接影响到整车的机动灵活性、操纵稳定性、使用经济性和行驶安全性,所以在研究设计中需要对重型车辆转向系统设定更高的指标。 重型车辆的转向系统因为道路条件的限制、交通法规的规定还有用户的要求多设计成多轴转向结构。传统转向系统的设计优化是在已有的模型的基础上，经过局部类比分析后进行一些不大的改动，虽然能小幅度提高重型车辆的转向性能，但是无法真正的达到提高机动灵活性、行驶安全性和操纵稳定性等性能方面的硬性要求。同时转向机构部件的结构大都无法做到彻底的改良,使用经济性也得不到满足[4]。越来越多新型的重型车辆走进了人们的视野，其系列化发展，竞争力越来越强，带动了产品的更新换代，所以转向系统的设计步伐也跟着加快，设计的周期时间需要缩短，来提高效益和竞争力[5]。为了实现重型车辆转向机构设计的合理性，需对转向杆系机构转向性能进行仿真与分析，研制出能够实现对转向系统运动学和动力学的优化设计的系统。重型车辆多轴转向技术多与军工有关，国外对我国重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液压助力转向匹配特性、轮胎磨损及转向系统的振动等方面。目前国内对三桥以上的多桥转向技术研究还不是很深入，主要针对两轴车辆的动态转向系统进行了初步的理论研究，大多数重型车辆生产商仍然采用传统的设计方法进行经验性设计，通过制造物理样机进行实车试验来查找问题，大大增加了设计的风险。1.3 本课题的研究意义重型车辆为了提高其机动性和灵活性,一般都采用多轴转向技术。 多轴转向技术的应用使得以全地面起重机为代表的重型车辆在往重载化、大型化方向发展的道路上更近了一步。21世纪以来,起重机的大型化趋势已是不争的事实,不断增大的吊装项目是促使起重设备大型化的催化剂。徐工集团的徐州重型机械有限公司推出了QAYI000 全地面起重机,该机最大起重量可达 1000吨,代表了国内重型机械的先进水平[6]。对于大型全地面起重机,其车轴一般在七轴以上,整车轴距大,作业环境比较恶劣,在山路上行驶有时需要频繁掉头转向,多轴转向技术的应用使得其转弯半径控制在合理的范围内,适用性能大大提高,工作效率提高,轮胎磨损减小,因此研究多轴转向技术具有非常现实的意义[7]。随着计算机辅助设计的发展,出现了比较先进的虚拟设计和虚拟试验技术。 将虚拟设计与虚拟试验技术用于处理重型汽车在设计、 制造以及性能分析中所遇到的棘手问题,可以大大提高设计效率和准确性,并能节约生产成本。 汽车的虚拟样机实验不仅可以作为实车试验初期准备工作,也可以替代部分在现实条件下中难以进行的试验,或者费时、费力、费钱的试验,大大提高了生产效率。1.4 本课题的研究内容通过本课题的研究，了解重载车辆转向杆系的基本结构与工作原理，建立转向杆系运动算模型，并对其结构进行优化设计。拟采用研究途径 ：（1）了解转向杆系的基本结构与工作原理:查阅关于重型车辆相关资料和论文了解多轴车辆转向杆系的基本结构以及工作方式。通过相应参数计算出 3+1+3 和 3+3 型多轴车辆转向杆系中各轴的最大转角，拉杆铰接点的位置，蝴蝶板和液压缸的定位以及各连杆的上的作用力。运用 AutoCAD画出多轴车辆转向杆系的简化点线图。（2）建立杆系空间运动的模型，建立三文仿真模型：在之前尺寸计算的基础上，运用UG 三文建模软件对3+1+3 和 3+3型多轴重型车辆的转向杆系进行三文仿真建模，建立其三文模型，便于后面的分析与优化。（3）利用运动学仿真软件ADAMS 对空间杆系进行仿真分析:在ADAMS 软件中，先建立整个 3+（1）+3 型多轴重型车辆的多轴转向系统模型，再运用软件对转向杆系的运动情况进行仿真分析，得出结果。（4）通过有限元软件对其进行结构设计与优化:由于转向杆系运动频繁，拉杆、蝴蝶板等部件较易磨损破坏，需对其进行受理分析。现通过Hepermesh 有限元分析软件对多轴车辆转向杆系的3 个拉杆还有蝴蝶板进行有限元静力学分析，得到这些部件的受力分布情况，结合分析结果对整个设计方案再提出优化。
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