重型汽車雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)參數(shù)化模型與設(shè)計

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　針對在雙前橋轉(zhuǎn)向重型汽車行駛中中存在的輪胎異常磨損的問題，利用ADAMS/view軟件建立了樣車雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)參數(shù)化模型，并進行了運動學(xué)仿真分析，得到車輪轉(zhuǎn)向的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角存在較大誤差。隨后將ADAMS/view與ISIGHT軟件進行集成，并基于選擇的設(shè)計變量與目標函數(shù)，在ISIGHT中利用正交數(shù)組法對設(shè)計變量進行DOE分

2、析，得到對車輪的理論轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角的差異值影響最大的11個設(shè)計變量。最后，利用多目標遺傳算法（NSGA-II）在ISIGHT中對轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行優(yōu)化，并將優(yōu)化后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ADAMS/view中重新進行仿真。優(yōu)化結(jié)果表明：優(yōu)化后的車輪實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之間誤差大大減小，車輪在轉(zhuǎn)向過程中發(fā)生的異常磨損問題也得到了有效的改善。</p><p>　　關(guān)鍵詞：雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)；ADAMS/view；ISIGHT；DOE分析；NS

3、GA-II遺傳算法</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Tire abnormal wear always occurs in heavy duty cars with dual-front axle steering system. Using ADAMS/view software to build parametric mo

4、deling and the kinematic simulation analysis for dual-axle steering system, finally proved that there is an obvious tolerance between actual and theoretical wheel turning angle. Then integrated ADAMS/view and ISIGHT soft

5、ware based on the selected design variable and objective function. In ISIGHT using DOE analysis by orthogonal array method for design variable</p><p>　　Key Words: Dual-front axle steering system; ADAMS/view;

6、 ISIGHT; DOE analysis; N?o?n?-?d?o?m?i?n?a?t?e?d? S?o?r?t?i?n?g? ?G?e?n?e?t?i?c? ?A?l?g?o?r?i?t?h (NSGA-II).</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　

7、　AbstractII</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景與研究意義1</p><p>　　1.2 雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)的理論研究與應(yīng)用現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 本文研究的主要內(nèi)容3</p><p>　　第二章 雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的理

8、論基礎(chǔ)5</p><p>　　2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的概述5</p><p>　　2.2 單軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向原理7</p><p>　　2.3 多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向原理8</p><p>　　2.4 本章小結(jié)9</p><p>　　第三章 雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)模型的建立10</p><p>

9、;　　3.1 ADAMS/view簡介10</p><p>　　3.2模型的建立10</p><p>　　3.2.1 機構(gòu)方案與模型數(shù)據(jù)的確立10</p><p>　　3.2.2 ADAMS/view中建立模型14</p><p>　　3.3 參數(shù)化模型17</p><p>　　3.3.1參數(shù)化建模簡介17

10、</p><p>　　3.3.2參數(shù)化建模17</p><p>　　3.4 建模中應(yīng)注意的問題22</p><p>　　3.5 本章小結(jié)23</p><p>　　第四章 模型機構(gòu)的仿真分析24</p><p>　　4.1 雙前橋轉(zhuǎn)向的理論分析24</p><p>　　4.2轉(zhuǎn)向機構(gòu)的實

11、際轉(zhuǎn)角測量25</p><p>　　4.3 雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)的仿真與后處理26</p><p>　　4.3.1機構(gòu)的仿真26</p><p>　　4.3.2結(jié)果后處理27</p><p>　　4.4 本章小結(jié)30</p><p>　　第五章 基于Isight的模型優(yōu)化設(shè)計31</p><p

12、>　　5.1 Isight軟件簡介31</p><p>　　5.2 ISIGHT集成ADAMS/view31</p><p>　　5.2.1 集成的概念及意義31</p><p>　　5.2.2集成需求文件的準備32</p><p>　　5.2.3 輸入文件的參數(shù)化33</p><p>　　5.2.4

13、輸出文件參數(shù)化33</p><p>　　5.3 實驗的設(shè)計（DOE）35</p><p>　　5.3.1 目標函數(shù)的建立35</p><p>　　5.3.2 雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)實驗設(shè)計(DOE)分析36</p><p>　　5.3.3執(zhí)行DOE結(jié)果分析38</p><p>　　5.4雙前橋轉(zhuǎn)機構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計3

14、9</p><p>　　5.4.1優(yōu)化方法39</p><p>　　5.4.2 確定優(yōu)化設(shè)計變量41</p><p>　　5.4.3優(yōu)化模型的運行及結(jié)果41</p><p>　　5.5本章小結(jié)45</p><p>　　第六章 全文總結(jié)46</p><p>　　6.1 主要結(jié)論46&l

15、t;/p><p><b>　　6.2 展望46</b></p><p><b>　　參考文獻48</b></p><p><b>　　致謝49</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><h3>　　1.1

16、 課題背景與研究意義</h2><p>　　隨著改革開放的成果逐步顯現(xiàn)，國內(nèi)的經(jīng)濟得到了穩(wěn)步提升，社會發(fā)展對于物資的調(diào)配要求也越來越高，國內(nèi)的物流行業(yè)因此也被帶入了跨越式發(fā)展的步伐。在物流行業(yè)中，占有核心地位的就是公路運輸，而與公路運輸息息相關(guān)的則非重型卡車為首了?，F(xiàn)有的國內(nèi)物流公司中，無一不以最少的消耗、最低的成本換取最大的利益為目的經(jīng)營，因此對于具有更大的載貨能力的重型卡車的需求量越來越大。</p>

17、;<p>　　要使汽車具有更大的承載能力，增加載重汽車的軸數(shù)是最直接的方法[1] 。因此具有多個軸的重型卡車就孕育而生了，然而更多的軸所帶來的問題，例如機動性與平順性，為了解決這一問題，很多汽車公司推出了具有雙前橋轉(zhuǎn)向能力的汽車以改善汽車的性能。然而，相對于單橋轉(zhuǎn)向的汽車，雙前橋轉(zhuǎn)向能力的汽車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)更為復(fù)雜，在轉(zhuǎn)向時由于四輪同時發(fā)生轉(zhuǎn)動，需要同時協(xié)調(diào)一致，而在實踐中卻經(jīng)常出現(xiàn)偏差，因此，很有必要對于其轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行深入的

18、探討與研究。</p><p>　　由于經(jīng)濟發(fā)展與物流進步的需要，具有重型承載能力的卡車在公路運輸中起到了舉足輕重的作用，為了增加汽車的承載能力，增加汽車的軸數(shù)成了最有效的解決辦法，然而卻會使車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變得更為復(fù)雜。在轉(zhuǎn)向時，由于多個轉(zhuǎn)向輪同時發(fā)生轉(zhuǎn)動，同時引發(fā)的地面阻力也會隨之增大。在理論情況下四輪的轉(zhuǎn)向能力應(yīng)滿足阿克曼轉(zhuǎn)向原理，內(nèi)側(cè)的轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)該小于外側(cè)的轉(zhuǎn)向半徑，并且轉(zhuǎn)向半徑的圓心應(yīng)與后軸的延長線交于一點

19、，然而在實際中，這一關(guān)系很難得到實現(xiàn)，由于轉(zhuǎn)向輪會相對于地面發(fā)生不必要的滑動，并且導(dǎo)致轉(zhuǎn)向半徑的增大。此情況不僅會影響整車的機動性，并且會導(dǎo)致輪胎因為異常磨損而形成的壽命簡短，整車的轉(zhuǎn)向性能也會下降。由于雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)的復(fù)雜性，這些問題在所難免。因此，在這種雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計中必須要從結(jié)構(gòu)上對裝置進行優(yōu)化分析，從而滿足阿克曼轉(zhuǎn)向原理，以減小地面與輪胎之間形成的不必要的摩擦、增大輪胎壽命并且提高整車的轉(zhuǎn)彎特性。另外，從整車性能角度來說，

20、也可以提高車輛的操縱性與對抗輪胎偏移的特性 [2] 。</p><h3>　　1.2 雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)的理論研究與應(yīng)用現(xiàn)狀</h2><p>　　具有多軸轉(zhuǎn)向能力的重型卡車對于經(jīng)濟的發(fā)展建設(shè)有著至關(guān)重要的作用，各大廠商都推出了雙前橋轉(zhuǎn)向重型商用車。但是由于車輪存在的異常磨損的問題，國內(nèi)很多知名的大學(xué)、研究機構(gòu)甚至是一些大型的卡車公司都對其進行過深入的研究。事實上很多的汽車公司在這方面都已經(jīng)有

21、相當成熟的技術(shù)，現(xiàn)在市場上的許多卡車都是這些技術(shù)的產(chǎn)物。例如中國東風(fēng)汽車股份有限公司推出的東風(fēng)大力神系列重卡，采用的是4x4的搖臂型雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，工作情況非常出色。中國的柳州汽車有限公司在雷諾公司的基礎(chǔ)上進行了改進，并且發(fā)明了適合中國國情的數(shù)據(jù)庫實驗法[3]。為了使轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)的性能得到提高，安徽華菱汽車股份有限公司對于重型卡車的雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了建模和優(yōu)化分析。不僅如此，理論研究方面，華菱汽車公司技術(shù)中心的呂召全更是開發(fā)了雙前橋轉(zhuǎn)

22、向機構(gòu)梯形機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計程序，為雙前橋轉(zhuǎn)向優(yōu)化方法開辟了新的路徑[4]。中國重汽集團也對雙前橋轉(zhuǎn)向優(yōu)化技術(shù)進行了深入的研究，在經(jīng)過了嚴謹?shù)睦碚摲治鲇嬎闩c優(yōu)化設(shè)計之后，他們提出了最佳平方逼近法以對現(xiàn)行的經(jīng)典雙搖臂機構(gòu)進行設(shè)計，試圖從結(jié)構(gòu)上對現(xiàn)行的轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)徹底優(yōu)化[5]。如圖1.1為雙前橋轉(zhuǎn)向卡車</p><p>　　圖1.1 雙前橋轉(zhuǎn)向卡車實車圖片</p><p>　　吉林

23、大學(xué)的汽車研究實驗室在ADAMS中建立了雙前橋轉(zhuǎn)向的多體動力學(xué)模型，在軟件的環(huán)境中對雙搖臂機構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，行之有效的提高了雙前橋機構(gòu)的轉(zhuǎn)向特性[6]。合肥工業(yè)大學(xué)的張代勝教授在雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)的研究開辟了新的角度，他們利用虛擬樣機技術(shù)對機構(gòu)的運動學(xué)動力學(xué)及干涉進行了分析，對未來的研究打下了行之有效的基礎(chǔ)。同一學(xué)校的程小虎同學(xué)則利用靈敏度分析的方法對機構(gòu)進行了優(yōu)化[7] 。武漢科技大學(xué)的朱林同學(xué)通過在ADAMS中對雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行仿真

24、分析，并且利用Insight內(nèi)置模塊對機構(gòu)進行了行之有效的優(yōu)化，為雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)未來的發(fā)展打下了堅實基礎(chǔ)。</p><p>　　在國外，多橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)得到了很廣泛的應(yīng)用。在1960年以前，德國已經(jīng)研發(fā)出了4x4轉(zhuǎn)向的行之有效的解決方案，直到現(xiàn)在，法國的制造商尼古拉斯工業(yè)集團已經(jīng)研發(fā)出了10*10的重型牽引車，此車型也為目前世界上最大的牽引車。美國的福萊納公司在最近也推出了基于長頭卡車的雙前橋轉(zhuǎn)向汽車。德國的曼集團特

25、種車輛也都推出了多橋轉(zhuǎn)向的重型車輛[8] 。目前最先進的當屬瑞典的沃爾沃公司，他們推出的最新技術(shù)能使擁有多個軸的卡車進行獨立轉(zhuǎn)向[9]。理論研究方面，印度的Manmohan Singh等印度汽車研究所的研究人員也在基于阿克曼原理與ADAMS環(huán)境中對雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行了仿真分析，并結(jié)合ADAMS內(nèi)部的Insight功能優(yōu)化參數(shù)，為雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)的優(yōu)化提供了一種最為有效的方式[10]。另外，其他美國大學(xué)例如麻省理工學(xué)院與愛丁堡大學(xué)也對多橋轉(zhuǎn)

26、向機構(gòu)運用Haperworks進行拓撲優(yōu)化，并取得了一些成果[11~12]。 </p><h3>　　1.3 本文研究的主要內(nèi)容</h2><p>　　本文的主要研究內(nèi)容主要有以下幾個部分：</p><p>　　研究多軸汽車雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)向原理，分析轉(zhuǎn)向輪異常磨損的影響因素。</p><p>　　針對磨損問題，根據(jù)逆向掃描的得到的硬

27、點坐標，在ADAMS/view中建立雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)運動學(xué)模型，并對模型進行參數(shù)化處理，且在軟件環(huán)境下對模型進行仿真，以確定引起輪胎異常磨損的主要原因。</p><p>　　利用ISIGHT軟件集成技術(shù)，編輯simcode模塊，實現(xiàn)ADAMS/View運動學(xué)仿真集成，建立聯(lián)合仿真分析流程。</p><p>　　深入研究多目標優(yōu)化設(shè)計方法與算法，及優(yōu)化目標，應(yīng)用DOE分析方法進行研究，并選用最

28、合適的方法在ISIGHT中對轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計變量進行DOE分析。</p><p>　?。?）根據(jù)DOE分析結(jié)果與實際制造的可行性確定優(yōu)化變量，并給定范圍。研究多目標算法，在ISIGHT中對選取的變量進行優(yōu)化，并將結(jié)果導(dǎo)入ADAMS/view，再次進行仿真，將優(yōu)化后的仿真結(jié)果與優(yōu)化前的結(jié)果在后處理中進行對比分析。</p><h2>　　第二章 雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)</h2>

29、<h3>　　2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的概述</h2><p>　　汽車轉(zhuǎn)向就是在車輛的行駛過程中，依據(jù)駕駛員的想法意志而改變車輛的行駛方向。駕駛員會通過一套專設(shè)的機構(gòu)使汽車轉(zhuǎn)向橋相對于軸線偏轉(zhuǎn)一定的方向，而這一套專設(shè)機構(gòu)就被成為汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。此系統(tǒng)在汽車行駛時，也用來保證各輪之間有合適的轉(zhuǎn)角關(guān)系。根據(jù)轉(zhuǎn)向能源的不同，汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可分為機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩大類 。</p>&l

30、t;p>　?。?）機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：在汽車需要轉(zhuǎn)向時，駕駛員對方向盤施加一個轉(zhuǎn)向力矩，此力矩傳過轉(zhuǎn)向軸、萬向節(jié)和轉(zhuǎn)方向傳動軸之后再輸入轉(zhuǎn)向器。傳動搖臂接收減速后的運動和經(jīng)過適當放大后的力矩，之后通過直拉桿傳給轉(zhuǎn)向節(jié)臂。以此帶動左輪偏轉(zhuǎn)，并通過轉(zhuǎn)向梯形帶動右輪進行偏轉(zhuǎn)。圖2.1所示為機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和布置示意圖。</p><p>　　圖2.1 機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和示意圖</p><p>

31、　　1——轉(zhuǎn)向盤 2——轉(zhuǎn)向軸 3——轉(zhuǎn)向萬向節(jié) 4——轉(zhuǎn)向傳動軸 5——轉(zhuǎn)向器 6——轉(zhuǎn)向搖臂 7——轉(zhuǎn)向直拉桿 8——轉(zhuǎn)向節(jié)臂 9——左轉(zhuǎn)向節(jié) 10、12——梯形臂 11——轉(zhuǎn)向橫拉桿 13——右轉(zhuǎn)向節(jié)</p><p>　?。?）動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在除了駕駛員為動力源進行轉(zhuǎn)向之外，還兼有發(fā)動機動力為助力能源。圖2.2為某動力系統(tǒng)示意圖。在大多數(shù)情況下，很大一

32、部分所需要轉(zhuǎn)向的能量都由引擎所提供的動力提供[13]。相對于機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這樣的轉(zhuǎn)向機構(gòu)的區(qū)別為增加了動力助力裝置，相對于之前的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，使駕駛員更加省力。</p><p>　　圖2.2 某動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的示意圖</p><p>　　1——轉(zhuǎn)向盤 2——轉(zhuǎn)向軸 3——梯形臂 4——轉(zhuǎn)向節(jié)臂 5——轉(zhuǎn)向控制閥 6——轉(zhuǎn)向直拉桿 7——轉(zhuǎn)向搖臂 8——機械轉(zhuǎn)向器 9——轉(zhuǎn)向油罐

33、 10——轉(zhuǎn)向液壓泵 11——轉(zhuǎn)向橫拉桿 12——轉(zhuǎn)向動力缸</p><p>　　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是由多個復(fù)雜的零部件組成，例如轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向桿系等零部件。對于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計要求如下：</p><p>　　在汽車行駛狀態(tài)時，為了使車輪不發(fā)生不必要的磨損，應(yīng)保證所有車輪的轉(zhuǎn)向中心交于一點。</p><p>　　為了提高車輛的操控性能，在行駛過程中，應(yīng)保證車輛的轉(zhuǎn)向不

34、會因為到地面的干擾而使車輛未按計劃方向行駛。</p><p>　　為了盡可能保證駕駛員的路感，應(yīng)使駕駛員在轉(zhuǎn)向過程中施加的力矩盡可能小。</p><p>　　應(yīng)安裝有在車禍發(fā)生的過程中保護駕駛員的措施。</p><p>　　在球頭處應(yīng)裝有調(diào)整機構(gòu)以減小摩擦間隙。</p><p>　　應(yīng)盡量減小懸架與轉(zhuǎn)向機構(gòu)的干涉，以減小車輪在行駛過程中的不必

35、要的擺動。并且使車輛的運動更加協(xié)調(diào)。</p><h3>　　2.2 單軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向原理</h2><p>　　在目前的大部分車輛中，幾乎都是采用的單軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。為了滿足阿克曼原理，以使在轉(zhuǎn)向時輪胎的磨損程度達到最低。其工作原理為在車輛發(fā)生轉(zhuǎn)向的工況時，前軸各車輪的軸線應(yīng)與后軸的延長線交于一點，由于汽車的后軸裝有差速器，因此后軸的兩個車輪可以以不同的速度進行轉(zhuǎn)向。然而前輪則不然，由于前輪

36、無法安裝差速器的原因，假如要向后輪一樣運動，則必然會造成車輛的不正?；瑒樱瑢?dǎo)致車輪發(fā)生過多的磨損。圖2.3為單軸轉(zhuǎn)向機構(gòu)理想轉(zhuǎn)角關(guān)系示意圖。</p><p>　　圖2.3 單軸轉(zhuǎn)向機構(gòu)理想轉(zhuǎn)角關(guān)系示意圖</p><p>　　根據(jù)阿克曼原理，角β與角α之間的關(guān)系式為：</p><p>　　由此可見，在理論情況的精確計算下，輪胎的轉(zhuǎn)角摩擦應(yīng)被減少到最小。然而，在實際情況

37、中，無論機構(gòu)利用何種情況進行優(yōu)化，總會有一定的偏差，前輪的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角會有一定的區(qū)別，然而相對于多橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，單橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對簡單，所引起的誤差也可以小到對于整個系統(tǒng)忽略不計。因此對于單軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化就沒有多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有可探究性。</p><h3>　　2.3 多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向原理</h2><p>　　相對于單軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，多軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理則更為復(fù)雜。然而唯一不變的則為統(tǒng)

38、一瞬心的原則。同樣適用于阿克曼原理，由于前軸為雙軸，則在理想情況下四輪的軸心延長線應(yīng)交于一點。理論上說此焦點應(yīng)在后軸的延長線上，然而大多數(shù)具有雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)的重型卡車也會具有多后軸的特性。由于在不同工況下的配重不同，后軸真正的軸線位置也很難確定，一般情況下，后軸的軸線選擇多軸的垂直平分線處。然而在這篇文章的實際計算中，作者取在距離第三軸的0.38處。不僅如此，由于可以影響后軸的因素太多，在此我們只把后軸整體當做剛性輪胎來考慮。如圖2.4

39、所示為4x4的雙前橋轉(zhuǎn)向示意圖。</p><p>　　圖2.4 雙前橋轉(zhuǎn)向理想轉(zhuǎn)角關(guān)系示意圖</p><p>　　可以看出由于為了滿足理想情況，前輪四個轉(zhuǎn)向輪所轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)角都不同。盡管轉(zhuǎn)向半徑不同，他們的理論瞬心還是相交于一點。這樣才能符合基于阿克曼原理所計算出來的公式。在圖中可以作如下分析，把后兩軸的理論平分線作為基準線，前兩軸的四個車輪軸線的轉(zhuǎn)角可表示為α1,β1,α2,β2.四個轉(zhuǎn)角應(yīng)

40、滿足的理論關(guān)系式為：</p><p>　　上式中：α1,β1分別為一橋左輪、右輪轉(zhuǎn)角。</p><p>　　α2, β2分別為二橋左輪、右輪轉(zhuǎn)角。</p><p>　　L1為一橋軸線至三、四橋理論中心線距離；</p><p>　　L2為二橋軸線至三、四橋理論中心線距離；</p><p>　　B為兩主銷中心點之間的距離。

41、</p><p>　　可以明顯看出，一軸車輪所形成的轉(zhuǎn)角要大于二軸車輪轉(zhuǎn)角，內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角要大于外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角。本文章需做的研究為盡可能使四個車輪的轉(zhuǎn)角更加接近與實際值。如圖2.4所示為4x4的雙前橋轉(zhuǎn)向示意圖。</p><p>　　圖2.5 雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)</p><p>　　1——前轉(zhuǎn)向搖臂 2——前轉(zhuǎn)向直拉桿 3——前轉(zhuǎn)向節(jié)臂 4——前轉(zhuǎn)向梯形臂

42、 5——前轉(zhuǎn)向橫拉桿 6——過渡拉桿 7——后轉(zhuǎn)向搖臂 8——后轉(zhuǎn)向直拉桿 9——后轉(zhuǎn)向節(jié)臂 10——后轉(zhuǎn)向梯形臂 11——后轉(zhuǎn)向橫拉桿</p><p>　　圖中可以看出相對于單軸轉(zhuǎn)向機構(gòu)，雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)相對復(fù)雜，一軸與二軸運用梯形機構(gòu)連接。4轉(zhuǎn)向輪理論轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角關(guān)系需進一步討論。</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)

43、</b></p><p>　　本章最主要介紹了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并簡述了單軸轉(zhuǎn)向與多軸轉(zhuǎn)向原理，說明了雙前橋轉(zhuǎn)向理論轉(zhuǎn)角關(guān)系，為接下來的機構(gòu)模型建立與分析做了鋪墊。</p><h2>　　第三章 雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)模型的建立</h2><h3>　　3.1 ADAMS/view簡介</h2><p>　　ADAMS是一個多體動力學(xué)仿真軟

44、件配備了Fortran和C++的數(shù)值求解的仿真軟件。 ADAMS最初是由在之后被他們被收購MSC軟件公司機械動力公司注冊開發(fā)。ADAMS已經(jīng)被證明是非常必要的虛擬原型開發(fā)程序，ADAMS軟件普遍支持兩種操作系統(tǒng)Linux和Microsoft Windows[14]。</p><p>　　作為世界上使用最廣泛的多體動力學(xué)（MBD）軟件，ADAMS/view可以幫助工程師研究運動部件，如何載荷和力分布在機械系統(tǒng)動力學(xué)

45、。產(chǎn)品制造商往往很難理解真正的系統(tǒng)性能，直到很晚在設(shè)計過程中。機械，電力等子系統(tǒng)對他們的系統(tǒng)工程過程中的具體要求進行驗證，但整個系統(tǒng)的測試和驗證來得晚，導(dǎo)致返工，而且是風(fēng)險更大。作為世界上最有名的和廣泛使用的多體動力學(xué)（MBD）軟件，ADAMS/view提高工程效率，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，使早期的系統(tǒng)級設(shè)計驗證。工程師可以評估和管理學(xué)科，包括運動，結(jié)構(gòu)，驅(qū)動和控制之間復(fù)雜的相互作用，以便更好地優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計性能，安全性和舒適。隨著廣泛的分析能

46、力，ADAMS/view是進行大規(guī)模的優(yōu)化問題，以高性能計算環(huán)境的優(yōu)勢。利用多體動力學(xué)解決方案的技術(shù)，ADAMS/view在運行通過有限元分析解決方案所需的時間的一小部分非線性動力學(xué)。載荷和力由ADAMS/view模擬計算通過提供他們在整個全范圍運動和操作環(huán)境如何變化更好地評估提高有限元分析的準確性。</p><h3>　　3.2模型的建立 </h2><h4>　　3.2.1 機構(gòu)方

47、案與模型數(shù)據(jù)的確立 </h2><p>　　由于經(jīng)濟建設(shè)的需要與物流方面的巨大需求，社會對于擁有巨大載重量的雙前橋轉(zhuǎn)向汽車的需求量越來越大，此車型也因其優(yōu)良的設(shè)計擔當著貨物運輸?shù)闹辛黜浦匚弧＝?jīng)過了幾十年的發(fā)展，雙前橋轉(zhuǎn)向技術(shù)已經(jīng)日漸成熟。</p><p>　　目前市面上傳統(tǒng)的雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)為雙搖臂式轉(zhuǎn)向機構(gòu)，本文章選取的就為東風(fēng)汽車有限公司的某品牌重卡的雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)。在經(jīng)過對此車型進行

48、調(diào)查，并且在東風(fēng)汽車公司與老師的幫助下，作者獲得了某雙前橋轉(zhuǎn)向載重貨車的結(jié)構(gòu)參數(shù)，此車型具有兩種規(guī)格，區(qū)別主要體現(xiàn)在軸距之上，如表3.1所示。</p><p>　　表3.1 某雙前橋載重貨車結(jié)構(gòu)參數(shù)</p><p>　　在實際研究的過程中，整車包括整個雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車橋以及懸架的數(shù)據(jù)是無法如此容易的得到的，由于公司的幫忙才使得筆者減少了部分工作量，在實際的生產(chǎn)與制造中，要想得到一件產(chǎn)品的

49、數(shù)據(jù)最直接的方法就是逆向掃描法。其主要原理是將所要研究的對象利用電腦進行掃描，電腦通過掃描出來的模型進行分析并得到數(shù)據(jù)，從而進行下一步的分析。在國內(nèi)的雙前橋研究領(lǐng)域中，專家和學(xué)者也大多采用的就是這種研究方法，其優(yōu)點是不僅得到的數(shù)據(jù)準確，并且十分快速，大大縮短了研究周期。</p><p>　　在ADAMS/view中建立雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)的模型之前，首先要做的是選擇整個雙前橋機構(gòu)的研究點。在仔細分析了模型之后可以發(fā)現(xiàn)，

50、整個雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)是通過多個銷定位與螺栓連接而成，多個可移動的桿件由這些限制自由度的約束連接在一起，從而組成了整個轉(zhuǎn)向機構(gòu)。由此在ADAMS中，可以得出的結(jié)論是只要確定了各個連接點處的坐標與約束位置的坐標，即可建立起整個轉(zhuǎn)向機構(gòu)。圖3.1為整個雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)的簡圖，在圖上已標出所有連接點與約束位置。</p><p>　　圖3.1 雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)關(guān)鍵點 </p><p>　　1——一軸轉(zhuǎn)向

51、搖臂旋轉(zhuǎn)中心 2——過渡拉桿前球銷點 3——一軸向直拉桿前球銷中心 4——一軸轉(zhuǎn)向直拉桿后球銷中心 5——一軸主銷中心 6、21——前轉(zhuǎn)向梯形臂球銷中心 7——前轉(zhuǎn)向節(jié)臂球銷回轉(zhuǎn)中心 8——前轉(zhuǎn)向橫拉桿球銷中心 9——過渡拉桿后球銷中心 10——后轉(zhuǎn)向直拉桿前球銷中心 11——后轉(zhuǎn)向搖臂旋轉(zhuǎn)中心 12——后轉(zhuǎn)向直拉桿后球銷中心 13——后轉(zhuǎn)向節(jié)臂球銷回轉(zhuǎn)中心 14、19——后軸左側(cè)主銷中心 15、

52、18——后轉(zhuǎn)向梯形臂球銷回轉(zhuǎn)中心 16、17——后轉(zhuǎn)向橫拉桿球銷中心 25、26——前軸車輪中心 23、24——右側(cè)前、后主銷上止點 27、28——后軸車輪中心</p><p>　　由前面的分析所得，在對雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行建模分析之前，首先需要確定所研究的所有點，圖3.3已經(jīng)給出了所要研究的硬點。在模型的建立中，整車的坐標系取XZ平面為整車在豎直方向上的對稱面，Y軸橫穿一軸橫拉桿，其與XZ平面的交點為

53、坐標原點。在確定了坐標平面之后，通過在之前所說的逆向掃描技術(shù)，可以得出以上28個點的硬點三坐標，坐標點如表3.3所示。</p><p><b>　　表3.3 硬點坐標</b></p><h4>　　3.2.2 ADAMS/view中建立模型</h2><p>　　由于在之后的分析與優(yōu)化中，實驗的速度、計算量的大小直接與模型的簡單程度成反比，所以

54、，在ADAMS中建模時，會盡可能的在不影響模型的功能情況下將模型進行簡化。相對于其它軟件對于模型外形的高要求不同，ADAMS對于模型的外形幾乎沒有任何要求，對于此雙前橋轉(zhuǎn)向模型來說，如果轉(zhuǎn)向的關(guān)系正確，并且各約束施加到位，其余的運動關(guān)系正確，則模型就會進行正確的仿真與優(yōu)化。因此，在建立模型之中，由于不考慮組件的外形，則將所有組件用圓柱體（cylinder）代替進行建模。下圖3.2為在table editor中輸入硬點坐標。</p&

55、gt;<p>　　圖3.2 table editor編輯器</p><p>　　根據(jù)ADAMS/view的建模原則，在設(shè)置好單位對話框與工作網(wǎng)格的設(shè)定這些準備活動完成之后，就開始進行點的創(chuàng)建工作。在主菜單欄（main toolbox and toolbar）中找到創(chuàng)建點（point），在模型創(chuàng)作界面上點擊需要創(chuàng)建的位置以選取點進行關(guān)鍵點的創(chuàng)作。然而這種方法效率比較低下，因此在創(chuàng)建多個點時，可直接在p

56、oint table中直接進行編輯，如圖3.2所示。根據(jù)ADAMS的模型簡化特性，將所有關(guān)鍵點根據(jù)雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)的造型利用圓柱體進行連接。與所有的模型一樣，在基礎(chǔ)構(gòu)建建立完畢之后，需在不同桿件之間添加約束才能使轉(zhuǎn)向機構(gòu)形成一個完整的仿真模型。</p><p>　　在對模型進行分析和對雙前橋轉(zhuǎn)向車輛進行實際考察之后發(fā)現(xiàn)，兩軸的垂臂機構(gòu)是直接利用螺栓固定在車架的側(cè)面的，因此在這兩個部位都應(yīng)添加旋轉(zhuǎn)副，根據(jù)汽車構(gòu)造所學(xué)

57、的知識，與在此研究中的特殊情況下，由于假定汽車的主銷是以中心線為軸線進行轉(zhuǎn)動的，所以在模型中設(shè)定四個車輪的主銷都被添加旋轉(zhuǎn)副并與大地相連。由于在轉(zhuǎn)向的時候，車輪與主銷連接在一起，因此在四個車輪與主銷之間以固定副進行連接，而其他的硬點則以球面副約束。為了更清楚的表達，表3.4給出了各約束的明細表格。</p><p>　　表3.4 雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)硬點的約束明細</p><p>　　系統(tǒng)的自由度

58、計算公式如下所示：</p><p>　　其中：n——運動部件總數(shù)； </p><p>　　pi——第i個運動副的約束的自度數(shù)； </p><p>　　m——運動副總數(shù)； </p><p>　　qj——第j 個原動機驅(qū)動約束的自由度數(shù)； </p><p>　　x——驅(qū)動數(shù)； </p><

59、p>　　Rk——其他的約束條件數(shù)</p><p>　　在此計算式應(yīng)得：F=6*11-5*6-3*10-1=5，由此可知在建立的模型中，應(yīng)滿足于5個自由度機構(gòu)才能夠正確運動。給機構(gòu)添加一個運動（motion）之后，可以通過ADAMS右下角自帶的檢測功能對所建機構(gòu)進行檢測。</p><p>　　圖3.3 系統(tǒng)自測結(jié)果</p><p>　　如圖3.3所示，機構(gòu)有15

60、個運動構(gòu)件，6個旋轉(zhuǎn)約束、10個球形約束、4個固定約束、5個自由度，與計算結(jié)果完全一致。因此符合理論自由度，雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)在ADAMS/view中建立完成后的模型如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.4 雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)模型</p><p>　　將在前軸搖臂處添加運動（motion）的雙前橋轉(zhuǎn)向模型進行初步的運動學(xué)仿真，將運動設(shè)置為上止點為42的正弦函數(shù)，最終模型成功并且正確的運動，也

61、驗證了模型的成功建立。</p><p><b>　　3.3 參數(shù)化模型</b></p><h4>　　3.3.1參數(shù)化建模簡介</h2><p>　　模型參數(shù)化是一個將模型變得更加容易進行調(diào)整的過程。在最初的建模過程中，所有的硬點坐標都為實驗得出來的數(shù)據(jù)，而在優(yōu)化的過程中會對大量的數(shù)據(jù)進行修改和更正，而原有的組成模型的硬點坐標數(shù)據(jù)是完全無法滿足

62、這樣的實驗變化的。不僅如此，如果需要大量更改數(shù)據(jù)的時候，對于原始的數(shù)據(jù)，只能依次對每一個數(shù)據(jù)做調(diào)整，這樣的處理方式不僅工作量大、需要大量的時間去完成，而且無法得到最佳的結(jié)果。因此，將模型進行參數(shù)化設(shè)計就變得非常有必要了。參數(shù)化模型的原理是設(shè)置若干個參數(shù)變量，并用這些變量表示模型的參數(shù)，當這些變量發(fā)生改變之后，與此相關(guān)聯(lián)的模型參數(shù)也會隨之發(fā)生改變，并且不會發(fā)生重復(fù)檢索的現(xiàn)象。當模型進行參數(shù)化處理之后，在對模型的后續(xù)優(yōu)化和設(shè)計時就會大大縮減

63、時間并且提高精確性。與大多數(shù)項目管理工具不同，專注于自動化功能或工作流，參數(shù)，預(yù)測建模工具可幫助組織模式，優(yōu)化項目的可行性，并確保項目符合既定的準則交付。參數(shù)化建模的名字來自那些在項目模擬過程修改的項目參數(shù)或者變量。參數(shù)模型是建立從一組數(shù)學(xué)公式。這些可以是在參考書中找到的標準方程，由顧問或廠商，或兩者的某種組合開發(fā)的專有方程式。為了參數(shù)模型有任何效力，他們必須基</p><h4>　　3.3.2參數(shù)化建模<

64、/h2><p>　　在雙前橋轉(zhuǎn)向模型中進行參數(shù)化設(shè)計是非常有必要的。其方法為在模型中設(shè)計若干個設(shè)計變量，并且給定這些變量上下偏差值域。由于在實際生產(chǎn)制造中，輪距、軸距、主銷中心點位置等會影響到整車性能與布置，一般不做大范圍調(diào)整。當單單改變設(shè)計變量值時，每一個坐標的每一個坐標值都會隨之進行改變。由此達到高效率的設(shè)計目的。將模型進行全參數(shù)化之后，在進行后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計時，就可以對模型進行全參數(shù)驅(qū)動，所有的設(shè)計變量可以再上下

65、值域之間不斷尋找最佳的結(jié)果。表3.5為設(shè)計變量的初值與上下偏差。</p><p>　　表3.5 設(shè)計變量的初值與上下偏差</p><p><b>　　續(xù)表3.5</b></p><p>　　為了盡可能的減少設(shè)計變量個數(shù)以簡化模型，在對雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)模型以及東風(fēng)汽車公司所提供的部分數(shù)據(jù)與圖紙進行分析之后，并考慮到實際生產(chǎn)中的難易程度，盡量在參數(shù)化

66、各點時選擇桿件的長度與夾角以便于更改優(yōu)化。利用坐標轉(zhuǎn)換法，對其它各點坐標進行參數(shù)化處理。在轉(zhuǎn)換完畢后，除了以上四個點之外，其余的各點坐標均由參數(shù)化變量表達而成。在參數(shù)化過程中，主銷后傾角記為2°，主銷內(nèi)傾角記為7°各點坐標參數(shù)化以后的表達式如下表3.6所示。</p><p>　　表3.6 雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)硬點的參數(shù)化表達式</p><p><b>　　續(xù)表3.6

67、</b></p><p><b>　　續(xù)表3.6</b></p><p>　　將表3.6的硬點坐標參數(shù)化公式輸入進time table，點擊應(yīng)用之后所有的28個硬點就已被參數(shù)化，可實現(xiàn)對模型快速調(diào)整。</p><h3>　　3.4 建模中應(yīng)注意的問題</h2><p>　　在最開始的建模時，應(yīng)注意轉(zhuǎn)向節(jié)臂的建

68、立。由于在此研究中將轉(zhuǎn)向節(jié)臂、主銷、轉(zhuǎn)向梯形臂看成是一個整體的剛性元件，因此在連接轉(zhuǎn)向節(jié)臂的硬點時，應(yīng)注意將所有連接的桿件選擇為屬于統(tǒng)一元件，否則在之后的自由度檢驗時會發(fā)現(xiàn)并不符合正確值。除此之外，在確定關(guān)鍵點的約束關(guān)系時，應(yīng)注意由于整個轉(zhuǎn)向節(jié)臂與主銷機構(gòu)是剛性元件，其間在部件內(nèi)部并不會發(fā)生相對位移，所以在點6、7、13、15、18、21、23、24處并不添加任何約束。對于點1、11處所加裝的轉(zhuǎn)動副，由于在實際情況下?lián)u臂安裝在車架上的點

69、并不是完全在搖臂的中心，因此約束的位置會有一些偏差如3.6圖所示。</p><p>　　圖3.6 點11處的轉(zhuǎn)動約束</p><p>　　在機構(gòu)模型上對點25、26、27、28施加有固定副是為了保證轉(zhuǎn)向橫梯臂與車輪一同移動，而不是要將轉(zhuǎn)向橫梯臂固定在地面上而形成過度約束。在將參數(shù)化公式錄入Table editor時要注意需要一次錄入完成。如果中途退出編輯，那么再次進入的時候必須重新編輯。在

70、錄入?yún)?shù)公式時可雙擊使用公式編輯器拾取變量，此方法可有效減少出錯率。</p><p><b>　　3.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先利用硬點坐標在ADAMS/view中建模，完成后對模型的自由度進行了驗證。之后通過確定的參數(shù)化變量，將模型參數(shù)化，以實現(xiàn)全參數(shù)驅(qū)動，為接下來的仿真分析做好了準備工作。</p><h2>　　第四

71、章 模型機構(gòu)的仿真分析</h2><p>　　在雙前橋轉(zhuǎn)向模型進行參數(shù)化建立完成之后，接下來需要做的工作是利用ADAMS對機構(gòu)進行動力學(xué)的的分析，這一步是在優(yōu)化設(shè)計之前最重要的一步，通過仿真分析之后，便可對機構(gòu)存在的問題有直觀的了解。</p><h3>　　4.1 雙前橋轉(zhuǎn)向理論分析</h2><p>　　仿真分析之前，對于研究的雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)，需要率先探討的是在轉(zhuǎn)

72、向機構(gòu)進行轉(zhuǎn)向時的理論轉(zhuǎn)角關(guān)系。通過之前對于阿克曼轉(zhuǎn)向原理的探討，已經(jīng)得出了雙前橋轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系如公式2.2所示，然而需要得到理論轉(zhuǎn)角的目標函數(shù)還需要確立不同轉(zhuǎn)向的相同側(cè)轉(zhuǎn)角關(guān)系，由圖2.4可以得出同側(cè)車輪理論轉(zhuǎn)角關(guān)系如下：</p><p>　　在設(shè)置目標函數(shù)時，由于此公式中包含有四個未知量，因此無法進行進一步的研究，因此對公式進行變形約分。測量工具箱中的公式編輯器結(jié)果如圖4.1所示。如下所示，將其余三個理論角均

73、由一軸左側(cè)車輪表示出來，公式如下：</p><p>　　一軸右輪理想轉(zhuǎn)角： </p><p>　　二軸左輪理想轉(zhuǎn)角： </p><p>　　二軸右輪理想轉(zhuǎn)角： </p><p>　　圖4.1一軸右輪理想轉(zhuǎn)角的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　在ADAMS仿真階段，為了可以將公式得出的理想轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角進行對比，必須要將理論

74、轉(zhuǎn)角公式編輯進入軟件之內(nèi)。在編輯時應(yīng)當注意，并非是簡單的進入公式編輯器進行編輯，由于目標函數(shù)所輸出的結(jié)果為理論轉(zhuǎn)角，并且將要與測量所得的理論轉(zhuǎn)角進行對比，因此需前往編輯菜單中的測量工具箱進行編輯。</p><h3>　　4.2轉(zhuǎn)向機構(gòu)的實際轉(zhuǎn)角測量</h2><p>　　上一節(jié)的分析中，已經(jīng)將公式化的理論轉(zhuǎn)角輸出為了以一軸左輪為變量的測量轉(zhuǎn)角。之前在ADAMS中，已經(jīng)建立了雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)的

75、模型，施加了運動之后，模型已可以隨時間的變化而發(fā)生改變，下一步需要做的是將仿真時轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系轉(zhuǎn)換成可分析的結(jié)果。因此，對于仿真之后的實際轉(zhuǎn)角需要進行測量。</p><p>　　ADAMS/VIEW中自帶有轉(zhuǎn)角測量功能。以α1角為例，首先應(yīng)確定的是α1在機構(gòu)中的位置，由于在機構(gòu)的建立中主銷與梯形臂共同看成為一個剛性元件，并且梯形臂與輪胎之間為垂直并且利用固定副進行約束，因此測量梯形臂與地面之間在運動過程中發(fā)生的交

76、付變化就是需要的實際轉(zhuǎn)角變化。ADAMS/view中建立測量角度的原則是利用三個點確定一個轉(zhuǎn)角，選取點的示意圖如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2 一軸左輪實際轉(zhuǎn)角選取點示意圖</p><p>　　根據(jù)三點一角原則，在梯形臂的兩側(cè)選取點。由于最初模型的約束，點5處的標記點6（marker_6）為主銷上不可移動的參考點。在點25處由建模生成的marker_77為在梯形臂上會隨著仿真

77、的運動而運動的標記點。要想測出在運動時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角，則需將點5處的marker_6作為轉(zhuǎn)角的頂點，并且在點25處建立固定在地面上（ground）的標記點89（marker_89）。</p><p>　　圖4.3 一軸左輪轉(zhuǎn)角示意圖</p><p>　　如圖4.3所示，將第一點選取marker_77，中間點選取marker_6，最終點選擇marker_89.在初始情況下時，標記點77與標記點8

78、9應(yīng)處于重合狀態(tài)，在仿真步驟開始之后，1、2點與2、3點之間才開始產(chǎn)生角度差，形成的角度差就為一軸左輪轉(zhuǎn)角的實際測量值。其余三個轉(zhuǎn)角的實際測量均與此一軸左輪轉(zhuǎn)角類似。</p><h3>　　4.3 雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)的仿真與后處理</h2><h4>　　4.3.1機構(gòu)的仿真</h2><p>　　雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)四輪轉(zhuǎn)角測量完畢之后，需對模型進行關(guān)鍵的仿真步驟，否則測量

79、的轉(zhuǎn)角并不能被激活。在Adams/view的原則中表明，假如機構(gòu)的自由度為0，則需對整個機構(gòu)進行運動學(xué)仿真，假如機構(gòu)的自由度大于或等于1，則對整個機構(gòu)進行動力學(xué)仿真。此轉(zhuǎn)向機構(gòu)為5自由度模型，因此應(yīng)運用動力學(xué)仿真分析。在主菜單中找到仿真按鈕（simulation）由于在轉(zhuǎn)向機構(gòu)中有些差別非常細小，因此文章探討的機構(gòu)為在1個周期內(nèi)車輪轉(zhuǎn)角的變化情況。在之后的步長的選擇中，將步長調(diào)制500，便可非常細致的得到整個轉(zhuǎn)角的變化曲線。由于機構(gòu)的自

80、由度大于一，因此將default更改為dynamic。</p><h4>　　4.3.2結(jié)果后處理</h2><p>　　一般來說，使用ADAMS一般是在其view模塊中進行模型搭建和運動仿真，然后在后處理模塊Postprocessor中進行數(shù)據(jù)的顯示和分析，做出數(shù)據(jù)曲線以用來做之后的分析。ADAMS/ PostProcessor中、軟件是一個功能強大的后處理工具，可以讓設(shè)計者查看結(jié)果的軟

81、件模塊。后處理中，可以快速查看ADAMS的結(jié)果，使作者更容易理解模型的特性。并且后處理支持完成整個模型開發(fā)周期，看看調(diào)試模型運動。還可以隔離單個靈活的身體將重點放在其變形。為了驗證結(jié)果，可以導(dǎo)入測試數(shù)據(jù)，并繪制它針對的數(shù)字模擬的結(jié)果，后處理也可以進行數(shù)學(xué)運算和統(tǒng)計分析的情節(jié)曲線。不僅如此，在后處理中可以從圖形兩個或兩個以上的模擬結(jié)果進行比較。此外，用點擊幾下鼠標就可以自動更新的結(jié)果圖。通過加速查看模擬結(jié)果，更可以試試模型更多的變化。也可

82、以檢查碰撞并產(chǎn)生體之間的最近距離的一個報告的每幀動畫以幫助改善設(shè)計。為了提高設(shè)計審查和報告，可以改變地塊的外觀，并添加標題和說明他們。圖4.4為一軸左輪轉(zhuǎn)角與時間關(guān)系曲線。</p><p>　　圖4.4 一軸左輪轉(zhuǎn)角與時間的關(guān)系曲線</p><p>　　通過編輯欄上部的窗口可以進入后處理界面，或者使用快捷鍵F8都可進入最終的界面。在后處理的主界面中為具有坐標軸的函數(shù)坐標系。在之前的測量仿真

83、和公式編輯之后，所有的結(jié)果已顯示在下部的任務(wù)欄中。首先選取需要研究的一軸左輪轉(zhuǎn)角α1，任務(wù)欄中的右側(cè)選擇根據(jù)時間為橫坐標的函數(shù)，以驗證仿真的正確性。所得到的圖形如上圖所示?？梢婋S著時間前進，一軸左輪的轉(zhuǎn)角隨時間以正玄曲線進行變化。最大轉(zhuǎn)角為34 °小于所規(guī)定的最大轉(zhuǎn)角度數(shù)，整個周期內(nèi)曲線均平滑過度。因此，在后處理之前的仿真步驟是完全正確的。</p><p>　　由于在設(shè)置理論轉(zhuǎn)角的方程式時將一軸右輪與二

84、軸左右輪均設(shè)置成以一軸左輪為變量的關(guān)系式，因此在后處理圖形的繪制時均使用α1作為橫坐標進行研究。圖4.5，圖4.6，圖4.7，圖4.8為一軸右輪（β1）、二軸左輪（α2）、二軸右輪（β2）隨一軸左輪轉(zhuǎn)向的變化曲線。</p><p>　　圖4.5 一軸右輪實際轉(zhuǎn)角與理想轉(zhuǎn)角及差異曲線</p><p>　　圖4.6 二軸左輪實際轉(zhuǎn)角與理想轉(zhuǎn)角及差異曲線</p><p>

85、　　圖4.7 二軸右輪實際角度與理論角度及差值</p><p>　　圖4.8 各輪實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角差異值對比</p><p>　　如圖4.5、圖4.6、圖4.7、圖4.8所示，在隨一軸左輪變化時，一軸右輪的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角差異相對比較小，在后處理的分析圖形中可以看出圖形大部分處于近似重合的狀態(tài)。在理論值與實際值的差值delta_beta1曲線中可以看出結(jié)果幾乎在0 °周圍活

86、動。由此可得出的結(jié)論為一軸的轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計相對合理，在發(fā)生轉(zhuǎn)向時幾乎和理論轉(zhuǎn)角保持較小差異，受到的非正常摩擦與輪胎磨損比較小。而二軸左輪的實際變化曲線與理論值卻存在著較大的差異，再從0角度到30度的變化區(qū)間內(nèi)理論與實際的差異值隨角度的增大而增大，在40°時達到最高差值7.5 °，在最大轉(zhuǎn)角即大于40°時最大轉(zhuǎn)角差值甚至超過15°并有持續(xù)增大的趨勢。同樣，在畫出二軸右輪的變化曲線后研究發(fā)現(xiàn)其實際轉(zhuǎn)角與

87、理論轉(zhuǎn)角差異也較大，最大處已接近于5°。由此分析可知，雖一軸結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，然而二軸的左右兩輪實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角均存在著較大的差異，兩軸的轉(zhuǎn)動機構(gòu)存在著設(shè)計不合理的問題，并且相比一軸，二軸兩輪的不正常磨損較為嚴重?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)對此雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)優(yōu)化不合理。機構(gòu)之間的參數(shù)有待調(diào)整。</p><p><b>　　4.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先對

88、雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)的理想轉(zhuǎn)角在ADAMS/view中建立了數(shù)學(xué)模型，并對轉(zhuǎn)向機構(gòu)的模型進行了仿真。利用ADAMS中的后處理功能畫出理論轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角曲線，并進行對比分析，為接下來的優(yōu)化提供設(shè)計對象。</p><h2>　　第五章 基于Isight的模型優(yōu)化設(shè)計</h2><h3>　　5.1 Isight軟件簡介</h2><p>　　Isight是Dassault公司

89、推出的一款集實驗設(shè)計，DOE分析、模型優(yōu)化為一體的軟件。ISIGHT自身并不會進行計算，但是它通過相應(yīng)的方法調(diào)用其他軟件進行計算。基于上述數(shù)值分析軟件的結(jié)構(gòu)和工作過程，在進行數(shù)值分析的時候，可以通過修改模擬計算模塊的輸入文件來完成模型的修改，ISGHT正是基于這種原理工作的。下圖5.1為ISIGHT對的工作界面。</p><p>　　圖5.1 ISIGHT工作界面</p><p>　　IS

90、IGHT通過一種搭積木的方式快速集成和耦合各種仿真軟件，將所有設(shè)計流程組織到一個統(tǒng)一、有機和邏輯的框架中，自動運行仿真軟件，并自動重啟設(shè)計流程，從而消除了傳統(tǒng)設(shè)計流程中的"瓶頸"，使整個設(shè)計流程實現(xiàn)全數(shù)字化和全自動化 [15] 。</p><h3>　　5.2 ISIGHT集成ADAMS/view</h2><h4>　　5.2.1 集成的概念及意義</h2>

91、;<p>　　由于ISIGHT自身并沒有處理模型數(shù)據(jù)的功能，因此必須借助其它建模軟件向其導(dǎo)入數(shù)據(jù)。ISIGHT本身更像是一臺數(shù)據(jù)計算器，將匯總在內(nèi)部的數(shù)據(jù)進行龐大的有序的計算從而得到最優(yōu)解。將ADAMS/view與ISIGHT集成的意義在于利用創(chuàng)建的輸入文件與輸出文件而將ADAMS中的設(shè)計變量與參數(shù)化的硬點數(shù)據(jù)導(dǎo)入ISIGHT，在ISIGHT內(nèi)不進行實驗設(shè)計與參數(shù)的優(yōu)化以得到最優(yōu)解 [16] 。不僅如此，由于兩個軟件之間的

92、集成，導(dǎo)致所有的數(shù)據(jù)在任何環(huán)境中具有了聯(lián)動的效應(yīng)，在ISIGHT中優(yōu)化獲得的新的變量會同時同步進入ADAMS/view。集成之后的兩軟件實現(xiàn)了同時工作的目的，大大縮短了研究周期，貼圖高了效率[17]。</p><h4>　　5.2.2集成需求文件的準備</h2><p>　　在兩軟件集成之前，需要準備三個文件：</p><p>　?。?）Adams/view批處理文

93、件： runadams.bat</p><p>　?。?）Adams/view命令行文件： batch.cmd （此為Isight需要解析的輸入文件）</p><p>　　（3）Adams/view模型文件： latch.bin</p><p>　　批處理軟件為在ISIGHT中運行Adams的驅(qū)動程序，在程序的內(nèi)部應(yīng)編寫的內(nèi)容大致為將ADAMS中將要運行的文件替換為

94、ISIGHT文件，如圖5.1所示。</p><p>　　圖5.2 批處理文件內(nèi)容</p><p>　　命令行軟件也為ISIGHT需要進行內(nèi)部解析的輸入文件，也是集成中最重要的一個軟件[17]。此輸入軟件的內(nèi)容分為4塊，首先編寫輸入命令，表示將模型軟件調(diào)取進入ISIGHT，如圖5.3所示。</p><p>　　圖5.3 輸入文件調(diào)入部分</p><

95、p>　　第二部分的編寫內(nèi)容為將所有設(shè)計變量的初值調(diào)入ISIGHT。之后設(shè)置ADAMS仿真與確定在ISIGHT中需要計算的結(jié)果。由于需要對理論及實際總共6個數(shù)據(jù)進行計算，因此在此處應(yīng)編寫六段。此編程命令可在ADAMS的命令欄中找到。在所有準備文件編寫完畢之后，啟動批處理文件，生成理論轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角總共6個目標解的輸出文件，文件中包含著在執(zhí)行仿真時500個步長對應(yīng)的500個值。</p><h4>　　5.2.3

96、 輸入文件的參數(shù)化</h2><p>　　準備程序編寫完畢后，在ISIGHT中的simcode模塊對輸入及輸入文件進行管理。Simcode模型如圖5.4所示。</p><p>　　圖5.4 Simcode模塊</p><p>　　Simcode模塊為ADAMS與ISIGHT連接的數(shù)據(jù)處理中心，由于集成進入ISIGHT的輸入文件中的設(shè)計變量只是導(dǎo)入進軟件，而并沒有成為

97、ISIGHT可以使用的參數(shù)，因此需要對設(shè)計變量進行參數(shù)化以在之后的處理中可以調(diào)用 [18] 。參數(shù)化之后的輸入變量如下圖5.5所示。</p><p>　　圖5.5 部分輸出參數(shù)化變量</p><p>　　輸入變量參數(shù)化之后便為之后的分析打好基礎(chǔ)。</p><h4>　　5.2.4 輸出文件參數(shù)化</h2><p>　　與輸入變量類似，在輸出文

98、件集成進入ISIGHT中時，并沒有被為之所用，而需要在simcode中對輸出變量進行參數(shù)化的處理。由于最終結(jié)果為3個車輪的理論與實際轉(zhuǎn)角，因此輸出參數(shù)為6組參數(shù)。需要特別注明的是，與大多數(shù)輸入?yún)?shù)只有一個值不同，由于輸出參數(shù)是隨時間變化而變化的特性，每一組輸出參數(shù)內(nèi)部包含與步長相同的500個值。因此，在ISIGHT中，無法通過選中來將輸出變量參數(shù)化[19]。利用ISIGHT中內(nèi)置的java編程功能，通過編寫C語言程序，可以將所有輸出變量

99、選中。其輸出參數(shù)的循環(huán)語句如下圖所示。</p><p>　　圖5.6 輸出參數(shù)的C語言程序</p><p>　　在大量查閱了文獻資料與詢問了計算機領(lǐng)域的專業(yè)人員之后，最終確立了以上的程序代碼。其表達的意義為在不同的六組數(shù)據(jù)中依次拾取輸出值，此命令循環(huán)500次。程序錄入完成之后輸出值被選定的結(jié)果如下圖所示。</p><p>　　圖5.7 部分被選定的二軸右輪轉(zhuǎn)角輸出值

100、</p><p>　　以上輸入輸出文件的參數(shù)化完成之后，所有數(shù)據(jù)在ISIGHT中已成為整體，當需要進行之后的優(yōu)化設(shè)計時，軟件將會同時調(diào)取所有的輸入輸出文件為目標所用。從參數(shù)管理中可以對錄入的所有數(shù)據(jù)一目了然。然而在可以調(diào)用這些數(shù)據(jù)之前還需對執(zhí)行命令的批處理文件進行集成，當從窗口中調(diào)出之前設(shè)置好的批處理文件后，所有輸入輸出以及運行文件才算正式集成完成。</p><h3>　　5.3 實驗的設(shè)

101、計（DOE）</h2><h4>　　5.3.1 目標函數(shù)的建立</h2><p>　　由以上的分析之后，對于整個轉(zhuǎn)向機構(gòu)需在ISIGHT中進行分析，以確定需要進行的目標。通過之前的論證發(fā)現(xiàn)，整個優(yōu)化的目標都是使每個車輪的實際轉(zhuǎn)角和理論轉(zhuǎn)角盡量接近。在ISIGHT中的優(yōu)化方式為通過多個目標同時進行優(yōu)化，因此，在這次實驗的設(shè)計中應(yīng)該設(shè)置目標函數(shù)以確定在實驗中所有研究的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的

102、平均值最小化。其目標函數(shù)應(yīng)為：</p><p>　　其中i值代表了仿真進行的次數(shù)，由于在之前的仿真中選擇了500的步長，因此在這里i應(yīng)該為500.在目標函數(shù)的選擇中有幾種情況，情況一取理論轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角的差值的最小值取最小化，但是這種方法有明顯的弊端，由于在起始位置時轉(zhuǎn)向機構(gòu)的理論值與實際值都為0，所以他們之間的差值的最小值也為0。因此，如果選擇此種方式，那么優(yōu)化之前與優(yōu)化之后的目標函數(shù)的解將還是0而不會發(fā)生任何

103、變化。情況二是選取理論轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角的差值的最大值取最小化。然而，根據(jù)之前在后處理的結(jié)果可以得出當角度越來越大的時候理論與實際的差值也會越來越大，然而由之前東風(fēng)公司給出的數(shù)據(jù)可知一軸左輪的最大轉(zhuǎn)角被限制在42°，因此如果選擇此種情況，研究最大值的最小化是沒有任何意義的[20]。而有研究機構(gòu)利用加權(quán)函數(shù)描述不同轉(zhuǎn)角絕對誤差的平均值作為目標含糊，然而，由于加權(quán)函數(shù)法[21]受設(shè)計者主管因素影響大，而且不同車型的加權(quán)函數(shù)也會不同，因

104、此放棄這種方法。綜上所述，目標函數(shù)選擇了取理論轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角的差值得絕對值的平均值的最小化為優(yōu)化的研究對象是最為合理的方式[22]。圖5.8為在函數(shù)編輯器中編輯目標函數(shù)。</p><p>　　圖5.8 目標函數(shù)的編輯</p><p>　　將目標函數(shù)建立在ISIGHT中的方法為從上部的應(yīng)用菜單中將計算器應(yīng)用拖至simcode之后，在計算器的編輯中輸入以下公式：</p><

105、p>　　E=mean (abs (A-A1));</p><p>　　F=mean (abs (B-B1));</p><p>　　G=mean (abs(C-C1));</p><p>　　其中：A，A1為一軸右輪的實際與理論轉(zhuǎn)角在ISIGHT中的變量名稱；</p><p>　　B，B1為二軸左輪的實際與理論轉(zhuǎn)角在ISIGHT中的變量

106、名稱；</p><p>　　C，C1為二軸右輪的實際與理論轉(zhuǎn)角在ISIGHT中的變量名稱。</p><h4>　　5.3.2 雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)實驗設(shè)計(DOE)分析</h2><p>　　為了分析對目標函數(shù)理論轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角差的值絕對值影響最大的設(shè)計變量，以找出最終需要優(yōu)化的設(shè)計參數(shù)，需要對雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)的參數(shù)進行DOE分析。DOE模型如圖5.9所示。</p&g

107、t;<p>　　圖5.9 DOE模型圖</p><p>　　在上部的步驟組成欄中選擇DOE，并將其拖入ISIGHT模型當中。由simcode起始，將輸入文件中的設(shè)計變量參數(shù)輸入進計算器，通過計算器中的目標函數(shù)確定將要進行分析的目標函數(shù)，最終通過DOE的分析確定各設(shè)計變量對目標函數(shù)的影響程度。在DOE模塊的建立中由一下3個步驟組成：</p><p>　　1）確定數(shù)據(jù)分析的種類方

108、法。在ISIGHT的DOE模塊中有多種參數(shù)分析的方法，其中最典型的有兩種。第一種為Latin Hypercube（拉丁抽樣分析），每個因素相等的與數(shù)量相等的點進行隨機組合。這種方法的優(yōu)點為：允許有更多的點，更多的組合，可以研究每個因子。工程師有完全自由選擇的設(shè)計的數(shù)目，只要它是大于因子個數(shù)來運行。然而他的缺點是它們不是可再現(xiàn)的，除非相同的隨機種子被連續(xù)使用。為點的數(shù)目減少，漏的設(shè)計空間增大一些區(qū)域的機會[23]。由于需要處理龐大的參數(shù)，