轻型汽车转向梯形机构优化设计
目 录
1 绪论 1
1.1 转向梯形机构的研究背景及意义 1
1.2 国内外发展现状 2
1.3 本文研究主要内容 4
2 转向梯形机构优化设计 4
2.1 转向梯形 4
2.2 转向梯形机构优化设计 4
3 复合形法 7
3.1 基本原理 7
3.2 初始复合形的产生 8
3.3 迭代过程及算法框图 9
4 VB软件 13
4.1 引言 13
4.2 VB简介 13
4.3 编程所用内部控件 14
4.4. 常用命令 15
5 基于VB的转向梯形优化设计 16
5.1 定义变量 16
5.2 目标函数 17
5.3 约束条件 18
5.4 运算结果 18
结论 20
致谢 21
参考文献 22
附录 23
1 绪论
1.1 转向梯形机构的研究背景及意义
在汽车行驶过程中，转向运动是最基本和最频繁的运动。驾驶员通过方向盘来操纵和控制汽车的行驶线路，从而实现自己的驾驶意图。转向系统是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系，对汽车安全性能起着重要作用。各汽车厂家及设计师需要通过了解汽车转向特性，设计优化，提高汽车转向性能。特别是在这个汽车高速化、驾驶员非职业化、车流量密集化的时代，对于不同的驾驶群体，汽车的操纵性尤为重要。机械转向系统凭借驾驶员的手动控制转向盘，经过转向器和转向机构使车 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
轮偏转。为了减轻驾驶员的转向手力和提高行驶安全性，有些车子装设动力转向机构,因而对转向传动机构的研究就变得更有价值和意义。
转向机构通过对左、右转向轮转角之间的关系来保证车子按照理想轨迹来运动。对于两轮转向的汽车，根据阿克曼原理，设计转向机构，为减小车轮侧滑，转向机构应使偏转角在转向运动过程中至始至终地满足阿克曼转角关系。然而此理论仅在汽车理想状态存在，汽车在实际运动过程中必然存在边滚边滑的情况。
现代汽车转向系统存在路面的附加阻力与车轮方面的侧滑磨损，只有优化设计转向梯形机构，才能使汽车的各个性能要求达到指标。而如今的设计，多数都是建立数学模型来设计的，对转向机构进行优化结构与分析参数。通常利用前轮约束角作为评判标准，即用外轮转向角作为变量，求解出内轮转角的实际值和理想值，以其差值，加入加权因子共同组成目标函数对转向机构优化设计，选用不同转向轮转角作为自变量得到的优化结果可能不一样，然后通过比较不同转角为自变量的转角偏差，从而选择最优转向角。
由于对转向机构的参数设计是转向机构发展的基础，只要处理好转向机构的设计效果，就能提高汽车的安全操纵性和平顺性。转向梯形机构构造简略，调整前束简单，价格便宜，十分具备代表性。
为了优化转向梯形构造，按照阿克曼原理，在整体式转向梯形机构中，建立了以外车轮的理论与实际转角的最小偏差为目标函数的数学模型，应用VB分析了转向梯形臂长与底角的关系，仿真结果表明：底角对转向性能的影响，比臂长更重要。通过例子介绍了一种利用计算数据和绘画曲线的方法，找出车子转角的最优解的设计方法，最后运用VB软件完成了优化。
1.2 国内外发展现状
转向梯形的设计，自70年代末就开始出现了矩形化(平行四边形)的趋势，目前如美国的克莱斯勒公司、德国的大众公可、日本的丰田公司等，都已经采用了梯形矩形化的设计方法。第一汽车集团公司的产品设计部门，也在汽车设计上进行了初步的尝试，经过实践证明，效果良好。
汽车刚诞生时，转向机构通过使用手柄使车轮转动来完成车子的转向运动。随着汽车车速不断加快，这种操作方式因为过于费力，而且不牢靠，逐渐地淘汰了。驾驶员需要发明一个更为简单可靠实用的转向机构来完成运动。1817年，德国人林肯斯潘杰提出平行四边形机构和转向节，使车子能够独自转动，至此诞生。1818年，林肯斯潘杰转让专利给了阿克曼，阿克曼就成为了始祖。该机构中，驾驶员通过转向盘、转向节臂等等结构对转向节进行控制，因为车速变快之后，车轮的转动更为吃力，因而设置了一个减速机构对其进行控制。
但无论选择哪种转向器，驾驶员对方向盘施加的力矩都必须通过转向机构再传到转向车轮。汽车转向机构从古至今，有很多种类型，不同类型的转向机构有不同的性能特点，满足阿克曼转角关系作纯滚动转向的程度也不相同。优化设计汽车的转向机构对汽车转向性能起着关键性作用，通过优化设计，可以更好地提高转向性能和汽车平稳性。机械式转向机构一般可以分为断开式和整体式两种。当汽车悬架为独立悬架时，采用断开式，当汽车前悬架采用非独立悬架时，则采用整体式。
随着电子计算机和科技的迅捷发展,诞生了各种性能的转向系统，对汽车转向性能方面起着重要的作用，列如有电动，电控液压，助力转向，还有主动和线控转向。然而对于转向系统的传统研究仅限于参数优化设计和数学建模等方面，需要打破常规，期待更多学者可以尝试创新，勇于突破自己，为转向机构设计提供宝贵经验。一般来说，大型卡车都是采用的整体式转向梯形机构来研究的。国外从上世纪六十年代起，T.J.Budzynski，K.W.Schipper，John W.Durstine 和 Gerald R. Miller 等人就仔仔细细地对汽车的每个转向部件进行研究探讨，并与其他的卡车进行比较分析。相对于参数的优化设计，国外的学者更为厉害，研究更加专业权威。Carcaterra.A.D， Ambrogio.W在参数结构方面的选择能够更加适应悬架、车轮等部件，同时做了许多准备工作，而且获得了一定的成就，最终自成成熟体系的参数优化设计和可靠的操纵动力学理论 。Dijksman E A.，Wm. C. Mitchell ， Allan Staniforth 等人对阿克曼原理进行了仔细地数学分析运算和实践演练，并且根据参数变量来建立目标函数关系方程式，因而四杆机构可以更加精确满足条件。在转向机构的优化设计上付出努力的人群数不胜数，从上个世纪五十年代到当代。最早的 Wolf W.A. ，Rao G Ramachandra. 设计的转向机构考虑的比较简单，到后来 Dvali R R, ArdayfioD.D，S.OF Fahey, S. Pramanik，Er.Neeraj Singh Gautam 等人研究的是较为复杂的多连杆和球面式的结构，来满足转向性能要求，目前适用于各式各样的汽车的转向系统里面。在最近的 2009 年，Robert Leishman, Kenneth Chase 两人针对汽车上常用的齿轮齿条式转向机构，研制出了一种依据计算机软件的新型设计计算工具，又一次将计算机的作用能力在汽车领域方面发挥的更加完善。
国内对转向机构的研究，从现有文献来看，武汉工学院的毛志坚可以说是最早研究转向机构的学者之一。他于1984年在《汽车技术》上发表的《整体式转向梯形底角的选择》，用平面运动替代三维运动，利用计算机进行数据分析运算，经总结归纳得出了底角的计算方程表达式，可用于计算梯形机构底角 。成都大学的毛忠仁和四川工业学院的高东升是最早根据理论与实际转角间的偏差值来确定目标函数进行优化设计的学者 。黄小平和马履中于1992年在《汽车工程》上发表的《转向机构的运动学分析》则是查阅到的最早对转向机构进行空间运动学研究的文献 。在此基础上，北京工业大学的王敏、赵京等学者对空间转向机构展开运动学的非线性和优化设计 。而西北工业大学的段德高、陈集丰、杨荣则是最早运用复合形法与最小二乘法对转向机构进行优化的学者 。同在1999年，邬华芝、魏晓静两人对转向机构参数进行图解法分析，而师素娟、武兰英两人是利用计算机对其计算检验的解析法分析 ，这可以算得上是国内首次通过对转向机构的参数进行优化计算分析的例子了。
1 绪论 1
1.1 转向梯形机构的研究背景及意义 1
1.2 国内外发展现状 2
1.3 本文研究主要内容 4
2 转向梯形机构优化设计 4
2.1 转向梯形 4
2.2 转向梯形机构优化设计 4
3 复合形法 7
3.1 基本原理 7
3.2 初始复合形的产生 8
3.3 迭代过程及算法框图 9
4 VB软件 13
4.1 引言 13
4.2 VB简介 13
4.3 编程所用内部控件 14
4.4. 常用命令 15
5 基于VB的转向梯形优化设计 16
5.1 定义变量 16
5.2 目标函数 17
5.3 约束条件 18
5.4 运算结果 18
结论 20
致谢 21
参考文献 22
附录 23
1 绪论
1.1 转向梯形机构的研究背景及意义
在汽车行驶过程中，转向运动是最基本和最频繁的运动。驾驶员通过方向盘来操纵和控制汽车的行驶线路，从而实现自己的驾驶意图。转向系统是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向行驶时，保证各转向轮之间有协调的转角关系，对汽车安全性能起着重要作用。各汽车厂家及设计师需要通过了解汽车转向特性，设计优化，提高汽车转向性能。特别是在这个汽车高速化、驾驶员非职业化、车流量密集化的时代，对于不同的驾驶群体，汽车的操纵性尤为重要。机械转向系统凭借驾驶员的手动控制转向盘，经过转向器和转向机构使车 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
轮偏转。为了减轻驾驶员的转向手力和提高行驶安全性，有些车子装设动力转向机构,因而对转向传动机构的研究就变得更有价值和意义。
转向机构通过对左、右转向轮转角之间的关系来保证车子按照理想轨迹来运动。对于两轮转向的汽车，根据阿克曼原理，设计转向机构，为减小车轮侧滑，转向机构应使偏转角在转向运动过程中至始至终地满足阿克曼转角关系。然而此理论仅在汽车理想状态存在，汽车在实际运动过程中必然存在边滚边滑的情况。
现代汽车转向系统存在路面的附加阻力与车轮方面的侧滑磨损，只有优化设计转向梯形机构，才能使汽车的各个性能要求达到指标。而如今的设计，多数都是建立数学模型来设计的，对转向机构进行优化结构与分析参数。通常利用前轮约束角作为评判标准，即用外轮转向角作为变量，求解出内轮转角的实际值和理想值，以其差值，加入加权因子共同组成目标函数对转向机构优化设计，选用不同转向轮转角作为自变量得到的优化结果可能不一样，然后通过比较不同转角为自变量的转角偏差，从而选择最优转向角。
由于对转向机构的参数设计是转向机构发展的基础，只要处理好转向机构的设计效果，就能提高汽车的安全操纵性和平顺性。转向梯形机构构造简略，调整前束简单，价格便宜，十分具备代表性。
为了优化转向梯形构造，按照阿克曼原理，在整体式转向梯形机构中，建立了以外车轮的理论与实际转角的最小偏差为目标函数的数学模型，应用VB分析了转向梯形臂长与底角的关系，仿真结果表明：底角对转向性能的影响，比臂长更重要。通过例子介绍了一种利用计算数据和绘画曲线的方法，找出车子转角的最优解的设计方法，最后运用VB软件完成了优化。
1.2 国内外发展现状
转向梯形的设计，自70年代末就开始出现了矩形化(平行四边形)的趋势，目前如美国的克莱斯勒公司、德国的大众公可、日本的丰田公司等，都已经采用了梯形矩形化的设计方法。第一汽车集团公司的产品设计部门，也在汽车设计上进行了初步的尝试，经过实践证明，效果良好。
汽车刚诞生时，转向机构通过使用手柄使车轮转动来完成车子的转向运动。随着汽车车速不断加快，这种操作方式因为过于费力，而且不牢靠，逐渐地淘汰了。驾驶员需要发明一个更为简单可靠实用的转向机构来完成运动。1817年，德国人林肯斯潘杰提出平行四边形机构和转向节，使车子能够独自转动，至此诞生。1818年，林肯斯潘杰转让专利给了阿克曼，阿克曼就成为了始祖。该机构中，驾驶员通过转向盘、转向节臂等等结构对转向节进行控制，因为车速变快之后，车轮的转动更为吃力，因而设置了一个减速机构对其进行控制。
但无论选择哪种转向器，驾驶员对方向盘施加的力矩都必须通过转向机构再传到转向车轮。汽车转向机构从古至今，有很多种类型，不同类型的转向机构有不同的性能特点，满足阿克曼转角关系作纯滚动转向的程度也不相同。优化设计汽车的转向机构对汽车转向性能起着关键性作用，通过优化设计，可以更好地提高转向性能和汽车平稳性。机械式转向机构一般可以分为断开式和整体式两种。当汽车悬架为独立悬架时，采用断开式，当汽车前悬架采用非独立悬架时，则采用整体式。
随着电子计算机和科技的迅捷发展,诞生了各种性能的转向系统，对汽车转向性能方面起着重要的作用，列如有电动，电控液压，助力转向，还有主动和线控转向。然而对于转向系统的传统研究仅限于参数优化设计和数学建模等方面，需要打破常规，期待更多学者可以尝试创新，勇于突破自己，为转向机构设计提供宝贵经验。一般来说，大型卡车都是采用的整体式转向梯形机构来研究的。国外从上世纪六十年代起，T.J.Budzynski，K.W.Schipper，John W.Durstine 和 Gerald R. Miller 等人就仔仔细细地对汽车的每个转向部件进行研究探讨，并与其他的卡车进行比较分析。相对于参数的优化设计，国外的学者更为厉害，研究更加专业权威。Carcaterra.A.D， Ambrogio.W在参数结构方面的选择能够更加适应悬架、车轮等部件，同时做了许多准备工作，而且获得了一定的成就，最终自成成熟体系的参数优化设计和可靠的操纵动力学理论 。Dijksman E A.，Wm. C. Mitchell ， Allan Staniforth 等人对阿克曼原理进行了仔细地数学分析运算和实践演练，并且根据参数变量来建立目标函数关系方程式，因而四杆机构可以更加精确满足条件。在转向机构的优化设计上付出努力的人群数不胜数，从上个世纪五十年代到当代。最早的 Wolf W.A. ，Rao G Ramachandra. 设计的转向机构考虑的比较简单，到后来 Dvali R R, ArdayfioD.D，S.OF Fahey, S. Pramanik，Er.Neeraj Singh Gautam 等人研究的是较为复杂的多连杆和球面式的结构，来满足转向性能要求，目前适用于各式各样的汽车的转向系统里面。在最近的 2009 年，Robert Leishman, Kenneth Chase 两人针对汽车上常用的齿轮齿条式转向机构，研制出了一种依据计算机软件的新型设计计算工具，又一次将计算机的作用能力在汽车领域方面发挥的更加完善。
国内对转向机构的研究，从现有文献来看，武汉工学院的毛志坚可以说是最早研究转向机构的学者之一。他于1984年在《汽车技术》上发表的《整体式转向梯形底角的选择》，用平面运动替代三维运动，利用计算机进行数据分析运算，经总结归纳得出了底角的计算方程表达式，可用于计算梯形机构底角 。成都大学的毛忠仁和四川工业学院的高东升是最早根据理论与实际转角间的偏差值来确定目标函数进行优化设计的学者 。黄小平和马履中于1992年在《汽车工程》上发表的《转向机构的运动学分析》则是查阅到的最早对转向机构进行空间运动学研究的文献 。在此基础上，北京工业大学的王敏、赵京等学者对空间转向机构展开运动学的非线性和优化设计 。而西北工业大学的段德高、陈集丰、杨荣则是最早运用复合形法与最小二乘法对转向机构进行优化的学者 。同在1999年，邬华芝、魏晓静两人对转向机构参数进行图解法分析，而师素娟、武兰英两人是利用计算机对其计算检验的解析法分析 ，这可以算得上是国内首次通过对转向机构的参数进行优化计算分析的例子了。
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