HyperWorks在双前桥转向机构优化中的应用

摘要:重卡为增加载重量、提高行驶稳定性，普遍采用双前桥转向机构，但该转向机构易于造成轮胎磨损问题。本文从机构变形角度进行了轮胎磨损问题的研究，并针对转向机构干涉和杆件变形问题进行了结构优化。仿真和试验结果表明：应用HyperWorks软件可较好的解决上述问题，对双前桥转向机构的优化设计具有较好的工程意义。
关键词: 双前桥转向摇臂机构，机构优化，HyperWorks
0概述

受路面条件、交通法规的限制，重卡车辆为增加载重，提高车辆稳定性，转向系统常设计成多轴转向形式，其中普遍采用的是双前桥转向，而市场上双前桥重型汽车普遍存在轮胎磨损的问题，这主要是由于双前桥转向轮转角误差大引起的。鉴于重卡具有载重量大、路况恶劣的特点，双前桥转向机构在常用工况下的受力也高达上万牛，而该机构中的拉杆零件通常也长达几米。因此，双前桥转向机构在转向过程中势必会发生较大受力变形，该变形对产生轮胎磨损的重要因素转向轮转角误差的影响不容忽视 [1][2][3] 。本文针对某重卡轮胎磨损和转向机构发生干涉以及零件弯曲变形问题，进行了HyperWorks软件在该机构中的优化应用，并取得较好的优化效果。

美国澳汰尔公司的HyperWorks系列产品是一套集CAE分析和优化的软件平台，包括：前处理软件HyperMesh、后处理可视化环境HyperView、结构优化工具OptiStruct、多体动力学分析软件MotionView、板料成形分析工具HyperForm、CAE环境下实验设计、优化及随机分析工具HyperStudy等。本文将使用到MotionView、HyperMesh以及OptiStruct模块。

1 问题与建模

根据文献4和文献5方法，在多体动力学软件MotionView中分别建立了该转向机构多刚体动力学模型和多柔性体动力学模型。其中多柔性体模型将表1所列的转向机构关键零件处理成了柔性体模态中性文件，考虑了机构零件变形的影响，而多刚体模型未考虑零件变形的影响。图1是某8*4重卡转向机构结构示意图和MotionView建立的多体动力学模型，图2是该重卡转向机构发生轮胎与转向机构干涉和杆件弯曲问题图片。

相关资料表明车辆原地转向时转向阻力矩远远大于行驶中阻力矩，因此本文采用满载原地转向工况作为转向系统分析对比工况[5]。由于轮胎原地转向阻力矩影响因素较多，也不具备实车测量条件，本文采用了文献6精度较高经验公式（1）和参数推荐值来计算阻力矩值，并将其施加在仿真模型中轮胎与地面接地点。这样虽然会造成仿真工况与实车工况无法完全一致，但由于该类型机构仿真手段成熟，机构也并不复杂，后续所得的研究结论仍具有较好的可信度。

式中：M为轮胎转向阻力矩（N.mm）；F为垂直轴荷（N）；a为车轮转角（O）； P为轮胎气压（MPa）；μ为路面摩擦系数；a、b和C为拟合参数。

图3是该转向机构的轮胎转角在相同的载荷工况下，由多刚体模型仿真结果和多柔性体模型仿真结果的差值所得出的轮胎转角误差曲线，以此判断机构变形对轮胎转角的影响。由图3可知机构变形可使轮胎转角最大相差是：一桥右轮5.47度，最小相差是：一桥左轮2.57度，这会带来较大的轮胎磨损风险。考虑到用户普遍会超载和更恶劣的路况条件，实际情况下转向机构变形造成的转角误差不容忽视，机构变形较大也易出现转向杆系的损坏现象，图2的转向机构杆件变形照片也印证了该结论。

从表1该转向机构各零件最大变形和所占比例的仿真结果可知：3、7和11零件变形对双前桥转向机构变形贡献较大。因此本文重点针对这些零件进行结构优化，以解决重卡轮胎磨损和杆系损坏问题。

2 转向机构优化

2.1 优化定义

针对零件结构优化方法主要有拓扑优化、形状优化、尺寸优化以及形貌优化这四种，图4是优化方法在双前桥转向机构结构优化中的定义及部分结果。其中油缸支座采用的拓扑优化算法进行零件减重，转向拉杆和转向直拉杆优化的变量分别是内径、外径以及弯角半径。

2.2 优化结果

图5和表2是转向机构采用OptiStruct进行结构优化前后的对比情况。由于原方案存在机构变形大，杆系损坏的问题，且该车处于设计冻结阶段，造成零件的优化空间和尺寸变量有较大的限制。因此表2中的部件，如摇臂支座在实现性能提高的同时，可实现减重；而变形较大的杆件为了加强刚度和应力性能而增重，若在产品研发前期，采用该优化方法可得到更佳设计。其中一桥直拉杆与轮胎的最小间隙从45mm增大到58mm，可增大零件间隙防止干涉情况发生。

2.3 试验验证

表3是优化前后仿真和多次实车测试结果的平均值对比，由结果可知：

（1）优化方案可明显改善一二桥轮胎转角误差；
（2）优化之后的转向部件在提高强度、减小零件变形要求下，实现了重量最轻。

3 结束语

针对某重卡双前桥转向机构柔性变形大，造成轮胎磨损的问题。本文建立了该转向机构的多体动力学仿真分析模型，从机构变形角度系统全面的分析柔性变形对前后轮转角误差的影响，并进行了转向机构的结构优化。通过仿真和试验结果证明：应用HyperWorks优化效果明显，对解决由双前桥甚至多轴转向机构所带来的轮胎磨损问题具有较好的工程意义。

参考文献
[1] 古玉峰,方宗德,沈云波.重卡双前桥转向摇臂机构的优化设计[J].中国机械工程, 2009(8).
[2] Gerald Miller, Robert Reed, Fred Wheeler. Optimum Ackerman for Improved Steering Axle Tire Wear on Trucks. SAE paper 912693, 1991: 572-578
[3] He Yusheng, Xiong Tingchao. Design and Analysis of Multi-axle Steering System of Heavy Duty Vehicle. SAE paer 931919, 1993: 160-166
[4] 程小虎.双前桥重型汽车转向系优化与钢板弹簧有限元分析.合肥工业大学硕士学位论文，2009.
[5] 温圣灼.重型商用车双前桥转向系统设计与研究. 吉林大学硕士学位论文，2007.
[6] 王云超、高秀华、张小江.重型多轴转向车辆轮胎原地转向阻力矩[J].农业工程学报, 2010,,26(10):146-150.