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本科畢業(yè)論文（設(shè)計）
開 題 報 告
論文題目
某貨車雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計
班 級
姓 名
院（系）
導(dǎo) 師
開題時間
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1．課題研究的目的和意義
隨著汽車運輸業(yè)的發(fā)展，人們對重型載貨汽車的功率、承載能力提出了更高的要求。近年來，重型載貨車的噸位逐漸增大，車輛的載貨量不斷增多，出現(xiàn)了一系列大型、重型載貨車輛車型[1]。人們期望一種載貨能力強，對路面破壞小的重型汽車。而這是難以通過單純地增加單個軸的承載能力，降低整車質(zhì)量來實現(xiàn)的。為此，在汽車設(shè)計上需要通過增加汽車的軸數(shù)來適應(yīng)大噸位汽車的需求，于是出現(xiàn)了三軸甚至更多軸的車型[2-3]。
多軸汽車為滿足整車轉(zhuǎn)向性能要求，往往采用兩軸或多軸轉(zhuǎn)向。在重型汽車領(lǐng)域，雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種較新型的機構(gòu)，它不僅要保證左右轉(zhuǎn)向輪間傳動關(guān)系的梯形傳動機構(gòu)，還要使不同的轉(zhuǎn)向橋之間也要滿足一定的傳動關(guān)系，而這一關(guān)系需要轉(zhuǎn)向傳動縱向機構(gòu)來保證[4]。雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車載貨量大，轉(zhuǎn)向穩(wěn)定，轉(zhuǎn)向阻力小，并且轉(zhuǎn)向半徑小。另外具備承載能力強、經(jīng)濟效益好、安全性高等特性。但是，在雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運用越來越多的時候，卻也帶來一些比較典型的故障，該故障主要表現(xiàn)在雙前橋的轉(zhuǎn)向橋尤其是轉(zhuǎn)向中橋的異常磨損問題上[5-7]。
汽車輪胎價格約占汽車總價格的15%-20%，耗損費用又占運輸成本的10%-20%,占全車維修費用的30%-50%。另外輪胎磨損除會直接增加汽車的使用成本外，還會影響汽車的功率消耗、輪胎與路面間的附著性能等[8]。
本課題研究的目的是按照優(yōu)化的要求，分析重型汽車雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，利用計算機設(shè)計軟件對某貨車雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行性能優(yōu)化，并對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的一些參數(shù)進行修正，匹配合適的轉(zhuǎn)向傳動方案，以達到盡量減小輪胎異常磨損的目的。對汽車雙前橋轉(zhuǎn)向研究的意義不僅在于為我國重型載貨汽車的自主研發(fā)提供理論基礎(chǔ)，同時也能為各類多軸拖車、掛車，以及軍用運輸車的設(shè)計提供參考。
2．國內(nèi)外雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
2. 1 雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國外研究狀況
早在上世紀80年代，國外就對重型汽車雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了研究探索，提出了多種行之有效的設(shè)計方法。早期的設(shè)計方法以平面攝影設(shè)計方法為主，因為缺乏直接在空間中建立機構(gòu)的運動方程的數(shù)學理論，所以通常將空間問題轉(zhuǎn)化為平面問題來解決，把轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)看作是一個簡單的四連桿機構(gòu)，建立數(shù)學模型，通過以梯形底角、梯形臂長為參數(shù)，計算出一組數(shù)據(jù)，選擇與阿克曼曲線最接近的一組值作為設(shè)計值[9]。
眾多的研究方法認為：對于雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)，可以將整個系統(tǒng)拆分成幾個獨立的小系統(tǒng)進行分析和研究，即兩前橋之間的運動協(xié)調(diào)關(guān)系通過搖臂機構(gòu)來保證，每一個轉(zhuǎn)向橋均可由一個轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)來保證左右轉(zhuǎn)向輪按轉(zhuǎn)向規(guī)律偏轉(zhuǎn)。通常研究人員認為，梯形轉(zhuǎn)向機構(gòu)是無須進行優(yōu)化的，左右車輪的關(guān)系完全可由獨立的梯形機構(gòu)來實現(xiàn)，主要影響雙前橋轉(zhuǎn)向特性的是搖臂機構(gòu)，因此，大多數(shù)雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)的研究將搖臂機構(gòu)作為優(yōu)化設(shè)計研究的重點，并根據(jù)優(yōu)化理論編寫了許多有效的計算軟件。
隨著計算機性能的不斷提高，出現(xiàn)了許多用于工程計算的專用軟件，為工程技術(shù)人員的研究工作帶來了方便，減少了工程開發(fā)中自己編程的麻煩，同時也使得許多優(yōu)秀的數(shù)學理論得到了推廣應(yīng)用。在眾多計算軟件中，MATLAB軟件應(yīng)用比較廣泛。
2. 2 雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)國內(nèi)研究狀況
我國第一輛雙前橋轉(zhuǎn)向汽車是由一汽汽車技術(shù)中心于1998年開發(fā)，它主要是依據(jù)日本同類車型開發(fā)研制出來。由于很多用戶用慣了2軸或3軸車，人們對這種雙前橋轉(zhuǎn)向汽車心里沒底，不知道是否可靠，因此銷量一般。2005年，中國重汽濟南商用車公司成功研制出雙轉(zhuǎn)向前橋6×2重型牽引車。此車型比6×4車型多一根轉(zhuǎn)向橋，少一根驅(qū)動橋。但是由于轉(zhuǎn)向橋的價格遠遠低于驅(qū)動橋，使得雙轉(zhuǎn)向前橋6×2重型牽引車在承載能力與6×4車型基本相同的情況下，整車價格大大降低。近年來雙前橋重型車的市場前景非常好[10]，我國其它的一些商用車公司也紛紛向市場投放雙前橋重型汽車[11-12]。
隨著雙前橋載重汽車在市場上的比例不斷擴大，對雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方面的研究工作也越來越引起國內(nèi)相關(guān)設(shè)計開發(fā)人員的關(guān)注，同時各個大專院校和整車的生產(chǎn)廠對雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提出了很多優(yōu)化設(shè)計方法和相應(yīng)的理論。湖南大學唐應(yīng)時副教授及學生，同時運用Adams、MATLAB、及C++建立雙前橋系統(tǒng)的數(shù)學模型，并對系統(tǒng)進行了優(yōu)化。吉林大學郭孔輝教授運用空間坐標轉(zhuǎn)換公式，編寫轉(zhuǎn)角關(guān)系程序?qū)η蠼庹囖D(zhuǎn)彎過程中回轉(zhuǎn)直徑及回轉(zhuǎn)中心相對于后軸的前置距。合肥工業(yè)大學張代勝教授及學生運用虛擬樣機技術(shù)對雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)心的三大問題——運動學、動力學及干涉進行了分析，對轉(zhuǎn)向的剛度和強度進行了分析。
但是，早期的研究大多數(shù)將前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)拆分成幾個小系統(tǒng)來考慮，把搖臂機構(gòu)作為優(yōu)化設(shè)計的重點，或者把前橋的轉(zhuǎn)向梯形簡化為平面結(jié)構(gòu)，這些方法雖然可以使計算方法大大化簡，但也是計算精度受到了較大的影響，導(dǎo)致計算結(jié)果與實際偏差較大。并且許多研究采用了數(shù)學模型進行分析，數(shù)學模型復(fù)雜且出現(xiàn)的錯誤不易發(fā)現(xiàn)。另外，在優(yōu)化過程中都是基于同一個轉(zhuǎn)向定位系統(tǒng)的影響，僅僅考慮傳動桿的優(yōu)化不符合雙前橋轉(zhuǎn)向的現(xiàn)狀。
3. 本課題的研究內(nèi)容及技術(shù)方案
3. 1 研究目標
本課題研究擬達到以下幾個目標：
1）分析各種轉(zhuǎn)向機構(gòu)的優(yōu)缺點，針對一種特定的雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模型，對其進行分析。
2）在原有的技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，分析雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各個傳動機構(gòu)的功能機技術(shù)參數(shù)特點，分析其各種不同結(jié)構(gòu)的利弊，在原有結(jié)構(gòu)前提下，確定一套異常磨損最小的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
3）運用分析軟件對雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)進行優(yōu)化，得到最優(yōu)的雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。
3. 2 關(guān)鍵問題
雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計主要解決一下幾個關(guān)鍵的技術(shù)難題：
1） 雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型的建立；
2） 確立雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化目標；
3） 雙前橋各個轉(zhuǎn)向連接件的優(yōu)化區(qū)間的確定；
4） 對各個傳遞組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，得到優(yōu)化后的技術(shù)參數(shù)。
3. 3 研究內(nèi)容
對于本次論文研究的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，首先建立空間三維的模型。通過空間模型約束的設(shè)置來準確的描述轉(zhuǎn)向梯形以及轉(zhuǎn)向拉桿傳遞機構(gòu)的各個鉸接點的實際運動方式，進而可以較準確的描述每一個車輪的轉(zhuǎn)角，并通過優(yōu)化，可以使車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系更加接近理想轉(zhuǎn)角關(guān)系，使車輪的橫向滑移盡可能的小，以減少輪胎的磨損?？偠灾饕ㄒ韵聨讉€方面的內(nèi)容：
1） 雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)影響分析；
2） 雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動路線的布置分析；
3） 分析雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的桿系參數(shù)對磨損的影響；
4） 對雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的參數(shù)及結(jié)構(gòu)進行建模優(yōu)化。
4. 本設(shè)計的特色
本課題針對重型汽車具體結(jié)構(gòu)，借鑒前人的經(jīng)驗對汽車雙前橋轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行研究，建立重型汽車雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的整體空間數(shù)學模型——轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)和縱向搖臂機構(gòu)的統(tǒng)一空間數(shù)學模型，然后運用MATLAB語言工具編寫優(yōu)化程序?qū)ζ溥M行機構(gòu)優(yōu)化。這樣，相對前人的研究其優(yōu)點很明顯，可以消除由于將轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)和縱向搖臂機構(gòu)分開采用不同方法建模而產(chǎn)生的匹配誤差，達到更精確更合理更真實的效果，為下一步的 ADAMS 建模仿真分析做準備。另外，采用建模的方法可以完全參數(shù)化設(shè)計，模型運用靈活性強。研究機構(gòu)中的任何一個部件、作用力、受力點、點的坐標都可以用參數(shù)表示，當機械結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時，只需更改相關(guān)的參數(shù)就可以獲取需要的結(jié)果。
5. 進度安排
第1~3周：查閱相關(guān)資料，熟悉軟件，撰寫開題報告；
第4~6周：確定雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總成部件的基本數(shù)據(jù)；
第7~10周：建立雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學模型并進行優(yōu)化設(shè)計；
第11~16周：對雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計；
第17周：撰寫畢業(yè)設(shè)計論文；
第18周：復(fù)查設(shè)計內(nèi)容，準備答辯。
6. 參考文獻
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