多轴车辆转向杆系刚柔耦合分析

机械设计与制造　２０２　文章编号：１００１—３９９７（２０１１）１１－０２０２—０３　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　第１１期　２０１１年１１月　多轴车辆转向杆系刚柔耦合分析　术　王超高秀华张小江王欢　（吉林大学机械与科学工程学院，长春１３００２５）　Ｒｉｇｉｄ－ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ－ａｘｌｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ＷＡＮＧ　Ｃｈａｏ，ＧＡＯ　Ｘｉｕ－ｈｕａ，ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｊｉａｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｈｕａｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１　３００２５，Ｃｈｉｎａ）　【摘要】某采用机械式液压转向的多轴转向车辆，经常出现转向杆系损坏现象，为分析转向杆系　损坏原因，进一步提高系统的可靠性，需要对其转向杆系进行结构动力分析。通过采用刚柔耦合分析方　法，在ＡＤＡＭＳ中建立了多轴转向系统传真模型，并将杆系主要刚性杆件替换为柔性体，通过刚柔耦合　仿真分析得到转向杆系在转向时的应力分布云图，从而为设计改进提供帮助。　关键词：多轴转向；转向杆系；刚柔耦合分析　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ａ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ－ａｘｌｅ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｖｅｈｉｃｌｅ，ｗｈｉｃｈ　ａｄｏｐｔｓ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，　ｏｆｔｅｎ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ　ｄａｍａｇｅ　ｏｆｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｔｉｅ　ｒｏｄｓ．Ｔｏ　ｎｄ　ｔｈｅ　ｄａｍａｇｅ　ｒｅａｓｏｎ，ｉｔ　ｉｓ　ｒｅｑｕｉｒｅｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃ—　ｔｕｒａｌ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｏｆ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｔｉｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ　ａ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｔｉｅ　Ｗａｓ　ｂｕｉｌｔ　ｂｙ　ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｒｉｇｉｄ－　ｌｅｘｉｆｂｌｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｎ　ＡＤＡＭＳ，ａｎｄ　ｉｔｓ　ｒｉｇｉｄ　ｍｅｍｂｅｒ　ｗａｓ　ｒｅｐｌａｃｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｂｏｄｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｒｉｉｄ－Ｆｌｇｅｘｉｂｌｅ　Ｃｏｕｐｌｉｎｇ　Ａ　ｎａｌｙｓｉｓ，ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｃｌｏｕｄ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　Ｓｔｅｅｒｉｎｇ　Ｌｉｎｋａｇｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ，　ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｍｕｔｉ－ａｘｌｅ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ；Ｓｔｅｅｒｉｎｇ　ｔｉｅ　ｒｏｄｓ；Ｒｉｇｉｄ－ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ａｎａｌｙｓｉｓ　中图分类号：ＴＨ１６，Ｕ４６３．４文献标识码：Ａ　１引言　近代随着国家基础设施的的建设，大吨位的重型车辆不断　为使转向机构仿真更加准确，在建立了包括液压系统、悬架　和转向杆系的整车虚拟样机模型基础之上，将ＡＮＳＹＳ与　ＡＤＡＭＳ软件结合使用，引进柔ｌ生转向杆件，精确模拟转向机构的　运动，对转向杆系进行结构动力分析，为提高车辆的操纵稳定性　及减少轮胎的磨损提供设计依据。和传统的设计方法相比，这种　方法提高了精度和效率。对其它多轴车辆转向机构的优化设计也　有一定的参考价值。　出现，为了满足车辆行驶性能要求，重型车辆大多采用多轴转向　技术。全轮转向和多轴动态转向技术在提高重型车辆高速操纵稳　定性和低速机动灵活性方面具有显著的功效。多轴转向车辆转向　机构是车辆转向实现内、外轮理想转角关系的核心部件。通常根　据汽车车轮转向特性，利用阿克曼定理，应用ＡＤＡＭＳ软件建立　多轴转向车辆转向机构的仿真模型，对转向机构进行仿真分析。　重载化、高速化方向发展，构件的柔性加大，慢性力急剧增大，构　２多轴转向机构的虚拟样机模型建立　ＡＤＡＭＳ是全球运用最为广泛的机械系统仿真软件，用户可　传统的仿真分析，转向各杆件常被假定为刚性体，但随着机械向　２．１虚拟样机多刚体系统动力学　件的弹性变形会给多轴转向控制带来误差，影响车辆操纵的稳定　以利用ＡＤＡＭＳ在计算机上建立和测试虚拟样机，实现事实再现　性，并加剧了轮胎的磨损。　－仿真，了解复杂机械系统设计的运动性能。其采用拉格朗日乘子　ｋ来稿日期：２０１１－０ｌ一０４★基金项目：江苏省科技成果转化专项资金项目一大型移动式起重机研发与产业化（ＢＡ２００７０３８）　５结论　［２］冯丙波，王栓虎，丁旺．基于ＡＮＳＹＳ的高速冲床曲轴热分析［Ｊ］．煤矿机　械，２０１０，３１（７）：７７—７９．　（１）在ＡＮｓＹＳ厂ｒｈｅｒｒｎａｌ模块中对高速冲床曲轴进行温度场分　［３］Ｂｏｗｄｅｎ　ＦＰ，ＴａｂｏｒＤ，等．固体的摩擦与润滑［Ｍ］．北京：机械工业出版　析，利用热分析求解器计算得到整机温度场分布，并把结果导入结　社．１９８２．　４］马丙辉，卢泽生．基于电主轴的高速轴承及其热分析［Ｊ］．机械设计与制　构分析求解热变形，为高速精密数控冲床的精度保证提供理论支　［持。（２）通过单独曲轴系统和导轨系统对整机热变形的分析，可以看　出导轨的发热对加工精度的影响要大，同时整机的最大热变形虽不　在上滑块处，但是由热变形引起的加工误差也是不容忽视的。　造，２００８，（１１）：１－３．　［５］王延忠，闫涵，周元子，等．龙门加工中心主轴系统热态特性分析［Ｊ３．机　床与液压，２００８，（５）：１６—１８．　［６］陈兆年，陈子辰．机床热态特性学基础［Ｍ］．北京：机械工业出版社，　１９８９．　参考文献　［１］Ｐｅｋｌｅｎｉｋ　Ｊ，Ｊｅｒｅｌｅ　Ａ．Ｓｏｍｅ　ｂａｓｉｃ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ　ｆｏｒ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　［７］张国智，胡仁喜，陈继刚，等．ＡＮＳＹＳ１０．０热力学有限元分析实例指导　教程［ＭＩ．北京：机械工业出版社，２００７．　ｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．Ａｎｎａｌｓ　０ｆｔｈｅＣＩＲＰ，１９９２，４１（１）．　第１１期　法建立了多刚体系统动力学方程：　王超等：多轴车辆转向杆系刚柔耦合分析　２０３　几何信息（结点位置及其连接）；界面点（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｐｏｉｎｔ）；　结点质量和转动惯量；模态；模态质量和模态刚度。　［　］　一［等］　＋　＋　Ｑ　完整束方程ｄｐ（ｑ，　）＝０　３．２刚柔耦合分析的基本流程　刚柔耦合分析的基本流程，如图２所示。首先在Ｐｒｏ／Ｅ中进行　三维实体建模，并把各部件通过ｓｔｐ格式输出，应用ＡＤＡＭＳ／　非完整束方程Ｏ（ｑ，ｑ，￡）＝０　式中：卜系统能量；ｇ一系统广义坐标列阵；Ｑ＿＿广义力列阵；Ｊ口一　Ｅｘｃｈａｎｇｅ接Ｈ将几何模型导入ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ进行装配，并定义各　对应于完整约束的拉氏乘子列阵；　一对应于非完整约束的　约束及运动副，建立重型车辆转向系统ＡＤＡＭＳ仿真模型。然后对　拉氏乘子列阵。　为了求解式（１），把其写成更一般的形式：　ｆ１　Ｆ（ｑ，ｕ，Ｍ，Ａ，ｔ）＝０　．　１　ＩＧ（　，　）：ｕ　＝０　ｋ２）　咖（ｇ，￡）＝０　式中：　，　—广义速度列阵；Ａ一约束反力及作用力列阵；　描述　约束的代数方程列阵。　如定义系统的状态矢量ｙ＝［ｑｒ．　Ｔ．Ａ　］　，式（２）可写成单一　矩阵方程：ｇ（ｙ，Ｙ，ｔ）＝０　（３）　在进行动力学分析时，ＡＤＡＭＳ采用两种算法：　（１）提供三种功能强大的变阶、变步长积分求解程序：ＧＳ—　ＴＩＦＦ积分器，ＤＳＴＩＦＦ积分器和ＢＤＦ积分器来求解稀疏耦合的非　线性微分代数方程，这种方法适于模拟特征值变化范围大的刚性　系统。　（２）提供ＡＢＡＭ积分求解程序，采用坐标分离算法来求解独　立坐标的微分方程，这种方法适于模拟特征值经历突变的系统或　高频系统。　２．２多轴转向系统虚拟样机模型　某五轴转向的大型工程车辆虚拟样机模型，如图１所示。模　型包括转向拉杆系统、液压助力系统、传动系统、油气悬挂系统、　轮胎和路面等。该车前三轴转向由转向杆系控制转向姿态，后两　轴转向为ＰＩＤ控制。　图１某五轴转向工程车辆虚拟样机模型　整个模型由１７５个部件组成，这些部件通过１６圆柱副、４９个　转动副、６６个球铰副、８个移动副、４５个固定副、４４个万向节副、１７　个耦合副、４个齿轮副和４个运动驱动。整个系统自由度为８２。　３刚柔耦合建模　３．１　ＡＤＡＭＳ／Ｆｌｅｘ中的柔性体　ＡＤＡＭＳ／Ｆｌｅｘ是采用模态柔性来表示弹性体的。其基本思　想是赋予柔性体一模态集，采用模态展开法，用模态向量和模态　坐标的线性组合来表示弹性位移，通过计算每一时刻物体的弹　性位移来描述其变形运动。　ＡＤＡＭＳ／Ｆ１ｅｘ中的柔性体可采用模态中性文件（ＭＮＦ）来描　述，该文件是一个独立于操作平台的二进制文件，包含有柔性体　的以下信息：　需要柔性化的部件模型通过ＡＮＳＹＳ进行网格划分，生成模态中性　文件ＭＮＦ。最后在ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ中进行刚柔替换处理。　　ｌ——　ｈ　Ｈ刚柔替换卜＇１仿真分析ｌ　匾　Ｈ藉　ＨＡ　辩　图２刚柔耦合分析流程图　３．３柔体部件的建立　大型工程车辆转向系统中转向拉杆直径较小，容易产生弹　性变形，故需要对其进行柔性化处理。在处理过程中考虑到球头　对杆件柔性影响不大，对其进行了简化处理。　柔性部件建立主要过程为：　（１）在ＡＮＳＹＳ里通过与Ｐｒｏ／ｅ的接口导入实体模型，也可以　通过ＡＮＳＹＳ建立实体模型。　（２）选择单元类型单元类型的选择是十分重要的环节，因　为它在很大程度上影响分析的速度和精度。三维实体建模须用实　体单元划分，考虑到仿真时间，选择运算速度比较快的ＳＯＬＩＤ４５　单元，另外选择ＭＡＳＳ２１单元做为关键点的划分单元。　（３）定义材料属性、弹胜模量和泊松比选取材料为４５＃钢（优　质碳素结构钢），弹性模量通常选取Ｅ＝２１０ＧＰａ，泊松比为　．３．　（４）定义密度４５＃钢的密度为ｐ＝７８００ｋｇ／ｍ　。　（５）建立有限元网格柔性体中除界面点外的其他部分可采　用常用的建模方法建立有限元模型。在定义界面点时应注意几何　位置精确，用ＭＡＳＳ２１划分其网格。此外，建立的Ｋｅｙｐｏｉｎｔｓ编号　不能与模型单元节点号重合，划分完网格后需要在对应于界面点　的杆件上建立刚性区域。然后运行ＡＤＡＭＳ宏命令，进行单位转　换：／ＵＮＩＴＳ，ＵＳＥＲ，１０００，选取建立的两个界面点：ＮＳＥＬ，Ｓ…　ＸＸＸ，ＸＸＸ，生成柔性体：ＡＤＡＭＳ，２０，就可以得到柔性体的ＭＮＦ　文件。　在ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ中通过Ｒｉｇｉｄ　ｔｏ　Ｆｌｅｘ方法导人柔性体。采用　了Ａｌｉｇｎ　Ｆｌｅｘ　Ｂｏｄ　ＣＭ　ｏｆ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｐａｒｔ方法进行装配替换。　４刚柔耦合仿真及结果分析　４．１刚柔耦合仿真　图３某时间转向杆系应力分布云图　Ｎｏ．１１　２０４　机械设计与制造　ＮＯＶ．２０１　１　通过刚柔耦合仿真分析，可以得到转向杆系在任意姿态下　的应力应变，转向杆系在某一时刻的应力分布云图，如图３所示。　从网中可以看出，转向拉杆连接处应力分布较大，因而需要在设　计时重点考虑。　暮∞２０　＿ｌ　ｒ１　踯　阳：３∞　∞　∞　如　４．２转向杆系受力分析　对液压助推缸施加驱动力，通过仿真分析得到重型车辆在　原地转向时转向杆系的受力情况，通过与原刚性杆系受力分析对　巧如巧ｍ∞∞＝金∞踮∞　加　∞　如　∞　比，如图４～图９所示。　＼　１．　、　、　＼　、、　４　Ｔｉｍｅ／ｓ　图４第一杆受力变化曲线图　Ｔｉｍｅ／ｓ　图５第二杆受力变化曲线图　Ｔｉｍｅ／ｓ　图６第三杆受力变化曲线图　Ｔｉｍｅ／ｓ　图７第四杆受力变化曲线图　图８第五杆受力变化曲线图　图９第六杆受力变化曲线图　从图中可以看出杆件受力较／Ｊ，Ｈ？，柔性杆件和刚性杆件受　力差别比较明显，这是由于杆件的弹性变形所引起的。第一、二杆　受力较小，后四杆受力均比较大。　这是由于该车型多轴转向方式采用的是液压助力转向方　式，由液压缸推动梯形杆控制转向，而方向盘不对杆件施加驱动　力，因而连接方向盘的拉杆受力较小。　５结论　刚柔耦合分析技术能够将有限元与多体动力学技术相结　合，不仅能够求解机构的运动学、动力学的性能参数，而且能够为　结构设计提供结构．１生能分析，更能为之后的耐久．『生分析提供载荷　预测数据。　采用刚柔耦合分析方法针对重型车辆转向杆系进行分析，　得出转向杆系应力分布云图，通过对刚性杆件和柔性杆件应力对　比分析，可以看出柔性杆件比刚性更能准确的反映实际，对改进　产品结构性能有较大的指导意义。　参考文献　［１］王云超，等．多轴转向车辆转向杆系的受力分析［Ｊ］．计算机仿真，２００９，２６　（１２）：２３９—２４３．　［２］刘梅．重载车辆两轴连杆转向机构的刚柔耦合分析与仿真［Ｄ］．西安：　西安理工大学，２００９．　［３］冯毫，等．基于ＡＤＡＭＳ刚柔耦合的挖掘机工作装置仿真分析［Ａ］．第　四届中国ＣＡＥ工程分析技术年会论文集［ｃ］，２００８．　［４］李军，等．ＡＤＡＭＳ实例教程［Ｍ］　Ｅ京：北京理工大学出版社，２００２（７）．　［５］刘从华，等．多轴转向车辆转向机构优化设计［Ｊ］农业工程学报，２００７，２３　（９）：８１—８５．　［６］刘从华．全路面起重机转向系统的仿真优化［Ｄ］长春：吉林大学，２００６．　［７］张永德，等．基于ＡＮＳＹＳ与ＡＤＡＭＳ的柔性体联合仿真［Ｊ］．系统仿真　学报，２００８，２０（１７）：４５０１—４５０４．