韩国旭，孟广耀，李雪莱

 （青岛理工大学机械工程学院，山东  青岛  266033）

摘要：针对交叉变轮距车辆底盘，基于阿克曼转向原理，提出一种机械式可变特性转向系统；应用UG建立底盘转向系统模型，分析车辆变轮距条件下的转向需求，建立转向单元的可变特性；并进行转向稳定性仿真分析，验证转向系统与交叉变轮距底盘的协调性。分析表明：在该型转向系统操纵下转向轮滑移率符合设计标准的要求，转向机构设计思路正确，为转向系统结构参数优化提供了保证。

关键词：转向系统；运动仿真；UG;动态分析

中图分类号：TP391.9：U463.4 

1  交叉变轮距底盘机械转向系统实现

 在车辆行驶过程中，转向系统要使车轮在转向时不发生滑动，理论上各车轮必须围绕同一个中心点滚动，即转向轮偏转角满足阿克曼转向原理：

 图1为阿克曼梯形转向机构原理图，通过利用两个梯形臂的转角差异来近似满足车辆转向条件，在车辆轴距l和轮距b确定的情况下，主销中心距k确定，梯形臂m、连杆n的长度和转向梯形底角y决定了车辆的转向性能。

 本文研究的转向系统，是基于一种车桥交叉布置、通过改变车桥间的夹角来改变车辆底盘轮距的专利技术而设计的转向系统。图2为交叉变轮距底盘及其前

 该转向技术核心是依据车桥交叉布置的特点，将阿克曼梯形转向机构设计为一个独立的转向单元，单独设置在一个车桥上，并通过一系列连杆机构实现车辆的转向，同时通过改变转向单元的结构参数调整其转向特性，以满足不同轮距条件下的转向要求。

根据该机构的几何关系，设置如下角度关系：

2转向单元可变特性建立

 基于UG建立机架及转向模型部件，并进行装配。在装配模型中，根据变特性转向系统设计原理，通过装配角度约束，以函数形式对转向单元机构中的y值与车桥间夹角θ值的关系定义如下：

 选定驱动桥夹角后，可以模拟出两前转向轮在转弯时角位移随时间的变化规律。同时根据公式(1)，将两前转向轮偏转角理论关系函数作对比输入，计算转向轮偏转角模拟值与理论值的偏差，得到车轮在转向时滑移率的变化规律，进而对该变特性转向单元的性能进行分析与优化设计。

3建立转向系统仿真模型

3.1  定义连杆与运动副

 分类定义模型中结构组件，并且以图层进行管理。根据各连杆间的接触与相对运动关系，设置运动副如表1所示。

3.2驱动设置与解算方案

 将底盘驱动以扭矩形式添加于旋转副(J003～J004)，转向驱动添加于旋转副(J021)。选用STEP函数输入，建立转向机构转角、位移对时间的响应关系。模拟车辆在转弯时进弯减速、出弯加速过程，后轮的驱动选用：  STEP（  time，0，-1  000，8），STEP( time,8,-600,16,-1 000)。

 定义两交叉驱动桥间夹角臼，转向特性单元将自动调整转向机构特性。本文分别取用3个整数角度

 解算方案中选择仿真时间为18 s，步长为1 000步，分析类型为运动动力学仿真。

4仿真结果与转向单元转向性能分析

 根据公式(1)，利用函数编辑器编辑车轮转角理论关系函数作为对比输入，同时记录两前轮转向架回转副(J006～J007)相对角位移，分别绘制3组仿真曲线如图3～图5所示。

 回转副J006的转角，以派生函数形式输入，对比回转副J O07转角曲线与理论转角函数曲线。同时建立旋转副角位移与理论角位移的差值函数，应用峰值探测功能，计算峰值点位置车轮产生最大侧滑时的侧滑率，结果如表2所示。

 从图3、图4、图5中可以看出，随着转向轮的转向角增大，J007的角位移与理论值的差值逐渐增大，这意味着随着转向角的增大，转向轮在转弯过程中的侧滑增加。在向左与向右转弯的过程中，转向车轮的侧向滑动变化规律有所不同，这种现象的产生与转向特性单元布置在右前驱动桥并采用中央转向驱动臂的设计原理相符合。结合表2分析，随着驱动桥夹角θ的增大，转向轮的侧滑率逐渐减小，并且，随着两驱动桥间夹角从600到800的改变，相同时刻的回转角与理论值的切合程度也在发生着变化，可以推断出在车桥夹角过大（或过小）时，该转向系统将使转向轮在转向过程中发生相对较大的侧滑，但侧滑率会稳定在一定范围内。

5结论

 基于UG建模与仿真系统结合的机构设计思路，经过对模型仿真的设计与结果分析，得到了这种机械式转向系统的基本运行参数。结合相关车辆转向机构的设计标准，进一步验证了该新型变特性机械转向机构的设计满足变轮距底盘的转向要求。同时，建立了该转向系统与底盘机构的仿真模型和各主要参数的函数关系，为该转向系统整体优化提供了参考。