摘 要

汽车作为当今社会使用最普遍的交通工具之一，随着科技的发展，人们对汽车整体性能的要求越来越高。汽车的转向性能是影响整车性能的一个非常重要的因素，人们在提升汽车转向系统性能方面做了大量研究。在设计转向系统时，转向传动机构的设计又会直接影响汽车的转向性能。故本文以某型号的微型货车为研究对象，首先运用ADAMS软件建立了转向梯形的简化四杆机构模型，通过施加约束和作用力矩对整体式转向梯形机构的运动特性进行分析，随后运用CATIA软件建立转向传动机构的简化装配模型，并运用ANSYS软件对所建立的个别零件模型进行强度校核。最后以Ackerman转向理论作为理论基础，建立了转向梯形优化的数学模型，利用MATLAB软件编写目标函数程序文件，调用优化工具箱中的Lsqnonlin函数求解目标函数的最小值。通过改变输入的梯形臂长和底角，得到不同初始值下的最佳梯形臂长和底角，通过比较，最终确定符合设计要求的梯形臂长和底角，达到转向梯形机构优化设计的目的。

关键词：转向梯形、优化设计、MATLAB

Abstract

As one of the most common vehicles, the requirements for the automobile overall performance is increasingly high with the development of technology. The steering performance is an important factor affecting the automobile overall performance, people have done a lot of research on improving the performance of the vehicle steering system. When designing the steering system, the design of the steering linkage will directly affect the steering performance of the vehicle. This paper studies a mini-truck of one type by four main steps. Firstly, it builds the simplified four-link mechanism model of steering trapezium by the ADAMS software and then analyzes the kinetic characteristics of the unitary steering trapezium mechanism. Next, it builds the simplified assembly model of four-link mechanism by CATIA software and checks the strength of several part models by ASNYS software. Finally, based on the Ackerman steering theory, this paper builds an optimized mathematical model of steering trapezium, writes objective function program by MATLAB software and uses the Lsqnonlin function in optimization toolbox to get the minimum of the objective function. It gets the best brachium and base angle of trapezium with different initial values by the change of inputs. By comparison, the brachium and base angle of trapezium matched the design requirement is determined to achieve the design-optimization goal.

Keywords：Steering Trapezium, Optimal Design, MATLAB

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 3

1.3 本文主要研究内容及技术方案 5

1.4 本章小结 5

第2章 转向梯形机构原理与优化方法 7

2.1 转向传动机构简介 7

2.2 转向梯形优化原理及方法 8

2.3 本章小结 9

第3章 整体式转向传动机构的运动分析 10

3.1 转向梯形机构的自由度分析 10

3.2 基于ADAMS的运动仿真分析 10

3.3 本章小结 14

第4章 转向梯形机构三维模型的建立与强度分析 15

4.1 基于CATIA的三维模型建立 15

4.2 基于ANSYS的零件强度分析 16

4.3 本章小结 17

第5章 转向传动机构数学模型的建立 19

5.1 设计变量 19

5.2 目标函数 19

5.3 约束条件 20

5.4 本章小结 21

第6章 基于MATLAB的优化设计 22

6.1 确定参数及优化方法 22

6.2 优化求解与分析 24

6.3结果分析与确定 25

6.4 本章小结 28

第7章 总结与展望 29

参考文献 30

附 录 31

附A1 目标函数程序 31

附A2 调用程序 31

附A3 绘图程序 32

致 谢 34

第1章 绪论

1.1 选题意义

当今社会中，汽车作为重要的交通工具之一，其应用最为广泛，汽车又因为方便快捷，经济性强的特性而深受大众喜爱。随着社会经济水平的提高，越来越多的家庭开始拥有汽车，与此同时，人们对于汽车性能的要求也越来越高，其中汽车的转向性能就是大众所关注的一个重要性能指标。在汽车的使用过程中，转向运动是非常常见的一种运动形式，它是依靠转向系统来完成的。汽车的转向系统由转向器、转向操纵机构和转向传动机构组成，转向传动机构的作用就是将由转向器输出的力和运动传递到转向桥两侧的转向节上，使两侧转向轮发生偏转并且满足一定的偏转角变化关系。从而使汽车在转向时车轮与地面的相对滑动尽可能小，同时保证汽车能按驾驶员的意志进行转向。

在汽车刚刚诞生之初，所采用的转向操纵是仿照自行车和马车的转向方式，即是用手柄或一个操纵杆直接使前轮偏转。随着科技的飞速发展，汽车的行驶速度不断提高，这种原始的操纵方式由于需耗费大量的体力且工作不可靠而被慢慢淘汰。为了能给驾驶人员提供一种既节省体力又可以是转向精确的转向传动机构，人们开始对汽车的转向传动机构展开研究。德国人林肯斯潘杰（LenKen Sperger）于1817年发明了一种能使汽车前轮实现独立偏转的梯形机构，这就是转向梯形机构。1818年，他又将该项专利权转让给了阿克曼(Rudolph Ackerman)，故现在人们常将转向梯形的特性关系式称为阿克曼公式。从林肯斯潘杰发明现代转向梯形机构以来，人们一直都在对汽车转向传动机构进行不断地研究和探索，也取得了很多行之有效的设计和优化方法。但在研究初期，人们因为缺乏直接在空间中建立机构运动方程的数学理论，所以人们通常选择平面投影的方法对转向梯形进行优化，从而将空间问题转化为平面问题来考虑。根据阿克曼（Ackerman）转向理论，所有车轮均需绕同一瞬时旋转中心滚动，以保证所有转向轮均能实现纯滚动，减少轮胎磨损，如图1.1所示。但在实际设计中，要通过转向传动机构保证车轮在每一个转向角度都能绕同一个瞬时转动中心转动是无法实现的，所以通常选择经验公式进行设计。故研究一种切实可行的优化设计方法使转向传动机构能够尽可能满足阿克曼转向理论，对减小汽车轮胎磨损，提高转向性能有重要意义。