整体式转向梯形优化设计

前言

汽车工业发展的关键是汽车设计的更新和提高。近几年来，随着用户对产品需求的日益多样化，汽车产品开发竞争也越来越激烈，特别是随着以计算机为代表的信息技术的出现。汽车设计方法有了新的飞跃，设计过程彻底改变，并进入一个新的阶段——计算机辅助设计阶段，计算机辅助设计可以明显提高设计效率，降低设计成本，使得设计周期大大缩短。目前，世界上发达国家的不少汽车公司已经大量采用计算机技术对汽车进行辅助设计，设计质量和设计效益有了很大的提高，加快了产品更新换代，提高了产品的竞争力，并正朝着智能型计算机辅助设计发展。而我国汽车设计长期处于传统的低效的手工设计阶段，尽管近今年来我国汽车工业发展迅速，前后引进了许多国家的先进技术和产品，形成了批量生产汽车的能力。但是在汽车设计方面，尤其是在汽车的优化设计方面还与国外存在着相当大的差距。

利用计算机进行最优化设计，是在六十年代才发展起来的一门新技术。国内在近几年才开始从事这方面的研究与应用。值得注意的是，虽然在汽车设计中采用最优化技术的历史时间很短，但其进展的速度确实十分惊人的。无论在机构综合，通用机械零部件设计方面，还是在各种专业机械和工艺装备的设计方面都由于采用了最优化技术而取得了显著成果。发展速度如此迅猛的原因，一方面是由于生产实践中有大批最优化的问题等待人们去解决，另一方面是由于计算机日益广泛的使用，为采用最优化技术提供了一个得力的计算工具。

运用计算机进行汽车最优化设计，对整个汽车设计学科产生了十分深刻的影响，使许多过去无法解决的关键性问题，获得了重大突破，可以说它正在引起机械设计领域里的一场革命。优化设计作为一种新兴的技术，尽管目前还不很成熟和完善，但正在日益广泛的受到人们的重视。

转向梯形机构是汽车转向传动机构中很关键的一部分，在汽车转向系统中为了减少轮胎磨损，减小转向力，保证汽车转向时的内、外转向轮尽可能作纯滚动，这一要求由转向梯形机构的几何性能来实现。汽车的转向梯形对于汽车的工作状况，譬如汽车的安全驾驶等诸多方面具有重要的实际意义，以前技术人员往往通过FORTRAN或VISUAL、C++等计算语言，利用复合变形法、惩罚函数法、简约梯度法等现代设计理论的方法来进行最优化设计；但苦于没有标准的子程序可以调用，技术人员往往将自己编好的程序逐条敲入计算机，然后进行调试，最后进行最优化设计，这样的程序当其中任何一条语句有了毛病，甚至调试不当（如数组维数不匹配），那可能导致错误结果的出现。为此，本文通过调用

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MATLAB中的优化工具箱（optimization toolbox）中的相关函数，只用了短短的十多行MATLAB语句就可以实现对转向梯形的最优化设计。

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目录

一、转向梯形的介绍……………………………………4

二、MATLAB………………………………………………5

三、优化设计的发展和应用概况………………………7

四、转向梯形结构方案分析……………………………10

五、选择匹配车型………………………………………13

六、整体式转向梯形机构优化设计……………………14

七、MATLAB编程…………………………………………18

设计小结…………………………………………………21

参考书目…………………………………………………22

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课程设计任务书

（一） 车辆专题课程设计的目的

车辆专题课程设计是车辆工程专业学生必修的重要实践环节。通

过本设计培养学生综合运用本专业各先修课程的理论和实际知识的能力，使之初步掌握汽车设计的一般规律和常用方法，树立正确的设计思想，提高分析和解决实际问题的能力。

通过本设计培养学生运用标准、规范、手册及查阅有关技术资料的基本技能，初步掌握建立设计模型的方法等。

（二） 设计任务、设计题目与内容

1、设计任务

就下列设计题目，在预定教学时间（2周）内完成10000字左右设计论文，设计论文格式同《机械原理》课程设计有关规定。 （二）设计题目：转向梯形机构的优化设计

（三）转向梯形机构的优化设计设计步骤

（1）阅读参考资料[2]第22章汽车转向系（PP247~261），参考资料[1]第7章转向系设计（PP219~253）。

（2）建立整体式（或断开式）转向梯形机构的优化设计数学模型，确定设计变量，目标函数，约束条件。

（3）在红旗、捷达、奇瑞等车型中选择配套参数（[6]、[7]等），选择合适的优化求解方法（[5]），求解优化模型。

（4）建议编程语言：C语言，MATLAB/ toolbox/ optim。

制程序进行汽车转向梯 形机构的最优化设计其特点简洁方便可靠文章最后对 最优化结果进行了图形分析处理指出了人, 、、, 4

一、 转向梯形的介绍

转向梯形机构用来保证转弯行驶时汽车的车轮均能绕同一瞬时转向中心在不同半径的圆周上作无滑动的纯滚动。同时，为了达到总体布置要求的最小转弯直径值，转向轮应有足够大的转角。为此，转向梯形应保证内、外转向车轮的理想转角关系如式(1)所示。图1是转向梯形示意图：

图1转向梯形示意图

转向梯形机构分为整体式和分段式两种。整体式用于非独立悬架的转向轮；分段式用于独立悬架的转向轮，本车采用非独立悬架系统，故而使用整体式转向梯形。整体式转向梯形是由转向横拉杆、转向梯形臂、和汽车前轴组成。这种方案的优点是结构简单，调整前束容易，制造成本低；主要缺点是一侧转向轮向上、下跳动时，会影响另一侧转向轮。而分段式转向梯形两转向轮互不影响，结构复杂，制造成本较低。选择整体式或断开式转向梯形方案与悬架采用何种方案有联系。无论采用哪一种方案，必须正确选择转向梯形参数，做到汽车转弯时，保证全部车轮绕一个瞬时转向中心行驶，使在不同圆周上运动的车轮，作无滑动的纯滚动运动。同时，为达到总体布置要求的最小转弯直径值，转向轮应有足够大的转角。

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