CN107704692A - 一种梯形转向机构的全局优化计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梯形转向机构的全局优化计算方法，包括对梯形转向机构的横拉杆、梯形转向机构节臂的长度作为优化变量进行了全局优化。本发明是基于阿克曼转向理论，由于转向机构模型相对复杂，通常把梯形转向机构的物理模型简化为二维平面模型，建立其数学模型。本发明在于通过做等值线的方法得出了梯形转向机构中两个变量的全局解，在全局解的区域内能够找到全局最优解。本发明能够在确定了汽车轴距和主销延长线与地面交点之间的距离后，实现快速地对转向机构机构进行适配，从而避免了对梯形转向机构的设计和优化繁琐工作，能够满足转向机构符合阿克曼转向理想梯形设计的要求，对梯形转向机构的设计和优化具有规范性和指导性意义。

Description

一种梯形转向机构的全局优化计算方法

技术领域

本设计涉及机械工程设计领域，具体涉及汽车梯形转向机构的一种计算优化方法。

背景技术

目前，在对梯形转向机构进行优化设计的时候，通常选取梯形杆长和杆长或杆长和梯形底角作为优化变量，在对优化变量进行优化时，通常对待优化的变量进行赋初始值处理，选取不同的初始值会造成得到的优化变量的取值结果不是唯一的，从而不能在任意给定汽车轴距和主销延长线与地面交点距离的情况下，对转向系统进行选配。

发明内容

本发明的目的在于提供一种梯形转向机构的优化设计的规范性方法，对现有的梯形机构的优化设计方法起到补充和规范的作用，对物理模型进行传统简化，根据数学关系建立数学模型，对模型进行计算并优化，最终得到优化后的全局最优解。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种梯形转向机构的全局优化计算方法，所述机构包括转向横拉杆、转向节臂，两转向节臂与转向横拉杆通过球销铰接，其转向节臂另一侧与转向轮部分铰接；

具体优化步骤如下：

（1）以阿克曼转向理论为依据，将梯形转向机构物理模型简化成二维平面模型；

（2）以梯形机构杆长作为全局优化变量，以瞬心误差作为目标函数对梯形转向机构进行全局优化，采用等值线图方法做出全局解，在全局解里边得到所要优化的梯形杆长之间的关系；

（3）对于确定的杆长之间的关系，在全局解的范围内找到对转向瞬心的误差影响非常小的一系列的最优值，从而得到了杆长优化后的一系列全局最优解；

（4）确定杆长之间的关系后，根据汽车轴距和主销延长线与地面之间交点的距离，在全局最优解的范围内对转向机构的尺寸进行选配，不需要再对梯形机构进行繁琐的优化工作。

进一步的，所述步骤（2）中，在对梯形转向机构进行优化时候，选取杆长作为全局优化变量，通过已知的变量参数建立起杆长的数学表达式，求出全局变量的全局解。

进一步的，通过在杆长和节臂相应的取值范围内，研究在不同取值的情况下，L1、L2对瞬心位置的影响，并绘制出全局区域瞬心位置误差云图，得到全局区域内对瞬心位置影响很小的区域，在影响较小的区域内寻找合适的点。

进一步的，所述步骤（4）中，把对瞬心位置误差影响相同这些点全部找出来，做出的图形即为等值误差云图，在很小的影响区域内的点则是我们要找的点，通过控制对瞬心的误差影响最小，即为满足设计要求的点。

与现有设计技术相比，本发明的优点是：

本发明能够快速地确定转向系统合适的尺寸，从而相比现有的优化方法，能够减少计算的复杂程度，达到对梯形机构进行高效的优化，避免了对优化工具箱和复杂优化算法使用；

在本发明中直线带是首次提出，能够对梯形转向机构的优化提供规范性地指导：在确定了汽车的轴距L和转向主销延长线在地面交点的距离W的情况下，通过L和W以及L1和L2之间存在的数学关系，就可以在直线带内寻找相应的梯形机构L1、L2尺寸，能够保证在满足上述梯形机构模型的情况下，使得汽车瞬心转向误差不超过30mm，使得该梯形机构的尺寸尽可能满足阿克曼理想梯形的尺寸，同时存在的误差因子相当小，可以忽略此影响，转向机构能够满足阿克曼转向梯形的设计要求。

附图说明

图1是阿克曼转向模型示意图；

图2是梯形转向机构示意图；

图3是节臂长度L1、横拉杆长度L2对瞬心位置影响图；

图3标记说明：1-左侧梯形节臂，2-转向机构横拉杆，3-右侧梯形节臂，4-主销延长线与地面交点间距离；X、Y轴分别代表节臂长度L1、横拉杆长度L2的取值情况，Z轴代表在L1、L2的取值条件下的瞬心位置距离阿克曼理想瞬心位置的误差值；

图4是节臂长度L1、横拉杆长度L2对瞬心位置影响等值线图。

图4标记说明：在同一等值误差的条件下，全局变量节臂长度L1、横拉杆长度L2的全部取值情况。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

根据阿克曼转向模型理论，如图1所示为阿克曼转向示意图。

如图1所示，本发明所述梯形转向机构为阿克曼转向模型，在该模型的基础上建立贴体坐标系：以车身纵向中心平面与前轴的交点为坐标系原点；以前轴作延长线为X轴，也就是前车轴所在的位置为X轴位置，纵向中心平面为Y轴，A、B、C、D分别代表四个独立驱动车轮所在的主销；其中图上O点代表车辆转向时转向瞬心，其中α、β角度代表前转向轮的偏转角度。在实际的转向梯形中转向瞬心不能按照理想的情况正好落在后轴的延长线上，了能够使得转向瞬心尽可能落在后轴延长线上或者是后轴延长线附近的位置，从而对梯形转向机构进行优化计算。本实施例中，转向可以向向左或向右，两侧相应的车轮转向角以及转向瞬心都与之类似；其中的贴体坐标系也可以建立在汽车的质心位置，只是各个重要点的坐标位置发生变化。

根据阿克曼转向理论对物理模型进行二维简化，转向轮转角应该存在下列数学关系：

能够使得转向轮转向角的满足上述特性的转向梯形称为阿克曼梯形，但是真实的阿克曼梯形不存在。为了能够使实际的梯形转向机构尽可能的接近阿克曼梯形，多数学者做了对梯形机构进行了优化的工作，经过对梯形四连杆转向机构优化的研究，发现在对四连杆机构进行优化时候，一般优化的两个对象包括：梯形机构的杆长和梯形底角或者是梯形机构的横拉杆长度L1和梯形机构节臂长度L2，绝大多数论文都是以外侧车轮的实际转角与基于阿克曼转向梯形理想外侧车轮转角的误差的最大值最小作为优化目标，这样不能够清晰的定量的知道：在汽车进行转向时，汽车的转向瞬心位置与后轴轴线的延长线的距离差值是多少。

为了能够清晰定量的知道汽车在转向时瞬心位置的变化情况，本发明提出以瞬心位置误差的最大值最小作为优化目标，通过对梯形机构的模型进行简化以后如图2所示，并建立起严密的梯形机构数学模型，选取以梯形的横拉杆长度L1和梯形机构节臂长度L2作为优化变量。

对上述的梯形转向机构进行全局优化计算方法，其步骤如下：

（1）将梯形转向机构物理模型简化成二维平面模型：如图2所示的梯形转向机构，其中A、B、C、D分别为转向机构的铰接点；1、3分别代表转向梯形中的转向节臂；2代表转向机构的横拉杆；4代表梯形机构中主销延长线与地面交点的距离。在转向工况中，转向车轮在外力作用下发生偏转，两侧车轮绕其各自主销偏转一定的角度，由于梯形机构的存在，会使得两侧车轮不可能偏转相同的角度：左侧转向时，内侧车轮偏转角大于外侧；右侧转向时，外侧车轮转向角大于内侧转向角。

（2）对梯形转向机构杆长进行优化：优化采用等值线图方法，做出全局解，在全局解里边得到所要优化的梯形杆长之间的关系。

也就是说，在对梯形转向机构进行优化时候，选取杆长作为全局优化变量，通过已知的变量参数建立起杆长的数学表达式，求出全局变量的全局解。

具体的说，就是通过简化后的模型，根据其中的数学关系建立相应的数学模型。在本实施例中，选取了与以往以角度误差为目标函数而不同的能反映瞬心位置的目标函数，在对梯形转向机构进行优化时候，选取了杆长作为优化变量，通过已知的变量参数建立起杆长的数学表达式。

（3）对于确定的杆长之间的关系，在全局解的范围内，找到对转向瞬心的误差影响非常小的一系列的最优值，从而得到了杆长优化后的一系列全局最优解。

具体的说，如图3所示，X轴、Y轴分别代表待优化变量的在本实施例中取值范围，通过在该取值范围内，对步长做一定的设置，对研究对变量进行不同的取值，研究在不同取值的情况下，L1、L2对瞬心位置的影响，并绘制出全局区域瞬心位置误差云图，得到全局区域内对瞬心位置影响很小的区域，在影响较小的区域内寻找合适的点，即找点与之对应的L1、L2的值的情况。

（4）为了能够对图3所示的区域进行更为深入的研究，把对瞬心位置误差影响相同这些点全部在图4上找出来，做出的图形即得到了80条等值误差云图，在很小的影响区域内的点则是我们要找的点，通过控制对瞬心的误差影响最小，即为满足设计要求的点。同时，本实施例的发明之处在于找到了L1、L2都去最优解的情况下之间存在的数学关系，揭示了其潜在的数学关系；同时这些意义在于对梯形机构的优化工作进行了简单快捷化，在知道了轴距L和主销延长线与地面交点的距离W之后，在得到的直线区域可以快速实现对L1、L2进行选配。

不同于以往优化方法的是：本发明通过等值线法对优化变量寻找全局解，选取相应的L1、L2做出对汽车瞬心位置影响的等值线图，如图3所示；做出全局解的图谱发现最优解的区域是一条直线带，如图4所示等值线的白色区域，在这条直线带区域内，变量L1、L2的关系呈线性。在这条直线带内对L1、L2进行相应的取值，发现对提出的新的目标函数有很好的验证；同时在直线带内取值，可以保证转向瞬心误差的最大值不超过30mm，相对于汽车转弯半径5～６m来说，其影响是微乎其微；并同时对以往的目标函数进行了验证，发现同样适用于转角误差目标函数，所以能够使得汽车在转向时更好的满足阿克曼转向原理的条件，验证了理论的正确性。横拉杆与节臂之间存在的直线关系存在的意义在于：可以根据这条直线上的理论值选取了适合无人车尺寸轴距L和转向主销延长线在地面交点的距离W的相应的转向梯形机构。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，可以对上述具体实施方式进行变化。

Claims (4)

1.一种梯形转向机构的全局优化计算方法，其特征在于：所述机构包括转向横拉杆、转向节臂，两转向节臂与转向横拉杆通过球销铰接，其转向节臂另一侧与转向轮部分铰接；

具体优化步骤如下：

（1）以阿克曼转向理论为依据，将梯形转向机构物理模型简化成二维平面模型；

（2）以梯形机构杆长作为全局优化变量，以瞬心误差作为目标函数对梯形转向机构进行全局优化，采用等值线图方法做出全局解，在全局解里边得到所要优化的梯形杆长之间的关系；

（3）对于确定的杆长之间的关系，在全局解的范围内找到对转向瞬心的误差影响非常小的一系列的最优值，从而得到了杆长优化后的一系列全局最优解；

（4）确定杆长之间的关系后，根据汽车轴距和主销延长线与地面之间交点的距离，在全局最优解的范围内对转向机构的尺寸进行选配，不需要再对梯形机构进行繁琐的优化工作。

2.根据权利要求1所述的梯形转向机构的全局优化计算方法，其特征在于：所述步骤（2）中，在对梯形转向机构进行优化时候，选取杆长作为全局优化变量，通过已知的变量参数建立起杆长的数学表达式，求出全局变量的全局解。

3.根据权利要求1或2所述的梯形转向机构的全局优化计算方法，其特征在于：通过在杆长和节臂相应的取值范围内，研究在不同取值的情况下，L1、L2对瞬心位置的影响，并绘制出全局区域瞬心位置误差云图，得到全局区域内对瞬心位置影响很小的区域，在影响较小的区域内寻找合适的点。

4.根据权利要求3所述的梯形转向机构的全局优化计算方法，其特征在于：所述步骤（4）中，把对瞬心位置误差影响相同这些点全部找出来，做出的图形即为等值误差云图，在很小的影响区域内的点则是我们要找的点，通过控制对瞬心的误差影响最小，即为满足设计要求的点。