基于可靠性的汽车转向机构稳健优化设计硕士学位论文.docx
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基于可靠性的汽车转向机构稳健优化设计硕士学位论文
分类号______________________________
ＵＤＣ______________________________
密级______________________________
编号______________________________
硕士学位论文
基于可靠性的汽车转向机构稳健优化设计
学位申请人：
张鑫
学科专业：
车辆工程
指导教师：
程贤福副教授
答辩委员会主席：
答辩日期：
华
东
交
通
大
学
2012
届
硕
士
学
位
论
文
基
于
可
靠
性
的
汽
车
转
向
机
构
稳
健
优
化
设
计
机
电
工
程
学院
张
鑫
华东交通大学
硕士学位论文任务书
研究生姓名
学院（系）
专
业
张鑫
机电工程学院
车辆工程
车辆现代设计技术
基于可靠性的汽车转向机构稳健优化设计
2011年10月22日
载运工具与装备教育部重点实验室开放研究项目——车辆零部件
可靠性稳健优化设计（09JD01）。
学
号
20090390140104
专业方向
论文题目
要求完成时间
选题来源
主要研究任务：
1、对汽车转向机构和稳健设计理论进行研究，包括对稳健设计理论的发展和研
究现状以及稳健设计的基本理论的研究。
2、在稳健设计时，分别采用Taguchi稳健设计方法和基于可靠性的稳健设计方
法对转向机构进行设计，在基于可靠性的稳健设计方法中，提出基于概率分布的可
靠性稳健优化设计方法和基于非概率模型的稳健可靠性优化设计方法，并分别将两
种方法应用于转向机构设计，对设计结果进行分析。
3、采用CATIA软件对汽车转向机构进行建模和运动仿真，分别对整体式转向机
构和断开式转向机构进行建模，并对它们进行运动仿真，对仿真结果进行分析。
接受任务时间
导师签名
2010年11月01日
学生签名
日
期
年
月
日
独创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究
工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方
外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华
东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。
与我一同工作
的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢
意。
本人签名_______________日期____________
关于论文使用授权的说明
本人完全了解华东交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：
学
校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。
学校可以公布论
文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
保密的论文在解密后遵守此规定，本论文无保密内容。
本人签名____________导师签名__________日期___________
摘要
基于可靠性的汽车转向机构稳健优化设计
摘要
稳健优化设计作为提高产品设计质量的有效方法在工程设计领域特别是汽车设计
领域越来越引起了人们的重视。
本文在系统回顾汽车转向机构以及稳健设计的国内外发展的基础上，对汽车转向机
构进行稳健优化设计。
在车辆的转向机构设计中，考虑了可控因素和噪声因素对运动精
度的影响，将可靠性优化设计和稳健设计方法相结合，以转向机构运动精度为目标函数
建立转向机构的可靠性稳健优化数学模型，把运动精度的可靠性灵敏度溶入可靠性优化
设计模型之中，将可靠性稳健优化设计转化为满足可靠性要求的多目标优化问题。
基于非概率可靠性理论，结合稳健设计方法，提出了基于非概率模型的稳健可靠性
优化设计方法，该方法只需知道不确定参数的边界，无需知道其概率分布形式。
构造了
两层优化数学模型，顶层优化问题是原有稳健优化的数学模型，只是添加了一个非概率
可靠性指标约束，底层优化问题仅仅是用来确定可靠性指标的值。
此外，针对汽车转向机构进行三维建模，采用CATIA软件，分别对整体式转向机
构和断开式转向机构进行三维建模，对组成零件进行单独建模，然后将各个零件进行装
配，采用DMU模块及正交试验设计来进行试验的安排，并考虑运动间隙副的影响对转
向机构进行运动仿真，当内转向角转到最大角度时，得到仿真出的外转向轮转角的最大
值与理想的外转向角之间的差值进行分析。
关键词：
转向机构，稳健设计，可靠性稳健优化，非概率稳健可靠性优化
I
Abstract
THEROBUSTOPTIMIZATIONOFSTEERINGMECHANISMFORTRUCKS
BASEDONRELIABILITYDESIGN
ABSTRACT
Robustdesignasaneffectivewaytoimprovethequalityofproductsisbecomingamore
andmoreimportantmethodinthefiledofproductdesignespeciallyinvehicledesign.
Consideringtheimpactofcontrollablefactorsandnoisefactorsinoptimizationdesign
forsteeringmechanismoftrucks,basedonthereliability-basedoptimizationtheory,the
stablereliabilitysensitivitymethodandtherobustdesignmethod,thereliability-basedrobust
designforsteeringmechanismoftrucksisextensivelydiscussed.Thekinematicsaccuracyof
themechanismisconsideredasamajoroptimizationobjective.Thereliabilitysensitivityof
kinematicsaccuracyisaddedtothereliability-basedoptimizationdesignmodelandthe
reliability-basedrobustdesignistransformedintothemulti-objectiveoptimizationproblem.
Forreliabilityoptimizationdesignwithuncertainparameters,basedonthe
non-probabilisticreliabilitytheoryandrobustdesignmethod,theoptimizationdesignof
robustreliabilitywasproposed.Comparedwiththetraditionalprobabilisticreliability
optimization,theproposedmethoddoesnotrequireapresumedprobabilitydistributionofthe
uncertainparametersandonlytheboundsorrangesofvariationofthemarerequired.
Top-leveloptimizationwasusedtosolvetheoriginalrobustoptimalmodelwiththe
constraintsofnon-probabilisticreliabilityindex,andlower-leveloptimizationwasusedto
identifythereliabilityindex.
Itdoesthree-dimensionalmodelingforautomotivesteeringusingCATIAsoftware.First,
theintegralsteeringbodyfor3Dmodeling,thecomponentpartsformodelingseparatelyand
thenthevariouspartsareassembled,usingtheDMUmodulesformotionsimulationandthe
simulationresultsareanalysed;Second,thedividedsteeringstructureformodeling,itsbasic
stepsassameastheintegralsteeringstructure.
KeyWords:
Steeringmechanism,Robustdesign,ReliabilityRobustoptimization,Robust
Reliabilityoptimization
II
主要符号说明..............................................................I
第一章
1.1
绪论..............................................................1
汽车转向机构.....................................................1
1.1.1
1.1.2
1.1.3
1.2
1.3
1.4
第二章
2.1
2.2
2.3
汽车转向系统简介............................................1
转向系基本构造..............................................1
转向梯形....................................................2
汽车转向机构研究的目的与意义.....................................3
汽车转向机构的研究及发展现状.....................................3
本文的主要内容...................................................5
稳健优化设计的基本理论和方法......................................7
稳健设计.........................................................7
稳健设计发展及研究现状...........................................7
稳健设计的基本理论...............................................9
2.3.1
2.3.2
稳健设计要达到的目的........................................9
稳健设计的分类.............................................10
功能质量损失函数...........................................12
信噪比.....................................................14
正交试验设计...............................................15
可靠性设计.................................................16
基于概率分布的可靠性稳健优化设计...........................17
基于非概率的稳健可靠性优化设计.............................17
2.4
Taguchi稳健设计方法.............................................12
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.5
基于可靠性的稳健优化设计方法....................................16
2.5.1
2.5.2
2.5.3
2.6
第三章
3.1
本章小结........................................................18
汽车转向机构稳健优化设计.........................................19
转向机构运动分析................................................19
3.1.1
3.1.2
转向机构基本运动分析.......................................19
考虑运动副间隙的转向机构运动分析...........................20
转向机构稳健优化设计模型...................................21
设计变量和噪声因素.........................................22
目标函数...................................................22
3.2
基于Taguchi设计方法的转向机构稳健优化设计.......................21
3.2.1
3.2.2
3.2.3
III
3.2.4
3.3
3.3.1
3.3.2
3.4
第四章
4.1
4.2
4.3
设计实例...................................................22
基于概率模型的转向机构可靠性稳健优化设计...................25
基于非概率模型的稳健可靠性优化设计.........................30
基于可靠性的转向机构稳健优化设计................................25
本章小结........................................................37
汽车转向机构运动仿真.............................................39
虚拟样机技术....................................................39
CATIA软件简介...................................................40
整体式转向机构建模与运动仿真....................................41
4.3.1
4.3.2
整体式转向机构建模.........................................41
整体式转向机构模型仿真.....................................42
断开式转向机构建模.........................................47
断开式转向机构运动仿真.....................................48
4.4
断开式转向机构建模与运动仿真....................................47
4.3.1
4.3.2
4.5
第五章
5.1
5.2
个人简历
本章小结........................................................51
总结与展望.......................................................53
工作总结........................................................53
展望............................................................53
在读期间发表的学术论文及参与的科研项目.........................58
参考文献.................................................................55
致谢.....................................................................59
IV
主要符号说明
主要符号说明
B
L
l
θ
两侧主销轴线与地面相交点之间的距离，m；
汽车轴距，m；
转向梯形臂长度，m；
转向梯形的底角，°；
内侧车轮转角，°；
外侧车轮转角，°；
信噪比，dB；
可靠度；
非概率可靠性指标；
运动副间隙，m；
运动误差，°；
齿条长度，mm；
转向横拉杆长度，mm；
齿条移动距离，mm；
齿条到前轴的距离，mm；
β
α
SN
R
η
ri
δ
λ
T
b
h
I
第一章
绪论
第一章
1.1
1.1.1
绪论
汽车转向机构
汽车转向系统简介
汽车转向系统现在已经成为汽车非常重要组成部分，它对汽车的操纵稳定性有很大
的影响，同时也会对安全性造成影响，汽车转向系统根据转向方式的不同有多种布置形
式，它的作用就是在驾驶者试图根据路面情况改变或者保持汽车的行驶方向时，对车辆
的行驶方向进行控制。
汽车转向系统有两大基本功能：
第一个功能是使汽车能够按照驾驶者的意图使汽车
的行驶方向改变或者保持行驶方向不变，主要是驾驶者通过对方向盘的操控来控制前轮
的主销转角来实现的；第二个功能就是在汽车的行驶过程中，车辆会受到路面的影响，
路面的状况会作用在轮胎上，轮胎上的受力状况会通过转向传动机构传递给操纵汽车的
驾驶者，驾驶者在驾驶车辆时，希望汽车能够将驾驶情况及时、准确的反馈给驾驶者，
这样才能准确的掌握车辆的行驶状况从而更为准确把握的来操纵车辆，提高汽车行驶中
的安全性，所以优良的操纵稳定性中良好的路感是很重要的组成部分。
1.1.2
转向系基本构造
机械转向系统是把驾驶者在转向时，作用在方向盘上的力作为转向动力，它的组成
部件为机械的。
机械转向系统主要是由转向操纵机构、转向器以及转向传动机构三个大
部分来组成的，图1-1为机械转向系统的组成和布置示意图。
从转向盘到转向传动轴的一系列零件属于转向操纵机构。
由转向摇臂至转向梯形的
一系列零部件（不含转向节）均属于转向传动机构[1]。
1—转向盘2—转向轴3—转向万向节4—转向传动轴5—转向器6—转向摇臂
7—转向主拉杆8—转向节臂9—左转向节10、12—梯形臂11—转向横拉杆
13—右转向节
图1-1机械转向系示意图
Fig.1-1MechanicalSteeringSystemSchematicDiagram
1
第一章
绪论
驾驶者在实现转向意图时，在方向盘上作用一定的力矩，这个力矩通过与方向盘连
接的转向轴和万向节传递给转向器，转向器对传递过来的力矩进行放大，并实现减速，
然后再将力矩通过转向摇臂和抓向主拉杆传递给转向节臂，最后传递到转向节，从而驱
动转向车轮，实现驾驶员的转向操纵。
1.1.3
转向梯形
转向机构是转向系统的重要组成部分之一，它的功用就是将转向器输出的动力传递
给转向车轮，同时使汽车在行驶过程中保持汽车的方向稳定性以及实现汽车的变向行
驶。
转向梯形是转向机构的主要组成，目前，汽车上应用最为广泛的车轮转向机构是阿
克曼机构，如图1-2所示。
此机构的特点是：
机构的几何形状呈前宽后窄的梯形，但它
只能近似满足上述要求。
采用阿克曼机构，内外轮转角的实际曲线与理论曲线有一定的
差距。
β
α
图1-2
阿克曼转向梯形机构
Fig.1-2
AckermanSteeringTrapezoidalMechanism
转向梯形机构由转向横拉杆、转向梯形臂和转向节组成。
转向横拉杆的两端分别是
左旋和右旋，与横拉杆的接头通过螺纹连接在一起，因为横拉杆的两端是正反螺纹，所
以当在旋松夹紧螺栓以后，转动横拉杆的杆体，这样就可以改变转向横拉杆的总长度，
这样就可以调整前束，它连接左右转向臂，这样既可以实现左右转向车轮的同步运动，
而且还可以调正全速。
转向梯形臂是连接转向横拉杆和转向节，梯形臂带锥形柱的一端
是和转向锥形孔配合在一起的，这样可以用键防止螺母的松动，而另一端是带有锥形孔
的，并与相应的拉杆球头销的锥形柱连接在一起。
汽车在行驶的过程当中，想要实现方向的改变，必须使各个车轮的旋转中心是同一
个中心，才能够使汽车在转向时，车轮是作纯滚动的，如果不能满足的话，会使轮胎发
生打滑，所以，内转向轮的偏转角应该比外转向轮的偏转角要大。
为了能够实现这样的
目的，发明了转向梯形，通过由横拉杆和左右转向梯形臂组成的这种梯形杆系，这样能
够非常近似的满足这样的要求。
有些汽车在设计时，为了减小汽车的最小转弯直径，使
外转向轮的转角大于理论的偏转角。
汽车的悬架分为独立悬架和非独立悬架，那么由于结构的不同，转向梯形也分为和
独立悬架配合使用的以及与非独立悬架配用的。
与非独立悬架配用的转向梯形，各杆件
之间均采用球形铰链连接的，并没有放置松脱、缓冲吸振、自动消除磨损后的间隙等的
结构措施。
如果汽车的转向轮是采用独立悬架的，这样的话每个转向轮是相对于车架作
2
第一章
绪论
独立的运动，因此，转向桥必须是断开式的，那么与之相配用的转向梯形也必须是分开
的，也就是说转向梯形是断开分为两段的，有些还有是三段式的。
1.2
汽车转向机构研究的目的与意义
汽车工业近些年得到迅速的发展，现在已经成为我国的支柱产业，汽车工业的发展
能够带动其它相关产业的发展，所以其在国民经济中的作用越来越重要，但是相对于发
达国家来说，我国的汽车工业的自主研发能力还很薄弱，虽然我国在汽车的制造领域取
得了不错的成绩，但是在汽车的设计与改型方面与国际的先进水平还有很大的差距，而
且我国的汽车工业的发展仍然满足不了我国人民日益增长的需求，每年我国都要从国外
进口大量的汽车，销售到全国的各个地方。
汽车作为一个由数以万计的零部件组
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