D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2005.06.020 第27卷第6期 北京科技大学学报 Vol.27 No.6 2005年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2005 基于稳健设计的非公路汽车转向杆系优化分析 中焱华”张文明”樊百林 1)北京科技大学士木与环境工程学院，北京1000832)北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要针对加工、使用过程中多种不确定因素对产品性能的影响，利用响应面模型，给出 了转向机构设计变量与转向性能间的函数关系，模拟了不确定因素干扰下的系统响应.建立 了转向机构稳健设计的数学模型，根据理想点法，求取了系统的优化设计方案. 关键词矿用汽车：转向机构：稳健设计：响应面法 分类号TH122 优质的机械产品，要求其质量特性的波动范 动实质为一空间机构运动，依据多刚体系统运动 围小，即保证其性能的统计均值接近于设计目标 学的相关理论，建立转向连杆机构的空间运动模 值，但当机械系统设计完成并进入制造和使用阶 型，将各转向杆的长度以及相互的夹角作为设计 段，由于不确定因素（制造公差、装配误差等）的 变量，以内外轮转角关系的特性曲线与理论Ack 影响，与产品性能相关的某个因素发生微小变化 ermann转向曲线的偏差最小作为目标函数，利用 时，产品性能也随之变化.为真实反映工程实践 序列二次规划法求取转向机构的优化设计参数， 中产品的性能，必须对可控干扰因素和不可控干 扰因素进行描述分析：，以降低其对产品的负面 影响.工程稳健设计就是极小化由不可控因素 和可控因素引起的产品性能的变异，而不必消除 其产生的来源，以此来提高产品质量.产品的灵 敏度或变化量越小，设计的稳健性越强， 本文以某矿用汽车转向连杆机构为研究对 象，利用机械优化设计的结果，在MSC.ADAMS 图1转向机构筒图 环境下建立其虚拟样机，通过考察不可控干扰因 Fig.1 Steering mechanism sketch 素对机构铰接点位置的影响，从稳健设计的角度 验证并优化整个转向机构， 2基于响应面的稳健分析 2.1响应面函数 1汽车转向机构的优化设计 从汽车转向机构分析，各铰接点的位置对最 某矿用汽车前轮为转向轮，转向连杆机构见 终转向曲线有很大的影响.要明确写出各点的位 图1.模型建立时采用ISO坐标制，即以前轮轮心 置坐标与转向轮输出特性曲线之间的关系，一是 连线与汽车纵向对称面的交点为坐标原点，x轴 方程将非常复杂（有可能是隐式的），具有非线性 指向汽车行驶的正前方，y轴指向汽车的左侧，z 特性，方程不容易求解：另一方面在工程实际应 轴垂直指向上方.图中A,B,C,D,E和F处都为球 用中是不必要的，因为有些点的位置坐标对产品 副，0，O,O和O,为铰接点，转向机构呈对称分 的质量性能影响可以忽略不计， 布.由于转向轮定位参数的存在，转向杆系的运 由于系统的设计变量与响应值之间的关系 难于明确表达，因此在优质设计中取得的最优值 收稿日期：200411-12修回日期：200503-23 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.50475173) 附近，变量的改变对设计性能的敏感性也难以确 作者简介：申焱华(1968一)，女，制教授，硕士 定，对于复杂工程模拟而言，依据高效、高精确度第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 叭 。 基于稳健设计 的非公路汽车转 向杆系优化分析 申众华 ” 张 文 明 ” 樊 百 林 ” 北 京科技 大 学土 木 与 环 境 工 程 学 院 ， 北 京 北 京科 技大 学 机械 工 程 学 院 ， 北 京 摘 要 针 对 加 工 、 使用 过程 中多种 不 确 定 因 素 对 产 品性 能的影 响 ， 利用 响应 面模型 ， 给 出 了转 向机 构设 计变 量 与转 向性 能间 的函数关系 ， 模拟 了不确 定 因素 干 扰 下 的系 统 响应 建 立 了转 向机构稳健 设计 的数 学模型 ， 根 据理 想 点法 ， 求 取 了系统的优 化 设 计 方案 ， 关 键词 矿 用 汽 车 转 向机 构 稳健 设计 响应 面 法 分 类号 优质 的机械 产 品 ， 要求 其 质 量特 性 的波动 范 围小 ， 即保 证 其 性 能 的统计 均值 接 近 于 设 计 目标 值 但 当机械系统 设计完成 并进 入 制造和 使用阶 段 ， 由于 不 确 定 因素 制造 公 差 、 装 配 误 差 等 的 影 响 ， 与产 品性 能相关 的某 个 因素 发 生微 小变化 时 ， 产 品性 能也 随之 变化 为真 实反 映工 程 实践 中产 品的性 能 ， 必 须对 可控 干 扰 因素和 不 可控 干 扰 因 素进 行描 述 分 析 ‘，， ， 以 降低 其 对 产 品 的负面 影 响 工程 稳 健 设 计 ‘ ，就 是 极 小化 由不 可控 因素 和 可控 因 素 引起 的产 品性 能 的变 异 ， 而 不 必 消除 其产 生 的来 源 ， 以此 来提 高产 品 质 量 产 品 的灵 敏度 或 变 化量 越 小 ， 设计 的稳 健 性越 强 本 文 以某 矿 用 汽 车 转 向连 杆 机 构 为 研 究对 象 ， 利用 机 械 优 化 设 计 的 结 果 ， 在 环境 下建 立 其虚 拟样机 ， 通 过考 察 不 可控 干扰 因 素对 机构 铰接 点位 置 的影 响 ， 从稳 健设计 的角度 验 证 并优 化 整 个 转 向机 构 动 实质 为一 空 间机 构运 动 ， 依据 多 刚体 系统运 动 学 的相 关理 论 ， 建立 转 向连 杆机 构 的空 间运动 模 型 将各转 向杆 的长度 以及 相 互 的夹 角 作为设计 变 量 ， 以 内外 轮 转 角关 系 的特 性 曲线 与理 论 转 向 曲线 的偏 差 最 小 作 为 目标 函 数 ， 利用 序 列二 次规划法 求 取 转 向机 构 的优 化 设计参 数 图 转 向机构 简图 · 汽 车转 向机 构 的优 化设 计 某矿 用 汽 车 前轮 为转 向轮 ， 转 向连 杆机 构 见 图 模 型 建立 时采 用 坐 标制 ， 即 以前轮 轮心 连线 与汽 车 纵 向对 称 面 的 交 点为 坐 标 原 点 ， 轴 指 向汽 车 行驶 的正 前 方 ， 轴 指 向汽 车 的左 侧 ， 轴垂 直指 向上 方 图 中 ， ， ， ， 和 处 都为球 副 ， 口 ，， ， 仅 和 马 为铰 接 点 ， 转 向机 构呈 对 称 分 布 由于 转 向轮 定位 参数 的存在 ， 转 向杆 系 的运 收稿 日期 。 卜 一 修回 日期 刁 一 基金项 目 国家 自然科学 基金 资助 项 目 。 作者 简介 申众华 一 ， 女 ， 副 教授 ， 硕 士 基 于 响应 面 的稳 健 分 析 响应 面 函 数 从汽 车转 向机 构分 析 ， 各 铰 接 点 的位 置对 最 终转 向 曲线 有很 大 的影 响 要 明确 写 出各 点 的位 置 坐标 与转 向轮 输 出特性 曲线之 间 的关 系 ， 一 是 方程将 非 常 复 杂 有 可 能是 隐式 的 ， 具 有 非线 性 特 性 ， 方 程 不 容 易求 解 另 一 方 面 在 工 程 实 际应 用 中是 不 必 要 的 ， 因为有些 点 的位 置 坐 标对产 品 的质 量 性 能影 响 可 以忽 略 不 计 由于 系 统 的 设 计 变 量 与 响应 值 之 间 的关 系 难 于 明确 表 达 ， 因此 在优质 设计 中取 得 的最优 值 附近 ， 变量 的改 变对 设 计性 能 的敏感 性也难 以确 定 对 于 复杂工 程 模拟 而 言 ， 依据 高效 、 高精确 度 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2005．06．020