汽車轉向開關自回位過程的動力學仿真和實測

韓軒　童曉峰

摘要：用CATIA建立一款汽車轉向開關的三維模型.針對轉向開關自動回位過程中轉向手柄的振顫及反向接通問題，用MSC SimDesigner建立轉向開關自動回位過程的多體動力學分析模型，研究不同驅動轉速條件下的開關自動回位動態特性，得到多種工況下轉向手柄轉動角度和轉動角速度隨時間的變化曲線.對實際開關自回位過程進行測試，計算結果與實測結果基本吻合，表明采用多體動力學仿真方法評估轉向開關自動回位動態特性是有效可行的.根據仿真結果找到該轉向開關無驅動自回位過程且反向功能無接通時需要的最小臨界接通角度，左右兩側分別為4.06°和5.08°.

關鍵詞：汽車； 轉向開關； 自動回位； 多體動力學； 轉動角度； 轉動角速度

中圖分類號： O313； U461.1； TP391.9

文獻標志碼：B

Abstract：A 3D model is built for an automobile turn signal switch using CATIA. As to the vibration and reverse switch-on issues of turn signal hand lever during the automatic return process of turn signal switch， a multi-body dynamics analysis model is built for the automatic return process of an turn signal switch using MSC SimDesigner， the dynamic characteristics of automatic return of the switch are studied in different driving rotation velocities， and the variation curves of rotation angle and angular velocity of turn signal hand lever against time are obtained in multi-conditions. The automatic return process is tested for a real product， and the calculation results are well consistent with the test results， which shows that it is feasible to estimate the dynamic characteristics of automatic turn process for turn signal switch using multi-body dynamics simulation method. According to the simulation results， the minimum critical switch-on angles in non-driving automatic return process without reverse switch-on are obtained， which are 4.06° in the left and 5.08° in the right.

Key words：automobile； turn signal switch； automatic return； multi-body dynamics； rotation angle； rotation angular velocity

0引言

隨著汽車的普及，汽車市場的競爭越來越激烈，汽車廠商和消費者對汽車電器開關操作舒適性的要求越來越高，而轉向組合開關是汽車電器開關中結構相對復雜、使用頻率較高的產品，是直接面向駕駛員的窗口，操作是否舒適在每次操作時直接反饋到駕駛員的觸感神經.[1-2]目前設計的轉向組合開關一般帶有自動回位系統.當轉向動作完成、方向盤歸正時，手柄會自動回到零位，回位過程中手柄會振顫，影響駕駛者的主觀感受；如果振顫過大，反向變道信號燈有可能被接通，對其他車輛造成誤導，容易誘發事故.因此，有必要對轉向組合開關自動回位過程進行研究.

目前，對汽車轉向開關的研究多集中于主動操作時的手感特性評價[2-4]和測試系統開發[5-6]，而對轉向開關的自動回位性能研究較少.多體動力學方法在汽車及其零部件的動態性能研究領域已經得到廣泛應用.[7-11]本文以某汽車轉向開關為研究對象，基于多體動力學方法對轉向開關的自回位過程進行多工況仿真，并與實測結果進行對比.

1自動回位系統工作原理

1.1轉向組合開關建模

用CATIA建立轉向開關的三維模型，主要由轉向手柄、上下殼體、自動回位系統和操作手感系統等組成，見圖1.

操作手感系統主要由轉向手柄、彈簧、頂銷和手感曲面組成.當轉動轉向手柄時，頂銷在手感曲面上滑動，隨著曲面的高低起伏和彈簧壓縮量的變化而產生一定的操作手感.為使開關在向左或右轉向時能夠停留，手感曲面的左右兩側各設計一個頂點.當開關停留在左或右轉向功能時，頂銷越過手感曲面的頂點停留在轉向位置.當開關從轉向位置向零位運動時，頂銷在手感曲面上反向滑動；當頂銷反向越過手感曲面的頂點后，手感系統的回復力驅動手柄回到零位.

1.2自動回位系統

轉向組合開關的自動回位系統結構見圖2，主要由回位環、回位撥片、回位滑塊和回位曲面等組成.回位環上布置有回位卡槽.

當轉向組合開關轉向手柄向左或右轉時，回位撥片被回位滑塊推出，見圖3.當回位撥片被推出后，與回位環上的回位卡槽之間產生一定的搭接量；當回位環向反方向轉動時，回位卡槽推動回位撥片運動.此時，轉向手柄從轉向位置向零位運動，當頂銷越過手感曲面的頂點時，轉向手柄自動回位，從而實現轉向開關自動回位功能.在手柄向零位轉動的過程中，回位撥片被回位曲面拉回，回位卡槽與回位撥片之間的接觸分開.

2動力學分析模型的建立

對轉向組合開關各個零件賦予相應的密度屬性，動力學仿真軟件能夠根據零件構型計算零件的質量大小和重心位置.[12]在動力學分析過程中，認為零件為剛性體，不考慮零件的變形.利用MSC SimDesigner[13]的Motion Workbench模塊，分別建立轉向組合開關左右轉向時的自回位過程動力學分析模型.

2.1運動約束建模

轉向組合開關由多個零件組成，各個零件之間通過各種約束限制相對運動，并以此將不同構件連接成一個運動系統.根據轉向組合開關自動回位過程的運動規律，建立以下約束：

1）在回位過程中，上殼體和手感曲面固定不動，故定義上殼體和手感曲面為地.

2）在手柄與上殼體之間建立旋轉副，以手柄轉軸為旋轉中心.

3）在頂銷與手柄之間建立滑移副，滑移方向為頂銷的中心，當手柄旋轉時頂銷隨著手柄一起旋轉.

4）在復位曲面與手柄之間建立固定副，復位曲面固定在手柄上.

5）為實現回位撥片的運動，在模型中增加一個附件.在附件與回位撥片之間建立旋轉副，旋轉中心為回位撥片的旋轉軸；在附件與上殼體之間建立滑移副，滑移方向為上殼體導槽方向；當附件滑動時，回位撥片隨附件一起滑動，并且回位部件同時沿旋轉軸旋轉，從而實現回位撥片的實際運動方式.

6）在回位滑塊與上殼體之間建立滑移副，滑移方向為上殼體導槽方向.

7）在回位環與地之間建立旋轉副，旋轉方向為回位環的中心軸，與方向盤同軸.

2.2力元建模

在動力學分析時，使用線性彈簧阻尼器代替真實彈簧.線性彈簧阻尼器表征作用在一定距離的2個部件和沿2個部件之間的力，施加在2個部件上的力分別為作用力和反作用力，二者大小相等，方向相反.當定義純彈簧時，定義線性彈簧阻尼器的黏滯阻尼系數為0.[14]在回位滑塊與上殼體導槽之間建立線性彈簧阻尼器，彈簧原長定義為22.0 mm，彈簧剛度定義為0.08 N/mm，黏滯阻尼系數定義為0，在開關左轉或右轉時，該彈簧起推出回位撥片的作用.在圓柱頂銷和手感曲面之間建立線性彈簧阻尼器，彈簧原長定義為34.5 mm，彈簧剛度定義為4.00 N/mm，黏滯阻尼系數定義為0，當開關左轉或右轉時，該彈簧提供手感操作力，在開關自動回位過程中該彈簧提供回位驅動力.

通過添加碰撞接觸力的方式模擬2個運動物體間的接觸關系.依次在圓柱頂銷與手感曲面之間、回位撥片與回位卡槽之間、回位撥片與回位滑塊之間及回位撥片與回位曲面之間建立接觸關系，接觸過程的靜摩擦因數設為0.10，動摩擦因數設為0.08.

2.3添加回位環驅動

當轉向開關停在左轉或右轉位置時，反向轉動回位環可以使轉向開關自動回到零位.在動力學仿真時，使用軟件內部的IF或STEP函數均可以對運動副施加速度驅動.本文采用IF函數為回位環旋轉副施加角速度驅動，該IF函數為

該函數定義的回位環轉動時間為0.100 s，當時間超過0.100 s時，回位環停止運動.定義的回位環轉動速度為4π rad/s，即720.0 °/s，當需要改變驅動速度時，修改此參數即可.本文設置4個回位環的驅動速度，分別為720.0，360.0，180.0和0.1 °/s.認為0.1 °/s是臨界狀態，回位環施加在手柄的驅動力為0，此時頂銷越過手感曲面頂點時的速度幾乎為0，轉向開關為無驅動自回位過程，回位能量僅由操作手感回復力提供.

3動力學分析結果

分別對左轉向和右轉向時的自動回位過程進行仿真計算，每個方向各計算4種工況，得到轉向手柄旋轉角度和角速度隨時間的變化曲線，以第一次通過零位時的時間為起點進行對比.

3.1左轉向時自動回位過程分析

當左轉向時，在回位環添加不同驅動轉速，手柄轉動角度隨運動時間的變化曲線見圖4.由此可知：當回位環驅動轉速為720.0 °/s時，手柄的最大反向旋轉角度約為8.36°，振蕩時間約為0.088 s；當回位環驅動轉速為0.1 °/s時，手柄的最大反向旋轉角度約為5.08°，振蕩時間約為0.064 s；當回位環驅動轉速為180.0和360.0 °/s時，手柄的最大法向旋轉角度分別約為5.31°和6.13°，振蕩時間分別約為0.066和0.070 s.

當左轉向時，在回位環添加不同驅動轉速，手柄轉動角速度隨運動時間的變化曲線見圖5.由此可知：當回位環驅動轉速為720.0 °/s時，手柄通過零位時的最大角速度約為660 °/s；當回位環驅動轉速為0.1 °/s時，手柄通過零位時的最大角速度約為503 °/s；當回位環驅動轉速為180.0和360.0 °/s時，手柄通過零位時的最大角速度分別約為512和534 °/s.

3.2右轉向時自動回位過程分析

當右轉向時，在回位環添加不同驅動轉速，手柄轉動角度隨運動時間的變化曲線見圖6.由此可見：當回位環驅動轉速為720.0 °/s時，手柄的最大反向旋轉角度約為8.24°，振蕩時間約為0.086 s；當回位環驅動轉速為0.1 °/s時，手柄的最大反向旋轉角度約為4.06°，振蕩時間約為0.049 s；當回位環驅動轉速為180.0和360.0 °/s時，手柄的最大法向旋轉角度分別約為4.45°和5.21°，振蕩時間分別約為0.052和0.056 s.

當右轉向時，在回位環添加不同驅動轉速，手柄轉動角速度隨時間的變化曲線見圖7.由此可知：當回位環驅動轉速為720.0 °/s時，手柄通過零位時的最大角速度約為644 °/s；當回位環驅動轉速為0.1 °/s時，手柄通過零位時的最大角速度約為473 °/s；當回位環驅動轉速為180.0和360.0 °/s時，手柄通過零位時的最大角速度分別約為479和526 °/s.

4實測與仿真對比

采用高速錄像數據采集系統對手柄的自動回位特性進行測試，數據采集界面見圖8.

參考仿真中最大驅動轉速的工況進行測試，在回位環上施加720.0 °/s的驅動轉速.當左轉向自動回位時，自動回位過程仿真與實測數據對比見圖9.由此可知：當左轉向自動回位時，手柄最大反向旋轉角度的實測結果約為8.11°，仿真結果比實測結果約大0.25°.

當右轉向自動回位時，自動回位過程仿真與實測數據對比見圖10.由此可知：手柄最大反向旋轉角度的實測結果約為7.87°，仿真結果比實測結果約大0.37°.左右轉向自回位動態過程的性能優劣主要由回位過程初期手柄的運動特性決定，由對比曲線可知：在左右轉向自動回位的初期，仿真與實測的手柄波動吻合度較高，誤差在10%以內.

5結論

通過仿真結果與實測結果的對比驗證借助多體動力學方法仿真轉向開關自動回位動態特性的有效性，表明通過仿真預測轉向組合開關的自動回位特性可行.仿真結果表明回位環以任何速度驅動開關自動回位時，手柄均會越過零位產生振蕩.回位環驅動轉速越大，手柄的反向旋轉角度越大，通過零位時的角速度越大，振蕩時間越長.為滿足開關在回位環驅動轉速為0且完全自由回位過程中反向功能無接通的要求，根據仿真結果可以確定，左向變道信號最小臨界接通角度為4.06°，右向變道信號最小臨界接通角度為5.08°.

當轉向開關自動回位過程回位環驅動速度的要求發生變化時，可以基于多體動力學分析方法對回位環施加要求的驅動轉速，從而對轉向開關自回位過程中反向旋轉角度進行預估，進而調整轉向開關的最小臨界接通角度，保證在要求的回位驅動轉速條件下，轉向開關自回位過程中反向功能不會接通.

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（編輯于杰）