基于ADAMS/View的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

章娟麗

（簡(jiǎn)式國(guó)際汽車設(shè)計(jì)（北京）有限公司，北京 102206）

前言

在汽車轉(zhuǎn)向過程中，轉(zhuǎn)向力矩的波動(dòng)直接影響著駕駛的舒適性和平順性[1]。在對(duì)汽車轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)進(jìn)行布置時(shí)，需要考慮如何對(duì)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸進(jìn)行布置，合理設(shè)定主從動(dòng)軸間的夾角以及萬向節(jié)叉的相位角，以減小力矩波動(dòng)的問題。

1 雙十字軸萬向節(jié)等速條件

汽車轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)由方向盤到轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的一系列零部件組成，如圖1所示，包括方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸、上萬向節(jié)、下萬向節(jié)和轉(zhuǎn)向器等。

汽車轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的上下端各有一個(gè)十字軸式剛性萬向節(jié)，能在實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸角度變化的同時(shí)傳遞轉(zhuǎn)力矩，是汽車轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)中不可缺少的機(jī)械部件。單個(gè)萬向節(jié)傳動(dòng)在主從動(dòng)軸之間存在夾角時(shí)具有不等速性，雙十字軸萬向節(jié)合理布置可以相互抵消單個(gè)萬向節(jié)引起的不等速效應(yīng)。

雙十字軸萬向節(jié)等速的條件是：

1）第一萬向節(jié)兩軸間夾角與第二萬向節(jié)兩軸間夾角相等。

2）第一萬向節(jié)的從動(dòng)叉與第二萬向節(jié)的主動(dòng)叉處于同一平面內(nèi)。[2]

汽車駕駛艙內(nèi)空間有限，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件需要和其他系統(tǒng)零部件避免干涉，必須從人機(jī)工程等方面綜合考慮各零部件的布置，致使轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)中間軸和主從動(dòng)軸軸線不在同一平面內(nèi)，難以滿足上述兩個(gè)條件，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)仍然有力矩波動(dòng)。因此，需要對(duì)轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以通過優(yōu)化空間軸系夾角的方法來減小力矩波動(dòng)，在轉(zhuǎn)向管柱及傳動(dòng)軸的交點(diǎn)確定以后，還可以通過優(yōu)化轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸兩端十字軸萬向節(jié)叉之間相位角來減小力矩波動(dòng)[3]。

圖1 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置圖

2 雙十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在ADAMS/View中建立參數(shù)化的汽車轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)雙十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真優(yōu)化分析模型，如圖2所示，由轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸和轉(zhuǎn)向器輸入軸組成，包括兩個(gè)萬向節(jié)、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)副和一個(gè)驅(qū)動(dòng)副。

模型的輸入?yún)?shù)同時(shí)也是優(yōu)化分析的設(shè)計(jì)變量為轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)布置的硬點(diǎn)坐標(biāo)及轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸上下萬向節(jié)叉相位角，優(yōu)化目標(biāo)為轉(zhuǎn)向器輸入軸的轉(zhuǎn)速波動(dòng)量也就是轉(zhuǎn)向力矩的波動(dòng)量達(dá)到最小值。

圖2 ADAMS/View雙十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動(dòng)優(yōu)化實(shí)例

某車型為國(guó)內(nèi)自主品牌的純電動(dòng)車型，底盤為全新開發(fā)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸和轉(zhuǎn)向器位置根據(jù)駕駛室內(nèi)儀表臺(tái)等其他零部件位置，以及汽車高速行駛的安全性，轉(zhuǎn)向輕便、靈活及減輕駕駛員疲勞的需求進(jìn)行布置及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 初始布置方案仿真分析

轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)的初始布置方案硬點(diǎn)坐標(biāo)見表 1，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸上下萬向節(jié)叉相位角為0°。

表1 初始布置方案硬點(diǎn)坐標(biāo)

將初始布置方案的硬點(diǎn)坐標(biāo)和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸上下萬向節(jié)叉相位角輸入ADAMS/View雙十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過驅(qū)動(dòng)副仿真模擬方向盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)角速度為 100°/s，分析轉(zhuǎn)向器輸入軸角速度波動(dòng)情況，如圖3所示。

圖3 初始布置方案轉(zhuǎn)向器輸入軸角速度時(shí)間變化曲線

由圖3中可知，當(dāng)方向盤以100°/s勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向器輸入軸角速度出現(xiàn)了波動(dòng)，轉(zhuǎn)向器輸入軸角速度最大值為107.7°/s，最小值為92.9°/s，最大波動(dòng)量為7.7%，大于設(shè)計(jì)目標(biāo)值5%，必須進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化仿真分析

根據(jù)轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)空間布置要求，方向盤和轉(zhuǎn)向器位置保持不變，只有轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸上萬向節(jié)可以沿轉(zhuǎn)向管柱軸向移動(dòng)，所以可以優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量為轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸萬向節(jié)叉相位角以及轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸上萬向節(jié)中心點(diǎn)的X和Z向坐標(biāo)，具體優(yōu)化變量的變動(dòng)范圍根據(jù)空間布置確定，見表2所示，其他硬點(diǎn)坐標(biāo)值保持不變。優(yōu)化目標(biāo)為轉(zhuǎn)向器輸入軸角速度波動(dòng)量最小。

表2 優(yōu)化變量變動(dòng)范圍

表3 轉(zhuǎn)向軸布置優(yōu)化方案硬點(diǎn)坐標(biāo)

使用ADAMS/View的優(yōu)化設(shè)計(jì)工具進(jìn)行優(yōu)化仿真，得到優(yōu)化后的轉(zhuǎn)向軸布置方案硬點(diǎn)參數(shù)見表3所示，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸萬向節(jié)叉相位角調(diào)整為55°。

優(yōu)化布置方案對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向器輸入軸角速度波動(dòng)情況如圖 4所示。

圖4 優(yōu)化布置方案轉(zhuǎn)向器輸入軸角速度時(shí)間變化曲線

優(yōu)化布置方案轉(zhuǎn)向器輸入軸角速度最大值為100.3°/s，最小值為99.7°/s，力矩波動(dòng)范圍為0.997～1.003，波動(dòng)量為0.3%，小于 5%，可見優(yōu)化后的方案將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力矩波動(dòng)控制在了允許的范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求，并且優(yōu)化效果非常理想。

4 結(jié)論

本文在 ADAMS/View中建立了參數(shù)化的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)雙十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真優(yōu)化分析模型，基于建立的仿真優(yōu)化分析模型對(duì)某車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力矩波動(dòng)進(jìn)行了仿真分析并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后力矩波動(dòng)由7.7%減小到0.3%，優(yōu)化效果非常明顯。

由于所建立的模型為參數(shù)化模型，適用于各種車型，其通用性好，能夠指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員合理布置汽車轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)位置及轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的萬向節(jié)叉相位角，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值，可作為實(shí)際車型設(shè)計(jì)開發(fā)中優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 倪長(zhǎng)明,許南紹,朱文.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真分析[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)）,2009,23（9）:20-24.

[2] 吉林大學(xué)汽車工程系.汽車構(gòu)造（下冊(cè)）第五版[M].北京:人民交通出版社,2006.

[3] 裴錦華,李明.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動(dòng)的匹配研究[J].汽車科技,2010,（3）:48-51.