基于ADAMS的三十字軸萬向節轉向系統力矩波動優化

杜滿勝，鄭勇

基于ADAMS的三十字軸萬向節轉向系統力矩波動優化

杜滿勝，鄭勇

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330052）

汽車轉向系統的力矩波動是影響整車操縱性的重要因素之一。由于受到人機、布置、碰撞安全、裝配等限制，轉向系統的力矩波動率難于保證。文章基于MATLAB和ADAMS軟件對某車型的三十字軸萬向節轉向系統進行了力矩波動分析，通過對相位角的優化，降低該車型轉向系統的力矩波動率，提高整車操作性能。

轉向系統；三十字軸萬向節；力矩波動;ADAMS

前言

汽車行業伴隨著人們對高品質的駕駛追求而發展迅速，汽車的操縱性能是最能被用戶感知的一環，是用戶評價整車品質的關鍵指標。汽車轉向系統的力矩波動即是影響整車操縱性的因素之一[1]。因人機、布置、碰撞安全、裝配等限制，轉向管柱通常分為三段或四段式，本文的研究對象為四段式轉向管柱，其段與段之間用十字軸萬向節聯接，共三個十字軸萬向節。而十字軸萬向節要實現完全等速傳動對布置要求極為嚴格，更何況三個十字軸萬向節。因此，有必要分析影響十字軸萬向節力矩波動的參數并提出分析方法以優化轉向系統的力矩波動率改善整車操縱性能。

1 十字軸萬向節傳動理論

1.1 單十字軸萬向節

由單十字軸萬向節連接的主、從動軸的角速度1、2有如下關系：[2]

式中：1為AO與BO的夾角，1為主動軸AO轉角

由式（1）可知，只有當為0時，主、從動軸的轉速才相等，只要不為0，輸出軸一定會產生角速度波動。

圖1 單十字軸萬向節連接

1.2 雙十字軸萬向節

為了避免輸出軸轉速波動，工程中常采用雙十字軸萬向節轉向管柱，這種轉向管柱分三段：即輸出軸、中間軸、輸入軸；由于受空間限制，三軸布置無法共面。欲實現等速傳動，須同時符合兩個條件[3,4]：1、輸入軸與中間軸的夾角1同輸出軸與中間軸的夾角2相等；2、中間軸兩端十字軸萬向節存在一相位角，其大小等于輸入軸和中間軸形成的平面與輸出軸和中間軸形成的平面的夾角。由十字軸傳動關系[5]可知：輸出軸與中間軸的轉速存在如下關系：

圖2 雙十字軸萬向節轉向管柱

式中，2為中間軸與輸出軸夾角，2為中間軸轉角，1為十字軸萬向節1與2的相位角。

1.3 三十字軸萬向節

圖3 三十字軸萬向節轉向管柱

根據式（1）（2），同理得：

根據式（1）（2）（3）得：

2 三十字軸萬向節轉向管柱力矩波動優化

2.1 在不考慮十字軸萬向節的傳動損失時[2]，輸入軸與輸出軸力矩滿足以下關系式：

由式（6）可知轉向系統的力矩波動可以用轉速波動來表示。

2.2 某車型參數

某車型三十字軸萬向節轉向管柱硬點數據如表1：

表1 轉向管柱硬點坐標及參數

表1中A、B、C、D、E分別表示方向盤中心點、十字軸萬向節1中心點、十字軸萬向節2中心點、十字軸萬向節3中心點、輸出軸軸線上一點。

2.3 數學模型分析

進行Adams運動學仿真除各硬點參數外，還必須建立十字軸模型，確定各軸與十字軸的運動副所在位置。分析十字軸與硬點和相位角的關系式，模型簡圖4：

圖4 三十字軸萬向節管柱簡圖

十字軸萬向節的結構特點：十字軸的兩軸互相垂直，各傳動軸與其相連的節叉垂直。根據該特點及硬點和相位角參數，利用MATLAB編程[6]計算得到十字軸各點坐標，因十字軸的對稱性，只取一半建模即可，計算結過如表2：

表2 十字軸坐標

2.4 ADAMS模型建立及仿真

根據表1和表2的參數在Adams car中以table形式建立所有的Hardpoints，連接相關Hardpoints建立各Parts，設置運動副、驅動、輸入軸轉速及仿真時間[7]。如圖5所示：

圖5 ADAMS模型

圖6 θ1=20°時的轉速波動

2.5 轉速波動優化

將初始相位角1作為設計變量，其值由20°改為25°，硬點和2保持不變，利用MATLAB得到十字軸各點坐標如下表3。

表3 相位角優化后的十字軸坐標

圖7：θ1=20°時的轉速波動

結果表明，相位角1優化后，轉速波動明顯減小，即力矩波動減小，轉向操作性能提升。

3 結論

①三十字軸萬向節連接的轉向系統的力矩波動與各軸夾角及節叉相位角有關；

②力矩波動可以等價為轉速波動；

③通過MATLAB參數化計算十字軸坐標，建立Adams模型，驗證了通過相位角可以優化力矩波動，提升車輛操作性。

[1] 裴錦華,李明.汽車轉向系統力矩波動的匹配研究[J].汽車科技2010(3).

[2] 王望予.汽車設計.北京:機械工業出版社,2004:122-123.

[3] 朱理.機械原理[M].2版.北京:高等教育出版社,2010:261-263.

[4] 倪長明,許南紹,朱文.汽車轉向系統十字軸萬向節傳動優化設計及運動仿真分析[J].重慶工學院學報,2009(9):20-24.

[5] 鄭文偉,吳克堅.機械原理[M].7版.北京高等教育出版社1997.7.

[6] 張磊.MATLAB實用教程[M].人民郵電出版社2008.

[7] 陳峰華.ADAMS虛擬樣機技術從入門到精通[M].清華大學出版社2017.

Torque Ripple Optimization of Steering System with Three-Cross Universal Joint Based on ADAMS

Du Mansheng, Zheng Yong

( Jiang Ling Motors Co., Ltd. Jiangxi Nanchang 330052 )

Torque ripple of automobile steering system is one of the important factors affecting vehicle maneuverability. Due to the limitations of man-machine, layout, collision safety and assembly, it is difficult to guarantee the torque ripple rate of steering system. In this paper, based on MATLAB and Adams software, the torque ripple of the steering system with three-Cross Universal Joint of a vehicle is analyzed. By optimizing the phase angle, the torque ripple rate of the steering system of the vehicle is reduced and the operation performance of the vehicle is improved.

Steering system; Three-Cross Universal Joint; Torque ripple; ADAMS

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.006

U462.1

B

1671-7988(2021)04-18-03

U462.1

B

1671-7988(2021)04-18-03

杜滿勝，就職于江鈴汽車股份有限公司。