基于CATIA的商用車等效轉向阻力矩計算方法

劉海賓　龐建中　王理然　宋建新　王京　劉海柱

摘 要：基于CATIA軟件建立車輛三維骨架模型，通過DMU運動學仿真的傳感器監測功能，測量出相應零部件的角速度和線速度，再基于等效力距的概念（即：瞬時功率與實際作用在機械上的所有外力和力矩的瞬時功率之和相等），通過EXCEL軟件的函數功能，計算出車輛任意轉角下轉向機輸出端的等效阻力距，為車輛對轉向機及轉向助力油缸的選型提供高效準確的參考。

關鍵詞：CATIA 等效力矩 轉向系統 運動動力學 DMU運動仿真

CATIA-based Calculation Method for Equivalent Steering Resistance Torque of Commercial Vehicles

Liu Haibin Pang Jianzhong Wang Liran Song Jianxin Wang Jing Liu Haizhu

Abstract：Based on the CATIA software， a three-dimensional vehicle skeleton model is established. Through the sensor monitoring function of DMU kinematics simulation， the angular velocity and linear velocity of the corresponding parts are measured， and then based on the concept of equal distance （ie： instantaneous power and actual effect on the machine， the sum of the instantaneous power of all external forces and moments is equal）， through the function function of EXCEL software， the equivalent resistance distance at the output end of the steering gear at any turning angle of the vehicle is calculated， which provides reference for the efficient and accurate selection of the steering gear and steering cylinder.

Key words：CATIA， equal moment of force， steering system， motion dynamics， DMU motion simulation

1 CATIA軟件建立三維骨架模型

將方向盤、轉向軸、轉向垂臂、轉向拉桿、轉向中間搖臂、轉向助力油缸、車橋、板簧和輪胎等零部件簡化成幾何元素（點、線和面）的組合，通過CATIA軟件建立車輛的三維骨架模型（見圖1）。

2 通過DMU模塊進行運動動力學仿真

為了進行運動動力學仿真，我們需通過DMU模塊建立運動機構并進行接合約束（其中包括旋轉結合、圓柱結合、球面結合和通用結合），保證整車運動機構帶有命名時的自由度DOF為零后建立法線公式，在“速度和加速度”板塊下對轉向垂臂和所有輪胎建立角速度傳感器監測，如果有助力油缸同時需要建立助力油缸伸縮軸線速度傳感器監測（見圖2）。

3 傳感器生成堆棧數據并導入EXCEL表格

通過法則曲線進行模擬，使用“激活傳感器”功能監測轉向垂臂和所有輪胎的瞬時角速度以及助力油缸伸縮軸的線速度。將車輛輪胎右極限位置轉至左極限位置的全過程模擬仿真一遍并形成堆棧數據（見圖3）。

4 基于等效力距的概念計算出車輛任意轉角下轉向機輸出端的等效阻力距

首先，按照汽車設計理論，輪胎在停車轉向時的轉向阻力距可以利用如下公式計算：

（1）

其中，TZ是一個輪胎的停車轉向阻力距，N·m;μ是輪胎和路面間的滑動摩擦系數，一般取μ=1.0;Gt是作用在一個輪胎上的垂直負荷，N;p是輪胎氣壓，Pa。因此，可以計算出每個輪胎的轉向阻力距。

其次，等效力距的瞬時功率與實際作用在機械上的所有外力和力矩的瞬時功率之和相等。應用這個概念可以簡化單自由度機構的運動動力學問題。而機構由多個構件組成，每個構件的運動狀況又不通，求解整個機構的運動比較復雜，把單自由度機構簡化為一個構件，問題就大大簡化了，這就是等效動力學模型。

基于等效力矩的概念，可以計算出輪胎原地轉向時等效阻力距的瞬時功率，它等于原地轉向時所需轉向機的瞬時功率與助力缸最大工作壓力下輸出瞬時功率之和，因此，可以計算出轉向時所需轉向機的瞬時功率，再由已知的轉向機輸出端角速度（即：垂臂角速度）可以計算出原地轉向所需轉向機的輸出扭矩（見圖4）。以上計算過程均較為簡單，都可以通過EXCEL表格編輯函數來實現，這里就不再贅述，計算結果（見表1）。

5 結論

本文通過CATIA和EXCEL軟件結合的方法，減小設計人員的計算量，提高工作效率，基于機械能守恒定律的全新算法提高計算結果的準確度。最后，可以讓設計人員對車輛原地轉向所需轉向機的輸出扭矩有了直觀的感性認識。

參考文獻：

[1]王望予主編，汽車設計（第四版）[M]，機械工業出版社，2004.8.

[2]王宵鋒，汽車底盤設計（第二版）[M]，清華大學出版社，2018.

[3]于靖軍主編，機械原理[M]，機械工業出版社，2013.8.