基于DOE方法的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)靈敏度分析

姬鵬，李小龍

（河北工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

0 引 言

在研發(fā)和制造的過程中，潛在的輸入變量的數(shù)目往往很大。靈敏度分析就是通過確定關(guān)鍵輸入變量來減少整體輸入變量的數(shù)目，從而將精力集中在那些較為重要的變量上。

試驗設(shè)計（Design of Experiments）是靈敏度分析中的重要方法，作為一種安排實驗和分析實驗數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計方法，它能根據(jù)不同類型實驗的實際需求來進(jìn)行設(shè)計，最終達(dá)到以最低成本來獲得最高收益的目的。

由于制造汽車實際模型和修改參數(shù)是一個耗時又昂貴的過程，因此用ADAMS/Car 建立一個虛擬模型將是個不錯的選擇。通過ADAMS/Car 專業(yè)的仿真環(huán)境，汽車工程師們可以準(zhǔn)確地模擬他們所設(shè)計的整車在真實世界中的各種行為。

本文通過穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗和轉(zhuǎn)向盤角階躍試驗得到了一些車輛常用的操縱評價特性，并將各個特性都設(shè)定為一個單目標(biāo)函數(shù)，利用單一分析的方法來獲取相對重要的系統(tǒng)參數(shù)。

圖1 整車仿真模型

1 ADAMS 模型的建立與驗證

ADAMS/Car 專業(yè)的仿真環(huán)境能夠讓汽車工程師創(chuàng)建一個完整的汽車虛擬樣機(jī)，包括底盤、發(fā)動機(jī)和車身等。本文運用ADAMS/Car建立整車的虛擬模型，如圖1。該車為前輪驅(qū)動汽車，采用麥弗遜式前懸架，后扭轉(zhuǎn)梁式后懸架，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，四輪盤式制動系統(tǒng)。其中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)考慮了扭力桿剛度和綜合干摩擦等因素。

模型各參數(shù)如表1 所示。

由穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗得到了圖2、圖3、圖4 三種關(guān)系曲線，圖中虛線和實線分別代表仿真結(jié)果和路試結(jié)果，二者基本吻合，該模型的有效性得以驗證。

表1 整車仿真參數(shù)表

圖2 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與側(cè)向加速度關(guān)系

圖3 側(cè)傾角與側(cè)向加速度關(guān)系

圖4 轉(zhuǎn)向盤力矩與側(cè)向加速度關(guān)系

2 靈敏度分析方法

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中進(jìn)行靈敏度分析的15 個參數(shù)包括襯套剛度、轉(zhuǎn)向阻尼、轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向比、轉(zhuǎn)向橫拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂結(jié)點的位置等，如表2。分別將各參數(shù)以字母A、B、C 等表示，在仿真過程中通過改變參數(shù)的數(shù)值來觀察各參數(shù)對車輛性能的影響。

表2 各參數(shù)及改變量

3 靈敏度分析結(jié)果

圖5～圖12 表示參數(shù)A～P 對車輛不同性能的影響程度。

由此可以得到一些車輛常用的操縱評價特性，其中通過穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗可以得到不足轉(zhuǎn)向度、轉(zhuǎn)向盤扭矩、轉(zhuǎn)向靈敏度；轉(zhuǎn)向盤角階躍試驗可以得到側(cè)傾角超調(diào)量等，如圖8～圖12。

圖5 A～P 對不足轉(zhuǎn)向度影響

圖6 A～P 對轉(zhuǎn)向力影響

由結(jié)果可知，轉(zhuǎn)向橫拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂結(jié)點的位置很重要。這是一個可以預(yù)見的結(jié)果，因為改變結(jié)點位置可以改變轉(zhuǎn)向比，也可以改變車輛的側(cè)傾轉(zhuǎn)向。

圖8 A～P 對側(cè)傾角超調(diào)量影響

圖9 A～P 對橫擺角速度峰值響應(yīng)時間影響

圖10 A～P 對橫擺角速度超調(diào)量影響

圖11 A～P 對側(cè)向加速度峰值響應(yīng)時間影響

圖12 A～P 對側(cè)向加速度超調(diào)量影響

改變轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向比就直接改變了轉(zhuǎn)向比，其重要性顯而易見。

由于改變轉(zhuǎn)向管柱與中間軸夾角和中間軸與轉(zhuǎn)向軸夾角能改變轉(zhuǎn)向比，因此改變這兩個角度也可以影響轉(zhuǎn)向力、轉(zhuǎn)向靈敏度等上述響應(yīng)，得到的結(jié)果與分析一致。

4 結(jié) 論

本文建立了包含所有部件的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并嵌入到整車模型中進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗和轉(zhuǎn)向盤角階躍試驗，結(jié)果表明，上述15 個參數(shù)中只有6 個在目標(biāo)函數(shù)中起主要作用。這6 個參數(shù)包括：轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)臂結(jié)點的x、y、z 3 個方向分量，轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向比，轉(zhuǎn)向管柱與中間軸夾角，中間軸與轉(zhuǎn)向軸夾角。在對車輛進(jìn)行性能設(shè)計時應(yīng)抓住主要影響因素，兼顧次要影響因素，合理地進(jìn)行設(shè)計匹配。

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