基于ADAMS/View的汽車轉向系統(tǒng)力矩波動優(yōu)化設計

章娟麗

（簡式國際汽車設計（北京）有限公司，北京 102206）

前言

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

1 雙十字軸萬向節(jié)等速條件

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

汽車轉向傳動軸的上下端各有一個十字軸式剛性萬向節(jié)，能在實現(xiàn)傳動軸角度變化的同時傳遞轉力矩，是汽車轉向操縱系統(tǒng)中不可缺少的機械部件。單個萬向節(jié)傳動在主從動軸之間存在夾角時具有不等速性，雙十字軸萬向節(jié)合理布置可以相互抵消單個萬向節(jié)引起的不等速效應。

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)的從動叉與第二萬向節(jié)的主動叉處于同一平面內(nèi)。[2]

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

圖1 汽車轉向系統(tǒng)布置圖

2 雙十字軸萬向節(jié)傳動運動學模型

根據(jù)汽車轉向操縱系統(tǒng)結構，在ADAMS/View中建立參數(shù)化的汽車轉向操縱系統(tǒng)雙十字軸萬向節(jié)傳動運動學仿真優(yōu)化分析模型，如圖2所示，由轉向管柱、轉向傳動軸和轉向器輸入軸組成，包括兩個萬向節(jié)、兩個旋轉副和一個驅動副。

模型的輸入?yún)?shù)同時也是優(yōu)化分析的設計變量為轉向操縱系統(tǒng)布置的硬點坐標及轉向傳動軸上下萬向節(jié)叉相位角，優(yōu)化目標為轉向器輸入軸的轉速波動量也就是轉向力矩的波動量達到最小值。

圖2 ADAMS/View雙十字軸萬向節(jié)傳動運動學模型

3 轉向系統(tǒng)力矩波動優(yōu)化實例

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

3.1 初始布置方案仿真分析

轉向操縱系統(tǒng)的初始布置方案硬點坐標見表 1，轉向傳動軸上下萬向節(jié)叉相位角為0°。

表1 初始布置方案硬點坐標

將初始布置方案的硬點坐標和轉向傳動軸上下萬向節(jié)叉相位角輸入ADAMS/View雙十字軸萬向節(jié)傳動運動學模型，通過驅動副仿真模擬方向盤勻速轉動，設角速度為 100°/s，分析轉向器輸入軸角速度波動情況，如圖3所示。

圖3 初始布置方案轉向器輸入軸角速度時間變化曲線

由圖3中可知，當方向盤以100°/s勻速轉動時，轉向器輸入軸角速度出現(xiàn)了波動，轉向器輸入軸角速度最大值為107.7°/s，最小值為92.9°/s，最大波動量為7.7%，大于設計目標值5%，必須進行優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化仿真分析

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

表2 優(yōu)化變量變動范圍

表3 轉向軸布置優(yōu)化方案硬點坐標

使用ADAMS/View的優(yōu)化設計工具進行優(yōu)化仿真，得到優(yōu)化后的轉向軸布置方案硬點參數(shù)見表3所示，轉向傳動軸萬向節(jié)叉相位角調(diào)整為55°。

優(yōu)化布置方案對應轉向器輸入軸角速度波動情況如圖 4所示。

圖4 優(yōu)化布置方案轉向器輸入軸角速度時間變化曲線

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

4 結論

本文在 ADAMS/View中建立了參數(shù)化的汽車轉向系統(tǒng)雙十字軸萬向節(jié)傳動運動學仿真優(yōu)化分析模型，基于建立的仿真優(yōu)化分析模型對某車型轉向系統(tǒng)的力矩波動進行了仿真分析并進行了優(yōu)化設計，優(yōu)化后力矩波動由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，能夠指導設計人員合理布置汽車轉向操縱系統(tǒng)位置及轉向傳動軸的萬向節(jié)叉相位角，對轉向系統(tǒng)的優(yōu)化設計有一定的參考價值，可作為實際車型設計開發(fā)中優(yōu)化設計的技術依據(jù)。

參考文獻

[1] 倪長明,許南紹,朱文.汽車轉向系統(tǒng)十字軸萬向節(jié)傳動優(yōu)化設計及運動仿真分析[J].重慶工學院學報（自然科學）,2009,23（9）:20-24.

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

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