基于Catia的轉(zhuǎn)向力矩波動(dòng)仿真及相位角設(shè)計(jì)

劉忠偵，莊英武，宋俊良，姜旭春

基于Catia的轉(zhuǎn)向力矩波動(dòng)仿真及相位角設(shè)計(jì)

劉忠偵，莊英武，宋俊良，姜旭春

（恒大恒馳新能源汽車(chē)研究院（上海）有限公司，上海 201600）

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能作為整車(chē)性能的一部分，是駕駛?cè)藛T最直接、最容易感受的屬性，但力矩波動(dòng)又是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能重要的因子，它直接影響駕駛員對(duì)車(chē)輛的感覺(jué)，因此解決好力矩波動(dòng)非常關(guān)鍵。同時(shí)，力矩波動(dòng)波峰波谷所處位置，對(duì)駕駛感也是特別重要的評(píng)價(jià)因素。文章闡述了力矩波動(dòng)的計(jì)算方法及Catia仿真，并介紹如何設(shè)定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相位角。

轉(zhuǎn)向管柱；中間軸；相位角；力矩波動(dòng)；Catia

前言

中間軸作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的基本部件，它起著將轉(zhuǎn)向管柱力矩傳遞給轉(zhuǎn)向器的橋梁作用，而中間軸一般采用雙十字軸萬(wàn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)[1]。由于中間軸采用十字軸萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)，為非等速傳動(dòng)，因此會(huì)產(chǎn)生傳動(dòng)力矩波動(dòng)。該波動(dòng)影響駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主觀感覺(jué)，引起駕駛員的不舒適和疲勞，給駕駛帶來(lái)潛在危險(xiǎn)[2]，也影響著傳動(dòng)部件的壽命。特別地，如果該力矩波動(dòng)在轉(zhuǎn)向盤(pán)中心位置左右不對(duì)稱(chēng)，將嚴(yán)重影響駕駛員的駕駛感，如圖1所示曲線。因此，前期轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)，需規(guī)避這種問(wèn)題，將力矩波動(dòng)控制在一定范圍內(nèi)，并通過(guò)中間軸相位角的布置，使力矩波動(dòng)的波谷置于舒適位置。

對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動(dòng)的研究，在不少資料都有體現(xiàn)，方法手段也各有差異，有的采用Adams，有的采用Matlab。但采用此兩個(gè)軟件分析，不能很好地對(duì)相位角進(jìn)行調(diào)整布置。隨著企業(yè)越來(lái)越普及Catia，利用Catia對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行力矩波動(dòng)分析將非常便利。

本文介紹Catia作為力矩波動(dòng)分析手段，及對(duì)比其分析的可信度，并介紹如何調(diào)整中間軸十字軸萬(wàn)向節(jié)布置，使力矩波動(dòng)波谷處于轉(zhuǎn)向盤(pán)中心位置。

圖1 力矩波動(dòng)曲線

1 力矩波動(dòng)的理論計(jì)算[2]

轉(zhuǎn)向管柱帶中間軸一般為三段式結(jié)構(gòu)。為保證傳動(dòng)平滑，必須給中間軸賦予一定的相位角。在評(píng)價(jià)中間軸相位角時(shí)，我們可以這樣考慮：當(dāng)其等效夾角取得最小值的時(shí)候，設(shè)定的中間軸相位角是最優(yōu)的相位角（中間軸下端的十字叉相對(duì)中間軸上端的十字叉順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)角度ψ，觀察方向從駕駛室端至轉(zhuǎn)向器），下面按照等效夾角計(jì)算力矩波動(dòng)情況。

根據(jù)瞬時(shí)功率相等條件，從動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩為[3]：

T2＝T1*[ (1－sin2βe cos21)/cosβe] （1）

式中：βe --等效夾角；1--輸入軸轉(zhuǎn)角；T2--輸出轉(zhuǎn)矩；T1--輸入轉(zhuǎn)矩

①當(dāng)1＝90°和270°時(shí)，從動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值：T2max＝T1/cosβe

②當(dāng)1＝0°和180°時(shí)，從動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩達(dá)到最小值：T2min＝T1*cosβe

因此整個(gè)管柱的力矩波動(dòng)范圍為：（cosβe-1）～（1/cosβe-1）。

其中，對(duì)于多段式的空間布置的傳動(dòng)軸，考慮相鄰軸的計(jì)算，可按照下列公式求得相鄰三段軸的等效夾角[4]：

βe2=((β12-β22cos (2(α+ψ)))2+

β24sin2(2(α+ψ)))1/2（2）

α——輸入軸和中間軸所在平面與中間軸和輸出軸所在平面的夾角；

1——為管柱與中間軸夾角；

2——為中間軸與轉(zhuǎn)向器輸入軸夾角；

ψ——中間軸下端連接叉的相位角。

因此，三段式傳動(dòng)軸可以等效為兩段式傳動(dòng)形式，則力矩波動(dòng)W：

2 Catia力矩波動(dòng)仿真

CATIA是法國(guó)達(dá)索公司開(kāi)發(fā)的旗艦產(chǎn)品。作為PLM協(xié)同解決方案的一個(gè)重要組成部分，它可以通過(guò)建模協(xié)助設(shè)計(jì)概念產(chǎn)品，并支持從項(xiàng)目前階段、具體的設(shè)計(jì)、分析、模擬、組裝到維護(hù)在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計(jì)流程。它在汽車(chē)領(lǐng)域被廣泛、普遍運(yùn)用。本文用Catia V5中DMU模塊對(duì)本主題進(jìn)行分析。

為了敘述方便，本文將轉(zhuǎn)向管柱外部部件簡(jiǎn)化，只保留了轉(zhuǎn)向柱芯軸、中間軸總成部分，如圖2所示。

1. 轉(zhuǎn)向柱芯軸；2.上節(jié)叉；3.十字軸I；4.中間軸及節(jié)叉I；5. 中間軸及節(jié)叉II；6.十字軸II；7.輸入軸及節(jié)叉P0為管柱上端點(diǎn)；P1為管柱與中間軸連接十字軸中心點(diǎn)；P2為中間軸與轉(zhuǎn)向器輸入軸連接十字軸中心點(diǎn)；P3為輸入軸線任意一點(diǎn)

運(yùn)動(dòng)副設(shè)定：

為了方便后續(xù)處理約束，需設(shè)置兩個(gè)虛擬地面做部件，可命名為“Upper Ground”和“Lower Ground”，并裝配到Product中。

圖3 旋轉(zhuǎn)副創(chuàng)建示圖

圖4 力矩波動(dòng)曲線

將所有部件在Product下裝配完成，切換到DMU狀態(tài)。點(diǎn)擊固定圖標(biāo)，固定“Upper Ground”。點(diǎn)擊旋轉(zhuǎn)副，創(chuàng)建轉(zhuǎn)向柱芯軸1與“Upper Ground之間的旋轉(zhuǎn)副，并添加驅(qū)動(dòng)，如圖3所示。采用相同方式，用旋轉(zhuǎn)副，創(chuàng)建轉(zhuǎn)向柱芯軸1與上節(jié)叉2之間的旋轉(zhuǎn)副，為了后續(xù)調(diào)節(jié)上節(jié)叉2位置，因此本旋轉(zhuǎn)副也需添加驅(qū)動(dòng)。隨后，設(shè)定上節(jié)叉2與十字軸I、十字軸I與中間軸及節(jié)叉I、中間軸及節(jié)叉II與十字軸II、十字軸II與輸入軸及節(jié)叉、輸入軸及節(jié)叉與Lower Ground為旋轉(zhuǎn)副，無(wú)需加驅(qū)動(dòng)。中間軸及節(jié)叉I與中間軸及節(jié)叉II用移動(dòng)副約束。最后兩個(gè)虛擬地面“Upper Ground”與“Lower Ground”用固接副約束。最終運(yùn)動(dòng)副自由度為0，可以實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)動(dòng)。

3 計(jì)算分析

為了驗(yàn)證Catia力矩波動(dòng)仿真的可靠性，本文以國(guó)內(nèi)某車(chē)型轉(zhuǎn)向硬點(diǎn)為例作分析說(shuō)明，轉(zhuǎn)向硬點(diǎn)P0（2660.16，-380，1119.46），P1（2253.30，-380，925.33），P2（2068.9，-366.23，753.27），P3（1975.2，-340.24，639.38）。

3.1 力矩波動(dòng)理論計(jì)算分析

根據(jù)式（2）、（3），可運(yùn)用Matlab編程計(jì)算力矩波動(dòng)，也可利用office中excel的強(qiáng)大計(jì)算，編制計(jì)算器。本文即利用excel做計(jì)算器，計(jì)算結(jié)果如圖4示。

計(jì)算結(jié)果力矩波動(dòng)為：-3.23%～3.33%，滿(mǎn)足小于5%的要求。

3.2 Catia DMU仿真分析

根據(jù)上文設(shè)置完成的約束副，點(diǎn)擊模擬命令圖標(biāo)，仿真命令設(shè)置如圖5所示。點(diǎn)擊激活傳感器，彈出傳感器界面，選擇旋轉(zhuǎn)副1和8作為觀察對(duì)象。運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)束后，輸出excel文件，處理得到波動(dòng)曲線。其中波動(dòng)需做計(jì)算處理：w=(1-Δθ輸入/Δθ輸出)/2，部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖6所示。

圖5 運(yùn)動(dòng)仿真命令設(shè)置示圖

圖6 波動(dòng)部分?jǐn)?shù)據(jù)

仿真結(jié)果如圖7所示，波動(dòng)為：-3.13%～2.94%，但初始位置力矩波動(dòng)的波谷偏離方向盤(pán)中心位置。

圖7 力矩波動(dòng)曲線

3.3 理論計(jì)算與Catia仿真結(jié)果對(duì)比分析

由理論計(jì)算和Catia仿真結(jié)果對(duì)比可知，兩者差異很小，如圖8對(duì)比曲線，說(shuō)明兩者均可作為計(jì)算轉(zhuǎn)向力矩波動(dòng)的一種方法。

力矩波動(dòng)如果超過(guò)5%，則會(huì)影響駕駛感。轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)時(shí)，有忽輕忽重感。因此，如果沒(méi)有滿(mǎn)足小于5%的波動(dòng)范圍，則需重新優(yōu)化轉(zhuǎn)向硬點(diǎn)，直至波動(dòng)小于5%為止。

圖8 力矩波動(dòng)對(duì)比圖

3.4 相位角的設(shè)計(jì)布置

為了使力矩波動(dòng)最小，除了對(duì)轉(zhuǎn)向硬點(diǎn)布置優(yōu)化，相位角的設(shè)計(jì)也非常關(guān)鍵。根據(jù)計(jì)算公式（1）、（2）可知，當(dāng)α+ψ=0°或α+ψ=180°時(shí)，βe取得最小，力矩波動(dòng)也最小。因此我們可以從理論計(jì)算方法得到相位角ψ值。

通過(guò)上文對(duì)力矩波動(dòng)的理論計(jì)算和Catia仿真，如果波動(dòng)曲線滿(mǎn)足小于5%的要求，則可進(jìn)一步對(duì)波動(dòng)曲線優(yōu)化，讓曲線的波谷處于方向盤(pán)中心位置，使駕駛員左或右打轉(zhuǎn)向，有力的梯度感，而不能出現(xiàn)左輕右重或者左重右輕，不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象。這也是為什么要將力矩波動(dòng)波谷設(shè)定在方向盤(pán)中心位置，而不是波峰或曲線其它位置點(diǎn)作為方向盤(pán)中心位置的原因。

Catia DMU仿真的可視化，使得觀察和調(diào)整中間軸節(jié)叉及相位角的布置非常方便。本文通過(guò)調(diào)整節(jié)叉2的布置（但維持相位角不變），使力矩波動(dòng)曲線相應(yīng)地調(diào)整到我們需要的位置。如圖9所示，調(diào)整命令2按鍵，即可使波動(dòng)曲線的波谷調(diào)整到中心位置（調(diào)整的數(shù)值根據(jù)波谷時(shí)實(shí)際偏離0點(diǎn)的角度，這個(gè)數(shù)據(jù)可以從仿真導(dǎo)出的結(jié)果中讀取）。

圖9 調(diào)整角度命令圖

圖10 調(diào)整角度后曲線

中間軸上節(jié)叉2調(diào)整相對(duì)管柱角度布置后，力矩波動(dòng)的波谷調(diào)整到了“0”點(diǎn)位置，即方向盤(pán)中心位置，如圖10所示（由于本案例初始中間位置波谷距離中心位置很近，因此調(diào)整角度很小）。

4 總結(jié)

本文介紹了轉(zhuǎn)向管柱力矩波動(dòng)的理論計(jì)算方法，同時(shí)也詳細(xì)介紹了Catia DMU約束副的設(shè)定、仿真以及仿真結(jié)果的輸出。通過(guò)對(duì)比分析理論計(jì)算和仿真的結(jié)果，說(shuō)明了兩個(gè)方法的正確性。但實(shí)際工作中，為了提高工作效率，減少數(shù)模修改，一般先采用理論計(jì)算的方式分析力矩波動(dòng)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)、優(yōu)化轉(zhuǎn)向硬點(diǎn)，待力矩波動(dòng)滿(mǎn)足要求后，鎖定轉(zhuǎn)向硬點(diǎn)，即可進(jìn)行細(xì)化數(shù)模工作，并利用DMU仿真指導(dǎo)調(diào)整中間軸相位角布置，使力矩波動(dòng)波谷處于方向盤(pán)左右對(duì)稱(chēng)位置。

[1] 劉惟信.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].北京.清華大學(xué)出版社.2001.

[2] 裴錦華.汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動(dòng)的匹配研究[J].汽車(chē)科技,2010.

[3] 王宵鋒.汽車(chē)底盤(pán)設(shè)計(jì)[M].北京.清華大學(xué)出版社.2010.

[4] 高新華等.基于代理模型的轎車(chē)轉(zhuǎn)向柱力矩波動(dòng)關(guān)系研究與優(yōu)化[J].數(shù)字化設(shè)計(jì),2008.

The torque fluctuation of steering system base on Catia simulation and phase angle design

Liu Zhongzhen, Zhang Yingwu, Song Junliang, Jiang Xuchun

（Evergrande Heng Chi New Energy Automotive Institute (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 201600）

As a part of the vehicle performance, steering system performance is the most direct and easily felt attribute of drivers. But torque fluctuation is one of the most important steering system factors. It directly affects the driver's perception of the vehicle, so solving the torque fluctuation is very critical. At the same time, the location of the peak and trough of torque fluctuation is also an important factor to driving feeling. This paper describes the calculation method of torque fluctuation and Catia simulation, and introduces how to design the phase angle of steering system.

Steering column; Intermediate shaft; Phase angle; Torque fluctuation; Catia

U467

B

1671-7988(2019)24-82-04

U467

B

1671-7988(2019)24-82-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.027

劉忠偵（1979-），男，就職于恒大恒馳新能源汽車(chē)研究院（上海）有限公司，從事底盤(pán)轉(zhuǎn)向研究與開(kāi)發(fā)。