基于CATIA的商用車等效轉(zhuǎn)向阻力矩計(jì)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(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的傳感器監(jiān)測功能，測量出相應(yīng)零部件的角速度和線速度，再基于等效力距的概念（即：瞬時(shí)功率與實(shí)際作用在機(jī)械上的所有外力和力矩的瞬時(shí)功率之和相等），通過EXCEL軟件的函數(shù)功能，計(jì)算出車輛任意轉(zhuǎn)角下轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端的等效阻力距，為車輛對轉(zhuǎn)向機(jī)及轉(zhuǎn)向助力油缸的選型提供高效準(zhǔn)確的參考。

關(guān)鍵詞：CATIA 等效力矩 轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué) DMU運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向垂臂、轉(zhuǎn)向拉桿、轉(zhuǎn)向中間搖臂、轉(zhuǎn)向助力油缸、車橋、板簧和輪胎等零部件簡化成幾何元素（點(diǎn)、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(jìn)行運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)仿真

為了進(jìn)行運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)仿真，我們需通過DMU模塊建立運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)并進(jìn)行接合約束（其中包括旋轉(zhuǎn)結(jié)合、圓柱結(jié)合、球面結(jié)合和通用結(jié)合），保證整車運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶有命名時(shí)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(zhuǎn)向垂臂和所有輪胎建立角速度傳感器監(jiān)測，如果有助力油缸同時(shí)需要建立助力油缸伸縮軸線速度傳感器監(jiān)測（見圖2）。

3 傳感器生成堆棧數(shù)據(jù)并導(dǎo)入EXCEL表格

通過法則曲線進(jìn)行模擬，使用“激活傳感器”功能監(jiān)測轉(zhuǎn)向垂臂和所有輪胎的瞬時(shí)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(zhuǎn)至左極限位置的全過程模擬仿真一遍并形成堆棧數(shù)據(jù)（見圖3）。

4 基于等效力距的概念計(jì)算出車輛任意轉(zhuǎn)角下轉(zhuǎn)向機(jī)輸出端的等效阻力距

首先，按照汽車設(shè)計(jì)理論，輪胎在停車轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向阻力距可以利用如下公式計(jì)算：

（1）

其中，TZ是一個(gè)輪胎的停車轉(zhuǎn)向阻力距，N·m;μ是輪胎和路面間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，一般取μ=1.0;Gt是作用在一個(gè)輪胎上的垂直負(fù)荷，N;p是輪胎氣壓，Pa。因此，可以計(jì)算出每個(gè)輪胎的轉(zhuǎn)向阻力距。

其次，等效力距的瞬時(shí)功率與實(shí)際作用在機(jī)械上的所有外力和力矩的瞬時(shí)功率之和相等。應(yīng)用這個(gè)概念可以簡化單自由度機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)問題。而機(jī)構(gòu)由多個(gè)構(gòu)件組成，每個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)狀況又不通，求解整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，把單自由度機(jī)構(gòu)簡化為一個(gè)構(gòu)件，問題就大大簡化了，這就是等效動(dòng)力學(xué)模型。

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

5 結(jié)論

本文通過CATIA和EXCEL軟件結(jié)合的方法，減小設(shè)計(jì)人員的計(jì)算量，提高工作效率，基于機(jī)械能守恒定律的全新算法提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。最后，可以讓設(shè)計(jì)人員對車輛原地轉(zhuǎn)向所需轉(zhuǎn)向機(jī)的輸出扭矩有了直觀的感性認(rèn)識。

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