1、基于ADAMS的轉(zhuǎn)向特性仿真分析（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院）摘要： 本文以齒輪齒條轉(zhuǎn)向器為研究對象，借助于ADAMS軟件對汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，完成了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模仿真過程，對提升汽車的操縱穩(wěn)定性有重要的意義。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系統(tǒng) ADAMS 穩(wěn)態(tài)響應(yīng) 瞬態(tài)響應(yīng)Abstract: Based on the software of ADAMS, this paper mainly analyses the steady response and transient response of automobile steering system, concentrating o

2、n rack and pinion steering gear. The modeling and simulation has been finished, which is of great importance to improve the control stability.Key Words: steering system ADAMS steady response transient response前言轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一套用來改變或恢復(fù)汽車行駛方向的專設(shè)機(jī)構(gòu)，其功用是保證汽車能按駕駛員的意志而進(jìn)行轉(zhuǎn)向行駛。因此，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車底盤的重要組成部分，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的好壞直接影響到汽車行駛的

3、安全性、操縱穩(wěn)定性和駕駛舒適性，它對于確保車輛的行駛安全、減少交通事故以及保護(hù)駕駛員的人身安全、改善駕駛員的工作條件起著重要作用。隨著私家車的越來越普遍，各式各樣的高中低檔轎車進(jìn)入了人們的生活中?？旃?jié)奏高效率的生活加上們對高速體驗(yàn)的不斷追求，也要求著車速的不斷提高。由于汽車保有量的增加和社會活生活汽車化而造成交通錯綜復(fù)雜，使轉(zhuǎn)向盤的操作頻率增大，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)就起到了至關(guān)重要的作用。一、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可按照轉(zhuǎn)向能源的不同分為機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩類。機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以駕駛員的體力作為轉(zhuǎn)向能源，其中所有傳力件都是機(jī)械的，主要由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)三大部分組成。如圖1.1所

4、示，當(dāng)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員對轉(zhuǎn)向盤施加一個轉(zhuǎn)向力矩。該力矩通過轉(zhuǎn)向軸輸入轉(zhuǎn)向器，再經(jīng)過轉(zhuǎn)向橫拉桿傳給固定于兩側(cè)的轉(zhuǎn)向節(jié)臂，使轉(zhuǎn)向節(jié)和它所支承的轉(zhuǎn)向輪繞主銷軸線偏轉(zhuǎn)一定角度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。動力轉(zhuǎn)向系除具有以上三大部件外，其最主要的動力來源是轉(zhuǎn)向助力裝置。由于轉(zhuǎn)向助力裝置最常用的是一套液壓系統(tǒng)，因此也就離不開泵、油管、閥、活塞和儲油罐，它們分別相當(dāng)于電路系統(tǒng)中的電池、導(dǎo)線、開關(guān)、電機(jī)和地線的作用。圖1.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的減速傳動裝置，一般有12級減速傳動副。根據(jù)傳動副的結(jié)構(gòu)形式不同，轉(zhuǎn)向器可以分為很多種類，目前在汽車上廣泛采用的有齒輪齒條式、循環(huán)球-齒條齒扇式以及循環(huán)球-曲柄指銷式等

5、幾種。本文主要基于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器進(jìn)行ADAMS建模仿真分析。圖1.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖1.2所示，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤時(shí)，可帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，這個小齒輪與一根齒條相嚙合，帶動齒條左右直線運(yùn)動，并推動轉(zhuǎn)向輪左右擺動從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡單、成本低、轉(zhuǎn)向力和路感傳遞直接，因此，現(xiàn)在轎車上基本都采用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向。二、ADAMS軟件介紹ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國機(jī)械動力公司(Mechanical Dynamics Inc.)(現(xiàn)已并入美國MSC

6、 公司)開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。ADAMS已經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。ADAMS軟件具有強(qiáng)大的建立數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者只需通過輸入可以描述系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)就可以自動進(jìn)行程序化的處理，通過這種方法創(chuàng)建系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的數(shù)學(xué)模型。通過仿真運(yùn)動，自動得到構(gòu)件的運(yùn)動規(guī)律和力學(xué)的變化關(guān)系，通過有效的數(shù)據(jù)后處理，可以運(yùn)用動畫或者圖標(biāo)、曲線等方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。ADAMS具有很多功能性的模塊。其中，ADAMS/View模塊是ADAMS核心模塊之一，這個模塊集合了多種功能，如圖形的建模、仿真計(jì)算、動畫播放、優(yōu)化分析、曲線后處理、結(jié)果分析等。該模塊還擁有一個零件庫，零件庫中有大量

7、的幾何形狀，約束力和力矩，并可以使用布爾運(yùn)算符和FORTRAN函數(shù)。本文是直接使用ADAMS/View模塊創(chuàng)建簡易轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模型，并進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真研究，最后在該模塊中對仿真結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析。ADAMS/Solver是運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真求解模塊，可以直接產(chǎn)生系統(tǒng)模型的動力學(xué)方程組，具體可以實(shí)現(xiàn)裝配計(jì)算、運(yùn)動學(xué)計(jì)算、動力學(xué)計(jì)算、靜平衡計(jì)算和線性化計(jì)算等。ADAMS/PostProcessor是ADAMS軟件的核心模塊之一,可以繪制豐富的曲線圖以及觀賞仿真動畫，它可以處理各種數(shù)據(jù)，具有多種查看仿真結(jié)果的功能，可以完成模型調(diào)試、試驗(yàn)驗(yàn)證、設(shè)計(jì)方案改進(jìn)和結(jié)果顯示等工作，是比較強(qiáng)大的后處理模塊。三

8、、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型研究轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是為了進(jìn)一步研究汽車在行駛過程中的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)。駕駛員的轉(zhuǎn)向力傳遞到輪胎會使輪胎產(chǎn)生橫擺角速度，據(jù)此可以分析其轉(zhuǎn)向靈敏度，如圖3.1所示。圖3.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳力過程研究過程中，忽略懸架的作用，認(rèn)為汽車車廂只作平行于地面的平面運(yùn)動，即汽車沿z軸的位移，繞y軸的俯仰角與繞x軸的側(cè)傾角均為零。因此，數(shù)學(xué)模型簡化可從以下四個方面進(jìn)行：汽車無垂直方向運(yùn)動，也無繞y軸和x軸的俯仰和側(cè)傾運(yùn)動；汽車作等速運(yùn)動，不考慮切向力和空氣動力的作用；忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)影響，直接以前輪轉(zhuǎn)角作為輸入；不考慮左右車輪由于載荷變化引起輪胎特性變化和回正力矩的作用。最后，可以將汽車簡化成沿y軸

9、的側(cè)向運(yùn)動與繞z軸的橫擺運(yùn)動這樣兩自由度系統(tǒng)，如圖3.2所示。圖3.2 二自由度汽車模型二自由度汽車受到的外力沿y軸方向的合力與繞質(zhì)心的力矩為：其中，側(cè)偏力，因此從力和力矩平衡方程式導(dǎo)出如下微分方程組：將前后車輪的側(cè)偏角剛度帶入，化簡得如下方程：由此可知，汽車穩(wěn)態(tài)響應(yīng)過程與汽車的側(cè)偏角剛度有著直接的關(guān)系。接著分析汽車瞬態(tài)響應(yīng)過程，給定汽車前輪一個角階躍輸入，可化簡為單自由度強(qiáng)迫振動微分方程：前輪角階躍輸入時(shí)瞬態(tài)響應(yīng)的解為：其中，橫擺角速度增益橫擺角速度波動時(shí)額固有頻率：阻尼比：角階躍輸入后汽車橫擺角速度第一次到達(dá)穩(wěn)態(tài)值所需時(shí)間，即反映時(shí)間：過擺量（超調(diào)量）：研究時(shí)域空間的汽車瞬態(tài)響應(yīng)就主要從固

10、有頻率、阻尼比、反應(yīng)時(shí)間和過擺量四個方面進(jìn)行詳細(xì)分析。四、ADAMS建模仿真分析本文主要是基于齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，首先在ADAMS中建立簡易的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型，同時(shí)添加相應(yīng)的約束和驅(qū)動，如圖4.1所示。圖4.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型為了模擬轉(zhuǎn)向盤上的角位移輸入和力矩輸入，分別將兩種驅(qū)動形式添加到方向盤上進(jìn)行仿真分析。首先分析系統(tǒng)的角位移輸入特性，給定轉(zhuǎn)向盤一個角階躍輸入，即在ADAMS模型中的轉(zhuǎn)向盤上添加約束，然后施加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，定義函數(shù)為-STEP（time , 0 , 0 , 0.01 , 60d），即在轉(zhuǎn)向盤上施加一個60度的轉(zhuǎn)角，設(shè)定仿真時(shí)間為0.5s，進(jìn)行仿真分析。然后進(jìn)入ADAM

11、S/PostProcessor模塊，即后處理模塊，繪制車輪橫擺角速度（及加速度）隨時(shí)間變化的曲線，如圖4.2所示。圖4.2 仿真曲線圖如若將角輸入改為力矩輸入，可以得到相類似的仿真曲線，在此不贅述。由圖可知，仿真過程中，轉(zhuǎn)向盤受到角階躍輸入情況下進(jìn)入穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的過程。理想的變化曲線如圖4.3所示。據(jù)此可以對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得反應(yīng)時(shí)間盡可能短。圖4.3 瞬態(tài)響應(yīng)變化曲線此外，還可以通過參數(shù)的改進(jìn)對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能進(jìn)行優(yōu)化，不僅降低成本，而且縮短了生產(chǎn)周期，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開發(fā)有重要的意義。五、穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)分析汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特征分為不足轉(zhuǎn)向、中性轉(zhuǎn)向和過多轉(zhuǎn)向。在轉(zhuǎn)向盤保持一固定轉(zhuǎn)角下，緩慢加

12、速或以不同車速等速行駛時(shí)，隨著車速的增加，不足轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向半徑增大；中性轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向半徑維持不變；而過多轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向半徑則越來越小。操縱穩(wěn)定性良好的汽車應(yīng)具有過多轉(zhuǎn)向特性。瞬態(tài)響應(yīng)主要是分析給定轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入激勵下達(dá)到其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)過程中時(shí)間以及橫擺角速度波動，直接影響到行駛方向穩(wěn)定性和響應(yīng)品質(zhì)。因此，評價(jià)瞬態(tài)響應(yīng)品質(zhì)主要有固有頻率、阻尼比、反應(yīng)時(shí)間和過擺量，由以上數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)可知，對于固有頻率，若控制其在1Hz左右，需要適當(dāng)調(diào)節(jié)輪胎側(cè)偏剛度以及汽車質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，然后進(jìn)行ADAMS仿真分析，選取最優(yōu)化參數(shù)。為了避免共振的發(fā)生，阻尼比通常大些比較合理；為了提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的反映靈敏度，應(yīng)該盡可能減小反應(yīng)時(shí)間和過擺量。結(jié)語本文主要針對角階躍輸入和力矩階躍輸入的情況下，建立ADAMS仿真模型進(jìn)行仿真分析，可以很方便地得出反應(yīng)時(shí)間和力矩傳遞的變化規(guī)律。另外，針對提高汽車操縱穩(wěn)定性，本文提出了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應(yīng)