基于ADAMS的转向系统运动学仿真设计.pdf

设计- 计算 D e s i g na n dC a I c u b t i o n 基于A D A M S 的转向系统运动学仿真设计 邓希来，卿艳青，邓云海 三一汽车制造有限公司 摘要I 建立某消防车前轴悬架及转向系统的A D A M S 参数化模型，进行运动学仿真计算，得到前轴转向轮转角变化曲线， 以及方向盘和转向器输入轴不等速性变化曲线。同时，将前轮仿真转角与阿克曼理论转角进行比较分析。仿真结果表明，该消 防车转向梯形结构和转向传动装置设计合理可行。 关键词消防车；转向系统；A D A M S ；运动学仿真 某消防车的转向前轴为双横臂独立悬架，采用循环 球式转向器及断开式转向梯形设计，其转向梯形相当于 梯形机构和四杆机构的组合，由于杆件较多，使得转向梯 形机构的设计变得困难。同时，转向传动装置因存在多段 传动轴，方向盘与转向器输入轴存在的不等速现象会影 响方向盘操纵手感。本文借助A D A M s 软件针对转向梯 形机构和不等速性进行运动学仿真分析和优化，提高转 向系统设计的合理性。 1 三维模型 采用c r e o 软件建立的消防车悬架及转向系统三维 模型如图1 所示。 2 运动学仿真模型的建立 以A D A M s ／c a r 为仿真环境【1 】，根据三维模型中测量 的悬架及转向系统硬点坐标建立的A D A M s 仿真模型如 图2 所示，方法如下 1 根据悬架及转向系统的硬点位置参数，输入硬点 坐标，参数化快速建立上下横臂、转向节、转向摇臂、减振 器等各部分； 2 输入减振器和阻尼器刚度曲线； 3 建立各P a r t 之间的连接建立上下横臂与车身的 旋转铰、转向拉杆与摇臂的球铰、转向节与上下横臂的球 铰等连接； 作者简介邓希来 1 9 8 4 一 ，男，湖南双峰人，高级工程师，研究方向专用汽车机械结构设计及研发。 斛r 枞r 佐 万方数据 I 霏杠拭 第5 2 卷I 第1 2 期 总第5 7 8 期 1 ．方向盘2 ．转向管柱3 ．转向传动轴4 ．转向拉杆 5 ．转向器6 ．角传动器7 ．车桥8 ．横拉杆9 ．转向 摇臂1 0 ．上横臂1 1 ．减振器1 2 ．下横臂1 3 ．传动 半轴 图1 悬架及转向系统三维模型 1 ．测试台2 ．传动半轴3 ．简化车架4 ．下横臂5 ．角 转向器6 ．转向器7 ．转向柱管8 ．方向盘9 ．横拉杆 l O ．轮边拉杆1 1 ．上横臂1 2 ．轮胎1 3 ．减振器 图2 悬架及转向仿真模型 4 建立不同子系统之间的通讯器； 5 定义悬架及转向系统的参数。 3 仿真分析 在虚拟悬架试验台上进行原地转向仿真，提取转向 过程中的方向盘转角、转向器输入轴转角、内外轮转角等 曲线。 3 ．1 仿真分析工况 消防车仿真模型的输入为方向盘转角，输出为转向 器输入轴转角、内外轮转向角，方向盘每转动5 。采样一 次转向角。模型中的部分参数如表1 所示。 表l 仿真模型部分参数 参数数值 轴距L ，m m 35 6 0 主销中心距K ／m m 18 6 0 主销偏移距n ／m m 1 2 2 ．5 轮胎自由半径r ／m m 5 6 4 轮胎宽度6 ／m m 3 6 5 转向器传动比i 2 3 汽车理论转向角计算原理如图3 所示。 n U ∥h ＼j 淑r 劳j m 7 心 7 f 篁旷] 图3 理想的内外轮转角间的关系 图3 中，a i 为内轮转角，a 。为外轮转角，￡为前后车轴 轴距，K 为两转向主销中心线与地面交点问的距离，口为 主销偏移距，R 。为车辆最小转向半径1 2 J 。 理论状态下前外轮与前内轮转角应满足如下关系 c t a 峨_ c t a 吣 等 1 彻1 2r 枞l 晒 万方数据 设计计算 D e s i g na n dC a I c u I a t j o n 理论最小转弯半径计算式为 足。 珈i na 。。 口 2 3 ．2 内外轮转角仿真结果分析 图4 所示为仿真模型右转向及左转向至最大位置。 以方向盘转角为横坐标，前轴左右轮转角为纵坐标，得到 的方向盘转角与左右轮转角之间的曲线如图5 所示 红 色实线为右轮转角，蓝色虚线为左轮转角 。 a 右转向最大位置 b 左转向最大位置 图4 最大转向角对应的模型位置 ／ 。／‘．，。 ／∥。。 ，／ 二≯墨 方向盘转『f J ／ 。 图5 方向盘转角与左右轮转角的对应关系曲线 由图5 可知，左转向到极限，内轮转角为3 9 ．7 。，外轮 转角为3 0 。，方向盘转角为8 2 2 。，方向盘的转动圈数为 2 ．2 8 圈。右转向到极限，内轮转角为3 9 ．9 。，外轮转角为 3 0 。，方向盘转角为8 2 5 。，方向盘的转动圈数2 ．2 9 圈。 由图5 可以看出，左右转向时内外轮转向角关系、方 向盘圈数几乎一致。 3 ．3 仿真转角和阿克曼转角比较分析 以外轮转角为横坐标，将仿真得出的内轮转角和理 论阿克曼内轮转角为纵坐标进行比较，如图6 所示 红色 实线为仿真转角，蓝色虚线为理论阿克曼转角 。 由图6 可以看出，仿真内轮转角和理论阿克曼内轮 转角差值最大为1 ．3 2 0 。 ∞r 械r 伫 以外轮转角为横坐标，阿克曼校正率为纵坐标绘制 曲线，同时，因外轮转角在5 。以内时仿真内轮转角和理 论阿克曼内轮转角差值非常接近，阿克曼校正率评价意 义不大，因此仅分析外轮转角为5 。以上时的阿克曼校正 率，见图7 。 由图7 可以看出，阿克曼校正率基本上在5 0 ％～1 0 0 ％ 之间。从全过程曲线来看，该转向梯形在可接受范围【3 J 。 3 ．3 方向盘和转向器输入轴不等速性分析 转向传动装置结构如图8 所示，主要包含方向盘、转 向管柱、传动轴、角传动器等零部件。由于方向盘至转向 器输入轴设置有十字节传动轴，故方向盘转角与转向器 输入轴转角之间存在不等速性。因此，对其不等速性做仿 万方数据 I 霏杠械 第5 2 卷l 第1 2 期 总第5 7 8 期 图6 仿真转角和理论阿克曼转角比较曲线 图7 阿克曼校正率曲线 1 ．方向盘2 ．转向管柱3 ．传动轴I4 ．角传动器I 5 ．传动轴Ⅱ6 ．传动轴Ⅲ7 ．转向器8 ．角传动器Ⅱ 图8 方向盘至转向器输入轴的传动路线 真分析。 为验证模型正确性，以仿真输入参数 即方向盘转 角 为横坐标，以两者差值为纵坐标，绘制不等速性曲线， 见图9 。 由图9 可知，方向盘转角与转向器输入轴的差值为 一正弦变化曲线，最大差值为2 ．5 5 。，方向盘每转过半圈 1 8 0 0 为一次循环。经实车验证，该车使用过程中转动 方阳融哥々f 『| ／【。7 图9 方向盘与转向器输入轴不等速性变化曲线 方向盘未有明显的操纵力波动，表明该车转向传动装置 设计合理可行。 4 结论 本文建立了某消防车悬架及转向系统的参数化模 型，并应用A D A M s 对转向系统进行运动学仿真，仿真得 到不同转动方向下该车转向角变化曲线及方向盘和转向 器输入轴不等速性变化曲线。仿真结果表明 1 左右转向时内外轮转向角关系几乎一致，仿真转 角与阿克曼转角较为接近，阿克曼校正率在合理范围，该 车转向梯形在可接受范围。 2 方向盘与转向器输入轴的差值为一正弦变化曲 线，方向盘每转过半圈为一次循环。差值及变化规律在正 常范围内，表明该车转向传动装置设计合理可行。 参考文献 【1 】刘晋霞．胡仁喜，康士廷．等A D A M s 2 m 2 虚拟样机从入门 飘精通【M 1 ．北京机械I 业出版社，2 0 1 3 ． 【2 】刘惟信．汽车设计I M 】北京清华大学出版社，2 0 1 3 。 渤王肴峰．汽车悬架和转向系统设计I M l ．北京清华大学出 版社．2 0 1 5 2 0 3 2 1 3 ． 通信地址湖南省长沙市三一汽车制造有限公司 4 1 0 1 0 0 收稿日期2 0 2 1 一0 6 2 1 2 0 纠‘伫l 工磊缸微I6 7 O 5 O 5 O 5 O 5 O 5 0 5 0 ，2 2 ●●O 0加。一乏乏。 一。一＼避r粪接挥 万方数据