李靜，彭懷輝

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于UG的雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運動仿真分析

李靜，彭懷輝

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章介紹了一種雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分析優(yōu)化方法。通過UG的運動仿真模塊對雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行運動仿真，以第一前橋的一個轉(zhuǎn)角輸入，求解第一、二前橋其它轉(zhuǎn)角，然后再與阿克曼公式得出轉(zhuǎn)角進行對比。從而分析第一、二前橋轉(zhuǎn)向梯形以及雙前橋拉桿系的合理性，為雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；運動仿真；對比分析

引言

汽車的轉(zhuǎn)向輕便性和操縱穩(wěn)定性是設(shè)計汽車時要考慮的重要性能，其中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是影響此性能的關(guān)鍵因素。轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容之一，轉(zhuǎn)向梯形選擇的好壞, 直接影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能、輪胎的磨損等[1]。

轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計目前采用的主要方法有作圖法、解析法和計算機程序輔助分析法等。 這些方法, 有的需要深厚的理論知識，有的需要較強的編程能力，有的較煩瑣，在實際應(yīng)用中，都不是理想的工具。UG的運動分析模塊可對機構(gòu)進行靜力學及動力學的分析，分析的結(jié)果可直接導(dǎo)入Excel等軟件進行進一步處理。 根據(jù)需要，還可建成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與前懸架系統(tǒng)進行聯(lián)合運動的運動模型，可以分析前懸架上下跳動各位置時轉(zhuǎn)向梯形的特性，建立這樣的模型，分析數(shù)據(jù)較多，較為復(fù)雜。通常僅需分析設(shè)計位置 (如空載或滿載等) 的轉(zhuǎn)向特性, 得出設(shè)計數(shù)據(jù)，再對其他位置進行校核即可，即只需做轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運動分析即可。分析過程可很方便地對相關(guān)參數(shù)進行編輯修改，從而完成對轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計。

本文以江淮某重卡雙前橋載貨車為例，通過UG建立三維數(shù)模再運用運動仿真模塊建立運動仿真模型進行仿真分析。

1 轉(zhuǎn)向運動學分析

轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)的主要功能是實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向時內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角保持一定的關(guān)系[2]。為了保證其良好的轉(zhuǎn)向性能，減少輪胎磨損必須使各轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向時盡量處于純滾動狀態(tài)，即使內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系盡量符合阿克曼公式[3]。重型汽車雙前橋是一種較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，除了需要符合一般轉(zhuǎn)向機構(gòu)的要求，由于其自身結(jié)構(gòu)的特殊性還會有一些特殊的規(guī)定：

1.1 轉(zhuǎn)向輪理想運動關(guān)系

為了保證各轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向時都作純滾動，同一軸上的轉(zhuǎn)向輪左轉(zhuǎn)向角應(yīng)滿足阿克曼定律式（1）、（2）；同時第一、二前橋已有的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向運動應(yīng)滿足運動協(xié)調(diào)關(guān)系（3）式；其轉(zhuǎn)角關(guān)系如圖1所示：

式中：α1、α2—第一、二橋左輪轉(zhuǎn)角；

β1、β2—第一、二橋右輪轉(zhuǎn)角；

L1—第一橋軸線至第三、四橋軸線的距離；L2—第二橋軸線至第三、四橋軸線的距離；

B—前橋主銷中心距

轉(zhuǎn)向性能要求的描述多是隱式的，需要經(jīng)過進一步的分析表述成仿真模型能夠檢驗的形式。

1.2 轉(zhuǎn)向機構(gòu)性能

轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)性能

其中B、L1、L2的值由汽車的總體設(shè)計決定。

雙擺臂與第二橋轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)綜合性能

驗證就是根據(jù)仿真模型里給定的α1，按照上面的關(guān)系式求出與α1相對應(yīng)的α2、β1、β2的理想值；然后通過仿真模型輸出在模型中的α2、β1、β2；并將α2、β1、β2在仿真模型中的實際值和阿克曼公式計算出的理想值作比較。（4）表示第一橋轉(zhuǎn)向梯形性能，（5）表示第二橋轉(zhuǎn)向梯形性能；（6）表示第一、二橋左輪轉(zhuǎn)向的關(guān)系，能夠反映轉(zhuǎn)向雙搖臂的性能。（7）表示第一橋左輪與第二橋右輪的關(guān)系，能夠反映轉(zhuǎn)向雙搖臂與第二橋轉(zhuǎn)向梯形的性能。

圖1 雙前橋的轉(zhuǎn)角關(guān)系

2 建立仿真模型

2.1 建立三維數(shù)模

利用UG三維建模模塊對車架、前橋、擺臂、拉桿等進行建模[4]，然后在裝配模塊中進行組裝，得到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維數(shù)模如圖2所示。此模型中不考慮前懸掛跳動因素，取其滿載狀態(tài)位置進行分析。

圖2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維數(shù)模

2.2 定義連桿

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運動過程為方向盤轉(zhuǎn)動一個角度輸入，通過轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)，使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動一定角度，滿足駕駛員的改變行駛方向的需求。雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向傳動關(guān)系如圖3所示。

圖3 雙前橋轉(zhuǎn)向傳動關(guān)系

本次運動仿真重點分析雙前橋轉(zhuǎn)向梯形的協(xié)調(diào)性，可簡化為：將第一橋左輪轉(zhuǎn)角為一個輸入α1，輸出第一橋的右轉(zhuǎn)角β1、和第二橋的左右轉(zhuǎn)角α2、β2。根據(jù)雙前橋轉(zhuǎn)向傳動關(guān)系，簡化零件外形，忽略質(zhì)量、質(zhì)心位置、慣性等，定義連桿如下：（1）車架、擺臂支架、第一前軸、第二前軸，共同定義為連桿L001；（2）第一擺臂、第二擺臂及其與它們連接的球銷分別定義為連桿L002和連桿L008；（3）第一前橋直拉桿、第二前橋直拉桿、過渡拉桿，分別定義為連桿L003、L009和L007；（4）第一前橋的左轉(zhuǎn)向節(jié)和轉(zhuǎn)向彎臂、第二前橋的左轉(zhuǎn)向節(jié)和轉(zhuǎn)向彎臂分別定義為連桿L004、L010；（5）第一前橋的橫拉桿、第二前橋的橫拉桿分別定義為連桿L005、L011；（6）第一前橋的右轉(zhuǎn)向節(jié)、第二前橋的右轉(zhuǎn)向節(jié)分別定義為連桿L006、L012；

2.3 定義運動副

（1）將連桿 1（L001）定義為固定副（J007）；（2）將第一擺臂（L002）、第二擺臂（L008）繞擺臂支架（L001）中心旋轉(zhuǎn)定義為旋轉(zhuǎn)副（J001）（J004）；（3）第一、二前橋的左右轉(zhuǎn)向節(jié)（L004、L010 、L006、L012）分別繞第一、二前軸（L001）旋轉(zhuǎn)定義為旋轉(zhuǎn)副（J002、J 003、J005、J006）；（4）第一直拉桿（L005）、第二直拉桿（L011）、過渡拉桿（L007）與過渡擺臂（L002、L008）通過球頭銷連接，定義為球面副（J008、J009、J011、J012）；（5）轉(zhuǎn)向彎臂（L004、L010）與第一二直拉桿（L005、L011）通過球頭銷連接，定義為球面副（J010、J013）；（6）第一、二橫拉桿（L005、L011）與第一、二前軸（L001）連接點定義為球面副（J014、J015、J016、J017）；（7）第一、二前橋的右轉(zhuǎn)向節(jié)（L006、L012）與第一、二前軸（L001）連接點定義為旋轉(zhuǎn)副（J003、J006）。通過以上步驟建立的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運動仿真模型如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運動仿真模型

3 定義驅(qū)動

此次仿真分析過程是對現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向梯形的驗證分析。運動傳遞關(guān)系如圖2所示，轉(zhuǎn)向盤為驅(qū)動源， 分析轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系等。在設(shè)計過程中, 因內(nèi)輪轉(zhuǎn)角大于外輪， 通常是以模型的內(nèi)輪轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)到最大轉(zhuǎn)角時，來校核轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與相鄰件的硬干涉和軟干涉情況， 因此，此仿真過程選定內(nèi)輪 (可任意選擇左右轉(zhuǎn)向輪為轉(zhuǎn)向內(nèi)輪，由于運動過程中，車輪與轉(zhuǎn)向節(jié)為一個剛體，此次仿真過程以轉(zhuǎn)向節(jié)代替車輪) 在主銷軸心線上的旋轉(zhuǎn)副為驅(qū)動源, 并定義該旋轉(zhuǎn)副的運動為恒定速度。對于此仿真模型，設(shè)定第一前橋左輪為內(nèi)輪，轉(zhuǎn)角從0°轉(zhuǎn)到42°，步數(shù)設(shè)定為42步，這樣就可得到每轉(zhuǎn)動一度所對應(yīng)的輸出值。

4 輸出結(jié)果

設(shè)定了第一前橋左轉(zhuǎn)向節(jié)繞主銷軸心線上的旋轉(zhuǎn)角度α1為驅(qū)動以后, 轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)及左右車輪就可以按我們設(shè)定的空間參數(shù)進行運動了。運動仿真過程可以輸出在運動過程中各桿件、車輪的角度、位移等情況。此次仿真分析的目的是對雙前橋轉(zhuǎn)向梯形的合理性進行分析優(yōu)化，因此，在經(jīng)過選取 Packaging 選項設(shè)定后, 提取模型中的α2、β1、β2值，輸出到 excel中進行分析。此次仿真輸出結(jié)果α2、β1、β2實際值見表 1。

表1 仿真結(jié)果輸出值

5 結(jié)果與結(jié)論

汽車轉(zhuǎn)向過程中實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角的誤差越小,輪胎的磨損越小。 此次仿真模型輸出的轉(zhuǎn)角為實際轉(zhuǎn)角，與通過阿克曼公式計算出理論轉(zhuǎn)角進行對比，得出誤差的具體差值，見表1。根據(jù)經(jīng)驗，轉(zhuǎn)角在30°以內(nèi)，誤差不大于1，即為合格的轉(zhuǎn)向梯形，否則需要調(diào)整三維數(shù)模中的轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)進行優(yōu)化，直到滿足設(shè)計要求。

此仿真方案已大量應(yīng)用于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計校核中，實車驗證輪胎無偏磨現(xiàn)象，長期的市場反饋轉(zhuǎn)向特性良好。但是，為了簡化仿真過程，此仿真模型沒有考慮前懸架跳動對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，后期可以增加前懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的干涉分析，這也是分析汽車操縱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。此仿真對比分析的方法也可應(yīng)用于別的運動系統(tǒng)，為設(shè)計者增加了一種可供選擇的分析方法。

[1] 余志生. 汽車理論[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2000.

[2] 陳家瑞. 汽車構(gòu)造[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2001.

[3] 余志生. 汽車設(shè)計[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[4] 胡曉康編譯.UG運動分析培訓(xùn)教程[M].北京:清華大學出版社,2002.

Motion Simulation And Analysis Based On Ug For Dual-Front Axle Steering System

Li Jing, Peng Huaihui
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD, Anhui Hefei 230601 )

The paper introduces a kind of dual-front axle steering system analytical method.Through the motion simulation module of UG to simulate the dual- front axle steering system, A angle of the first front axle as input, to solve the other angle of the front axle, Compared with the angle calculated by Ackerman principle. To analyze the rationality of the first or second front axle steering trapezium, and the rationality of the dual-front axle rod system, provide the basis for the optimal design of the double front axle steering system.

dual-front axle steering system; motion simulation; contrastive analysis

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-145-03

U463.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-145-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.048

李靜（1987-），女，工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司，從事前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計工作。