宋鵬成 王印 孟令建 李彥鵬

摘 要：文章通過硬點(diǎn)、骨架模型的理念，簡化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件，并運(yùn)用CATIA軟件的DMU模塊建立了運(yùn)動(dòng)仿真模型。校核系統(tǒng)性能的同時(shí)可兼顧力矩波動(dòng)優(yōu)化。該方法可處理商用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中大量的復(fù)雜驗(yàn)證工作，縮短設(shè)計(jì)周期，降低研發(fā)驗(yàn)證投入。

關(guān)鍵詞：骨架模型;轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng);運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu);力矩波動(dòng)

中圖分類號(hào)：U463.4 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）06-87-03

Abstract： In this paper， the concept of point and skeleton model is used to simplify the moving parts of steering system， and the DMU module of CATIA software is used to build the simulation motion model. While checking the performance of system， the torque fluctuation optimization can be taken into account. This method can deal with a lot of complicated verification work in the design process of commercial vehicle steering system， shorten the design cycle and reduce the investment in research and development.

Keywords： Skeleton model; Steering control system; DMU; Torque fluctuation

CLC NO.： U463.4 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）06-87-03

前言

汽車轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)是駕駛員控制車輛方向的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，須在滿足自身性能的同時(shí)，兼顧周邊零部件的布置需求。轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)涉及零部件繁多，需要往復(fù)校核，是一項(xiàng)往復(fù)繁重的工作。CATIA軟件建模環(huán)境集成度高、兼容性較好?？梢暬h(huán)境也優(yōu)于其他的建模仿真軟件。本文通過硬點(diǎn)及骨架建模思想，并運(yùn)用CATIA中“DMU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)”模塊，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真分析及方案優(yōu)化。

1 骨架模型建立

1.1 硬點(diǎn)選取

轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)關(guān)鍵硬點(diǎn)主要有轉(zhuǎn)向盤中心P0，兩個(gè)十字軸萬向節(jié)點(diǎn)P1、P2，轉(zhuǎn)向器輸入軸的硬點(diǎn)P3，駕駛室前懸置點(diǎn)P4、P5，轉(zhuǎn)向管柱調(diào)節(jié)中心P6，轉(zhuǎn)向盤中心點(diǎn)由人機(jī)工程獲得，其余各點(diǎn)位可根據(jù)初步模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置。

1.2 系統(tǒng)主骨架建立

轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)主要部件包括：轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向柱管、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸、十字軸萬向節(jié)、轉(zhuǎn)向器輸入軸、駕駛室、駕駛室前懸置等。其骨架制作時(shí)，遵循以下規(guī)則：

（1）系統(tǒng)骨架線通過不同的“幾何圖形集”放在一個(gè)“part”文件中，便于后期運(yùn)動(dòng)骨架調(diào)用。

（2）主骨架建模時(shí)根據(jù)實(shí)體部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在硬點(diǎn)基礎(chǔ)上建立。

（3）建立骨架時(shí)，需考慮運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)，骨架與實(shí)體部件的修飾裝配。需要在骨架上添加一些點(diǎn)、線、面。

2 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真

2.1 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)建立

建立運(yùn)動(dòng)部件時(shí)需遵循以下規(guī)則：

（1）根據(jù)駕駛室，車架與轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)各部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系來劃分。

（2）DMU運(yùn)動(dòng)部件骨架需從建立完成主骨架模型上，通過“復(fù)制”+“選擇性粘貼”的形式調(diào)用生成。

（3）根據(jù)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)來劃分運(yùn)動(dòng)部件骨架。運(yùn)動(dòng)骨架一致的，可在主骨架上重復(fù)調(diào)用。

（4）建立運(yùn)動(dòng)部件時(shí)，根據(jù)駕駛室、車架與轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)各部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，添加運(yùn)動(dòng)副及驅(qū)動(dòng)列表。如表1所示。

（5）運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)添加完成后，其機(jī)構(gòu)自由度應(yīng)為0。完成后機(jī)構(gòu)可以模擬運(yùn)動(dòng)。

2.2 運(yùn)動(dòng)修飾

根據(jù)仿真分析的運(yùn)動(dòng)件需求，將相關(guān)裝配模型調(diào)入以上建立的DMU運(yùn)動(dòng)模型中，通過CATIA“DMU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)”命令欄中“機(jī)械裝置修飾”命令將裝配模型中的各零部件與DMU運(yùn)動(dòng)模型中的運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行關(guān)聯(lián)。修飾完成后，即可進(jìn)行轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)空間分析，如圖2所示。

3 仿真校核

3.1 空間分析及性能參數(shù)獲取

使用測量檢查在系統(tǒng)零部件在工況下運(yùn)動(dòng)間隙，用“測量”測出運(yùn)動(dòng)部件間的間隙，并保持測量。打開“運(yùn)動(dòng)模擬”在面板上打開“傳感器”，對(duì)轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)進(jìn)行工況模擬，將各部分間隙數(shù)參數(shù)輸出，如地板孔與伸縮軸間隙、管柱與儀表板之間的相對(duì)空間等，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 轉(zhuǎn)向伸縮軸長度設(shè)計(jì)

商用車為保障維修方便性，需要駕駛室進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。加上管柱的行程調(diào)節(jié)因素，管柱伸縮軸設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，可通過運(yùn)動(dòng)仿真模擬兩種極限工況直觀的獲取。駕駛室下跳極限后，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向管柱，觀察傳感器中的值到最小。管柱調(diào)節(jié)至最高點(diǎn)，設(shè)定前懸置下跳量進(jìn)行校核，在傳感器中選擇駕駛室翻轉(zhuǎn)角度觀察，取伸縮軸上下兩個(gè)鉸點(diǎn)距離的最大值。然后調(diào)節(jié)管柱角度，觀察傳感器中的值到最小。校驗(yàn)結(jié)果如圖3。

3.3 包絡(luò)輸出

對(duì)各運(yùn)動(dòng)部件在極限工況進(jìn)行空間分析后，可通過模擬生成輸出系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件所覆蓋的運(yùn)動(dòng)區(qū)域，行程運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，如轉(zhuǎn)向盤、伸縮軸、轉(zhuǎn)向管柱等，通過包絡(luò)校核周邊系統(tǒng)的位置關(guān)系，同時(shí)也可通過此包絡(luò)為相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供邊界條件。

4 力矩波動(dòng)分析優(yōu)化

由于轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)的布置角度造成萬向節(jié)的不等速性而產(chǎn)生力矩波動(dòng)，對(duì)于三段式的空間雙十字軸萬向節(jié)結(jié)構(gòu)，可通過等效夾角的概念化為單十字軸的萬向節(jié)。等效夾角為：

為得到較好的方向盤手感，行業(yè)對(duì)于力矩波動(dòng)δ≤5%，從公式1可以發(fā)現(xiàn)，β1，β2、Ψ、α 是影響等效夾角的因素。為達(dá)到較好的傳動(dòng)性能，需要等效夾角βe盡可能小，因此可從兩個(gè)方向?qū)α夭▌?dòng)進(jìn)行優(yōu)化：

（1）對(duì)于輸入軸中心線、中間軸中心線及輸出軸中心線的布置，要求β1，β2差值盡量小;

（2）使|Ψ+α|盡量趨向于180°，相位角盡量減小。

運(yùn)用以上兩個(gè)優(yōu)化理念，在運(yùn)動(dòng)空間允許的范圍內(nèi)，對(duì)主骨架上十字軸硬點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，使β1，β2角度差值盡量減小，同時(shí)調(diào)整兩十字軸之間的相位角，然后在運(yùn)動(dòng)模型中進(jìn)行更新同步硬點(diǎn)后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。對(duì)比數(shù)據(jù)如表2：

對(duì)比優(yōu)化前后數(shù)據(jù)，通過硬點(diǎn)調(diào)整使β1，β2角度差值以及兩十字軸之間的相位角減小，最終達(dá)到力矩波動(dòng)δ≤5%優(yōu)化目的。

5 結(jié)術(shù)語

本文以轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)硬點(diǎn)為基礎(chǔ)，制作運(yùn)動(dòng)骨架。結(jié)合DMU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)校核結(jié)構(gòu)件與周邊系統(tǒng)部件的運(yùn)動(dòng)間隙，簡化了邊界校核、零部件設(shè)計(jì)和波動(dòng)優(yōu)化的過程，解決了商用車轉(zhuǎn)向操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的大部分復(fù)雜驗(yàn)證工作。同時(shí)包絡(luò)輸出也可為其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參照。

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