基于ADAMS的轉向特性仿真分析

1、基于ADAMS的轉向特性仿真分析（武漢理工大學 汽車工程學院）摘要： 本文以齒輪齒條轉向器為研究對象，借助于ADAMS軟件對汽車轉向系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應進行了詳細的分析，完成了轉向系統(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。關鍵詞：轉向系統(tǒng) ADAMS 穩(wěn)態(tài)響應 瞬態(tài)響應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前言轉向系統(tǒng)是一套用來改變或恢復汽車行駛方向的專設機構，其功用是保證汽車能按駕駛員的意志而進行轉向行駛。因此，轉向系統(tǒng)是汽車底盤的重要組成部分，轉向系統(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雜，使轉向盤的操作頻率增大，轉向系統(tǒng)就起到了至關重要的作用。一、轉向系統(tǒng)結構介紹汽車轉向系統(tǒng)可按照轉向能源的不同分為機械轉向系統(tǒng)和動力轉向系統(tǒng)兩類。機械轉向系統(tǒng)以駕駛員的體力作為轉向能源，其中所有傳力件都是機械的，主要由轉向操縱機構、轉向器和轉向傳動機構三大部分組成。如圖1.1所

4、示，當汽車轉向時，駕駛員對轉向盤施加一個轉向力矩。該力矩通過轉向軸輸入轉向器，再經(jīng)過轉向橫拉桿傳給固定于兩側的轉向節(jié)臂，使轉向節(jié)和它所支承的轉向輪繞主銷軸線偏轉一定角度，實現(xiàn)轉向。動力轉向系除具有以上三大部件外，其最主要的動力來源是轉向助力裝置。由于轉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，它們分別相當于電路系統(tǒng)中的電池、導線、開關、電機和地線的作用。圖1.1 轉向系統(tǒng)結構圖轉向器是轉向系統(tǒng)中的減速傳動裝置，一般有12級減速傳動副。根據(jù)傳動副的結構形式不同，轉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向器進行ADAMS建模仿真分析。圖1.2 齒輪齒條式轉向系統(tǒng)如圖1.2所示，齒輪齒條式轉向系統(tǒng)，當轉動轉向盤時，可帶動小齒輪轉動，這個小齒輪與一根齒條相嚙合，帶動齒條左右直線運動，并推動轉向輪左右擺動從而實現(xiàn)轉向功能。齒輪齒條式轉向結構簡單、成本低、轉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向。二、ADAMS軟件介紹ADAMS，即機械系統(tǒng)動力學自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國機械動力公司(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軟件具有強大的建立數(shù)學模型的系統(tǒng)，設計者只需通過輸入可以描述系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)，利用計算機就可以自動進行程序化的處理，通過這種方法創(chuàng)建系統(tǒng)的運動學和動力學的數(shù)學模型。通過仿真運動，自動得到構件的運動規(guī)律和力學的變化關系，通過有效的數(shù)據(jù)后處理，可以運用動畫或者圖標、曲線等方式對數(shù)據(jù)進行分析。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、仿真計算、動畫播放、優(yōu)化分析、曲線后處理、結果分析等。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，并可以使用布爾運算符和FORTRAN函數(shù)。本文是直接使用ADAMS/View模塊創(chuàng)建簡易轉向系統(tǒng)的模型，并進行運動學和動力學仿真研究，最后在該模塊中對仿真結果進行計算分析。ADAMS/Solver是運動學和動力學仿真求解模塊，可以直接產(chǎn)生系統(tǒng)模型的動力學方程組，具體可以實現(xiàn)裝配計算、運動學計算、動力學計算、靜平衡計算和線性化計算等。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果的功能，可以完成模型調試、試驗驗證、設計方案改進和結果顯示等工作，是比較強大的后處理模塊。三

8、、轉向系統(tǒng)數(shù)學模型研究轉向系統(tǒng)的數(shù)學模型是為了進一步研究汽車在行駛過程中的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應。駕駛員的轉向力傳遞到輪胎會使輪胎產(chǎn)生橫擺角速度，據(jù)此可以分析其轉向靈敏度，如圖3.1所示。圖3.1 轉向系統(tǒng)傳力過程研究過程中，忽略懸架的作用，認為汽車車廂只作平行于地面的平面運動，即汽車沿z軸的位移，繞y軸的俯仰角與繞x軸的側傾角均為零。因此，數(shù)學模型簡化可從以下四個方面進行：汽車無垂直方向運動，也無繞y軸和x軸的俯仰和側傾運動；汽車作等速運動，不考慮切向力和空氣動力的作用；忽略轉向系統(tǒng)影響，直接以前輪轉角作為輸入；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、的側向運動與繞z軸的橫擺運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心的力矩為：其中，側偏力，因此從力和力矩平衡方程式導出如下微分方程組：將前后車輪的側偏角剛度帶入，化簡得如下方程：由此可知，汽車穩(wěn)態(tài)響應過程與汽車的側偏角剛度有著直接的關系。接著分析汽車瞬態(tài)響應過程，給定汽車前輪一個角階躍輸入，可化簡為單自由度強迫振動微分方程：前輪角階躍輸入時瞬態(tài)響應的解為：其中，橫擺角速度增益橫擺角速度波動時額固有頻率：阻尼比：角階躍輸入后汽車橫擺角速度第一次到達穩(wěn)態(tài)值所需時間，即反映時間：過擺量（超調量）：研究時域空間的汽車瞬態(tài)響應就主要從固

10、有頻率、阻尼比、反應時間和過擺量四個方面進行詳細分析。四、ADAMS建模仿真分析本文主要是基于齒輪齒條式轉向系統(tǒng)進行仿真分析，首先在ADAMS中建立簡易的轉向系統(tǒng)模型，同時添加相應的約束和驅動，如圖4.1所示。圖4.1 轉向系統(tǒng)仿真模型為了模擬轉向盤上的角位移輸入和力矩輸入，分別將兩種驅動形式添加到方向盤上進行仿真分析。首先分析系統(tǒng)的角位移輸入特性，給定轉向盤一個角階躍輸入，即在ADAMS模型中的轉向盤上添加約束，然后施加旋轉驅動，定義函數(shù)為-STEP（time , 0 , 0 , 0.01 , 60d），即在轉向盤上施加一個60度的轉角，設定仿真時間為0.5s，進行仿真分析。然后進入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，轉向盤受到角階躍輸入情況下進入穩(wěn)態(tài)響應的過程。理想的變化曲線如圖4.3所示。據(jù)此可以對轉向系統(tǒng)的參數(shù)進行調節(jié)，使得反應時間盡可能短。圖4.3 瞬態(tài)響應變化曲線此外，還可以通過參數(shù)的改進對轉向系統(tǒng)的性能進行優(yōu)化，不僅降低成本，而且縮短了生產(chǎn)周期，對轉向系統(tǒng)的開發(fā)有重要的意義。五、穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)響應分析汽車的穩(wěn)態(tài)轉向特征分為不足轉向、中性轉向和過多轉向。在轉向盤保持一固定轉角下，緩慢加

12、速或以不同車速等速行駛時，隨著車速的增加，不足轉向汽車的轉向半徑增大；中性轉向汽車的轉向半徑維持不變；而過多轉向汽車的轉向半徑則越來越小。操縱穩(wěn)定性良好的汽車應具有過多轉向特性。瞬態(tài)響應主要是分析給定轉向盤角階躍輸入激勵下達到其穩(wěn)態(tài)響應過程中時間以及橫擺角速度波動，直接影響到行駛方向穩(wěn)定性和響應品質。因此，評價瞬態(tài)響應品質主要有固有頻率、阻尼比、反應時間和過擺量，由以上數(shù)學模型推導可知，對于固有頻率，若控制其在1Hz左右，需要適當調節(jié)輪胎側偏剛度以及汽車質量和轉動慣量，然后進行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；為了提高轉向系統(tǒng)的反映靈敏度，應該盡可能減小反應時間和過擺量。結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仿真模型進行仿真分析，可以很方便地得出反應時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