基于ADAMS的车辆转向杆系动态仿真分析

赵萍，徐秀

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

基于ADAMS的车辆转向杆系动态仿真分析

赵萍，徐秀

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

利用proe对新开发的沙漠车转向杆系进行三维建模，并将其转换至MSC.ADAMS软件中，利用ADAMS/View模块建立一套转向杆系运动仿真模型。通过动态仿真，分析转向杆系的运动轨迹，输出转向桥摇臂的摆角变化曲线，确定转向桥最大内外转角，计算出车辆的最小转弯半径，为沙漠车转向系的设计提供指导和可靠的理论依据。

ADAMS；转向杆系；仿真；最小转弯半径

CLC NO.:U461.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-100-03

前言

随着国内外汽车行业的不断发展，车辆设计水平也不断提高。尤其在近几十年间计算机技术的日臻成熟，为车辆设计的纵深发展奠定了基础。目前，三维CAD软件已经被广泛应用到车辆设计中，而先进的CAE软件应用也逐渐在车辆行业中展开。

作者在近期的新型沙漠车开发设计过程中，为了满足所设计沙漠车使用路况特殊性以及整车布置合理性的要求，设计开发出横置拉杆转向杆系。但在proe中无法判定该转向杆系的运动轨迹和转向桥的最大内外转角，CAD软件在一定程度上已经无法满足仿真功能需要，只能求助于多体系统动力学仿真软件ADAMS。

1、转向杆系模型导入

ADAMS软件是美国MDI公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，能对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。具有强大的仿真分析能力，但对于复杂的零部件和含有较多组件的装配体，其三维造型能力稍显不足，采用ADAMS/View 不能很好地将其特征表达出来。因此，对于结构复杂的机构进行运动学和动力学分析时，常采用CAD软件与ADAMS软件相互辅助的方式进行，即利用CAD软件进行三维设计、装配，然后将设计好的模型以一定的格式导入ADAMS，再进行运动学和动力学的仿真分析。本文选用proe作为转向杆系三维建模的CAD软件。

转向杆系模型包括多个零部件，具体包括：转向器、转向摇臂、转向横拉杆、转向桥摇臂、转向桥主销和转向梯形等。为了简化模型，提高分析速度，简化主销与转向摇臂连接部件。将三维装配模型以parasolid格式导入ADAMS/View，为了使导入模型各部件之间实现其独立性，应分别将各部件转换成parasolid格式，且与转换后的装配模型保存在同一个文件夹下。最终导入的三维转向杆系模型如图1所示，转换后导入ADAMS的模型会丢失其自身相关参数，且不能进行参数化计算，无法修改构件的几何尺寸。因此，在转换之前应先确定模型准确无误，避免再次修改。

将模型从proe导入ADAMS时保证属性单位的统一，导入后的转向杆系模型缺少零部件的相关属性，需要通过Modify命令添加或修改各个构件的质量值（Mass）和质心转动惯量值（Ixx、Iyy、Izz），这些属性在pore软件中都可以计算出来。

图1 转向拉杆装配图

2、ADAMS约束施加

从proe导入ADAMS中的模型仅仅是一些零散的部件，其之间不存在任何连接关系，需通过ADAMS的约束功能建立起各部件之间的约束关系，使其能真实反映各部件之间的运动关系。该转向拉杆机构之间的约束关系见下表1。

表1 转向拉杆各部件约束关系表

通过以上约束建立转向杆系各部件之间的连接关系，还需对相关构件施加载荷，以确定零部件之间的相互作用。

3、ADAMS载荷施加

ADAMS的载荷力包括外部载荷和内部载荷，该转向杆系中的外部载荷主要包括重力和前桥满载压力，内部载荷主要包括接触力。

由整车匹配决定该沙漠车满载时的前桥载荷，计算出转向所需最大扭矩，由该参数初步确定转向器。本文分析在所选转向器最大压力、流量等各参数符合要求情况下，转向桥能正常转向时转向拉杆的运动轨迹。故该仿真分析中的外载荷只考虑重力作用，对于重力的施加，利用Settings/Gravity命令直接设定重力加速度，注意所施加重力加速度的方向，该重力被直接施加在各部件上。

对于所要分析的转向杆系内部载荷只有接触力，且发生在转向横拉杆两端球头与转向摇臂和转向桥摇臂接触部位。该接触对转向杆系在运动过程中转向球头摆角起到了一定的限位作用，将转向球头在球面内的最大摆角控制在最大值17.5°以内，决定着转向杆系设计是否合理，仿真是否成功。在接触施加过程中应避免发生穿透现象，可通过增加时间步长的方法予以改进。

4、ADAMS驱动施加

在对转向杆系进行驱动前应先施加驱动，考虑施加在方向盘上的力通过转向操纵机构传到转向器，再通过转向摇臂输出，从而带动转向杆系运动。在仿真时可以单纯在转向摇臂与转向器输出轴转动处施加转动驱动，模拟转向器输出端转动带动转向摇臂摆动。将驱动施加在转向摇臂与转向器输出轴处的旋转约束上，转动驱动施加对话框如下图所示。

图2

所设置Function函数为30.0d*time，转向摇臂以30°/s的转速旋转，带动转向杆系运动。

5、结果分析

通过对转向杆系的运动进行动态仿真分析，清楚转向杆系的运动轨迹。同时通过仿真结束后的动画回放方式可以清楚看到仿真任意时刻各转向拉杆之间的相互运动关系。由仿真动画可知，随着转向摇臂的转动带动转向横拉杆运动，横拉杆带动转向桥摇臂转动，转向主销随之转动，带动一边车轮转动，同时转向梯形运动，最终推动另一边车轮转动，实现整车转向。转向横拉杆两端球头与球头主销之间为球面连接，在转向过程中，两端球头与转向摇臂和转向桥摇臂之间出现偏转角度，由于接触的施加，约束其围绕球头销的球面偏转角度在17.5°以内。

由所设计沙漠车整车匹配初步决定所选用转向器种类，使所选用转向器满足整车满载时前桥最大载荷和转向管路所需油压要求。本设计所选用转向器传动比为23:1，所设计转向为方向盘左打2圈，右打2.5圈。当方向盘转到左右极限位置时，传递到转向器转向摇臂上，其左右最大摆角分别为31.3°和39.13°。在30°/s的旋转驱动下，分别设置左右摆动仿真时间为1.034s和1.304s。转向杆系左右转向运动情况如下图所示。

图3 左转极限位置

图4 右转极限位置

为了便于观察转向桥摇臂随转向杆系运动的摆角变化情况，本仿真设置用于测量转向桥摇臂摆角的测量体，显示在转向过程中转向桥摇臂转角随时间变化曲线图。测量结果如下图所示。

图5 转向桥最大内转角

由图5可看出，随着方向盘左右转动，转向桥摇臂随之左右摆动，当左转2圈时其最大外转角为25.46°，右转2.5圈时其最大内转角为34.04°。

图6 转向桥最大外转角

在分析得出最大内外转角的情况下，由公式：

已知所设计沙漠车前桥主销的延长线与地面的交点到前轮中心线的距离r为225mm，轴距L为3800mm，两主销中心线延长线到地面交点之间的距离K为1670mm。最小转弯半径分析，内轮最大转角θimax为34.04°，外轮最大转角θomax为25.46°。可求出所设计沙漠车的最小转弯半径Rmin。

6、结语

通过对所设计沙漠车转向杆系进行ADAMS动态仿真分析，可以清晰地展现出转向杆系的运动轨迹以及输出转向桥摇臂摆角变化曲线图。在设定方向盘左右转动圈数前提下，能够分析出转向桥的最大内外转角，从而计算出所设计车辆的最小转弯半径，为转向系的设计提供指导和可靠的理论依据。

[1] 王华斌,郝守海.基于ADAMS的客车侧舱门动态仿真分析.中国客车学术年会论文集.2011年.

[2] 石博强,申焱华等.ADAMS基础与工程范例教程.中国铁道出版社.2007年11月.

[3] 王望予,张建文等.汽车设计.机械工业出版社.2008年4月第4版.

Vehicle steering bar system based on ADAMS dynamic simulation analysis

Zhao Ping, Xu Xiu
( Shaanxi heavy-duty truck co., LTD., Shaanxi Xi'an 710200 )

Use the proe to design the three-dimensional model of streeing system of the new developing desert car, which is transformed into the software of MSC. ADAMS. Use the module of ADAMS View to make the set of steering system motion simulation models. Through the dynamic simulation, analysis the trajectory of streeing system. Export the curve of the swing angle of the streeing axle rocker, determine the max inside and outside swing angle of the steering axle rocker, then calculate the min turning radius.To provide guide and theoretical basis of the developing of the desert car streeing system.

ADAMS; streeing system; simulation; the min turning radius

U461.9

A

1671-7988 (2017)08-100-03

赵萍（1985-），女，助理工程师，就职于陕西重型汽车有限公司。从事车辆产品研发工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.034