基于ADAMS/View的汽车转向系统力矩波动优化设计

2018-05-28章娟丽

汽车实用技术 2018年9期

关键词：转向器万向节传动轴

章娟丽

（简式国际汽车设计（北京）有限公司，北京 102206）

前言

在汽车转向过程中，转向力矩的波动直接影响着驾驶的舒适性和平顺性[1]。在对汽车转向操纵系统进行布置时，需要考虑如何对转向传动轴进行布置，合理设定主从动轴间的夹角以及万向节叉的相位角，以减小力矩波动的问题。

1 双十字轴万向节等速条件

汽车转向操纵系统由方向盘到转向传动轴的一系列零部件组成，如图1所示，包括方向盘、转向管柱、转向传动轴、上万向节、下万向节和转向器等。

汽车转向传动轴的上下端各有一个十字轴式刚性万向节，能在实现传动轴角度变化的同时传递转力矩，是汽车转向操纵系统中不可缺少的机械部件。单个万向节传动在主从动轴之间存在夹角时具有不等速性，双十字轴万向节合理布置可以相互抵消单个万向节引起的不等速效应。

双十字轴万向节等速的条件是：

1）第一万向节两轴间夹角与第二万向节两轴间夹角相等。

2）第一万向节的从动叉与第二万向节的主动叉处于同一平面内。[2]

汽车驾驶舱内空间有限，转向系统零部件需要和其他系统零部件避免干涉，必须从人机工程等方面综合考虑各零部件的布置，致使转向操纵系统中间轴和主从动轴轴线不在同一平面内，难以满足上述两个条件，导致转向操纵系统仍然有力矩波动。因此，需要对转向操纵系统进行优化设计，可以通过优化空间轴系夹角的方法来减小力矩波动，在转向管柱及传动轴的交点确定以后，还可以通过优化转向传动轴两端十字轴万向节叉之间相位角来减小力矩波动[3]。

图1 汽车转向系统布置图

2 双十字轴万向节传动运动学模型

根据汽车转向操纵系统结构，在ADAMS/View中建立参数化的汽车转向操纵系统双十字轴万向节传动运动学仿真优化分析模型，如图2所示，由转向管柱、转向传动轴和转向器输入轴组成，包括两个万向节、两个旋转副和一个驱动副。

模型的输入参数同时也是优化分析的设计变量为转向操纵系统布置的硬点坐标及转向传动轴上下万向节叉相位角，优化目标为转向器输入轴的转速波动量也就是转向力矩的波动量达到最小值。

图2 ADAMS/View双十字轴万向节传动运动学模型

3 转向系统力矩波动优化实例

某车型为国内自主品牌的纯电动车型，底盘为全新开发，转向系统的方向盘、转向管柱、转向传动轴和转向器位置根据驾驶室内仪表台等其他零部件位置，以及汽车高速行驶的安全性，转向轻便、灵活及减轻驾驶员疲劳的需求进行布置及优化设计。

3.1 初始布置方案仿真分析

转向操纵系统的初始布置方案硬点坐标见表 1，转向传动轴上下万向节叉相位角为0°。

表1 初始布置方案硬点坐标

将初始布置方案的硬点坐标和转向传动轴上下万向节叉相位角输入ADAMS/View双十字轴万向节传动运动学模型，通过驱动副仿真模拟方向盘匀速转动，设角速度为 100°/s，分析转向器输入轴角速度波动情况，如图3所示。

图3 初始布置方案转向器输入轴角速度时间变化曲线

由图3中可知，当方向盘以100°/s匀速转动时，转向器输入轴角速度出现了波动，转向器输入轴角速度最大值为107.7°/s，最小值为92.9°/s，最大波动量为7.7%，大于设计目标值5%，必须进行优化。

3.2 优化仿真分析

根据转向操纵系统空间布置要求，方向盘和转向器位置保持不变，只有转向传动轴上万向节可以沿转向管柱轴向移动，所以可以优化的设计变量为转向传动轴万向节叉相位角以及转向传动轴上万向节中心点的X和Z向坐标，具体优化变量的变动范围根据空间布置确定，见表2所示，其他硬点坐标值保持不变。优化目标为转向器输入轴角速度波动量最小。