基于CATIA的商用车等效转向阻力矩计算方法

刘海宾　庞建中　王理然　宋建新　王京　刘海柱

摘 要：基于CATIA软件建立车辆三维骨架模型，通过DMU运动学仿真的传感器监测功能，测量出相应零部件的角速度和线速度，再基于等效力距的概念（即：瞬时功率与实际作用在机械上的所有外力和力矩的瞬时功率之和相等），通过EXCEL软件的函数功能，计算出车辆任意转角下转向机输出端的等效阻力距，为车辆对转向机及转向助力油缸的选型提供高效准确的参考。

关键词：CATIA 等效力矩 转向系统 运动动力学 DMU运动仿真

CATIA-based Calculation Method for Equivalent Steering Resistance Torque of Commercial Vehicles

Liu Haibin Pang Jianzhong Wang Liran Song Jianxin Wang Jing Liu Haizhu

Abstract：Based on the CATIA software， a three-dimensional vehicle skeleton model is established. Through the sensor monitoring function of DMU kinematics simulation， the angular velocity and linear velocity of the corresponding parts are measured， and then based on the concept of equal distance （ie： instantaneous power and actual effect on the machine， the sum of the instantaneous power of all external forces and moments is equal）， through the function function of EXCEL software， the equivalent resistance distance at the output end of the steering gear at any turning angle of the vehicle is calculated， which provides reference for the efficient and accurate selection of the steering gear and steering cylinder.

Key words：CATIA， equal moment of force， steering system， motion dynamics， DMU motion simulation

1 CATIA软件建立三维骨架模型

将方向盘、转向轴、转向垂臂、转向拉杆、转向中间摇臂、转向助力油缸、车桥、板簧和轮胎等零部件简化成几何元素（点、线和面）的组合，通过CATIA软件建立车辆的三维骨架模型（见图1）。

2 通过DMU模块进行运动动力学仿真

为了进行运动动力学仿真，我们需通过DMU模块建立运动机构并进行接合约束（其中包括旋转结合、圆柱结合、球面结合和通用结合），保证整车运动机构带有命名时的自由度DOF为零后建立法线公式，在“速度和加速度”板塊下对转向垂臂和所有轮胎建立角速度传感器监测，如果有助力油缸同时需要建立助力油缸伸缩轴线速度传感器监测（见图2）。

3 传感器生成堆栈数据并导入EXCEL表格

通过法则曲线进行模拟，使用“激活传感器”功能监测转向垂臂和所有轮胎的瞬时角速度以及助力油缸伸缩轴的线速度。将车辆轮胎右极限位置转至左极限位置的全过程模拟仿真一遍并形成堆栈数据（见图3）。

4 基于等效力距的概念计算出车辆任意转角下转向机输出端的等效阻力距

首先，按照汽车设计理论，轮胎在停车转向时的转向阻力距可以利用如下公式计算：

（1）

其中，TZ是一个轮胎的停车转向阻力距，N·m;μ是轮胎和路面间的滑动摩擦系数，一般取μ=1.0;Gt是作用在一个轮胎上的垂直负荷，N;p是轮胎气压，Pa。因此，可以计算出每个轮胎的转向阻力距。

其次，等效力距的瞬时功率与实际作用在机械上的所有外力和力矩的瞬时功率之和相等。应用这个概念可以简化单自由度机构的运动动力学问题。而机构由多个构件组成，每个构件的运动状况又不通，求解整个机构的运动比较复杂，把单自由度机构简化为一个构件，问题就大大简化了，这就是等效动力学模型。

基于等效力矩的概念，可以计算出轮胎原地转向时等效阻力距的瞬时功率，它等于原地转向时所需转向机的瞬时功率与助力缸最大工作压力下输出瞬时功率之和，因此，可以计算出转向时所需转向机的瞬时功率，再由已知的转向机输出端角速度（即：垂臂角速度）可以计算出原地转向所需转向机的输出扭矩（见图4）。以上计算过程均较为简单，都可以通过EXCEL表格编辑函数来实现，这里就不再赘述，计算结果（见表1）。

5 结论

本文通过CATIA和EXCEL软件结合的方法，减小设计人员的计算量，提高工作效率，基于机械能守恒定律的全新算法提高计算结果的准确度。最后，可以让设计人员对车辆原地转向所需转向机的输出扭矩有了直观的感性认识。

参考文献：

[1]王望予主编，汽车设计（第四版）[M]，机械工业出版社，2004.8.

[2]王宵锋，汽车底盘设计（第二版）[M]，清华大学出版社，2018.

[3]于靖军主编，机械原理[M]，机械工业出版社，2013.8.