基于ADAMS的三十字軸萬向節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動(dòng)優(yōu)化

杜滿勝，鄭勇

基于ADAMS的三十字軸萬向節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動(dòng)優(yōu)化

杜滿勝，鄭勇

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330052）

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力矩波動(dòng)是影響整車操縱性的重要因素之一。由于受到人機(jī)、布置、碰撞安全、裝配等限制，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力矩波動(dòng)率難于保證。文章基于MATLAB和ADAMS軟件對某車型的三十字軸萬向節(jié)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了力矩波動(dòng)分析，通過對相位角的優(yōu)化，降低該車型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力矩波動(dòng)率，提高整車操作性能。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；三十字軸萬向節(jié)；力矩波動(dòng);ADAMS

前言

汽車行業(yè)伴隨著人們對高品質(zhì)的駕駛追求而發(fā)展迅速，汽車的操縱性能是最能被用戶感知的一環(huán)，是用戶評(píng)價(jià)整車品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)。汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力矩波動(dòng)即是影響整車操縱性的因素之一[1]。因人機(jī)、布置、碰撞安全、裝配等限制，轉(zhuǎn)向管柱通常分為三段或四段式，本文的研究對象為四段式轉(zhuǎn)向管柱，其段與段之間用十字軸萬向節(jié)聯(lián)接，共三個(gè)十字軸萬向節(jié)。而十字軸萬向節(jié)要實(shí)現(xiàn)完全等速傳動(dòng)對布置要求極為嚴(yán)格，更何況三個(gè)十字軸萬向節(jié)。因此，有必要分析影響十字軸萬向節(jié)力矩波動(dòng)的參數(shù)并提出分析方法以優(yōu)化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力矩波動(dòng)率改善整車操縱性能。

1 十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)理論

1.1 單十字軸萬向節(jié)

由單十字軸萬向節(jié)連接的主、從動(dòng)軸的角速度1、2有如下關(guān)系：[2]

式中：1為AO與BO的夾角，1為主動(dòng)軸AO轉(zhuǎn)角

由式（1）可知，只有當(dāng)為0時(shí)，主、從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速才相等，只要不為0，輸出軸一定會(huì)產(chǎn)生角速度波動(dòng)。

圖1 單十字軸萬向節(jié)連接

1.2 雙十字軸萬向節(jié)

為了避免輸出軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)，工程中常采用雙十字軸萬向節(jié)轉(zhuǎn)向管柱，這種轉(zhuǎn)向管柱分三段：即輸出軸、中間軸、輸入軸；由于受空間限制，三軸布置無法共面。欲實(shí)現(xiàn)等速傳動(dòng)，須同時(shí)符合兩個(gè)條件[3,4]：1、輸入軸與中間軸的夾角1同輸出軸與中間軸的夾角2相等；2、中間軸兩端十字軸萬向節(jié)存在一相位角，其大小等于輸入軸和中間軸形成的平面與輸出軸和中間軸形成的平面的夾角。由十字軸傳動(dòng)關(guān)系[5]可知：輸出軸與中間軸的轉(zhuǎn)速存在如下關(guān)系：

圖2 雙十字軸萬向節(jié)轉(zhuǎn)向管柱

式中，2為中間軸與輸出軸夾角，2為中間軸轉(zhuǎn)角，1為十字軸萬向節(jié)1與2的相位角。

1.3 三十字軸萬向節(jié)

圖3 三十字軸萬向節(jié)轉(zhuǎn)向管柱

根據(jù)式（1）（2），同理得：

根據(jù)式（1）（2）（3）得：

2 三十字軸萬向節(jié)轉(zhuǎn)向管柱力矩波動(dòng)優(yōu)化

2.1 在不考慮十字軸萬向節(jié)的傳動(dòng)損失時(shí)[2]，輸入軸與輸出軸力矩滿足以下關(guān)系式：

由式（6）可知轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力矩波動(dòng)可以用轉(zhuǎn)速波動(dòng)來表示。

2.2 某車型參數(shù)

某車型三十字軸萬向節(jié)轉(zhuǎn)向管柱硬點(diǎn)數(shù)據(jù)如表1：

表1 轉(zhuǎn)向管柱硬點(diǎn)坐標(biāo)及參數(shù)

表1中A、B、C、D、E分別表示方向盤中心點(diǎn)、十字軸萬向節(jié)1中心點(diǎn)、十字軸萬向節(jié)2中心點(diǎn)、十字軸萬向節(jié)3中心點(diǎn)、輸出軸軸線上一點(diǎn)。

2.3 數(shù)學(xué)模型分析

進(jìn)行Adams運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真除各硬點(diǎn)參數(shù)外，還必須建立十字軸模型，確定各軸與十字軸的運(yùn)動(dòng)副所在位置。分析十字軸與硬點(diǎn)和相位角的關(guān)系式，模型簡圖4：

圖4 三十字軸萬向節(jié)管柱簡圖

十字軸萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：十字軸的兩軸互相垂直，各傳動(dòng)軸與其相連的節(jié)叉垂直。根據(jù)該特點(diǎn)及硬點(diǎn)和相位角參數(shù)，利用MATLAB編程[6]計(jì)算得到十字軸各點(diǎn)坐標(biāo)，因十字軸的對稱性，只取一半建模即可，計(jì)算結(jié)過如表2：

表2 十字軸坐標(biāo)

2.4 ADAMS模型建立及仿真

根據(jù)表1和表2的參數(shù)在Adams car中以table形式建立所有的Hardpoints，連接相關(guān)Hardpoints建立各Parts，設(shè)置運(yùn)動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)、輸入軸轉(zhuǎn)速及仿真時(shí)間[7]。如圖5所示：

圖5 ADAMS模型

圖6 θ1=20°時(shí)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)

2.5 轉(zhuǎn)速波動(dòng)優(yōu)化

將初始相位角1作為設(shè)計(jì)變量，其值由20°改為25°，硬點(diǎn)和2保持不變，利用MATLAB得到十字軸各點(diǎn)坐標(biāo)如下表3。

表3 相位角優(yōu)化后的十字軸坐標(biāo)

圖7：θ1=20°時(shí)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)

結(jié)果表明，相位角1優(yōu)化后，轉(zhuǎn)速波動(dòng)明顯減小，即力矩波動(dòng)減小，轉(zhuǎn)向操作性能提升。

3 結(jié)論

①三十字軸萬向節(jié)連接的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的力矩波動(dòng)與各軸夾角及節(jié)叉相位角有關(guān)；

②力矩波動(dòng)可以等價(jià)為轉(zhuǎn)速波動(dòng)；

③通過MATLAB參數(shù)化計(jì)算十字軸坐標(biāo)，建立Adams模型，驗(yàn)證了通過相位角可以優(yōu)化力矩波動(dòng)，提升車輛操作性。

[1] 裴錦華,李明.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動(dòng)的匹配研究[J].汽車科技2010(3).

[2] 王望予.汽車設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004:122-123.

[3] 朱理.機(jī)械原理[M].2版.北京:高等教育出版社,2010:261-263.

[4] 倪長明,許南紹,朱文.汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真分析[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào),2009(9):20-24.

[5] 鄭文偉,吳克堅(jiān).機(jī)械原理[M].7版.北京高等教育出版社1997.7.

[6] 張磊.MATLAB實(shí)用教程[M].人民郵電出版社2008.

[7] 陳峰華.ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)從入門到精通[M].清華大學(xué)出版社2017.

Torque Ripple Optimization of Steering System with Three-Cross Universal Joint Based on ADAMS

Du Mansheng, Zheng Yong

( Jiang Ling Motors Co., Ltd. Jiangxi Nanchang 330052 )

Torque ripple of automobile steering system is one of the important factors affecting vehicle maneuverability. Due to the limitations of man-machine, layout, collision safety and assembly, it is difficult to guarantee the torque ripple rate of steering system. In this paper, based on MATLAB and Adams software, the torque ripple of the steering system with three-Cross Universal Joint of a vehicle is analyzed. By optimizing the phase angle, the torque ripple rate of the steering system of the vehicle is reduced and the operation performance of the vehicle is improved.

Steering system; Three-Cross Universal Joint; Torque ripple; ADAMS

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.006

U462.1

B

1671-7988(2021)04-18-03

U462.1

B

1671-7988(2021)04-18-03

杜滿勝，就職于江鈴汽車股份有限公司。