基于ADAMS的汽車繼電器動態仿真與分析

藍承燕，陳德為，李一杭，王宗

(福州大學，福建 福州 350108)

1 引言

汽車是繼電器應用的第二大領域，而繼電器也是在汽車產品上應用最多的元器件之一，僅次于傳感器[1]。汽車繼電器廣泛用于控制汽車起動、安全氣囊、防抱死制動、懸架控制以及汽車電子儀表和故障診斷等系統中，其性能、壽命和工作的可靠性直接影響到汽車的使用壽命和行駛安全[2]。而繼電器動態特性的精準測量和仿真分析等方法，是提高其工作性能和可靠性重要手段。

目前，多數電器的動態特性測試需要安裝傳感模塊，而接觸式的測量將導致電器本身運動部件的質量和機構參數產生改變，造成一定的精度誤差[3]，因此如高速攝像這類非接觸式的電器動態特性測試方法將越來越受到關注。基于圖像測量的智能交流接觸器吸合、釋放過程動態仿真設計技術，是電器智能化設計的有效手段及重要研究方向[4]。

觸頭運動及彈跳情況是接觸器可靠性和壽命的重要指標之一，對合閘和分閘過程的測試、分析和研究是提高其整體性能指標的重要途徑，在高速攝像機的高幀率拍攝下，可在不直接影響接觸器的運動情況下得到運動圖像，并進行圖像處理，準確地采集到觸頭運動狀態和彈跳情況[5-6]。

借助ADAMS虛擬樣機分析軟件用戶可方便地運用該軟件對虛擬機械系統進行運動學和動力學分析，通過交互式圖形環境和零件、約束、力庫建立三維參數化模型，自動輸出位移、速度、加速度和反作用力等，以動畫和曲線圖形顯示仿真結果[7]。

綜上，本文設計了高速攝像機拍攝系統并進行動態過程的測試與分析，通過建立虛擬樣機對汽車繼電器進行運動重構仿真，對觸點合閘和分閘進行分析以研究汽車繼電器的動態特性。

2 混合式繼電器的結構設計

以14V/42V的雙電壓系統設計了一種新型混合式汽車繼電器。在未來市場應用，汽車供電系統標準從14V轉到42V為必然發展趨勢[8]。為適應汽車電源結構高電壓化的發展，動靜觸點結構的間距較傳統汽車繼電器觸點間距要大，采用雙斷口結構。以“E”型靜鐵心和“一”型動鐵心的組合設計作為汽車繼電器的基本結構，動靜觸頭置于密閉空間中。整體結構主要由動靜觸點、線圈、反力彈簧、觸點彈簧、殼體等部件組成。利用三維繪圖軟件Solidworks，設計各個部件并裝配，得到三維剖面如圖1所示。

圖1 新型混合式汽車繼電器三維剖面圖

3 動態特性設計

3.1 繼電器位移信號采集系統

如圖2所示為新型混合式汽車繼電器動態特性拍攝系統原理圖。其中位移采集系統主要包括PC上位機控制系統、PCO1200S高速攝像機、繼電器系統等。

圖2 新型混合式汽車繼電器動態特性拍攝系統原理圖

PC上位機控制系統包括：IPP(Image-Pro Plus)圖像處理軟件、MATLAB數據處理和圖像保存部分。用IPP軟件對得到圖像處理、采集得到運動數據，最終用MATLAB軟件對采集到的運動數據圖像化。

借助PCO1200S高速攝像機，采用標記點拍攝動鐵心和動觸頭的位移圖像序列。如圖3所示即為PCO1200S高速攝像機機身。該高速攝像機自帶Camware圖像接口軟件，采集的數據由千兆網線進行傳輸，搭載于上位機的Camware軟件可控制攝像機采集幀率、圖像分辨率等參數，當光源充足的情況下，最高可拍攝幀率為320000fps[10]。因此借用高速攝像機作為輔助工具可以準確采集觸頭和動鐵心運動狀態[5]。

圖3 PCO1200S高速攝像機機身

在實驗之前先設置好光源并調節Camware的各項參數。如圖4為Camware的曝光時間設置，圖5為Camware拍攝區域的設置。相同的曝光時間，拍攝區域越大，需要的光源也就越大，而曝光時間越短，每秒拍攝的幀數越多。而繼電器動作時間通常在幾毫秒到十幾毫秒之間，需要較高的拍攝幀數[11]。

圖4 Camware的曝光時間設置

首先設置好光源，在默認拍攝區域下設置最低的曝光時間，讓標記點清晰地顯示在上位機；其次調節拍攝區域的大小，讓拍攝區域在滿足包圍標記點的運動范圍條件下盡可能的小，同時留一定的閾量；調節完區域后再調低曝光時間，直至調到最佳幀數。調節之后的曝光時間參數如圖5所示，曝光時間約為0.5μs，相機每秒拍攝的幀數為1950幀，延遲拍攝時間設為0μs，圖像尺寸設為280×161像素。調節之后的上位機界面如圖6所示。根據所設置的參數得到序列圖像平均每毫秒兩幀。

圖5 Camware拍攝區域的設置

圖6 獲取圖像的上位機界面

如圖7為整體動態特性采集實驗平臺。通過該實驗平臺完成了在匝數1750，線徑為0.23mm的線圈在12V電壓下的位移信號采集。由高速攝像機采集到繼電器在合閘和分閘階段的序列圖像，經過圖像處理軟件Image-Pro Plus處理并采集標記點位置。

圖7 動態特性采集實驗平臺

3.2 動態特性分析

采集到的序列圖像經圖像處理和MATLAB二次處理后，可得如圖8為的合閘位移、速度特性曲線。其中曲線的橫坐標為時間軸，單位為ms，圖中僅截取合閘階段的部分時間，s1為觸頭合閘曲線，s2為動鐵心合閘曲線，v為動鐵心速率曲線。

圖8 合閘位移速度特性曲線

從上圖中可以看出，在合閘過程中，動靜觸頭先完成閉合，之后動鐵心才完成閉合達到穩定狀態，其中速率大于零表示動鐵心運動方向指向靜鐵心。合閘過程中，首先動鐵心和動觸頭組成的運動系統受反力彈簧和電磁吸力作用，開始逐漸向靜鐵心移動，因此速率在逐漸增大；當動觸頭和靜觸頭接觸、碰撞，觸頭彈簧開始作用，因其剛度系數較大且受碰撞影響，動鐵心運動開始變緩，速率逐漸減小直至動靜鐵心完全閉合，運動速率變為0，達到穩定平衡。

如圖9為分閘位移、速度特性曲線。圖中速率小于零的部分表示運動方向由靜鐵心指向動鐵心。其分閘過程中，首先反力彈簧和觸頭彈簧同時作用，動鐵心和動觸頭組成的系統分離速度迅速增大；當動靜觸頭完全分離，彈簧系統的作用力變小，速度因作用力變小而變小，直到完全分離，同時因碰撞出現了跳躍現象。

圖9 分閘位移速度特性曲線

從這兩組合閘曲線中可以得出，動鐵心和動觸頭在分閘后期兩者均有彈跳現象，且運動曲線較為一致，造成這種現象是因為反力彈簧具有較低的彈性系數。動觸頭和動鐵心出現運動偏差則是由觸頭彈簧造成的。在線圈失去勵磁作用后，整個系統僅靠彈簧系統作用使其分離，因此，它們的分離時間幾乎一致。從開始分離到完全分離時間均為8-12ms，達到穩定時間約為40ms。

4 ADAMS運動仿真重構

4.1 虛擬樣機建模

4.1.1 導入模型

ADAMS盡管擁有強大的分析運算功能，但是它的三維圖形繪畫界面卻不如Solidworks軟件那樣地易于進行復雜零件的設計和裝配，因此提供了方便與其他軟件對接的接口[8]。通過Solidworks繪制汽車繼電器各零部件并進行裝配，將裝配好的三維圖以parasolid的格式保存，并將保存的*.x_t文件導入ADAMS。如圖10所示即為在Solidworks下建立的汽車繼電器模型以*.x_t格式導入ADAMS的三維圖。

圖10 汽車繼電器在ADAMS的模型圖

4.1.2 添加約束

導入模型之后，首先對模型所在的環境設置重力和基本單位。如圖11和圖12分別為所重力方向大小的和基本單位的設置。其中重力指向z軸負半軸，長度、質量、力和時間的基本單位分別為米(m)、千克(kg)、牛頓(N)和秒(s)。

圖11 模型重力大小方向的設置

圖12 模型基本單位的設置

其次，建立各個部件之間的約束關系，包括固定副、移動副和接觸約束等。其中殼體和大地之間的約束、靜鐵心和殼體之間的約束以及靜鐵心和線圈之間的約束等均為固定副，部件之間相互約束為一個整體；動鐵心和殼體之間的約束為移動副，部件之間可以發生相對滑動，需要同時定義移動的方向；動靜鐵心之間的碰撞約束和動靜觸頭之間的碰撞約束為接觸副。

模型中涉及一組反力彈簧和一個觸頭彈簧，而在ADAMS中只需要配置彈簧的剛度系數和預載荷并無需將彈簧實體化，故將模型導入ADAMS后可以隱藏所設計的彈簧，甚至可以刪除，取而代之的是剛度系數和預載荷的設置。

4.1.3 設置參數

首先將模型中不參與運動的零部件進行隱藏，再對各個零部件設置材料屬性，包括材料和密度。接著在裝配體上需要觀測的點進行標記，在這里標記了動觸頭的位移情況，目的是為觀測動鐵心受驅動力作用下，動觸頭的位移情況。而動鐵心的驅動力即為前面的動態特性實驗得到的動鐵心運動數據。如圖13和圖14分別為加載的動鐵心閉合和分斷過程隨時間變化的位移數據表，圖15和圖16分別為加載的動鐵心閉合和分斷的位移曲線圖。采用圖中所示的數據，然后觀察在動觸頭上的標記點的位移曲線。

圖13 動鐵心閉合過程位移數據表

圖14 動鐵心分斷過程位移數據表

圖15 動鐵心閉合過程位移曲線圖

圖16 動鐵心分斷過程位移曲線圖

如圖17所示為ADAMS中加載樣條曲線的函數。其中，CUBSPL的函數對應的四個參數分別是：第一獨立變量、第二獨立變量、樣條曲線函數名以及求導階數。該函數是根據三次樣條函數得到的曲面或曲線在第一獨立變量及第二獨立變量處的插值。正如圖15和圖16所示，本文對應的閉合曲線和分斷曲線的樣條曲線函數名分別為SPLINE_2和SPLINE_11。

圖17 ADAMS樣條曲線加載函數

4.2 仿真與分析

4.2.1 三維運動重構

經過仿真可以完整地看到汽車繼電器整個運動過程的狀態。為使得清晰地觀測到運動狀態，將繼電器的外殼隱藏起來，得到如圖18所示閉合過程的若干幀圖像。圖18中的(1)～(3)分別為開始運動時的圖像、運動到動靜觸頭剛好閉合的第121幀圖像和運動到動靜鐵心剛好閉合的圖像。通過該仿真導出序列圖像，就可以還原汽車繼電器整個運動過程的圖像序列，即實現三維運動重構。

圖18 閉合過程的若干幀圖像

4.2.2 閉合過程運動曲線重構

以動鐵心為驅動，重構動觸頭的運動狀態。如圖19為繼電器動觸頭閉合過程的仿真圖像。為使得仿真和實際動觸頭運動過程形成更直接地對比，將由ADAMS仿真得到的曲線數據導出，借助MATLAB將導出的數據和實際運動數據在同一坐標中顯示，得到如圖20所示的仿真和實際運動過程曲線的對比圖像。從圖中可以看出，仿真得到的運動曲線和實際運動的曲線吻合度高。其中主要差異在于即將閉合的時候，受撞擊影響產生微量的位移，因此產生了一定的偏差。盡管產生了微量的偏差，但幾乎一致的閉合曲線驗證了閉合過程中運動重構的正確性。

圖19 繼電器動觸頭閉合過程的仿真圖像

圖20 仿真和實際閉合運動曲線的對比圖

4.2.3 分斷過程運動曲線重構

同理，與閉合運動過程曲線重構類似，得到如圖21的繼電器動觸頭分斷過程的仿真圖像和圖22所示的仿真和實際分斷運動曲線的對比圖像。分斷結束階段仿真和實際運動均產生了一定的跳動，這個彈跳的產生是因為反力彈簧的影響。實際運動過程可能有諸多影響，因此仿真和實際運動產生一點偏差，但在整體波動上來看，它們兩者的運動趨勢相同且有較高的一致性。

圖21 繼電器動觸頭閉合過程的仿真圖像

圖22 仿真和實際閉合運動曲線的對比圖

5 總結

本文采用高速攝像機對設計的新型混合汽車繼電器運動機構進行了吸合與釋放的動態測試，并進行圖像處理后得到測試數據。以動態特性實驗數據作為仿真的驅動數據，觀察汽車繼電器觸頭的分斷時間以及接通和分斷下的彈跳情況。通過繪圖軟件繪制三維結構后導入ADAMS軟件建立虛擬樣機，借助ADAMS軟件參數化分析功能，將汽車繼電器整體運動過程以動畫的形式展現出來。同時賦予模型參數后，以動鐵心運動過程作為驅動力，觀測汽車繼電器運動過程和動觸頭運動曲線，同時驗證仿真和實驗的準確性、一致性。為今后繼電器的設計、研究和仿真分析提供一定的參考依據。