（车辆工程专业论文）基于虚拟样机的汽车转向系设计平台开发.pdf

武汉瑾工大学硕士毕渡论文 摘要 廉拟样机技术怒一种基于虚拟样机的数字化设计方法，融合了先进建模 仿真技零、现代信息技术、先进设计露造技术翻糯代管理技零，将这些技朱应用 于产品的全生命羯麓，并对它 f j 遴行综会管理。秘霜虚摈释税代替耪理祥钒对产 品进行创新设计、测试和评估，可以缩短开发周期，降低成本，改进产品设计质 量，提离企业快速面向客户，敏捷响应市场的熊力。 本文戮鑫掇群瓤兔竣诗窭发纛，虢汽车转蠢系统缓诤乎套为磅究对象，霹汽 车转向系统设计平台开发全过程谶行了研究。平台的开发不仅为企业提供了先进 的设计王具，而且提高了转向系统的设计效率。 论文怼转囱系绕纛羧襻祝黪见令阂题进行了磅究，主要内容躲下； 1 分析了齿轮齿条式转陶器的结构特藤和布置方式。介绍一种与诲轮 齿祭式转向器配套的转向传动装胃的优化设计方法，并给出了优化设计的目 标函数及变量选取的范屠。 2 髑瘸u g 建立了转鸯系设诗警台系统，辩设计平台豹憨髂设谤过程遴簿了 详细研究。总体设计中首先确定了平台的开发方式以及所使用的支撑软件系统， 然后设计了平台的体系结构、基本功能模型以及錾本功能模块，对各功能模块的 痒用逡露了奔缨。 3 掇出了转向系必键零部件盼参数化建模方法，运用参数化建模技术，实际 设计了转向系重要零部件的数字模溅，并运用虚拟装配技术，建立了转向系的三 维模型。为实现系统关键零部件数字建模奠定了基础。 4 。建立了包括举裔，悫絮、转翔系统、轮狳等在痣靛整率多俸模型。琴j 孀所 建模型进行了转向盘角阶跃输入下的仿真试验，并对试验结果进行了分析，详细 分析稳态转向和瞬态响应。 本文戆臻突不仅为转彝系绕瓣设诗提撰了宠遴戆工兵，菸决了金韭懿逡甥震 求，同时对基于c a d c a e 软件平台的二次开发研究提供了一种可行的思路，可 以作为同类问题研究的良好借鉴。 关键诵：转两系统，艘托 样孛趸，= 次开发，彷粪分析 藏汉理工大学硕士肇鼗论文 a b s t r a c t v i r t u a lp r o t o t y p ei san e wd i g i t a ld e s i g nm e t h o d , i n c l u d i n gt h ea d v a n c e d m o d e l i 珏g a n ds i m u l a t i o nm e t h o d , m o d e mi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , a d v a n c e d m a n u f a c t u r ea n dd e s i g n i n gt e c h n o l o g y , a n dm a n a g e m e n tt e c h n o l o g y , b yu s i n gt h e s e a d v a n c e dt e c h n o l o g yt ot h ep r o d u c tl i f ec y c l e ，t oa t t a i nas y n t h e s i sm a n a g e m e n t u s i n gv i r t u a lp r o t o t y p ec a nm a k ead e s i g no fi n n o v a t i o n , t e s t i n g & e v a l u a t i o n , s h o r t i n gt h ed e v e l o p i n gp r o d u c tp e r i o d ，r e d u c i n gt h ec o s t , i m p r o v i n gt h ep r o d u c t q u a l i t y , a n de n h a n c i n g t h ea b i l i t yo f 锺e n t e r p r i s et of a c ec l i e n t sa n df a s tr e s p o n s et o t h em a r k e t t h i sp a p e rr e g a r d sv i r t u a lp r o t o t y p i n ga st h ed e s i g n i n gs t a r t i n gp o i n ta n dr e g a r d s p l a t f o r mf o rs t e e r i n gs y s t e md e s i g no fc o m m e r c i a lv e h i c l ea st h er e s e a r c ho b j e c t ， c a r r i e s0 nr e s e a r c ht ot h ew h o l ed e v e l o pp r o c e s s e s t h ed e v e l o p m e n to ft h ep l a t f o r m h a sn o to n l yo f f e r e dt h ea d v a n c e dd e s i g nt o o lb u ta l s oi m p r o v e dt h ed e s i g ne f f i c i e n c y f o rs t e e r i n gs y s t e m t h ed i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db yt h ep r o j e c ta b o u ts t e e r i n gs y s t e ma n dh a s r e s e a r c h e dac e r t a i nn u m b e ro fk e yp r o b l e m so fv i r t u a lp r o t o t y p i n go fs t e e r i n gs y s t e m ， t h em a i nc o n t e n ta sf o u o w s ： 1 。a n a l y z e dt h es t r u c t u r ec b a r a c t e d s t i c sa n dd e c o r a t i o nm e t h o do ft h ew h e e l g e a r - - t r a kr e d i r e c t o r ，i n t r o d u c eao p t i m i z e dd e s i g nm e t h o do fs t e e r i n gg e a r i n g m a t c h e dw h e e lg e a r - - 4 r a kr e d i r e c t o r , a n dg i v e dt a r g e tf u n c t i o no fo p t i m i z e dd e s i g n a n dt h es c o p eo f v a r i a b l es e l e c t i o n 2 t h ed e s i g n i n gp l a t f o r mo fs t e e r i n gs y s t e mh a db e e ne s t a b l i s h e db a s i s0 n s o f t w a r eu g , t h ep a p e rc a r r i e so l ! d e t a i l e dr e s e a r c ht ot h eo v e r a l ld e s i g np r o c e s s i n p r o c e s s , c o n f i r m st h ed e v e l o p m e n tw a y o ft h ep l a t f o r ma n ds u p p o r ts o f t w a r es y s t e m a tf i r s t ，a n dt h e n ，d e s i g n ss y s t e ma r c h i t e c t u r e ，b a s i cf u n c t i o nm o d e la n db a s i cf u n c t i o n m o d u l e so ft h ep l a t f o r ma n dm a k e sac o n c r e t ea n a l y s i st ot h ef u n c t i o nm o d u l e ， p r o v i d e st h eo p e r a t i o np r o c e d u r eo fp l a t f o r m 3 b r i n gf o r w a r dt h em e t h o do fp a r a m e t e rf e a t u r em o d e l i n go fk e yp a r t so f s t e e r i n gs y s t e m ；u s i n gp a r a m e t e rf e a t u r em o d e l i n gt e c h n i q u e ，e s t a b l i s h e dt h e p a r a m e t e rm o d e lo fr e d i r e c t o r t h i sw o r k i st h eb a s i sc a dm o d e lr e u s i n g 4 t h ea r t i c l eb u i l daw h o l ev e h i c l em o d e lt h a tc o n t a i n sb o d y 、s u s p e n s i o n 、 s t e e r i n g - s y s t e ma n dt i r e se t c a f t e rb u i l d i n gt h em u l t i b o d ys y s t e md y n a m i c sf u l l v e h i c l em o d e l ，t h es i m u l a t i o nm o d e li sd e b u g g e da n dt h ev e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t y 慧 武汉理工大学硕士毕业论文 s i m u l a t i o n i sa c h i e v e ds u c c e s s f u l l y t h ev e h i c l e s t e e r i n gc h a r a c t e ri sa n a l y z e d a n a l y z e dd e t a i l e d l yt h es t e e r i n gc h a r a c t e ri ns t e a d ys t a t ea n dr e s p o n di nt r a n s i e n t s t a t e t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e rh a sn o tm e r e l yo f f e r e da l la d v a n c e dt o o lf o re n t e r p r i s e ， s o l v e dt h ep r o b l e mo fe n t e r p r i s e ，a tt h es a m et i m e ，i tp r o v i d e dak i n do ff e a s i b l e t h i n k i n gt ot h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tr e s e a r c h e sb a s e do nc a d c a es o f t w a r e i ti s ag o o dr e f e r e n c et h a tc a nh es t u d i e da st h es i m i l a rp r o b l e m k e yw o r d s ：s t e e r i n gs y s t e m , v i r t u a lp r o t o t y p i n g , s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t , s i m u l a t i o na n a l y s i s m 武汉理大学硕士毕业论文 第1 章绪论 i i 虚拟祥橇技术麓橇述 i i 。i 虚拟样机技术的概念 随精人类迈进2 l 煎纪，经济贸易全球化和我国加入w t o ，产品消耗缭构不 断向多冗化、个性化方向发展。而对无法预测、持续发展的市场需求，磐想在 竞争日趋激烈的市场上取胜，缩缀舞发周期，掇薅产品质量，降低成本以及对 市场豹爱活反应成为竞争者镯掰滚求豹疆标。谯旱蕹密产酷，谁就占有帮场； 谁产品性能可靠，价格合理，谁就受到用户的青睐。然而传统的设计与制造方 式无法满足这些要求。 传统戆设嚣与裁造过程孛，蛰先是强念设诗襄方案论镊，然嚣遴髫产暴设 计。在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行试验，有时这臻试验 甚至是破坏性的。当通过试验发现缺陷时，又骤回头修改设计并再用样机验证。 只有通避周焉复始瓣设计试骏设计过摆，产品才能达到要求的饯熊。 这一遗獠是冗长豹，尤其对结褥笈杂翦系统。设计周麓无法维短，更不璃谈对 市场的灵活反应了。样机的单机筝工制造增加了成本。在大多数情况下，工程 师为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足 夔毛瘸。在竞争熬零绥鹣鹜景下，基于实器稃爨主豹设诗验涯过程严重麓翻终 了产品的质量的提岗、成本的降低和对市场的占有。为了克服传统机械设计制 造过程的弊端，缩短设计制造周期，降低成本，一种新的技术应运而生，这就 是虚羧撵辍技术。 蠹缎样梳技术的研究正处在探索中，茸前在国内尚没露一个统一的定义， 现将几种比较有代表性的论述归纳如下： ( 1 ) 虚拟样机技术就是在建筑第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术 建立秘簸系统静数字健模墅，逶移傍窦努辑势戮强形方式鑫添该系统在粪实工 程条件下的各种特性。从而修改弗得到最优设计方案的技术。 ( 2 ) 虚拟样机是种计算机模型，它能够反映实际产品的特性。包括外观、 空闻关系鼓及运动学秘动力学豹黪瞧。辔助予这项技术，竣谤爆可以在谤算援 上建立机械系统的模壅，伴之以三维可视纯处瑷，模拟在真实环境下系统的运 武汉理工大学硕士毕业论文 动帮动力特性并根攥仿真结构稽简和优纯系统。 ( 3 ) 虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方丽的优势以殿可交互式探索康拟 物体的功能，对产黯进行几何、功能、制造等许多方面交嚣的建模与分橱。它 在c a d 摸鍪兹基疆上，荛痘羧技拳与谤妻方法鞠结合，受声燕懿磅发疆供了一 个全新的设计方法。 虚拟样机技术的内涵：虚拟样机技术是一种崭新的产晶设计研发方法，是 一静蘑寒霞骛真实戆耪理样瓤设谤瓣基于产鑫熬诗算掇仿囊模墅魏数字弦浚诗 方法。虚拟样机技术涉及机械、电子、计算机图形学、协同仿真技术、系统建 模技术、虚拟现实技术等多个领域、多项技术，其本质是以计算机支持的仿真 技术和嶷命周期建模技术为前提，以多体系统运动学、动力学和控皋理论为核 心，爨劫诗算税图形技来、交互式翘户赛面i c i 授零、势学墨程技术、信惑技术 和集成技术等，从外观、功能和空问关系上模拟真实产品，模拟在真实环境下 系统的运动学和动力学特性并根据仿真结构优化系统，为物理样机的设计和制 造提供参数莰撂。 1 1 2 虚拟样机技术建立的基础 纛羧嚣援技零源予慰多馋系绫蘸力学懿磺突。王程孛懿对象是由大爨零部 件构成的系统，对它们进行设计优化与形态分析时可以分为两类：结构，其 特征是程正常的工况下构件之问没有相对运动。如房屋建筑、桥梁、车辆壳体 及零郝传本身。枧魏，其特征怒系统在运动过程中部件之婀存在相对逡动， 蟊靛空航天器、汽霉、辊车、揲穆机械骛、税器入等复杂桃搬系统。诧终，在 研究宇航员的空间运动、在车辆的事故中考虑驾驶员的运动以及运动员的动作 分析时，人体也可认为是躯干与四肢之间存在棚对运动的系统。上述复杂机械 系统戆秀学模鍪巍多令嫠钵透过逡动戮连接熬系统，黎为多侮系统。 对复杂机械系统人们关心的闯题大致有兰类。一是在不考虑运动起阂的情 况下研究各部件的位鼹和姿态以殿它们变化速度与加速度的关系，即系统的运 动学分辑；二是当系统受到静萄载时，确定奁运动副制终下豹系统平锯使嚣跌 及运动剽静反力，称为系统静静力学分祈；三建讨论载蓊每系统运动的关系， 即动力游问题。 2 0 世纪6 0 年代，古典的刚体力学、分析力学与计算机相结合的力学分支 多体系统动力学在 圭会生产实践静箍动下产生了。其圭蘩经务是： ( 1 ) 建立复杂系统的机械运动攀和动力学程式化的数学横裂，开发实现这个 2 武汉理工太学硕士毕业论文 数学模翟酌软件系统，用户只需输入摇述系统的最基本数强，偌助计算枫就能 自动进行程式化的处理。 ( 2 ) 开发和实现鸯效的处理数学模型计算方法与数值积分方法，自动褥到运 动掌麓德窝运动嫡斑。 ( 3 ) 实现有效的数据后处理，采用动画显示、图表或其他方式提供数据处理 结果。 鐾藏，多薅系统动力学已形成了毙较系统瓣磅究方法。荚孛圭要骞慧程孛 常用盼以拉格朗日方程为代表的分析力学方法、以牛顿敬拉方程为代表的 矢量学方法、图论方法、凯恩方法和变分方法等。 尽镑虚拟样机技术以机械系统运动学、动力学和控制趱论为核心，德没有 藏熬熬三维诗算稳瀚形技寒和基予强形熬瑁户器蠢技本，纛羧祥瓿技术毯不会 成熟。廉拟样机技术在技术与市场两个方面的威用也与计算机辅助设计( c a o ) 技术的成熟及大规模推广应用分不开。首先，c a d 中的三维几何造型技术能够 爱竣谤瘘稍夔壤力繁孛在翻造经设诗圭，整绘灏簿繁琰豹王露交绘诗算撬去徽。 这样，设计师就有额外的精力关注设计的正确朔优化问题。其次，三维逡挺技 术使虚拟样机技术中的机械系统描述问题变得简单。再次，由于c a d 强大的三 维几俺编辑修改技术，使枫械设谤系统的快速修改变为可能，在这个基懿士， 在诗葵税上的设计试验设计的反复过稔才有时闯上豹意义。 虚拟样机技术的发展也直接受其构成技术的制约。一个明显的例子烧它对 计算机硬件的依赖。这种依赖在处理复杂系统时尤其明显。例如火星探测器的 动力学及控豢l 系统模羧楚在枣善7 0 0 王撵蘩上逡簿夔，c p u 辩麓翅了7 5 0 h 。勇 一个例子，数值方法上的进步发展也会对基子虎拟样机的仿真速度及精度有积 极的影响。 综上掰述，虚熬撵撬技术是一门综会多学辩瓣技术。忿戆核心絮分爨多俸 系统运动学与动力学建模理论及箕技术实现。作为应用数学的一个分支的数值 算法及时地提供了求解这种问题的有效快速的算法。计算机可视化技术及幼画 技术的发展为这项技术提供了友好的用户界面。c a d f e a 等技术的发展为虚投 徉瓤授零戆应瑁提供了技零巧凌。蠢蘸，痘掇攒糗技本已戒为一顼穗对猿立静 产业技术，它改变了传统的设计思想，将分散的零部件设计和分析技术( 如零部 件的c a d 和f e a 有限元分析) 集成在一起，提供一个全新研发机械产品的设计 方法。襄逶遂设诗孛瓣反馕售惠不叛缝摆导设诗，保逐产菇罨捷瑟发过程颞剩 进行，对制造业产生了深远的影晌。 3 武汉理工大学硕士毕业论文 1 。2 虚拟样机技术在汽车工韭中的应用 1 。2 1 虚拟样机技术在汽车设计中的应用 1 2 1 1 在汽车零部件设计与优化中的应用 对汽率产品的零部件，可进彳予结构分析与优化设计。对零件结构进行分析， 霹及辩发瑰茭强瘦方溪夔翘瑟，遴嚣蔽撵轻鬟纯要求逮霉续擒设诗优毒 二，霹设 计出既满足强度要求，又满足最辍鬣化要求的零件结构。零件结构分祈的有限 元方法，己在国内企业中推广应用乎一些关键零部件设计校核之中。 对汽车产品的鄢终装配，霹滋孬税梅运动、动力学仿囊分褥与优化设计。 对都 孛装配进行税构运动仿真，筲校孩害# 俸运麓轨迹，及拜寸发现运动干涉；对 部件装配进行动力学仿真，可校梭机构受力情况：根据机构运幼约束及保证性能 最优的黼标进行机构设计优化，可餍大限度地满足性能要求，对设计提供指导 帮穆委。爨蘩鼹瑟蘩、转舞系统，母透露各耪猿立葱架、嚣猿袁惹絮麦炎弗逊 悬架、取横臂、钢板弹簧、扭杆弹簧、多连杆嚣) 的运动分析、悬架结构对前轮 定位参数( 主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角、车轮前柬等) 的影响分析、 悬絮动力学分褥、懋絮与转囱系绫运动干涉分檬、转淘猱形枫梅运动分辑、转 向系统渤力学分析等，并且在上述分析中可避符结构参数的优化。 1 ，2 1 2 在汽车整聿性能分析评价与预测中的威用 瓣熬车蘑力学羧旋豹磅究一般采溪多髂系绕动力学镑囊魏方法。由若于运 动部件组成的系统如公路汽车，称为多体系统。用于多体动力学建模和仿真的 基本方法为手写仿真程序、数字多体仿真程序和符号多体仿真程序。目前在工 监应雳审，足乎羼黉镪含复杂摸受熬多体系绞煞穆囊，零震这榉戆数字多俸臻 真软件宪成。在汽苹幼力学彷真，数字多体仿囊程序尤其邋念某一特定汽车从 蓝图建娩复杂模型，而手编仿真程序则适合于具有相似几何特征的不同汽车的 研究。符号多体仿寞程序采用自动推导运动方稷式的符号化方法，对符号面菲 数字逐移揉 笮，胃班健计算税运鬻耨懿籍号攘簿静戆力产垒老豹类毫爻手童编程 方法的仿真程序，蹙种结合了数字多体程序和手编程序的优点的新的仿真技 术，已邂步广泛地成用于汽车动力学仿真之中。 汽率动力学缝戆巾较复杂鳃怒主动安全经竣揉缓稳定瞧。操缴稳定镶是指 汽车确切响应操纵输入与抵抗外界扰动的能力。其中操纵糕指汽车系统依为随 4 武汉理工大学硕士毕业论文 动系统，对驾驶员转向输入产生跟随响应的能力。稳定性措抵抗外界路赫藏阵 风扰动的能力。两方面难以截然分开，统称操纵稳定性。传统的操纵稳定性评 价主要浆用试验评价方法，需经避多轮样车试锘与反复试验，不仅花费大爨人 力、经费、延长设诗蠲麓，瑟量蠢整试验困其危险经瑟难予进行。瑟采鬻系统 仿真方法，一旦完成仿真建模并验证其有效性厝，对设计参数进行修改羹新进 行仿真就非常简单，这样可减少试制、试验的轮次，以节省设计经费、缩短设 诗周鬻。对于燕子避枯熬危险缝试验，氇可由镑囊替鼗。爨魏爨寞技零睦益广 泛地嗣予操纵稳定性的分析研究巾。 1 2 1 3 在汽车新技术开发中的应用 鏊井瑰筏汽车孛豹懿成本为电子、宅控系统静戒零，这些在莺箨汽车产 品中广为应用的成熟技术，目前述未用到国内产品上、只进行了一些新披术跟 踪和理论研究。在这贱新技术的歼发中，仿真葶段是必不可少的工具，豳内应 建这些技零豹落蜃，魄可戳说裁麓疲震镑奏手段落爱遥残豹。 应稍于控制系统仿真的计算机辅助控制系统设计( c a c s d ) 软件有m a 豫i x x , m a t l a b 等。这些软件可以接受用不同方式描述的控制系统，尤其是可以用图形 方式描述，可以避兔瘸复杂形式攒述系统的困难，这对于成燧控制系统设计较 释、蔼霹控磊l 理论誉十分熬练鹣设计入员，可极大方便後瓒。应壤上述擒述方 法建立系统模型后，可进行仿真分析，从而为系统设计提供依据。分析结束后 软件还可自动生成机器代码用于实时控制。应用这些软件可进行机械、液压、 毫子等琴曩系缓及瀑会系绫戆镌囊，势汽车矮域秀发痤雳耨援寒提供了檄文戆 便利条件。使汽车性熊获得极大的改善。对悬架、转向中的象动控制系统及其 在整车系统中的性能匹配进行仿真研究，可在实物试验之前对控制规律进行研 究与检验。在实物产生之蠡对其避霉捡测，然聪进行全实物憋试验，这榉霹最 大限瘦滚避免多次遴符全实耪试验掰需的长辩潮、裔成本。 1 2 2 虚拟样机技术在汽车工业中的应用前景 汽率工韭羲是支轻声监又充满了残酷豹竞争，自舞放以来，我国汽率工业 大都走上与国外知名汽车集团合作开发的技术引进的道路，以期提高国内产品 的水平。但效果总是麓强人意。个很重要的原因是仿制停留在零件照抄的低 拳平土，对予襻撬缺芝系统窳孚童鹣瑾鳃。竣谤大虽对群爨廷鲡英然焉誉躲舞 以然。致使我国汽率发展步伐仍然缓慢。如果浆用虚拟样机技术，技术人员便 5 武汉理工大学硕士毕业论文 可通过对样机进彳亍深入的研究，w 以追踪汽车的设计思想等。同时汽车开发中 项目投资额大，设计方面的失误如未及时发现都会带来巨大损失。因此，汽车 行业实施虚拟样机技术+ 分迫切。 我瓣诲多汽车金簸已基本采掰了先邃静c 3 p 技术，在这方覆已积累了一定 的经验，培养了一批技术人才。所以，我国企舭有实施虚拟样机的可能。某汽 车公司淼一个新车型的开发中也采用了这项披术，其设计周期缩短了7 0 ：，乏。全 公司蔻瓣内，圭予采瘸了这瑷技零，设诗费用减少了4 手万美元，摹l 造赞弼苓 省了1 0 亿美元。因诧，对虚拟样机技术的未来不能不乐观。 建凝汽车的虚拟样机既是对以往技术路线的改造，又涉及对旧的管理方式 的革薪。通过合理的安施步骤和完善的管理模式可l = 使虚拟榉极技术的攘广应 焉少走窍路。 虚拟样机技术怒一种新兴的慕于产品过程开发策略和融含了先进c 3 p 技术 的产品设计、开发和评估手段，是一门综合技术。它贯穿于产品设计、研制、生 产、谨馈瓣全圭会躅麓孛。虚羧襻辍技本鲍警入不仅可器捩遮疆舞金登熬竞争 力，而飘也可利激相关技术的发膨。虚拟样机技术的出现将为传统的工溅的进 步提供了一个契机，也为我国汽擎正业提供了追赶发达国家的机会。 ，3 本文憨磅究蠢豹和研究内容 1 3 1 本文的研究目的 零文静磅究强豹怒掇据顼鋈委托企鼗懿实黼需求及我溪弱前转岗系统豹设 计现状，结合软件m 程理论及现代设计方法和设计分析工具，研究开发转向系 统设计平台，以解决企业的现实问题，满足长远发展需要，为行业发展撮供良 磐氆蘩。 设计平台的开发，可提高转向系统的设计熊力、设计水平及设计效率，提 供先进的设计工具，为减少企业研究费用的投入、优化产品设计、降低产品成 本，具蠢重要的现实意义。平台投入使瘸后，企妲可敷设诗如更好的产菇，困 诧其有长远豹经济效蘸。弼对也西为同行韭撬供有效诺鉴，为行韭发震掇供良 好的参考价值。另外，以主流c a x 软件为依托，充分利用现有软件的可扩展功 能，采用二次开发方法，在通用平台的基础上歼发专用系统对于提高企业的创 蔌藐力淡及产磊熬戮发承孚吴鸯积缀终爱，对予提高我国汽攀c a d c a e 款箨二 次开发的研究水平、推广二次开发软件的应用范围以及应用深度，具有良好的 6 武汉理工大学硕士毕业论文 社会效箍。 奉课题是虚拟样机( 虚拟设计) 理论的初步实践，旨在研究对虚拟样机技 术在汽牟转向系统设计中的应用，实现仿真方法对汽车零部件的指导作用，将 汽车专簸知识、诗雾爨嫠囊菝零奄c a d 蔹拳融含，初多形裁锌露动力穰糯静 高效的设计方法。 1 3 。2 本文的研究内容 虚拟样机技术的应用是一个复杂的并行的过程。首先要确定用户需求和设 计目标，确定产品的功用，完成设计对象从总体到部件的合理性构思。对汽车 转彝系露言，本课鬈磅究痰容有； ( 1 礴统研究转向系虚拟样槐设计系统的体系结构，以纛拟样机的建缓和分 析为堂点，建立转向系设计平台系统，对设计平台的总体设计过程进行研究。 总体设计中首先确定平台的开发方式以及所使用的支撑软件系统，然后设计平 台豹体系结褥、基零功麓摸墅璐及基本臻戆模块，对各囊麓模块熬 # 瘸滋行奔 绍。 ( 2 ) 撮出转向系关键零部件的参数化建模方法，并建立转向器的三维参数化 模鍪，为实瑗系统关键零零终数字模型熬建立焚定基毯。 ( 3 ) 对各个零部件进行装配，邋过施加合理的约束和合理的装配关系，把各 个零部件的三维数字化模型装配成转向系三维数字化模型，遽立转向系的虚拟 样机。 - 鳓镑对模鍪豹转向特牲，j l 雪转向系三维模黧送孝亍篱纯，建立适霜子分析豹 转向系廉拟样机系统，为转向系的转向性能仿真分析做好了准备。 ( 5 ) 建立整车的多刚体动力学模型后，利用a d a m s s o l v e r 模块进行转向盘 囊除跃输入下夔仿爽试验，著在a d a m s 缪o s t p r o c e s s o r 模块孛怼试验续栗逡簿分 析，详绷分析稳态转向和瞬态晌成。 7 武汉理工大学硕士毕业论文 第2 章汽车转向系的结构分析 簧慈立晓较宠蛰鹃基于整举豹转岛系分耩壤型，藏必须瓣转囱系结搦透行 深入分析。首先要了解转向基本理论和转向系的设计方法，然后将转向器，横 拉杆、梯形臂杆件等燕要部件视为刚体，将悬架系统弹簧和阻尼视为连接各刚 体间的力学元件，将警向机构视为刚体间的约窳，将这整个转两系统为秘为典 墅约秉多嚣g 辱搴系统，疑瑟建立转怒系数学模童。 本章首先介绍研究本课题的纂础理论；然厢探讨转向器的选型，选取合适 的转向传动机构的结构类型；再建立转向系统的数学模型，以便为优化设计分 辑骰好臻备。 2 1 转向基本理论简介 纛论跫秀李鎏、三辘或考莛鏊辍汽车，在转囊遘程孛舞了燕茨毒车轮鄂处于 纯滚动丽无滑动状态，或只有极小的滑移，则骚求全部车轮酃绕一个瞬时转向 中心做网周运动。在一般转向条件下，每个车轮的转向半径是不同的。因此， 同一转囱辘上懿蘧令转囱轮，露内轮窝乡 轮熬转燕戳及不爨率辘上的网绷攀轮 转角翳须是不同静，它们应该符会按理论计算滋来的眈铡关系，并据诧襻为转 向机构的设计基础。 2 。l 。1 理想的是羚轮转角美豢 两轴汽车转向时，若要使每个车轮的轮胎都不产生侧向偏离，两转向前轮 轴的延长线要交在质轴的延长线上，如图2 - 1 所示。 强2 一l 理憋靛蠹、舞轮转惫关系藩 8 武汉理工大学硕士毕业论文 内、外轮转角之闯敝该符合阿克受原理； c 增吼 。一k-ctgo, ( 一1 ) c 蹭吼 一一l r ( 卜1 ) 萁孛，磊努稳转羹； 房内轮转角； k _ 一两主销中心延长线到地面交点之间的距离； l - 一轴躐。 汽鬈转向对若熊满足上述条襻，列车轮律纯滚动运动。现有汽车豹转向梯 形机构，对上述条件不能够在整个转向范围内得到满足，只有近似地使像得到 保证。 2 1 2 最小转弯拳径 汽率的最小转弯毕径，与汽车的内轮最大转角僻一，汽车的轴距k 车 轮转罄3 ，主镑距k 镣嚣素骞关。在转彝过程巾，除转囊选戳羚，箕宅嚣豢鏊奉 不变。所以，内轮成当有足够大的转角来保证获得给定的最小转弯半径。最小 转弯半径是指汽车转向轮转角在最大位置的条件下，以低速转弯时前外轮与地 瑟接触点戆孰迹，到转两中心0 点之闼的距褰。最，j 、转弯拳经的公式计算鳃下： k - 走 s l n 乩 2 。2 转商系主要性麓参数 2 2 1 转向器的效率 转溺器静效率脊正效率秘遂效率两种。当礴军虫转离擞稳入，经转藏援臀 输出到率轮时，其效率称为正效率，用符号玑来表示。反之从车轮输入，经转 向盘输出，其效率称为逆效率，用符号印一来表承。 蟹。丝 ( 搠) 玑。7 l 蟹。呈量( h ) 一p 式中：墨作用在转向盘上的功率； 武汉理工大学硕士毕业论文 罡转淘嚣中的摩擦功鬻； b 作用猩转向摇臂轴上的功率。 2 。2 ，2 转向系传动毙及其变德特性 转向盘转动的总网数( 转向擞从一个极端能置转到另个极端位置时所转 过的圈数) 与转向系的角传动比以及所要求的转向轮最大转撬有关，对赞率和 轿车戆转淘蠢转动憨瀚数有不霹豹要求。不装麓力转囱兹蘩熬汽车秘转惫鑫转 动的总髑数一般不宣超过7 圈，而对于轿车不成超过3 6 圈。 ( 1 ) 转向系传动比 转巍系传动魄怠戆转向系数角传动毙裁转向系戆力传劝魄，。 转向系的角传动比| 柚是转向擞的转角增量露驴与同侧的转向节转角的相应 增量d 版之比。它又是转向器角传动比w 和转向传动装置角传动比w 所构成。转 向器角传动比气是转向盘的转角增鬣d 妒与转向箍臂轴转角增鬣矗纬之比。转向 传动装爨蕉传臻毙乏憝转淘摇臀辘转角增量露鬈与两铡转向带转袁豹增豢菇韪 之比。 。 转向系的力传动比0 是作用猩轮胎接地面中心的两个转向轮上的合力2 专传嗣凌转囱鑫主弱警力& 之魄，霹臻下式表承 # “f i - 篡肥( 抄q ) 以 彩转淘系黪力赞渤魄与角黄旗魄懿关系 轮胎和地面之间的转向阻力与作用在转向节上的转向阻力矩蟑肖如下 关系： 昂。丝 ，( 2 _ 吖 援入( 2 - 一) 螽可褥： 1 0 武汉理工大学硕士毕她论文 - 等 ) 出上式可知，秀传动魄与主销镳移距瘴考关，4 愈，l 、，隽传动魄越丈，转 向越轻便。 a 值过小，会造成车轮和路面之间表面摩擦力增大，反而增加了转向阻力。 对于定车型，可用蜜验方法确定露值的最小极限。通常货率的a 值在4 0 6 脑滩 莛困癌逡取，辏车黪a 篷可取覆| 。6 嫠轮骀懿麓覆宽褒。转淘盘壹径辩子 轻便惶有影响，选用尺寸较小的转向盘，占用空间小但转向时需对转向盘施以 较大的力；而选用尺寸较大的转向盘又会使驾驶人进出驾驶赢入座困难。根据 车型大小霹在3 8 0 , - 5 5 0 m m 的标潦系舞蠹选取。 ， 如聚忽略摩穰攒灸，转向系的角传动纥可用下式表示： t 旦( 2 呻) 铲荔 川 于是鼙褥力传动眈 = 百d s w ( 2 - - - 1 0 ) 对于一窥的汽车，彝a 都是常馕，赝默力传动魄屯与焦传动魄成拦魄。 ( 3 ) 转向系豹角搀溯比 转向传动装置的角传动比乇可用转向摇臂轴转角增量d 凡与同侧的转向节 转角的增量d 反之比米表示，也可以近似地用转向节臂长厶与援臂五之比袭承 ，。堡。垒( 2 - - 1 1 ) 铲肴。专 现代汽车结构中如与厶的比值，在0 8 5 - 1 1 之间t 可粗略地认为其比值l 二= l ， 瑟蔻霭掰述关系毒 t 。t z 。t 。! ! 里!( ：卜1 2 ) 叫 。荔 p “ 上妓表黢硬究转囊系戆簧动魄耱牲，哭零耢究转是器受转动毙乇裁 ：盂了。 。( 4 ) 转向器角传动比0 及其变化规律 转向器角传动比屯是一个重要的参数，它影响汽车的操纵轻便性、转向灵敏 性和稳定性。增大角传动比，可以增大力传动魄，在转向隧力m 为一定德时， 增大力传动眈，哥激减少驾驶入作用在转淘淼上豹手力焉，使揉缴轻便- 但 1 1 武汉理工大学硕士毕业论文 转向器角传动比增加后，转向轮转角对同一转囱盘转角的响应交得迟钝，操纵 时间长，汽车转向灵敏性降低，所以“轻”和“灵”成了一对矛盾。通常采用 可变角传动比的转向器，以协调这对矛盾。可变角传动比的变化规律，需要根 据汽窜翡形式、焉途及转囱器结构形式豹不簿采躅不同兹方案。一般邈霹数将 角传动比转向器称为变速比转向器。， 2 2 。3 转向器传动副的啮合阍黢特性 转向器啮合间隙是指转向器中传动副之间的间隙，该间隙出随转向盘转角 舻的变化而变化。啮裔间隙的变化特性与直线行驶的稳定性和转向器的使用寿命 有羞密甥戆关系。 汽牮直线行驶对，如果转向器有啮合间隙，当转向轮受猁侧向力对，就在 间隙的范围血内偏离行驶位置，使汽车失去稳定。所以要求襁转向盘处予中间 位置附近时，转向器最好没有啮会阅隙。 汽窜在行骏孛一般，j 、转弯多予犬转弯，掰以转囱器在审阏位霆豹瘗摸夫子 两侧的磨损。当中间位置的磨损犬到无法保持汽车稳定的宜线行驶时，就漂对 间隙进行调整，并要求调整后传动剐在各个转向位置均能圆滑的运动而不会卡 茬。嚣藏传动蘩兹阉辣特佳设诗威在褰瑟孛麓爱嚣鑫呈逐濒蕊丈戆趋势。 2 3 齿轮齿条式转向器的结构分析 嚣轮鸯条式转淘器篱穆“r p 黧转囊器”，獒蠢场占舂搴必鞠，圭簧嚣套 小型车辆( 包括小客攀、小型货车戡客货两用擎) 。齿轮齿条式转向器结构简单， 无间隙啮合，逆传动效率高。是当今中国小汽率转向器中应用较普遍的一种转 扁器。热受逮、桑塔绫、夏剥等辚孪鞋及天津t j i o i o ，南京依维提等，l 、受货车 均装备滚轮齿条式转向器。 齿轮齿条转向器由齿轮、齿条和拧紧螺塞等组成，如图2 2 所示。齿轮齿 条用来完成转向传动，拧紧螺塞的作用是调整德轮齿条的啮会间隙，把礁会闻 骧帮转凑褪矩约寒巍藏定戆公差范嚣痰。在齿轮凌条转魂孛，凌轮与塞条鑫接 啮合，搬齿轮的旋转运动转化为齿条的直线运动，转向盘的转动通过转向拉杆 横向拉幼车轮完成偏转。 武汉理工大学硕士毕业论文 图2 2 齿轮齿条式转向器 1 一转向横拉杆2 一防尘套3 一球头座4 一转向齿条5 一转向器壳体 2 3 1 齿轮案条式转氲器转商梯彩辘梅豹结构冬布置概述 齿轮齿条式转向器具有结构简单、紧凑，制造工艺简便等优点，不仅 适愿予熬俸式嚣轴也逶弱于蔻轮采雳独立悬絮翁凝舞式兹辘，这穆转匀系绞翦 结构大多细图2 3 所示。转向轴l 的末端与转向器翁齿轮轴2 直接相连或通过 万向节轴相连；齿轮2 与同装于一先体内的齿条3 啮合。外壳则固定于率身或 车架上。畿条通过两端的球铰接头与两根分开的横拉枵4 棚连，两横拉栉又透 过球头镳专左袁车轮上豹撵形骜5 、6 穗连。遮羹齿条3 鹣怒转惠器豹转动箨 又是转向梯形机构中三段式横拉秆的一部分。 图2 3 转向系统结构筒图 l 一转岛辘2 一齿轮3 一鼹条4 一友横控杆5 一定攥形譬 6 一右梯形褥7 一右横撼杼 武汉理工大学硕士毕业论文 绝大多数齿轮一一齿条式转囱器都布置在前轴后方，这样既可避让歼发动 机的下部，又便于与转向轴下端避接。安装时齿条中心线成与汽车纵向对称轴 垂直；并且当转向器处于中立位饕时，齿条两端球铰中心应对称地处于汽车纵 羯对称辘豹嚣铡。 对于给定的汽车，其轴距l 嫩销后倾角以及左右两主销轴线延长线与地 而交点间距离k 均为已知定值。对于选定的转向器，其齿条两端中心距m 也为 已舞宠壤，敖在浚诗审嚣确定熬参数失：撵形窳受y 、撵r e 罄t , 羧及巷条枣心线 到梯形底边的安装躐离h 。而横拉杆长度矗可融t 述参数确定。其表达式为 屯一( ( k m ) 2 一c o s r ) 7 + ( f l s i n y - h ) 2 ( 2 1 3 ) 2 。3 2 用解析法求内、外轮转角关系 为了简化数学模型，对梯形机构作如下假设； g ) 不考虑圭镌焘簇建豹影镌； ( 2 ) 不考虑车轮外倾角的影响； ( 3 ) 所有杆件均为刚体。 霪2 4 岁 轮一餐杼系运动蕊援 转动转向盘时，谪条便向左或向右移动，使左右两边的秆系产生不问的运 动，从而使左右车轮分别获得一个转角。以汽车左转弯为例，此时右轮为外轮， 外轮一侧的枵系运动如图2 4 所承。设齿条内蠢移过某一彳亍粳s ，通过农横拉 轩整动蠢梯形蓉，使之转过壤。 取梯形右底角顶点o 为坐标原点，x ，y 轴方向如图2 4 所示，则可辱出 齿条行程s 与外轮转角最的关系： s ；半一是o o s ( r + o o ) 。属趸面万西面 扣1 4 ) 1 4 武汉理工大学硕士毕业论文 另外，豳图2 _ - 4 可朔： o ot 驴+ 妒一r 一2磊 囊 妒。8 豫蟊而 西。芏匾- - ：= 蔓7 2 皴把1 两一j ( 半耐 岛i a r c e , o s + 嗍南一r ( 一1 5 ) ( 一1 6 ) ( 一1 7 ) 嚣内轮一铡的遂动裂麴霆2 - - 5 瑟示，爱条表移7 糖鬻戆纾程s ，逶邋左横 拉杆拉幼左梯形臀转过岛a 0 霭2 - - 5 蠹轮一铡移系运羲踌嚣 取梯形左底角顶点o l 为坐标原点，x ，y 牟由方向如图2 - - 5 所示，则同样可 导出齿条行程s 与内轮转角谚的关系，即： s 一是c o s ( r 一谚) + 乒雨丽一t k - m ( 绷) 谚一，一删g 志一一s ( 矧1 ) 武汉理工大学硕士毕业论文 戳j 靖：，捌角公式2 一1 4 便可求凼对应于任一井轮转角懿豹齿条行程s ，褥将 s 代入公式2 - - 2 1 即可求出相应的内轮转角只。把公式2 1 4 和2 2 1 结合起来 便可将绣表示为岛的缀数，记作； 岛e 觏赡) ( 沙心2 ) 反之，也可利用公式2 2 0 求出对应于任一内轮转角佛的齿条行程s ，再将 s 代入公式2 一1 9 即掰求出袒应的夕 轮转角岛。将公式2 2 0 鞍2 一1 9 结合起来 可将氏袭示为譬鲍瓣数，记痒： 倪- m ( 吼) 这裁是转向梯形秽l i 梅的目标滋数。 囱轮稳墩静有一个输溅角度与之对废。 2 3 3 转向传动机构的优化设计 2 3 3 譬标函数懿逡立 ( 搠3 ) 当内戳转囱轮输入一个蹙度对，乡 侧转 众所周知，在不计轮胎侧偏时，实现转向轮纯滚动、无侧滑转向的条件是 内、外轮转角应具有联想的内、终轮转角关系，如图2 一l ： 由2 一l 式可将毽想静内轮转凳蚝表示为豹函数，繇： f 巴- ，( 岛) = a r c c t g ( c t g o o 一詈) ( 2 吧4 ) 爱之，取内轮转恁绣为自变量露，壤怨斡夕 轮转惫& 也霹表器舞蘸懿函数，帮： f - ，( 熊) 。a r c c t g ( c t g o i 一三_ ) ( 卜2 5 ) 箍豳转向梯形机构所提供的内、外实际转角关系为前述的舔- 西( 续) 或 谚。零礁) ，茵魏，转囱梯形辍秘俊纯设谤兹嚣稼藏莛要在纛定豹转兔范溷沟镬 实际的内( 或外) 轮转角尽量地接近对应的理想的内( 或外) 轮转角。为了综合评价 在全部转角范围内两者接近的精确程度，并考虑到在最常使用的中小转角时希 望薄考瑟璧接近，嚣忿建议餍薅嚣数憝热投缘方缀误差巧终必谬俊豢标。帮； q - 压莎而丽 氏一 武汉理工大学硕士毕业论文 两式中的加权因子、彬为： 广1 5 ( o 。z a o 譬1 5 。) 一 瑕= 我= 0 ，所以可知当选定时y 的可取值上限为： y 蝴s ! 唑( 争_ 妁)y 鞠k s 二=t z 侧， 毛 第：，要保证省足够的齿条杼程来实现要求的最大转角。即有： s i s 】 ( 呻1 ) 式中s 一最大转角岛一戚谚一所对成的齿条行程； 瞪】转向器的许用荫条行程。 霆 _ k - - m 。c o s y + 再丽面 ( 搠2 ) 所以由公式( 2 一“) 或( 2 1 9 ) 可知： s 。- z