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基于ADAMS的转向特性仿真分析（武汉理工大学 汽车工程学院）摘要： 本文以齿轮齿条转向器为研究对象，借助于ADAMS软件对汽车转向系统的稳态和瞬态响应进行了详细的分析，完成了转向系统的建模仿真过程，对提升汽车的操纵稳定性有重要的意义。关键词：转向系统 ADAMS 稳态响应 瞬态响应Abstract: Based on the software of ADAMS, this paper mainly analyses the steady response and transient response of automobile steering system, concentrating on rack and pinion steering gear. The modeling and simulation has been finished, which is of great importance to improve the control stability.Key Words: steering system ADAMS steady response transient response前言转向系统是一套用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，其功用是保证汽车能按驾驶员的意志而进行转向行驶。因此，转向系统是汽车底盘的重要组成部分，转向系统性能的好坏直接影响到汽车行驶的安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性，它对于确保车辆的行驶安全、减少交通事故以及保护驾驶员的人身安全、改善驾驶员的工作条件起着重要作用。随着私家车的越来越普遍，各式各样的高中低档轿车进入了人们的生活中。快节奏高效率的生活加上们对高速体验的不断追求，也要求着车速的不断提高。由于汽车保有量的增加和社会活生活汽车化而造成交通错综复杂，使转向盘的操作频率增大，转向系统就起到了至关重要的作用。一、转向系统结构介绍汽车转向系统可按照转向能源的不同分为机械转向系统和动力转向系统两类。机械转向系统以驾驶员的体力作为转向能源，其中所有传力件都是机械的，主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三大部分组成。如图1.1所示，当汽车转向时，驾驶员对转向盘施加一个转向力矩。该力矩通过转向轴输入转向器，再经过转向横拉杆传给固定于两侧的转向节臂，使转向节和它所支承的转向轮绕主销轴线偏转一定角度，实现转向。动力转向系除具有以上三大部件外，其最主要的动力来源是转向助力装置。由于转向助力装置最常用的是一套液压系统，因此也就离不开泵、油管、阀、活塞和储油罐，它们分别相当于电路系统中的电池、导线、开关、电机和地线的作用。图1.1 转向系统结构图转向器是转向系统中的减速传动装置，一般有12级减速传动副。根据传动副的结构形式不同，转向器可以分为很多种类，目前在汽车上广泛采用的有齿轮齿条式、循环球-齿条齿扇式以及循环球-曲柄指销式等几种。本文主要基于齿轮齿条式转向器进行ADAMS建模仿真分析。图1.2 齿轮齿条式转向系统如图1.2所示，齿轮齿条式转向系统，当转动转向盘时，可带动小齿轮转动，这个小齿轮与一根齿条相啮合，带动齿条左右直线运动，并推动转向轮左右摆动从而实现转向功能。齿轮齿条式转向结构简单、成本低、转向力和路感传递直接，因此，现在轿车上基本都采用齿轮齿条式转向。二、ADAMS软件介绍ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国机械动力公司(Mechanical Dynamics Inc.)(现已并入美国MSC 公司)开发的虚拟样机分析软件。ADAMS已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。ADAMS软件具有强大的建立数学模型的系统，设计者只需通过输入可以描述系统的基本数据，利用计算机就可以自动进行程序化的处理，通过这种方法创建系统的运动学和动力学的数学模型。通过仿真运动，自动得到构件的运动规律和力学的变化关系，通过有效的数据后处理，可以运用动画或者图标、曲线等方式对数据进行分析。ADAMS具有很多功能性的模块。其中，ADAMS/View模块是ADAMS核心模块之一，这个模块集合了多种功能，如图形的建模、仿真计算、动画播放、优化分析、曲线后处理、结果分析等。该模块还拥有一个零件库，零件库中有大量的几何形状，约束力和力矩，并可以使用布尔运算符和FORTRAN函数。本文是直接使用ADAMS/View模块创建简易转向系统的模型，并进行运动学和动力学仿真研究，最后在该模块中对仿真结果进行计算分析。ADAMS/Solver是运动学和动力学仿真求解模块，可以直接产生系统模型的动力学方程组，具体可以实现装配计算、运动学计算、动力学计算、静平衡计算和线性化计算等。ADAMS/PostProcessor是ADAMS软件的核心模块之一,可以绘制丰富的曲线图以及观赏仿真动画，它可以处理各种数据，具有多种查看仿真结果的功能，可以完成模型调试、试验验证、设计方案改进和结果显示等工作，是比较强大的后处理模块。三、转向系统数学模型研究转向系统的数学模型是为了进一步研究汽车在行驶过程中的稳态和瞬态响应。驾驶员的转向力传递到轮胎会使轮胎产生横摆角速度，据此可以分析其转向灵敏度，如图3.1所示。图3.1 转向系统传力过程研究过程中，忽略悬架的作用，认为汽车车厢只作平行于地面的平面运动，即汽车沿z轴的位移，绕y轴的俯仰角与绕x轴的侧倾角均为零。因此，数学模型简化可从以下四个方面进行：汽车无垂直方向运动，也无绕y轴和x轴的俯仰和侧倾运动；汽车作等速运动，不考虑切向力和空气动力的作用；忽略转向系统影响，直接以前轮转角作为输入；不考虑左右车轮由于载荷变化引起轮胎特性变化和回正力矩的作用。最后，可以将汽车简化成沿y轴的侧向运动与绕z轴的横摆运动这样两自由度系统，如图3.2所示。图3.2 二自由度汽车模型二自由度汽车受到的外力沿y轴方向的合力与绕质心的力矩为：其中，侧偏力，因此从力和力矩平衡方程式导出如下微分方程组：将前后车轮的侧偏角刚度带入，化简得如下方程：由此可知，汽车稳态响应过程与汽车的侧偏角刚度有着直接的关系。接着分析汽车瞬态响应过程，给定汽车前轮一个角阶跃输入，可化简为单自由度强迫振动微分方程：前轮角阶跃输入时瞬态响应的解为：其中，横摆角速度增益横摆角速度波动时额固有频率：阻尼比：角阶跃输入后汽车横摆角速度第一次到达稳态值所需时间，即反映时间：过摆量（超调量）：研究时域空间的汽车瞬态响应就主要从固有频率、阻尼比、反应时间和过摆量四个方面进行详细分析。四、ADAMS建模仿真分析本文主要是基于齿轮齿条式转向系统进行仿真分析，首先在ADAMS中建立简易的转向系统模型，同时添加相应的约束和驱动，如图4.1所示。图4.1 转向系统仿真模型为了模拟转向盘上的角位移输入和力矩输入，分别将两种驱动形式添加到方向盘上进行仿真分析。首先分析系统的角位移输入特性，给定转向盘一个角阶跃输入，即在ADAMS模型中的转向盘上添加约束，然后施加旋转驱动，定义函数为-STEP（time , 0 , 0 , 0.01 , 60d），即在转向盘上施加一个60度的转角，设定仿真时间为0.5s，进行仿真分析。然后进入ADAMS/PostProcessor模块，即后处理模块，绘制车轮横摆角速度（及加速度）随时间变化的曲线，如图4.2所示。图4.2 仿真曲线图如若将角输入改为力矩输入，可以得到相类似的仿真曲线，在此不赘述。由图可知，仿真过程中，转向盘受到角阶跃输入情况下进入稳态响应的过程。理想的变化曲线如图4.3所示。据此可以对转向系统的参数进行调节，使得反应时间尽可能短。图4.3 瞬态响应变化曲线此外，还可以通过参数的改进对转向系统的性能进行优化，不仅降低成本，而且缩短了生产周期，对转向系统的开发有重要的意义。五、稳态和瞬态响应分析汽车的稳态转向特征分为不足转向、中性转向和过多转向。在转向盘保持一固定转角下，缓慢加速或以不同车速等速行驶时，随着车速的增加，不足转向汽车的转向半径增大；中性转向汽车的转向半径维持不变；而过多转向汽车的转向半径则越来越小。操纵稳定性良好的汽车应具有过多转向特性。瞬态响应主要是分析给定转向盘角阶跃输入激励下达到其稳态响应过程中时间以及横摆角速度波动，直接影响到行驶方向稳定性和响应品质。因此，评价瞬态响应品质主要有固有频率、阻尼比、反应时间和过摆量，由以上数学模型推导可知，对于固有频率，若控制其在1Hz左右，需要适当调节轮胎侧偏刚度以及汽车质量和转动惯量，然后进行ADAMS仿真分析，选取最优化参数。为了避免共振的发生，阻尼比通常大些比较合理；为了提高转向系统的反映灵敏度，应该尽可能减小反应时间和过摆量。结语本文主要针对角阶跃输入和力矩阶跃输入的情况下，建立ADAMS仿真模型进行仿真分析，可以很方便地得出反应时间和力矩传递的变化规律。另外，针对提高汽车操纵稳定性，本文提出了稳态和瞬态响应