基于UG的雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真分析

李靜，彭懷輝

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于UG的雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真分析

李靜，彭懷輝

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章介紹了一種雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分析優(yōu)化方法。通過(guò)UG的運(yùn)動(dòng)仿真模塊對(duì)雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，以第一前橋的一個(gè)轉(zhuǎn)角輸入，求解第一、二前橋其它轉(zhuǎn)角，然后再與阿克曼公式得出轉(zhuǎn)角進(jìn)行對(duì)比。從而分析第一、二前橋轉(zhuǎn)向梯形以及雙前橋拉桿系的合理性，為雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)仿真；對(duì)比分析

引言

汽車的轉(zhuǎn)向輕便性和操縱穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)汽車時(shí)要考慮的重要性能，其中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是影響此性能的關(guān)鍵因素。轉(zhuǎn)向梯形的設(shè)計(jì)是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，轉(zhuǎn)向梯形選擇的好壞, 直接影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能、輪胎的磨損等[1]。

轉(zhuǎn)向梯形設(shè)計(jì)目前采用的主要方法有作圖法、解析法和計(jì)算機(jī)程序輔助分析法等。 這些方法, 有的需要深厚的理論知識(shí)，有的需要較強(qiáng)的編程能力，有的較煩瑣，在實(shí)際應(yīng)用中，都不是理想的工具。UG的運(yùn)動(dòng)分析模塊可對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)的分析，分析的結(jié)果可直接導(dǎo)入Excel等軟件進(jìn)行進(jìn)一步處理。 根據(jù)需要，還可建成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與前懸架系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模型，可以分析前懸架上下跳動(dòng)各位置時(shí)轉(zhuǎn)向梯形的特性，建立這樣的模型，分析數(shù)據(jù)較多，較為復(fù)雜。通常僅需分析設(shè)計(jì)位置 (如空載或滿載等) 的轉(zhuǎn)向特性, 得出設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，再對(duì)其他位置進(jìn)行校核即可，即只需做轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析即可。分析過(guò)程可很方便地對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行編輯修改，從而完成對(duì)轉(zhuǎn)向梯形的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文以江淮某重卡雙前橋載貨車為例，通過(guò)UG建立三維數(shù)模再運(yùn)用運(yùn)動(dòng)仿真模塊建立運(yùn)動(dòng)仿真模型進(jìn)行仿真分析。

1 轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)的主要功能是實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角保持一定的關(guān)系[2]。為了保證其良好的轉(zhuǎn)向性能，減少輪胎磨損必須使各轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向時(shí)盡量處于純滾動(dòng)狀態(tài)，即使內(nèi)、外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系盡量符合阿克曼公式[3]。重型汽車雙前橋是一種較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，除了需要符合一般轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的要求，由于其自身結(jié)構(gòu)的特殊性還會(huì)有一些特殊的規(guī)定：

1.1 轉(zhuǎn)向輪理想運(yùn)動(dòng)關(guān)系

為了保證各轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向時(shí)都作純滾動(dòng)，同一軸上的轉(zhuǎn)向輪左轉(zhuǎn)向角應(yīng)滿足阿克曼定律式（1）、（2）；同時(shí)第一、二前橋已有的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)應(yīng)滿足運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系（3）式；其轉(zhuǎn)角關(guān)系如圖1所示：

式中：α1、α2—第一、二橋左輪轉(zhuǎn)角；

β1、β2—第一、二橋右輪轉(zhuǎn)角；

L1—第一橋軸線至第三、四橋軸線的距離；L2—第二橋軸線至第三、四橋軸線的距離；

B—前橋主銷中心距

轉(zhuǎn)向性能要求的描述多是隱式的，需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的分析表述成仿真模型能夠檢驗(yàn)的形式。

1.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)性能

轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)性能

其中B、L1、L2的值由汽車的總體設(shè)計(jì)決定。

雙擺臂與第二橋轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)綜合性能

驗(yàn)證就是根據(jù)仿真模型里給定的α1，按照上面的關(guān)系式求出與α1相對(duì)應(yīng)的α2、β1、β2的理想值；然后通過(guò)仿真模型輸出在模型中的α2、β1、β2；并將α2、β1、β2在仿真模型中的實(shí)際值和阿克曼公式計(jì)算出的理想值作比較。（4）表示第一橋轉(zhuǎn)向梯形性能，（5）表示第二橋轉(zhuǎn)向梯形性能；（6）表示第一、二橋左輪轉(zhuǎn)向的關(guān)系，能夠反映轉(zhuǎn)向雙搖臂的性能。（7）表示第一橋左輪與第二橋右輪的關(guān)系，能夠反映轉(zhuǎn)向雙搖臂與第二橋轉(zhuǎn)向梯形的性能。

圖1 雙前橋的轉(zhuǎn)角關(guān)系

2 建立仿真模型

2.1 建立三維數(shù)模

利用UG三維建模模塊對(duì)車架、前橋、擺臂、拉桿等進(jìn)行建模[4]，然后在裝配模塊中進(jìn)行組裝，得到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維數(shù)模如圖2所示。此模型中不考慮前懸掛跳動(dòng)因素，取其滿載狀態(tài)位置進(jìn)行分析。

圖2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維數(shù)模

2.2 定義連桿

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程為方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度輸入，通過(guò)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，滿足駕駛員的改變行駛方向的需求。雙前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 雙前橋轉(zhuǎn)向傳動(dòng)關(guān)系

本次運(yùn)動(dòng)仿真重點(diǎn)分析雙前橋轉(zhuǎn)向梯形的協(xié)調(diào)性，可簡(jiǎn)化為：將第一橋左輪轉(zhuǎn)角為一個(gè)輸入α1，輸出第一橋的右轉(zhuǎn)角β1、和第二橋的左右轉(zhuǎn)角α2、β2。根據(jù)雙前橋轉(zhuǎn)向傳動(dòng)關(guān)系，簡(jiǎn)化零件外形，忽略質(zhì)量、質(zhì)心位置、慣性等，定義連桿如下：（1）車架、擺臂支架、第一前軸、第二前軸，共同定義為連桿L001；（2）第一擺臂、第二擺臂及其與它們連接的球銷分別定義為連桿L002和連桿L008；（3）第一前橋直拉桿、第二前橋直拉桿、過(guò)渡拉桿，分別定義為連桿L003、L009和L007；（4）第一前橋的左轉(zhuǎn)向節(jié)和轉(zhuǎn)向彎臂、第二前橋的左轉(zhuǎn)向節(jié)和轉(zhuǎn)向彎臂分別定義為連桿L004、L010；（5）第一前橋的橫拉桿、第二前橋的橫拉桿分別定義為連桿L005、L011；（6）第一前橋的右轉(zhuǎn)向節(jié)、第二前橋的右轉(zhuǎn)向節(jié)分別定義為連桿L006、L012；

2.3 定義運(yùn)動(dòng)副

（1）將連桿 1（L001）定義為固定副（J007）；（2）將第一擺臂（L002）、第二擺臂（L008）繞擺臂支架（L001）中心旋轉(zhuǎn)定義為旋轉(zhuǎn)副（J001）（J004）；（3）第一、二前橋的左右轉(zhuǎn)向節(jié)（L004、L010 、L006、L012）分別繞第一、二前軸（L001）旋轉(zhuǎn)定義為旋轉(zhuǎn)副（J002、J 003、J005、J006）；（4）第一直拉桿（L005）、第二直拉桿（L011）、過(guò)渡拉桿（L007）與過(guò)渡擺臂（L002、L008）通過(guò)球頭銷連接，定義為球面副（J008、J009、J011、J012）；（5）轉(zhuǎn)向彎臂（L004、L010）與第一二直拉桿（L005、L011）通過(guò)球頭銷連接，定義為球面副（J010、J013）；（6）第一、二橫拉桿（L005、L011）與第一、二前軸（L001）連接點(diǎn)定義為球面副（J014、J015、J016、J017）；（7）第一、二前橋的右轉(zhuǎn)向節(jié)（L006、L012）與第一、二前軸（L001）連接點(diǎn)定義為旋轉(zhuǎn)副（J003、J006）。通過(guò)以上步驟建立的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真模型如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真模型

3 定義驅(qū)動(dòng)

此次仿真分析過(guò)程是對(duì)現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向梯形的驗(yàn)證分析。運(yùn)動(dòng)傳遞關(guān)系如圖2所示，轉(zhuǎn)向盤為驅(qū)動(dòng)源， 分析轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系等。在設(shè)計(jì)過(guò)程中, 因內(nèi)輪轉(zhuǎn)角大于外輪， 通常是以模型的內(nèi)輪轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)到最大轉(zhuǎn)角時(shí)，來(lái)校核轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與相鄰件的硬干涉和軟干涉情況， 因此，此仿真過(guò)程選定內(nèi)輪 (可任意選擇左右轉(zhuǎn)向輪為轉(zhuǎn)向內(nèi)輪，由于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，車輪與轉(zhuǎn)向節(jié)為一個(gè)剛體，此次仿真過(guò)程以轉(zhuǎn)向節(jié)代替車輪) 在主銷軸心線上的旋轉(zhuǎn)副為驅(qū)動(dòng)源, 并定義該旋轉(zhuǎn)副的運(yùn)動(dòng)為恒定速度。對(duì)于此仿真模型，設(shè)定第一前橋左輪為內(nèi)輪，轉(zhuǎn)角從0°轉(zhuǎn)到42°，步數(shù)設(shè)定為42步，這樣就可得到每轉(zhuǎn)動(dòng)一度所對(duì)應(yīng)的輸出值。

4 輸出結(jié)果

設(shè)定了第一前橋左轉(zhuǎn)向節(jié)繞主銷軸心線上的旋轉(zhuǎn)角度α1為驅(qū)動(dòng)以后, 轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)及左右車輪就可以按我們?cè)O(shè)定的空間參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)了。運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程可以輸出在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各桿件、車輪的角度、位移等情況。此次仿真分析的目的是對(duì)雙前橋轉(zhuǎn)向梯形的合理性進(jìn)行分析優(yōu)化，因此，在經(jīng)過(guò)選取 Packaging 選項(xiàng)設(shè)定后, 提取模型中的α2、β1、β2值，輸出到 excel中進(jìn)行分析。此次仿真輸出結(jié)果α2、β1、β2實(shí)際值見(jiàn)表 1。

表1 仿真結(jié)果輸出值

5 結(jié)果與結(jié)論

汽車轉(zhuǎn)向過(guò)程中實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角的誤差越小,輪胎的磨損越小。 此次仿真模型輸出的轉(zhuǎn)角為實(shí)際轉(zhuǎn)角，與通過(guò)阿克曼公式計(jì)算出理論轉(zhuǎn)角進(jìn)行對(duì)比，得出誤差的具體差值，見(jiàn)表1。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)角在30°以內(nèi)，誤差不大于1，即為合格的轉(zhuǎn)向梯形，否則需要調(diào)整三維數(shù)模中的轉(zhuǎn)向梯形參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，直到滿足設(shè)計(jì)要求。

此仿真方案已大量應(yīng)用于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)校核中，實(shí)車驗(yàn)證輪胎無(wú)偏磨現(xiàn)象，長(zhǎng)期的市場(chǎng)反饋轉(zhuǎn)向特性良好。但是，為了簡(jiǎn)化仿真過(guò)程，此仿真模型沒(méi)有考慮前懸架跳動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響，后期可以增加前懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的干涉分析，這也是分析汽車操縱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。此仿真對(duì)比分析的方法也可應(yīng)用于別的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，為設(shè)計(jì)者增加了一種可供選擇的分析方法。

[1] 余志生. 汽車?yán)碚揫M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2] 陳家瑞. 汽車構(gòu)造[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2001.

[3] 余志生. 汽車設(shè)計(jì)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[4] 胡曉康編譯.UG運(yùn)動(dòng)分析培訓(xùn)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.

Motion Simulation And Analysis Based On Ug For Dual-Front Axle Steering System

Li Jing, Peng Huaihui
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD, Anhui Hefei 230601 )

The paper introduces a kind of dual-front axle steering system analytical method.Through the motion simulation module of UG to simulate the dual- front axle steering system, A angle of the first front axle as input, to solve the other angle of the front axle, Compared with the angle calculated by Ackerman principle. To analyze the rationality of the first or second front axle steering trapezium, and the rationality of the dual-front axle rod system, provide the basis for the optimal design of the double front axle steering system.

dual-front axle steering system; motion simulation; contrastive analysis

CLC NO.: U463.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-145-03

U463.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)12-145-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.048

李靜（1987-），女，工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，從事前橋轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。