设计仿真 | Adams Car 转向力矩波动分析

对于单十字万向节，设主动叉由初始位置转过φ_1角，从动叉相应转过φ_2角，两轴夹角为α，则从动叉与主动叉转角关系为：

tan⁡〖φ_1=tan⁡〖φ_2∙cos⁡α 〗 〗

则从动轴的角速度ω_2与主动轴的角速度ω_1的关系为： 

ω_2=ω_1∙cos⁡α/(1-〖sin〗^2⁡α∙〖cos〗^2⁡〖φ_1 〗 )

         

图2  十字万向节不等速特性

这种角速度的波动会导致输出扭矩的波动。因为功率P=T∙ω（T为扭矩，ω为角速度），在传递功率一定的情况下，角速度的波动必然引起扭矩的波动。

双十字万向节具有波动补偿特性，为了减小单十字万向节的波动特性，通常会采用双十字万向节。双十字万向节在布置理想的情况下（即中间轴与主、从动轴夹角相等且传动轴两端万向节主、从动轴轴线处于同一平面内），可以使输入轴和输出轴的角速度相等。

对于双十字万向节，设第一个万向节（靠近主动轴）的主动叉转角为φ_11，从动叉转角为φ_12；第二个万向节（靠近从动轴）的主动叉转角为φ_21（因为中间轴的连接，φ_12=φ_21），从动叉转角为φ_22。根据单十字万向节的转角关系公式，对于第一个万向节有：

tan⁡〖φ_11=tan⁡〖φ_12∙cos⁡〖β_1 〗 〗 〗

对于第二个万向节有：

tan⁡〖φ_21=tan⁡〖φ_22∙cos⁡〖β_2 〗 〗 〗

由于φ_12=φ_21，β_1=β_2，可以推导出在理想情况下φ_22=φ_11，即实现了等角速传动。

         

图3  双十字万向节

实际上，空间布置原因，转向系统传动轴两端万向节主、从动轴轴线不在同一平面内。因此，实际分析过程中，转向力矩波动还与第一个十字万向节的两轴平面1与第二个十字万向节的两轴平面2之间的夹角θ、转向中间轴两端十字叉相位角Ψ有关。

图4  转向中间轴万向节相位角

转向力矩波动分析模型是包含转向系统的前悬架装配模型，子系统包括转向子系统、前悬架子系统和悬架台架子系统。转向系统硬点如下：

创建转向子系统时，十字万向节铰链类型使用universal定义。I Part选择与万向节主动叉固连的部件，J Part选择与万向节从动叉固连的部件。I-Part Axis选择十字轴主动叉参考方向点，该点与万向节中心点连线即为十字轴主动叉轴线；J-Part Axis选择十字轴从动叉参考方向点，该点与万向节中心点连线即为十字轴从动叉轴线。

         

图5  十字轴万向节创建

         

图6  十字万向节模型图

在转向系统模板中，分别创建转向输入轴沿其轴线的角速度request（Wz_Steer_Input）和转向输出轴沿其轴线的角速度request（Wz_Steer_Output）。装配前悬架模型，将转向子系统模型设置为运动学（Kinematic Mode）模式。在菜单栏Simulate依次选择Suspension Analysis→Dynamic进入悬架动态仿真，Duration Time输入时间，Steering Excitation选择displacement或velocity，Steering Input输入方向盘转角或转速表达式。运行仿真。

         

图7  转向运动学工况定义

进入后处理，分别导入转向输出轴角速度”Steer_Output_Wz”和转向输入轴角速度”Steer_Input_Wz”。通常将转向输出轴角速度的波动率表达方向盘扭矩的波动程度，公式如下：

         

由仿真结果得出本模型转向力矩波动率。

         

图8  转向输入轴和输出轴角速度曲线

注：十字万向节可以使用”Hooke Joint With Angle”，通过Phase angle来定义中间轴两端十字叉相位角，有助于快速优化相位角。