msc.adams软件在转向系统运动学仿真分析中的

msc.adams软件在转向系统运动学仿真分析中的

2003年MSC.Software中国用户论文集MSC.ADAMS软件在转向系统运动学仿真分析中的应用胡爱华王萍武汉三江汽车厂-1-\n2003年MSC.Software中国用户论文集MSC.ADAMS软件在转向系统运动学仿真分析中的应用ApplicationMSC.ADAMSSoftwareinSteerKinematicsSimulationAnalysis胡爱华王萍(武汉三江汽车厂)摘要:本文介绍了国际上著名的MSC.ADAMS软件，并利用它对特种越野车转向系统进行了运动学仿真分析。首先，建立转向系统仿真模型，然后对模型进行仿真分析，得到一桥、二桥左右轮转角及一二桥左右轮转角关系，最后进行了理论计算与仿真结果的对比，并得到了具有工程意义的结果。关键词:转向系统运动学仿真分析Abstract:Thepaperintroducesthefamoussoftware-MSC.ADAMS,andappliesitanalyzingthesteersystemofspecialoff-roadvehicle.First,theemulationalmodelofsteersystemisestablished,thenemulatingit.wegetthewheelangleoffirstandsecondandtheirrelation.Attheend,thepapercomparestheresultoftheemulationaltotheresultofthetheoryanalysis,andgettheresultofengineeringidea.Keywords:steerkinematicssimulationanalysis1前言汽车转向系统的动力学和运动学分析是进行整车总布置设计和整车通过性校核的重要内容，也是研究汽车平顺性、操纵稳定性等性能的基础。传统转向系统的设计方法是依赖已有的产品，经过类比分析后进行局部地改动，近似地满足功能要求，无法提高整车的使用经济性，零部件的结构一般得不到改进，更无法做到经济合理。同时，随着重型越野车系列化的发展，新产品更新换代的加快，转向系统的设计周期也将大幅度的缩短。因此，为了实现重型越野车转向机构设计的合理性和快速性，并对其性能进行分析，采用先进的计算机仿真技术显得十分重要。在众多的软件中，汽车工业中广泛应用的ADAMS软件则是非常具有代表性的一个运动学-2-\n2003年MSC.Software中国用户论文集与动力学仿真软件。这种仿真软件应能够使计算机代码和方程准确地模拟真实的转向传动系统，避免了传统的产品开发过程中零部件和样机的反复制造、试验等过程，同时硬件建设成本的降低节省了大量的时间和财力，为产品迅速占领市场赢得了更多的机会。本研究主要是针对某重型越野车辆转向系统进行运动学分析计算，用于检查各运动部件在整个运动范围内是否会出现干涉、各运动部件是否在给定的时间到达指定点，检验各转向轮的运动协调性，即转向系统运动精度的问题。2MSC.ADAMS软件简介MSC.ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem）软件，是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学分析软件。用户使用MSC.ADAMS软件，可以自动生成包括机-电-液一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计、到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。由于MSC.ADAMS具有通用、精确的仿真功能，方便、友好的用户界面和强大的图形动画显示能力，所以该软件已在全世界数以千计的著名大公司中得到成功的应用。在产品开发过程中，应用MSC.ADAMS软件有许多优点：a.分析时间由数月减少为数日；b.降低工程制造和测试费用；c.在产品制造出之前，就可以发现并更正设计错误，完善设计方案；d.在产品开发过程中，减少所需的物理样机数量；e.当进行物理样机测试有危险、费时和成本高时，可利用虚拟样机进行分析和仿真；f.缩短产品的开发周期。MSC.ADAMS软件可以自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。它具有各种建模和求解选项，可精确有效地解决各种工程应用问题。3转向系统MSC.ADAMS模型的建立3.1ADAMS模型的组成及定义a.构件(part)构件是机构内可以相互运动的刚体或刚体固定件。当定义机构时，需要给出构件局部坐标系的原点及方向，构件质心的位置，质量、某参考坐标系的转动惯量、惯积等。在机构中，还要定义一个固定件（ground）作为参考系。当定义机构其它要素（如约束点、力、标识点）时，必须给定该要素所对应的构件。建立转向机构仿真模型，整个模型由21个可动部件组-3-\n2003年MSC.Software中国用户论文集成，取车架为固定体。b.标识点(marker)标识点是构件内具有方向矢量点。用标识点可以表明两构件约束的连接点是相对运动方向、作用力的作用及方向等。在定义标识点时，除了定义它所在的构件外，还要定义该标识点的方向。c.约束(constraint)约束是机构内两构件间的联结关系。转向臂与转向支座、转向节臂与转向支座、车轮与悬架为转动副联接；横拉杆与转向臂、横拉杆与转向节臂、直拉杆与转向臂、转向臂与车轮为球铰联接；通过花键与转向臂连接的为柱铰。d.运动激励(generator,或驱动)运动激励是机构内一个构件相对于另一构件按约束允许的运动方式，以给定的规律进行的运动。该运动不受机构运动的影响。转向摇臂加旋转运动激励。e.力它包括机构内部产生的作用力和外界对机构所加的作用力。下摆臂与车架之间有弹簧力(spring)、阴尼力(damper)。当计算某一平衡状态时，又有集中力或力矩(S-force)。3.2模型的假定条件当建立上述模型时，为研究方便起见，有以下几个假设：a.各运动副内的摩擦力忽略不计；b.各运动副均为刚性连接，内部间隙不计；c.轮胎为刚性的。d.各构件均为刚性体。3.3重型越野车转向机构模型的建立根据分析的目的和要求建立了特种车辆转向与悬架系统的ADAMS分析模型（图2）。整个模型由33个可动部件和39个铰链组成，各铰链的名称及其类型见表1。-4-\n2003年MSC.Software中国用户论文集图1转向机构的ADAMS模型表1模型中各铰链的定义序号名称类型说明1JOINT_1柱铰一二桥联动臂--一桥左前支座2JOINT_2球铰一二桥联动臂--一桥后拉杆3JOINT_3球铰二桥助力缸--二桥转向节臂4JOINT_4球铰一桥助力缸--一桥转向节臂5JOINT_5球铰一桥转向节臂--一桥横拉杆6JOINT_6球铰一桥横拉杆--一桥摆动臂7JOINT_7球铰一桥右侧拉杆--一桥摆动臂8JOINT_8柱铰一桥右支座--一桥摆动臂-5-\n2003年MSC.Software中国用户论文集9JOINT_9柱铰一桥右侧拉杆—一桥右轮10JOINT_10柱铰一桥右轮--一桥悬挂11JOINT_11球铰一桥左侧拉杆--一桥转向节臂12JOINT_12球铰一桥左侧拉杆--一桥左轮13JOINT_13柱铰一桥悬挂--一桥左轮14JOINT_14球铰二桥前拉杆--一二桥联动臂15JOINT_15球铰二桥前拉杆--二桥前传动臂16JOINT_16柱铰二桥前传动臂--一桥左后支座17JOINT_17球铰二桥前传动臂--二桥中间拉杆18JOINT_18球铰二桥中间拉杆--二桥中间传动臂19JOINT_19柱铰二桥中间传动臂--二桥左前支座20JOINT_20球铰二桥中间传动臂--二桥后拉杆21JOINT_21球铰二桥后拉杆--二桥摆动臂22JOINT_22柱铰二桥左后支座--二桥摆动臂23JOINT_23球铰二桥摆动臂--二桥横拉杆24JOINT_24球铰二桥右侧拉杆--二桥横拉杆25JOINT_25球铰二桥右侧拉杆--二桥右轮26JOINT_26柱铰二桥右轮--二桥悬挂27JOINT_27球铰二桥左侧拉杆--二桥横拉杆28JOINT_28球铰二桥左侧拉杆--二桥左轮29JOINT_29柱铰二桥悬挂--二桥左轮30JOINT_30固定铰一桥悬挂--车架31JOINT_31固定铰一桥右支座--车架32JOINT_32固定铰一桥左中支座--车架33JOINT_33固定铰一桥左前支座--车架34JOINT_34固定铰二桥右支座--车架35JOINT_35固定铰二桥左后支座--车架36JOINT_36柱铰二桥转向节臂--二桥右支座37JOINT_37球铰二桥横拉杆--二桥转向节臂38JOINT_38固定铰一桥左后支座--车架39JOINT_39球铰一桥后拉杆--一桥助力缸40JOINT_40柱铰一桥转向节臂--一桥左中支座4转向过程的仿真分析-6-\n2003年MSC.Software中国用户论文集在一桥左轮加入角位移，让一桥左轮转角为α，令-α左max<α<α右max，可以分别得到其它三个转向车轮的角位移响应。以时间为横坐标轴，车轮转动角度为纵坐标得到：任一时刻第一桥左轮的角位移响应（图2）、第一桥右轮的角位移响应（图3）、第二桥左轮的角位移响应（图4）和第二桥右轮的角位移响应（图5）。图2一桥左轮角位移图3一桥右轮负角位移响应图4二桥左轮角位移响应图5二桥右轮负角位移响应为了实现左右各个车轮的协调运动，需要考察它们之间的相对转角运动关系。这样，经过数据处理分析，得到仿真模型的一桥左右车轮的转角关系（图6）、二桥左右车轮的转角关系（图7）和一、二桥左轮之间的转角关系图（图8）。-7-\n2003年MSC.Software中国用户论文集图6一桥左右轮转角关系图7二桥左右轮转角关系-8-\n2003年MSC.Software中国用户论文集图8一、二桥左轮转角关系5转向轮运动关系的校核5.1理想函数的建立汽车转向时内轮的转弯半径较小，外轮的转弯半径较大。因此为了减小转弯时路面对汽车行使的附加阻力和轮胎的过快磨损，要求转向系能保证在汽车转向时，所有车轮均作纯滚动。在假设车轮为绝对刚体的条件下，左右轮转角应符合以下关系（即阿克曼转角）：Bctg()β=ctg(α)+⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1)Lα1－I内轮转角，α1－I内轮转角；β2－II外轮转角，β2－II外轮转角；B－两侧主销轴线与地面交点之间的距离；L1－I桥中心距离非转向桥的轴距，L2－II桥中心距离非转向桥的轴距。由此可得I桥转向机构的阿克曼转角关系（图9）：-9-\n2003年MSC.Software中国用户论文集图9转向时内外轮转角关系Bctg()β=ctg(α)+⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(2)11L1由此可得I桥外轮转角理想关系：β=arctg[L∗tgα/(L+B∗tgα)]⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(3)11111II桥内轮转角理想关系：α=arctg(L*tgα/L)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(4)2211II桥外轮转角理想关系：β=arctg[L∗tgα/(L+B∗tgα)]⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(5)222225.2对比结果在相同输入转角的条件下，对比理论值与仿真计算值的误差大小，确定该转向机构是否合理，及建立进一步优化设计的前提条件。（1）一桥梯形机构内外轮转角关系曲线计算理论值与仿真计算值的最大误差Max_error=1.74deg-10-\n2003年MSC.Software中国用户论文集（2）二桥梯形机构内外轮转角关系曲线计算计算结果：理论值与仿真计算值的最大误差Max_error=3.49deg（3）一桥梯形机构内轮与二桥梯形机构内轮转角关系曲线计算计算结果：理论值与仿真计算值的最大误差Max_error=2.72deg通过对比发现，二桥梯形机构的误差值较大，其次是一桥左轮与二桥左轮的联动机构的误差值也较大，说明转向杆件的尺寸还需要近一步的进行优化设计。30Q一桥右轮理论转角一桥右轮仿真转角20100(deg)"TIME"2.55E+005.95E+009.35E+001.28E+011.62E+011.96E+012.30E+012.64E+012.98E+013.32E+013.66E+014.00E+014.34E+014.68E+015.02E+015.36E+015.70E+016.04E+016.38E+016.72E+017.06E+017.40E+017.74E+018.08E+018.42E+01-10车轮转角-20-30-40时间刻度(s)图10一桥右轮转角理论值与仿真值对比曲线-11-\n2003年MSC.Software中国用户论文集3.00E+01仿真右轮转角理论右轮转角2.00E+011.00E+01）deg0.00E+00"00111111111111111111E+0+0+0+0+0+0+0+0+0+0+0+0+0+0+0+0+0+0+0+0IMEEEEEEEEEEEEEEEEEEEET车轮转角（"4065196204478932741759024487297214579942....................37112223344555667778-1.00E+01-2.00E+01-3.00E+01时间刻度（s）图11二桥右轮转角理论值与仿真值对比曲线2.50E+01二桥左轮仿真转角二桥左轮理论转角2.00E+011.50E+011.00E+015.00E+00）deg0.00E+00"01111111车轮转角（-5.00E+00IME+000+01+010+01+0100+0100+01+010+01+010+01+01E+E+E+E+E+E+E+E+"T0E659E2E047E9E32747E59024E7E292E4E579E2E.4..1.6..4.8...1...4.8..7.1..9.437112223344555667778-1.00E+01-1.50E+01-2.00E+01-2.50E+01时间刻度（s）图12二桥左轮转角理论值与仿真值对比曲线-12-\n2003年MSC.Software中国用户论文集6结论利用MSC.ADAMS软件对特种越野车的转向系统进行了运动学仿真，得到各转向轮在转向过程中任一时刻的转角，以确定汽车的转弯半径，同时经过数据转换，得到仿真模型的一桥左右车轮的转角关系、二桥左右车轮的转角关系和一、二桥左轮之间的转角关系图，校核了转向系统的运动精度、运动干涉等，并得到了转向系统运动学仿真的方法。同时，通过在设计中运用了计算机仿真技术，能明显提高设计质量，并为将来新产品设计提供了先进的方法。7参考文献[1]张洪欣.汽车设计.北京：机械工业出版社，1989.[2]黄小平.转向机构的运动分析.汽车工程.1992(2).[3]王坚.汽车多轴转向系统的运动学模拟.汽车技术，1993(10).[4]USAMechanicalDynamics,inc.BASICADAMSFULLSIMULATIONPACKAGETRAININGGUIDEVersion10.2000[5]美国MDI公司2001年ADAMS中国用户年会会议论文。-13-