一种可调角度转向管柱的波动率优化及仿真方法

技术领域

本发明涉及汽车转向系统领域，具体公开一种可调角度转向管柱的波动率优化及仿真方法。

背景技术

汽车转向系统的结构如图1所示，转向机5的转向机输入轴通过第一万向节4与转向中间轴3转动连接，转向中间轴的上端通过第二万向节2与转向管柱1转动连接。在汽车转向系统的开发过程中，硬点设计一直是重中之重，设计一套高水平的底盘硬点，无异于如虎添翼，使得汽车的操稳更加流畅。但往往在转向系统硬点的设计过程中，经常遇到角度可调式转向管柱的硬点设计，需要在管柱的上极限、下极限、中间位置的工况中满足波动率小于5%的要求。这往往需要手动逐一分段进行尝试，经常遇到满足了上极限要求就不能满足下极限要求的情况，要使整个范围都满足，只能手动分段尝试可行性，一步一步去试验，重复工作比较繁琐，费时费力，结果还不一定是最优的。

发明内容

针对上述技术问题，本发明公开一种可调角度转向管柱的波动率优化及仿真方法，该方法通过对转向机输入轴、中间轴、管柱轴线的布置优化，利用EXCEL公式编辑器，实现管柱波动率的实时显示，通过采用 “二分法”，可以使轴线布置快速满足转向管柱波动率小于5%的设计需求，使得转向中间轴布置达到最优，省时省力。

一种可调角度转向管柱的波动率优化及仿真方法，包括如下步骤：

步骤1、确定设计车型管柱轴线、旋转轴线、转向机输入轴的硬点数值；

步骤2、画出步骤1中的所有点和轴线，根据轴线确定管柱或转向机输入轴的长度；

步骤3、作出中间轴的极限位置边界；

步骤4、利用“二分法”找到符合要求的硬点。

步骤5、通过编制EXCEL小程序对上述角度轴线进行仿真校核。

优选的，所述步骤3中，中间轴的极限位置边界具体作法如下：

确定管柱与管梁之间的旋转轴安装位置，管柱绕此旋转轴旋转，得到管柱的两个极限端点，分别作出管柱在两个极限端点处时管柱与转向机输入轴之间的两条空间角平分线，两条空间角平分线与转向机输入轴相交，得到两个边界点，管柱极限端点与边界点之间的角平分线部分就是中间轴的极限位置边界。

优选的， 所述空间角平分线的作法如下：

1）、先作出管柱和转向机输入轴两条异面直线的公垂线；

2）、在公垂线的中点处作出该公垂线的法向平面作为投影面，在投影面上分别做出管柱的投影线、输入轴的投影线和角平分线的垂线；

3）、以角平分线的垂线与公垂线确定的第一平面为参考平面，过管柱的极限端点作第二平面，该第二平面平行于第一平面，第二平面与转向机输入轴的交点连线即为空间角平分线。

优选的，所述步骤4中硬点的确定过程如下：

a).先在两个边界点之间取中点，分别与管柱的极限端点连接，作出中间轴线的上下极限工况位置，进行第一次迭代验证，

b).利用公式编制计算波动率的EXCEL小程序，输入小程序中的参数（

c).当上下极限位置的参数输入后，调整

d).分别作出第三次等分点、第四次等分点、第五次等分点，观察波动率范围值。

有益效果：

本发明在以往仿真实践的基础上，基于CATIA软件的创成式设计模块和仿真模块，输入标杆车或设计车型的管柱（角度可调）及转向机硬点，根据空间布置条件先确定管柱或转向机输入轴的长度，再利用异面直线公垂线及空间角平分线，通过 “二分法”和一个波动率计算EXCEL小程序配合迭代就可以作出符合要求的布置硬点。仅需2-3步的迭代，就能找到满足设计要求的最优解，为汽车转向系统的硬点的正向设计提供了一套省时省力的方法流程，节省了开发和验证时间。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明背景技术中转向机构结构图。

图2是管柱上下极限端点布置图。

图3是车型输入硬点图。

图4是空间角平分线及边界点设计图。

图5是“二分法”设计图。

图6是分步迭代优化设计图。

图7是第五次迭代之后线图。

图8 是1/4周期内的波动率数据图。

图9是第五次迭代上极限仿真曲线图。

图10是第五次迭代下极限仿真曲线图。

图中：1、转向管柱，2、管柱安装旋转轴，3、中间轴，4、转向机输入轴，5、转向机，6、管柱中间位置轴线，7、管柱上极限位置轴线，8、管柱下极限位置轴线，9、管柱旋转轴线,10、管柱长度设定点，11、转向机输入轴中心线，12、管柱长度设定点下极限位置，13、管柱长度设定点上极限位置，14、中间轴下极限边界（下极限角平分线），15、中间轴上极限边界（上极限角平分线），16、中间轴与输入轴交点（管柱下极限），17、中间轴与输入轴交点（管柱上极限），18、管柱中间轴线，19、第一次等分点，20、第四次等分点，21、第五次等分点，22、第三次等分点，23、第二次等分点。

：管柱与中间轴的空间夹角

：中间轴与转向机输入轴的空间夹角

：管柱、中间轴线确定的平面P1与中间轴、转向机输入轴确定的平面P2之间的夹角（从驾驶员方向看，P2顺时针转到P2的角度）

：中间轴上节叉十字节轴线L1与下节叉十字轴线L2之间的夹角（从驾驶员方向看，L1顺时针转到L2。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施的限定。本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施发明所必须的。

如图2-7所示，本发明公开一种可调角度转向管柱的波动率优化及仿真方法，该方法根据双万向节的角度传动规律，若要在管柱到转向机输入轴之间实现等速传动，须确保中间轴与管柱的夹角、中间轴与转向机输入轴的夹角相等，且不小于150°，等速程度才越好。本发明利用异面直线的公垂线及空间角平分线的做法找到与转向机输入轴的轴线和管柱轴线夹角都相等的空间角平分线，在上极限和下极限两种工况下各作一个角平分线（线14和线15）与转向机输入轴相交，那么我们所需要的点也一定在这两个交点之间（点16和点17）。

本发明利用一种“二分法”与EXCEL小程序相结合的方法，判断输入轴上的点是否合适。依据当量夹角最小及等速传动的条件（

当量夹角：

管柱波动力矩范围为：

式中，

具体过程如下：

1、输入标杆车型或设计车型的管柱轴线硬点数值（中间位置），如下表1所示：

表1某车型的设计硬点输入

2、在CATIA创成式设计模块里，画出上表中的所有点和轴线。

说明：管柱轴线的设定是根据整车人机工程布置确定的，一般无法更改。管柱长度可结合万向节及壳体及周边零件的空间位置来确定，是可调的；转向机输入轴的角度由总布置确定，一般不可调整，长度可调；中间轴的轴线位置需满足波动率的要求，是优化的重点；

3、作出中间轴极限位置边界。

根据万向节及管柱边界确定管柱长度后作出管柱运动的极限端点，该端点也是管柱轴线与中间轴线的交点，绕管柱旋转轴旋转管柱轴线，如图3，得到2个管柱端点（点12和点13），利用CATIA创成式设计模块中的空间角平分线直线的作法，分别作出管柱上极限和下极限位置时管柱轴线与转向机输入轴轴线之间的空间角平分线（线14和线15），与转向机输入轴分别相交于边界点16和边界点17，空间角平分线（线14和线15）就是中间轴的边界线；

空间角平分线的具体作法：

3.1先作出管柱和转向机输入轴两条异面直线的公垂线；

3.2在公垂线的中点处作出该公垂线的法向平面作为投影面，在投影面上分别做出管柱的投影线、输入轴的投影线和角平分线的垂线；

3.3以此角平分线垂线与公垂线确定的第一平面为参考平面，过管柱的极限端点作第二平面，该第二平面平行于第一平面，第二平面与转向机输入轴的交点连线即为空间角平分线。

4、利用“二分法”，结合EXCEL小程序，找到符合要求的硬点；

a).先在边界点16和边界点17之间取中点（点19），分别与管柱上下极限工况的长度设定点链接，作出中间轴线的上下极限工况位置，进行第一次迭代验证，如图5；

b).利用公式编制计算波动率的EXCEL小程序，输入小程序中的参数（

调整参数需要遵守的原则：

c).当上下极限位置的参数输入后，调整ψ，使当量夹角尽量接近

d).分别作出第三次等分点、第四次等分点、第五次等分点，观察波动率范围值，可看出波动率的范围值越来越小，实际上本案例进入第三次等分点，上下极限位置时的波动率已经达标了，分别为4.55%和4.66%,此时中间轴的相位角为11.5度；第五次迭代上下极限为3.72%和3.73%，此时相位角为12.65度，如图7所示。

5、通过编制EXCEL小程序对上述角度轴线进行仿真校核，以第五次迭代为例，将图7中点21作结果点进行仿真，其中仿真的实时波动率数值为W，公式中

图9和图10为第五次迭代结果点7的波动率仿真曲线图，结果证明上述方案切实可行，设计完成。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。