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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MSC.ADAMS软件在转向系统运动学仿真分析中的应用Application MSC.ADAMS Software in Steer Kinematics Simulation Analysis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: The paper introduces the famous software-MSC.ADAMS,and applies it analyzing the steer system of special off-road vehicle. First, the emulational model of steer system is established ,then emulating it .we get the wheel angle of first and second and their relation. At the end ,the paper compares the result of the emulational to the result of the theory analysis ,and get the result of engineering idea.Key words: steer kinematics simulation analysis1 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。
基于 ADAMS 遗传算法的汽车转向系统优化仿真刘竞一【摘要】为得到良好的整车操纵稳定性，提出了一种使转向系统设计在初始阶段得到与整车匹配较好的转向力特性的方法。
该方法为逆向设计，基于某实车车型，建立一个ADAMS整车模型。
为使该车型的转向系统设计能够达到或接近BM （ Benchmark，竞争车型或参考样车）水平，应用ADAMS／Optimus软件的遗传算法优化转向系统的结构参数。
对转向系统结构参数进行灵敏度分析，根据灵敏度的分析结果，对转向系统的硬点进行优化。
通过仿真及试验进行验证，得到了与整车匹配较好的力特性和操纵稳定性能。
%To achieve good control stability of a vehicle, a type of method is presented that matches well the steering characteristics at the initial stage of steering system design.The method is a reversal design which builds an ADAMS automobile model according to a real vehicle model.For its character to be close to the benchmark, the effects of design parameters of steering system on vehicle control stability are analyzed, the steering system performance parameters and the configuration parameters of steering system are optimized by means of optimiza-tion genetic algorithm of ADAMS/Optimus software.The hard points of steering system are optimized according to the results of the sensitivity analysis of steering system structure parameters.The model is verified by simulation and testing, and the purpose of matching well with vehicle force characteristics and control stability is achieved.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】7页(P540-546)【关键词】转向系统;整车模型;遗传算法;仿真;操稳性【作者】刘竞一【作者单位】重庆电子工程职业学院汽车工程学院，重庆401331【正文语种】中文【中图分类】U463.41转向系统是现代汽车上重要的总成之一，转向性能的优劣关系到整车操稳性、舒适型、轻便性等重要特性［1］.目前，我国汽车企业在车型开发的过程中，汽车零部件的开发并不能很好地满足整车性能要求.因此，在汽车转向系统设计时，大都是根据整车计算结果和经验来确定其性能参数，直至实车的K＆C(Kinematic＆Compliance运动学和柔性特性)试验验证，往往要进行多次改动，才能满足设计目标值.这样，由于前期匹配环节的局限性，外协零部件厂家不得不提供多个试验样件，使主机厂在可供搭载的试验车资源上不断地换件验证，耗费大量的人力、物力和财力.目前在整车动力学的研究中，主要对汽车悬架系统进行仿真和分析，针对汽车转向系统的动力学分析不多，与实车的K＆C试验结合来调整转向系统性能参数则更少.这样，转向系统只是作为悬架系统的一部分，对其中的个别参数进行调整.但是，转向系统性能参数较多，例如转向力特性曲线、转向间隙、转向特性等，对整车的操纵性、安全性有着较为重要的影响.因此，有必要针对转向系统，结合整车动力学仿真软件进行分析和匹配.为了更好地解决这个问题，使某车型转向系统设计在初始阶段就能得到与整车匹配较好的转向助力特性，文中应用ADAMS/CAR模块建立整车仿真模型，通过ADAMS/Optimus软件的遗传优化算法对转向系统参数进行优化，来得到与整车匹配较好的力特性和操纵稳定性能.最后将仿真结果与实车测试值比较分析，为产品工程师在做零部件开发和转向系统设计时提供一些新思路和新方法.1 汽车系统动力学方程的建立1.1 广义坐标的选取文中在建立各子系统模型时，把零件简化为刚体(弹簧除外)［1］，整车模型由36个刚体构成.每个刚体用6个广义坐标描述［2］，即6个自由度，分别是汽车沿y 轴侧向运动、沿x轴纵向运动、沿z轴的跳动、绕y轴俯仰运动、绕z轴横摆运动和绕x的侧倾运动.1.2 系统动力学方程的建立采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程［3］:式中:T为系统能量，T= ［M·v2+I·w2］/2;φ(q，t)=0为完整约束方程;θ(q，q˙，t)=0为非完整约束方程;q为广义坐标列阵;Q为广义力列阵;p为对应于完整的拉格朗日乘子列阵;μ为对应于非完整的拉格朗日乘子列阵;M为质量列阵;v为广义速度列阵;I为转动惯量列阵;w为广义角速度列阵.2 ADAMS动力学仿真模型的建立文中重点考查转向系统的操稳性能，通过整车稳态回转仿真、方向盘阶跃仿真和双移线仿真实现［4］.要得到较为准确的仿真结果，在建立模型时，需要注意4个关键问题:1)建立一个较为完整的ADAMS整车模型，包括前悬架系统、后悬架系统、转向系统、前稳定杆系统、车身系统和前、后轮胎.2)考虑到前悬架子系统模型中的四轮定位参数对转向系统性能的影响，在前悬架子系统模型中输入四轮定位参数的属性文件.3)文中所使用的转向系统为液压助力的形式，在转向子系统模型中输入试验台上调校的转向助力特性参数属性文件.4)由于转向机输入轴内装有扭杆，具有一定的刚度和阻尼，因此转向机与传动轴并非刚性连接，而是扭簧-阻尼器相连.转向机与副车架由两个轴套连接，在建模时可以考虑弹性衬套对转向系统性能的影响，用弹性约束代替刚性约束［5］.这样，调节轴套刚度曲线和扭杆刚度值可实现对转向系刚度的调节.2.1 前悬架子系统模型的建立前悬架子系统由控制臂、上下摆臂、转向节、轮毂、传动轴、减振器、弹簧、前副车架、转向横拉杆构成［6］.控制臂与副车架、副车架与车身、减震器上点与车身，均用轴套连接.轮毂和转向节由旋转铰连接;横拉杆与转向节由球铰连接;传动轴通过等速万向节和滑动铰两运动副与轮毂连接;在减振器活塞与缸筒之间创建滑动铰.创建的前悬架子系统模型如图1所示.图1 前悬架子系统模型Fig.1 Front suspension system model表1 四轮定位参数调整Table 1 Four wheel alignment parameters adjustment 轮胎静态四轮定位参数目标值测试值优化值前轮前束4°-6° 5.86° 5.01°0±10′ 8′ 0前轮外倾角 -25′±10′ -34′ -25′主销后倾角2.2 后悬架子系统模型的建立后悬架子系统由上下连杆、控制臂、后副车架、转向节、轮毂、弹簧、减震器、拖曳臂构成［6］.上下连杆与副车架、拖曳臂与车身均由轴套连接;减震器上点由轴套和虎克铰连接车身，下点由轴套和球铰连接拖曳臂;上、下连杆由等速万向节连接副车架，由球铰连接上、下控制臂;后副车架与车身固定;转向节由旋转铰连接轮毂.创建的后悬架子系统模型如图2所示.图2 后悬架子系统模型Fig.2 Rear suspension system model2.3 稳定杆子系统模型的建立稳定杆子系统由稳定杆和连接杆两个部件构成，在连接杆上端建立虚拟体，与前悬架装配;稳定杆上建立虚拟体，与副车架装配［7］.创建的稳定杆子系统模型如图3所示.图3 稳定杆子系统模型Fig.3 Stabilizer rod system model2.4 车身子系统模型的建立车身模型在原ADAMS/CAR自带模型上做出修改，删除自带模型的片体，重新导入CATIA建立的车身模型.2.5 转向子系统模型建立转向系统模型由方向盘、转向管柱及传动轴、齿轮齿条转向器构成［8］.转向盘与车身用转动副相连;转向轴与车身用圆柱副相连;转向管柱和传动轴用万向节相连.转向机与传动轴以扭簧-阻尼器相连［9］.转向机与副车架由两个轴套连接.创建的转向子系统模型如图4所示.图4 转向子系统模型Fig.4 Steering system model文中参考车型为齿轮齿条式液压助力转向系统，其转向助力特性曲线对应的是油压与输出扭矩的关系，实测如图5所示:图5 参考样车的转向助力特性曲线Fig.5 Power steering system characteristic curve of BM vehicle图5中外侧曲线表示转向过程，内侧曲线表示回正过程.一般情况，常将静特性曲线分为2个区域，其中D区为低速区及原地转向区，C为高速区.D区要求助力力矩大，具有转向轻便性;C区要求助力力矩小，具有良好的转向操纵性能.C区各点的力矩梯度反应的是高速转向时的路感情况;左右各点的迟滞性影响回正性;曲线的对称度影响左右转向手力的一致性.在建立转向系统模型的过程中，为了在低速时转向获得较大的助力，具有较好的轻便性;在高速转向时助力较小，获得更好的“路感”［10］.根据图5建立转向系统模型的转向力特性曲线(图6).表2为特性曲线的主要输入参数.图6 转向系统模型助力特性曲线Fig.6 Power steering system characteristic curve of steering system model表2 转向系统模型助力特性曲线的主要输入参数Table 2 Main input parameters of power steering system characteristic curve of steering system model/Mpa 1 2 3 4 5左扭矩/N·m -2.4 -3.4 -3.8 -4.1 -4.2右扭矩/N·参数输入值液压值m 2.4 3.4 3.8 4.1 4.22.6 子模块装配在仿真模块中打开以上子模型，进行装配.并调入试验台、轮胎模型和发动机模块，修改仿真参数，进行仿真调试.建立的ADAMS整车模型见图7.图7ADAMS整车模型Fig.7 ADAMS vehicle model3 基于ADAMS遗传算法的转向系统模型优化遗传算法模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程，是一种全局优化搜索算法［11］.遗传算法以决策变量的编码为运算对象，直接以目标函数值作为搜索信息，可同时使用多个搜索点的搜索信息，具有较强的鲁棒性，会使参数对搜索效果的影响尽可能低［12］.如汽车直线行驶稳定性、转向轻便性、回正力矩，减少轮胎和转向系零件的磨损等，因此在优化过程中不应改变这些参数的初值.由于Bump Steer曲线表示悬架在运动过程中前束的变化趋势，通过该特性可以判断出车辆在转弯时前、后轮的转向趋势，以便于判断车辆的转向特性.使用ADAMS/optimus软件的遗传优化算法，分析出转向系统模型硬点对Bump steer曲线的灵敏度.根据灵敏度的分析结果，对转向系统的硬点进行优化，使得两者的Bump steer性能曲线相接近.为满足车辆转向性能的要求，以样车的Bump Steer作为目标，对所设计的转向系统结构参数进行调整，使调整后的转向系统前轮定位参数的输出特性曲线与目标样车的曲线能够比较好的吻合，则达到改善转向系统性能的目的.为此，应使被优化模型的Bump Steer曲线尽可能与参考样车试验结果取得的Bump Steer曲线相符合，以此确定优化目标函数.综上所述，确定优化目标函数为:式中:f(x)为优化目标函数;μ为系数，取0.01;qmax，qmin为前轮上、下跳动范围，分别取±20 mm;F1(q)为车轮跳动过程中，参考样车的Bump steer曲线函数;F2(q)为被优化模型的Bump steer曲线函数.由目标函数的定义可知，当目标函数取最小值时，所确定的转向系统结构参数能保证Bump Steer曲线尽可能地与理想曲线相符，从而使所设计转向系统获得较好的性能.确定了优化目标函数后，需要进行参数灵敏度分析，以便找出对目标函数影响较大的结构参数.根据经验，选取的关键点如下:控制臂球铰(lca_outer);转向横拉杆与转向节铰点(tierod_inner);转向横拉杆与齿条铰点(tierod_outer).在悬架系统仿真试验中，把优化目标函数作为响应，把转向系统关键点的x，y，z 坐标作为试验因子，设立合理的的正负偏差.在进行灵敏度分析时，悬架仿真模型考虑了非线性衬套对悬架的影响，以更符合实际情况.使用 ADAMS/Optimus软件的遗传优化算法［11，13-14］，灵敏度的分析结果如图 8 所示.图8 Bump steer对目标的相关度Fig.8 Correlation to target of Bump steer图8中，硬点坐标1～10分别代表横拉杆外点x坐标、横拉杆外点y坐标、横拉杆外点z坐标、摆臂外点z坐标、横拉杆内点y坐标、稳定杆外点x坐标、稳定杆外点y坐标、稳定杆外点z坐标、稳定杆前点x坐标、稳定杆前点z坐标.根据灵敏度的分析结果，转向系统硬点优化方案为:将转向横拉杆的外点Y方向外移35 mm，Z方向下移1.9 mm.转向横拉杆的内点Y方向内移15 mm，Bump stop的空行程增大到75 mm.由此得出Bump steer优化曲线如图9所示.图9 Bump steer曲线Fig.9 Bump steer curve如图9所示，曲线1为优化后结果，曲线2为BM试验测试结果，曲线3为优化前结果.根据仿真结果可以看出，当转向机横拉杆加长时，车辆负前束角减小，增加了车辆的不足转向特性.4 整车仿真及试验验证文中采用某轿车车型，发动机前置前驱;前悬架为麦弗逊悬架，带稳定杆，单横臂，锥台变螺距螺旋弹簧，双向双作用筒式减震器;后悬架为拖曳臂式悬架，双横臂，圆柱等螺距螺旋弹簧，双向筒式减震器;转向系统为齿轮齿条带横拉杆式，液压助力.其整车参数如表3所示.表3 整车参数Table 3 Vehicle parameters项目参数(空载)/kg 1500前、后轴载荷/kg 850，650轴距/mm 2600前、后轮距/mm 1500重心高度/mm 620重心与前、后轴距离/mm 1140，1460质心转动惯量/(kg·mm2)整备质量Ixx 2.26 ×108 Iyy 1.24 ×109 Izz 1.23 ×108在仿真及试验结果中，曲线1为优化后仿真结果;曲线2为K＆C试验台(图10)测试结果(优化后);曲线3为优化前仿真结果.图10 K＆C试验台Fig.10 K＆C test-bed4.1 整车稳态回转仿真汽车沿半径为40 m的圆周进行圆周运动，开始以最低稳定速度进入圆周，找准方向盘的位置，使汽车可以沿圆周进行圆周运动，然后缓慢连续而均匀地加速.提高侧向加速度值并取数据直到不能维持稳态条件时松开方向盘，并保持直线行驶3 s.仿真结果如图11～13所示.图11 方向盘转角-侧向加速度曲线Fig.11 Steering wheel angle-lateral acceleration curve图12 侧倾角-侧向加速度曲线Fig.12 Roll angle-lateral acceleration curve图13 侧偏角-侧向加速度曲线Fig.13 Side slip angle-lateral acceleration curve 表4 整车稳态回转仿真及试验结果Table 4 Steady-state simulation and test results参数优化前优化后试验测试不足转向梯度/(°)·g-1 4.85 4.15 3.97 39.12 45.51 44.20侧倾角梯度/(°)·g-1 4.54 4.01 3.92侧偏角梯度/(°)·g-14.2 方向盘角阶跃仿真给汽车一个转向盘角阶跃输入，汽车的动态特性主要由汽车横摆角速度瞬态响应和汽车侧向加速度瞬态响应来衡量.仿真结果如图14～15所示.图14 侧向加速度-时间曲线Fig.14 Lateral acceleration-time curve图15 侧倾角-时间曲线Fig.15 Roll angle-time curve表5 方向盘阶跃仿真及测试结果Table 5 Steering wheel step simulation and test results参数优化前优化后试验测试侧向加速度-方向盘滞后时间/s 0.58 0.55 0.53侧倾角-方向盘滞后时间/s 0.53 0.42 0.39 4.80 4.39 4.50质心侧偏角梯度/(°)·g-1 2.10 2.20 2.30侧倾角梯度/(°)·g-14.3 整车双移线仿真驾驶员驾驶车辆以90 km/h稳定车速直线行驶，并以不同的转向操作完成试验.仿真结果如下:表6 整车双移线仿真及测试结果Table 6 Double lane change simulation and test results参数优化前优化后试验测试侧倾角均方根值/(°)1.85 1.05 1.43侧偏角均方根值/(°)0.91 1.96 1.77横摆角速度均方根值/(°)·s-2)9.15 7.23 6.56图16 侧向加速度-时间曲线Fig.16 Lateral acceleration-time curve图17 侧倾角-时间曲线Fig.17 Roll angle-time curve5 结论1)整车稳态回转仿真:转向系统参数优化后不足转向梯度增加;侧倾角梯度和侧偏角梯度均减小，车辆的稳态特性变好，不足转向趋势增大.2)方向盘角阶跃仿真:转向系统参数优化后使车辆的瞬态响应稍快，但质心侧偏角梯度增加，稳态响应稍有变差.3)整车双移线仿真:参数优化后车辆的侧倾角均方根、横摆角速度均方根减小，车辆的侧倾稳定性得到了一定的改善，但侧偏角均方根加大，这是由于车辆的不足转向趋势增加所致.4)整车优化后的仿真结果与试验测试值误差较小，模型基本准确，达到了在转向系统设计时，通过参数优化，得到与整车匹配较好的力特性和操纵稳定性能的目的，为产品工程师在做零部件开发和转向系统设计时提供参考，缩短了开发周期，降低了开发成本.参考文献(References)［1］喻凡，林逸.汽车系统动力学［M］.北京:机械工业出版社，2005:61-70. 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基于adams汽车悬挂转向系统仿真与优化第一章引言Adams/Car模块简介：Adams/car模块是MSC公司与Audi，BMW等汽车公司合作开发的轿车设计模块，它能够快速建立高精度的车辆子系统模型和整车模型，它可通过高速动画直观的在线各个工况下车辆运动学和动力学相应，并与操纵稳定性，，制动性，平顺性有关的性能参数。
Adams/car的一个主要特点是基于模版。
建立模版即定义部件，部件之间的连接以及其他模版和试验台如何交换信息。
其中后者则是基于模版的产品所特有的。
Adams/car的共享数据库里提供了包括各种悬架，转向系，动力总成以及车身的模版，因此用户在建模时，无需从零开始，可调用已有的模版进行调整，从而大大简化建模过程。
如果在用户所要求的悬架模型或其他模型adams/car没有提供模版，这时就需用户在“template builder”中自行创建。
第二章正文2.1 悬架简介悬架是连接车轮与车架的弹性传力装置,它与汽车的操纵稳定性、平顺性及安全性等性能均有关。
悬架运动学主要研究内容是车轮定位参数与悬架变形量(或车轮跳动量) 的关系,随着各种形式的独立悬架的出现和应用,车轮定位参数在行驶过程中所引起的运动学变化对汽车操纵稳定性有着很大的影响。
双横臂悬架作为目前应用最广泛的独立悬架之一,其主要优点是:运动规律可以设计,对前轮定位参数的变化和侧倾中心位置的变化设定自由度较大,如果能适当地选择设计参数,可以使车辆得到很好的操纵性和平顺性。
本文针对某轿车行驶过程中所产生的过多转向问题,针对双横臂悬架的特性,利用ADAMS 软件对其进行建模分析,并根据仿真分析的结果确定优化目标对悬架运动学性能进行优化。
图2.2 基于双横臂前悬架子系统仿真2.2创建悬挂与转向系统轿车前后悬架为双横臂悬架。
主要结构由上下控制臂、转向节、转向横拉杆和减震器等组成。
其前悬架下控制臂为柔性体，如图 1 所示；而后悬架全部为刚体。
在建立悬架时，由于悬架左右是对称的，所以ADAMS/Car 中只需建立一侧的模型，另一侧会自动生成。
基于Adams与Matlab的汽车电动助力转向系统的联合仿真一、本文概述随着汽车工业的快速发展和环保理念的深入人心，电动汽车在全球范围内得到了广泛的关注和研究。
电动助力转向系统（EPS）作为电动汽车的重要组成部分，其性能直接影响到车辆的操控性和安全性。
对电动助力转向系统进行深入研究，优化其设计，提高其性能，对于推动电动汽车的发展具有重要意义。
本文旨在通过Adams与Matlab的联合仿真，对汽车电动助力转向系统进行深入研究。
介绍了电动助力转向系统的基本原理和结构，分析了其在实际应用中的挑战和难点。
详细阐述了Adams和Matlab在电动助力转向系统仿真中的应用，包括模型的建立、仿真参数的设置、仿真结果的获取和分析等。
通过Adams进行机械系统的运动学和动力学仿真，结合Matlab进行控制系统设计和优化，实现了对电动助力转向系统的全面仿真分析。
本文的研究方法结合了仿真模拟和理论分析，旨在通过联合仿真，对电动助力转向系统的性能进行深入挖掘和优化。
通过对比不同参数和设计方案下的仿真结果，本文为电动助力转向系统的设计和优化提供了有价值的参考。
本文的研究不仅有助于加深对电动助力转向系统的理解，也为电动汽车的发展提供了有益的探索和实践。
通过Adams与Matlab的联合仿真，我们可以更加准确地预测和优化电动助力转向系统的性能，为电动汽车的安全性和操控性提供有力保障。
二、汽车电动助力转向系统概述汽车电动助力转向系统（Electric Power Steering，简称EPS）是一种通过电动机提供辅助转向力矩的先进转向系统。
该系统主要由转向传感器、车速传感器、扭矩传感器、电子控制单元（ECU）和助力电机等组成。
EPS系统的核心在于电子控制单元，它可以根据驾驶员的转向意图、车速以及转向力矩等因素，实时计算出所需的辅助转向力矩，并通过助力电机为驾驶员提供适当的助力。
与传统的液压助力转向系统（Hydraulic Power Steering，简称HPS）相比，EPS系统具有诸多优势。
运用ADAMS软件对汽车转向系统的模拟仿真分析作者：刘爱志来源：《数字技术与应用》2012年第09期摘要：汽车转向系统是汽车的一个重要主成部分，它不仅影响到汽车在驾驶时的操纵稳定性和行驶平顺性，而且也是决定汽车在高速行驶时能够安全行驶的一个重要因素。
随着人们对汽车各项性能的要求不断提高，汽车的操纵稳定性日益受到广大客户的重视，也成为衡量现代汽车的重要使用性能之一。
本文通过建立整车模型，然后调试仿真模型，来完成整车模型的稳态转向特性仿真分析，首先合理地简化整车模型，先建立前悬架模型，然后在前悬架模型基础上增加了后悬架、转向系、轮胎和路面模型。
关键词：ADAMS 前悬架模型整车模型仿真试验中图分类号：U463.444 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）09-0163-01在以前的汽车转向系统设计当中，由于缺乏先进可行的辅助手段，对系统的动力学仿真分析是通过采用简化的理想约束条件下的机构模型，用图解法和分析计算来进行，并通过多自由度的质量----阻尼刚体数学模型来仿真汽车行驶状况，通过这样的方式所获得的结果误差较大。
在工程应用领域，计算机仿真技术变的日益重要，它是以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟实验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术。
这种应用在于仿真软件能够通过使用计算机代码和方程来准确地模拟真实的机械系统，通过分析、运行、评价，结果展示等手段，避免了我们在传统的产品开发过程中面对各零部件的重复制造实验过程，从而大大地加速了设计开发过程，同时通过降低硬件建设成本节省了大量的人力、财力、物力和时间。
在我们所知的传统的设计与制造过程中，首先要进行的是通过概念设计和方案论证，然后再进行产品设计。
在设计完成后，为了验证设计是否正确，通常都需要制造物理样机来进行物理实验。
在这实验期间，通常只有通过周而复始的反复多次实验、验证、论证，产品的各项性能指标才能达到要求。
因而这种传统的设计制造方式无法缩短周期，而且对市场的反应迟钝。
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。
10.16638/ki.1671-7988.2017.08.034基于ADAMS的车辆转向杆系动态仿真分析赵萍，徐秀（陕西重型汽车有限公司，陕西西安710200）摘要：利用proe对新开发的沙漠车转向杆系进行三维建模，并将其转换至MSC.ADAMS软件中，利用ADAMS/View模块建立一套转向杆系运动仿真模型。
通过动态仿真，分析转向杆系的运动轨迹，输出转向桥摇臂的摆角变化曲线，确定转向桥最大内外转角，计算出车辆的最小转弯半径，为沙漠车转向系的设计提供指导和可靠的理论依据。
关键词：ADAMS；转向杆系；仿真；最小转弯半径中图分类号：U461.9 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)08-100-03Vehicle steering bar system based on ADAMS dynamic simulation analysisZhao Ping, Xu Xiu( Shaanxi heavy-duty truck co., LTD., Shaanxi Xi'an 710200 )Abstract: Use the proe to design the three-dimensional model of streeing system of the new developing desert car, which is transformed into the software of MSC. ADAMS. Use the module of ADAMS View to make the set of steering system motion simulation models. Through the dynamic simulation, analysis the trajectory of streeing system. Export the curve of the swing angle of the streeing axle rocker, determine the max inside and outside swing angle of the steering axle rocker, then calculate the min turning radius.To provide guide and theoretical basis of the developing of the desert car streeing system.Keywords: ADAMS; streeing system; simulation; the min turning radiusCLC NO.: U461.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-100-03前言随着国内外汽车行业的不断发展，车辆设计水平也不断提高。
基于ADAMS铰接式车辆转向行驶轨迹分析ADAMS是一种广泛应用于机械系统仿真的软件，可以用于车辆动力学和车辆操纵性能的仿真分析。
在车辆行驶轨迹分析中，ADAMS可以模拟铰接式车辆在不同转弯半径、速度和转向角等条件下的行驶轨迹。
本文将基于ADAMS软件，通过铰接式车辆的转向行驶轨迹分析，讨论不同因素对车辆行驶轨迹的影响。
首先，需要建立一个适当的车辆模型。
在ADAMS中，可以使用车辆动力学模块基于其几何参数和物理特性创建车辆模型。
模型应包含车辆的重心位置、轴距、质量分布和轮胎性能等参数。
这些参数将对车辆的行驶轨迹产生显著影响。
其次，需要定义车辆的初始状态和外部条件。
初始状态包括车辆的位置、速度和初始转向角等信息。
外部条件包括路面摩擦系数、转弯半径和转向角速度等。
这些条件将直接影响到车辆的行驶轨迹。
模拟分析车辆的行驶轨迹通常需要先进行静态稳定性分析。
ADAMS提供了相应的分析工具，可以计算车辆在不同转向角度下的侧倾角和侧滑角等参数。
静态稳定性分析的结果有助于评估车辆的稳定性和安全性能。
接下来，可以进行动态行驶轨迹模拟。
在ADAMS中，可以通过输入不同的转向角度和速度参数，模拟车辆在不同转弯半径下的行驶轨迹。
通过观察车辆的行驶轨迹，可以分析车辆的操纵性能和稳定性。
通过对模拟结果的分析，可以得出以下结论：1.车辆的操纵性能受到转弯半径的影响。
较小的转弯半径将导致车辆更为敏捷，但也会增加侧倾和侧滑的风险。
2.车辆的操纵性能受到速度的影响。
较高的速度将增加车辆的稳定性，但也会增加制动距离和操纵难度。
3.车辆的操纵性能受到转向角度的影响。
较大的转向角度将导致车辆更容易转向，但也会增加侧滑和摩擦损失。
4.车辆的操纵性能受到轮胎性能的影响。
具有更高附着力的轮胎将提高车辆的操纵性能和稳定性。
通过ADAMS软件进行铰接式车辆的转向行驶轨迹分析，可以帮助我们评估车辆的操纵性能和稳定性，并优化车辆的设计和操作。
此外，还可以用于开发车载安全系统和驾驶辅助系统，提高车辆的安全性能。
32t卡车转向机构的运动学仿真摘要：汽车转向系统的功能就是按照驾驶员的意愿控制汽车的行驶方向。
汽车转向系统对汽车的行驶安全至关重要，因此汽车转向系统的零件都称为保安件。
汽车转向系统和制动系统都是汽车安全必须要重视的两个系统。
本文利用虚拟样机技术在ADAMS/View软件环境下建立了32t卡车的转向机构的多体运动学计算模型, 研究影响转向性能的主要设计参数点。
并进行了运动学仿真分析研究，优化设计出了内、外侧车轮的偏转角度随时间的变化规律并使其基本满足理想的转向轮偏转角之间的关系--阿克曼定理。
通过对这个课题的研究，将转向误差降低至最低，对提高整车主动安全性、减轻驾驶员负担有很大的实用价值。
关键词：虚拟样机技术；转向机构；仿真；优化设计；转向误差0引言传统的汽车设计模式是先进行汽车零部件的设计, 然后将零部件组装成物理样机, 再进行试验研究。
这种设计方法由于设计周期长, 成本高, 成功率低,已经逐渐被虚拟样机技术所取代。
虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中, 将分散的零部件设计和分析技术(指在某单一系统中零部件的CAD 和FEA 技术)揉合在一起, 利用计算机建立产品的整体模型, 并针对其在使用后的各种工况进行仿真分析, 预测产品的整体性能, 进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术[3]。
当今汽车工业的发达国家对虚拟样机技术的研究已经取得了显著的成果, 所开发的软件如ADAMS、DADS、NEWEUL 等都为汽车设计水平的提高提供了有力的手段。
本文借助于多体动力学软件ADAMS/View建立了一种32t重卡汽车的转向机构的多体系统运动学模型, 从运动学角度对其进行了优化设计分析。
1 转向机构的运动学仿真分析本文所述的卡车转向机构的结构组成（如图1所示）,如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，从而在一定程度上改善了整车的转向性能是本文的关键。
图 11.1建立虚拟样机模型汽车设计中的虚拟样机技术是以多体系统动力学为理论基础的，基于多体系统动力学理论, 利用机械系统动力学仿真软件ADAMS/View, 按照ADAMS建立模型的要求,建立了该型卡车的转向机构的几何模型，如图。
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。
转向器是转向系统中的减速传动装置，一般有1~2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。
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图1.1 转向系统结构图图1.2 齿轮齿条式转向系统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：○1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；○2汽车作等速运动，不考虑切向力和空气动力的作用；○3忽略转向系统影响，直接以前轮转角作为输入；○4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。
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ααK F y =，因此从力和力矩平衡方程式导出如下微分方程组：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：)]sin(1[))(00φωδδωωζω++=-t t ts r r图3.2 二自由度汽车模型1212cos cos y y y za yb y F F F ML F L F δδ=+=-∑∑()1212yy y yyx zay by zF F F ma m vv M L F L F I ψψ=+==+=-=∑∑ 200102r r r B B ωωζωωωδδ++=+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。
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0ω()221212a b z m L K L K I K K ααααξ-+-+=02arctan x a mv L LK ατωωξ=⎢⎥-- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦图4.1 转向系统仿真模型1100%πε-⎛ ≈+⨯ ⎝⎭过摆量数为-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的评价指标，并能够合理的分析其影响因素，对于操纵稳定性的优化设计有很重要的意义。
参考文献[1] 陈家瑞.汽车构造[M].人民交通出版社2006.[2] 余志生.汽车理论[M].机械工业出版社2009.[3]王望予.汽车设计[M].机械工业出版社2012.[4] 赵武云刘艳妍等.ADAMS基础与应用实例教程[M].清华大学出版社2012.[5] 郭孔辉.汽车操纵动力学原理[M].江苏科学技术出版社2011,1.。
