| 专利名称： | 一种汽车转向系统优化方法 | ||
| 专利名称(英文)： | A method for optimizing automobile steering system | ||
| 专利号： | CN201510765153.X | 申请时间： | 20151111 |
| 公开号： | CN105447227A | 公开时间： | 20160330 |
| 申请人： | 莆田市云驰新能源汽车研究院有限公司 | ||
| 申请地址： | 351115 福建省莆田市涵江区江口镇涵庭路高新区科技大楼三楼 | ||
| 发明人： | 董振; 刘心文; 吴贵新 | ||
| 分类号： | G06F17/50 | 主分类号： | G06F17/50 |
| 代理机构： | 福州市景弘专利代理事务所(普通合伙) 35219 | 代理人： | 黄以琳; 林祥翔 |
| 摘要： | 本发明公开了一种汽车转向系统优化方法，本方法通过空间分布条件和输入输出等速条件对转向系统的设计进行判断，并通过调整转向管柱布置硬点和改变转向系统设计结构，对转向系统进行调整，使转向系统能够同时满足空间分布条件和输入输出等速条件，并对转向系统进行转动仿真，计算其波动率。本发明有效提高转向系统的输入输出等速性，降低了转动力矩波动性。 | ||
| 摘要(英文)： | The invention discloses a method for optimizing automobile steering system, this method, through space distribution conditions and input and output constant velocity conditions the design of the steering system to judge, by adjusting the steering column arrangement and hard spots and change the steering system design structure, to adjust the steering system, the steering system can at the same time meet the space distribution constant velocity conditions, and an input-output conditions, and to rotate the steering system simulation, fluctuation thereof is calculated. The invention effectively increases the input and output steering system uniformity, the rotating torque fluctuation is reduced. | ||
1.一种汽车转向系统优化方法，其特征在于，包括： 先选用空间双万向节设计结构，对转向管柱布置硬点进行初选； 判断转向系统是否满足空间分布条件：输入轴与传动轴的夹角α1及传动轴 与输出轴的夹角α2均不小于150°，并且所述α1与α2的差值不大于20°； 若是，则根据公式： 和
判断所述转向系统是否满足输入输出等速条件，其中，所述ω1为输入轴的 角速度，ω3为输出轴的角速度，α1为输入轴与传动轴的夹角，α2为传动轴与输 出轴的夹角，
为输入轴的输入角度，
为输出轴的输出角度； 若所述转向系统不满足空间分布条件和输入输出等速条件，则在所述转向 系统中增设套轴，并调整转向管柱布置硬点，调整后再次判断转向系统是否满 足所述空间分布条件和输入输出等速条件； 若调整后仍不能满足空间分布条件和输入输出等速条件，则将转向系统调 整成空间三万向节设计结构，并选择转向管柱的布置硬点； 判断所述转向系统是否满足空间分布条件和输入输出等速条件； 若所述三万向节设计结构不满足空间分布条件和输入输出等速条件，则在 所述转向系统中增设套轴，并调整转向管柱布置硬点，调整后再次判断转向系 统是否满足所述空间分布条件和输入输出等速条件； 当所述双万向节设计结构或三万向节设计结构满足空间分布条件和输入输 出等速条件时，测量传动轴的相位角θ，并对转向系统进行转动仿真； 将仿真结果做成转向系统的波动曲线图，并计算出波动率。
2.根据权利要求1所述的汽车转向系统优化方法，其特征在于，在所述对 转向系统进行转动仿真之前，还包括： 调整传动轴的相位角θ，使所述动轴的相位角θ等于输入轴与传动轴所确 定平面S1与传动轴与输出轴所确定平面S2的夹角，其中，如果S2相对S1顺 时针转过θ，则所述相位角为+θ；如果S2相对S1逆时针转过θ，则所述相位 角为-θ。
3.一种汽车转向系统优化方法，其特征在于，包括： 先选用空间三万向节设计结构，对转向管柱布置硬点进行初选； 判断转向系统是否满足空间分布条件：输入轴与传动轴的夹角α1及传动轴 与输出轴的夹角α2均不小于150°，并且所述α1与α2的差值不大于20°； 若是，则根据公式： 和
判断所述转向系统是否满足输入输出等速条件，其中，所述ω1为输入轴的 角速度，ω3为输出轴的角速度，α1为输入轴与传动轴的夹角，α2为传动轴与输 出轴的夹角，
为输入轴的输入角度，
为输出轴的输出角度； 若所述转向系统不满足空间分布条件和输入输出等速条件，则在所述转向 系统中增设套轴，并调整转向管柱布置硬点，调整后再次判断转向系统是否满 足所述空间分布条件和输入输出等速条件； 若调整后仍不能满足空间分布条件和输入输出等速条件，则将转向系统调 整成空间双万向节设计结构，并选择转向管柱的布置硬点； 判断所述转向系统是否满足空间分布条件和输入输出等速条件； 若所述双万向节设计结构不满足空间分布条件和输入输出等速条件，则在 所述转向系统中增设套轴，并调整转向管柱布置硬点，调整后再次判断转向系 统是否满足所述空间分布条件和输入输出等速条件； 当所述双万向节设计结构或三万向节设计结构满足空间分布条件和输入输 出等速条件时，测量传动轴的相位角θ，并对转向系统进行转动仿真； 将仿真结果做成转向系统的波动曲线图，并计算出波动率。
4.根据权利要求3所述的汽车转向系统优化方法，其特征在于，在所述对 转向系统进行转动仿真之前，还包括： 调整传动轴的相位角θ，使所述动轴的相位角θ等于输入轴与传动轴所确 定平面S1与传动轴与输出轴所确定平面S2的夹角，其中，如果S2相对S1顺 时针转过θ，则所述相位角为+θ；如果S2相对S1逆时针转过θ，则所述相位 角为-θ。
1.一种汽车转向系统优化方法，其特征在于，包括： 先选用空间双万向节设计结构，对转向管柱布置硬点进行初选； 判断转向系统是否满足空间分布条件：输入轴与传动轴的夹角α1及传动轴 与输出轴的夹角α2均不小于150°，并且所述α1与α2的差值不大于20°； 若是，则根据公式： 和
判断所述转向系统是否满足输入输出等速条件，其中，所述ω1为输入轴的 角速度，ω3为输出轴的角速度，α1为输入轴与传动轴的夹角，α2为传动轴与输 出轴的夹角，
为输入轴的输入角度，
为输出轴的输出角度； 若所述转向系统不满足空间分布条件和输入输出等速条件，则在所述转向 系统中增设套轴，并调整转向管柱布置硬点，调整后再次判断转向系统是否满 足所述空间分布条件和输入输出等速条件； 若调整后仍不能满足空间分布条件和输入输出等速条件，则将转向系统调 整成空间三万向节设计结构，并选择转向管柱的布置硬点； 判断所述转向系统是否满足空间分布条件和输入输出等速条件； 若所述三万向节设计结构不满足空间分布条件和输入输出等速条件，则在 所述转向系统中增设套轴，并调整转向管柱布置硬点，调整后再次判断转向系 统是否满足所述空间分布条件和输入输出等速条件； 当所述双万向节设计结构或三万向节设计结构满足空间分布条件和输入输 出等速条件时，测量传动轴的相位角θ，并对转向系统进行转动仿真； 将仿真结果做成转向系统的波动曲线图，并计算出波动率。
2.根据权利要求1所述的汽车转向系统优化方法，其特征在于，在所述对 转向系统进行转动仿真之前，还包括： 调整传动轴的相位角θ，使所述动轴的相位角θ等于输入轴与传动轴所确 定平面S1与传动轴与输出轴所确定平面S2的夹角，其中，如果S2相对S1顺 时针转过θ，则所述相位角为+θ；如果S2相对S1逆时针转过θ，则所述相位 角为-θ。
3.一种汽车转向系统优化方法，其特征在于，包括： 先选用空间三万向节设计结构，对转向管柱布置硬点进行初选； 判断转向系统是否满足空间分布条件：输入轴与传动轴的夹角α1及传动轴 与输出轴的夹角α2均不小于150°，并且所述α1与α2的差值不大于20°； 若是，则根据公式： 和
判断所述转向系统是否满足输入输出等速条件，其中，所述ω1为输入轴的 角速度，ω3为输出轴的角速度，α1为输入轴与传动轴的夹角，α2为传动轴与输 出轴的夹角，
为输入轴的输入角度，
为输出轴的输出角度； 若所述转向系统不满足空间分布条件和输入输出等速条件，则在所述转向 系统中增设套轴，并调整转向管柱布置硬点，调整后再次判断转向系统是否满 足所述空间分布条件和输入输出等速条件； 若调整后仍不能满足空间分布条件和输入输出等速条件，则将转向系统调 整成空间双万向节设计结构，并选择转向管柱的布置硬点； 判断所述转向系统是否满足空间分布条件和输入输出等速条件； 若所述双万向节设计结构不满足空间分布条件和输入输出等速条件，则在 所述转向系统中增设套轴，并调整转向管柱布置硬点，调整后再次判断转向系 统是否满足所述空间分布条件和输入输出等速条件； 当所述双万向节设计结构或三万向节设计结构满足空间分布条件和输入输 出等速条件时，测量传动轴的相位角θ，并对转向系统进行转动仿真； 将仿真结果做成转向系统的波动曲线图，并计算出波动率。
4.根据权利要求3所述的汽车转向系统优化方法，其特征在于，在所述对 转向系统进行转动仿真之前，还包括： 调整传动轴的相位角θ，使所述动轴的相位角θ等于输入轴与传动轴所确 定平面S1与传动轴与输出轴所确定平面S2的夹角，其中，如果S2相对S1顺 时针转过θ，则所述相位角为+θ；如果S2相对S1逆时针转过θ，则所述相位 角为-θ。
翻译：技术领域
本发明涉及汽车转向系统，特别是涉及一种汽车转向系统优化方法。
背景技术
转向力是评价整车转向性能一项重要指标，转向力的大小及力矩波动直接 影响驾驶舒适性。随着人们对驾驶舒适性要求的提高，对转向的要求也越来越 高，现在乘用车的转向系统主流为EHPS(ElectronicHydrostaticPowerSteering) 或EPS(ElectricPowerSteering)，可提高转向的舒适性，在节能环保方面也有 显著效果。但无论是EHPS还是EPS系统都离不开转向传动机构——转向管柱。 转向管柱布置设计的好坏直接影响转向力传递，如果布置的不合理会影响转向 的舒适性，而且对转向泵或者电机等部件的使用寿命会造成不利的影响。
目前转向管柱大部分是采空间双万向节连接，有许多的文献对双万向节转 向管柱提出了解决方案。如在《双十字轴式万向联轴器中间轴相位角的优化设 计》中到了双万向节的应用，但没有给出基本的布置要求，又要求使用者掌握 Adams软件及向量的应用，增加的使用难度。在《汽车转向系统十字轴万向节 传动优化设计》中，也是针对双万向节，采用控制变量法应用matlab软件进行 运动仿真，这种方法比较繁琐而且不够准确，并且要求使用者有一定的高数、 编程等知识储备，而且不能形象的说明优化结果。因此，现有的转向管柱设计 方法设计过程复杂，不易掌握。
根据机械传动原理可得，单个十字轴万向节的主、从动叉轴转角βa、βb 间的关系为：
tanβa＝tanβb×cosα；式中：βa为主动叉轴转角、βb为与βa相对应的 从动叉轴转角、α为两轴夹角。
上式又可以写为：βb＝arctan(tanβa/cosα)；
若夹角不变，将上式两边对时间求导数，整理后得：ωb＝ωa[cosα/(1－sin2 αcos2βa)]；式中：ωa—主动叉轴角速度；ωb为从动叉轴角速度。
由上式可以看出ωacosα≤ωb≤ωa/cosα，即单万向节具有不等速特性。
因此，若转向管柱的设计不合理，将会存在明显的输入输出转速不同的问 题，并且转向管柱的转动力矩也会存在明显的波动，不仅影响转向系统的转向 精度和驾驶舒适性，同时对转向泵或者电机等部件的使用寿命会造成不利的影 响。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供一种汽车转向系统优化方法，用于降低 汽车转向系统设计的复杂度，并提高汽车转向系统的控制精度。
本发明是这样实现的：
一种汽车转向系统优化方法，包括：
先选用空间双万向节设计结构，对转向管柱布置硬点进行初选；
判断转向系统是否满足空间分布条件：输入轴与传动轴的夹角α1及传动轴 与输出轴的夹角α2均不小于150°，并且所述α1与α2的差值不大于20°；
若是，则根据公式：
和
判断所述转向系统是否满足输入输出等速条件，其中，所述ω1为输入轴的 角速度，ω3为输出轴的角速度，α1为输入轴与传动轴的夹角，α2为传动轴与输 出轴的夹角，为输入轴的输入角度，
为输出轴的输出角度；
若所述转向系统不满足空间分布条件和输入输出等速条件，则在所述转向 系统中增设套轴，并调整转向管柱布置硬点，调整后再次判断转向系统是否满 足所述空间分布条件和输入输出等速条件；
若调整后仍不能满足空间分布条件和输入输出等速条件，则将转向系统调 整成空间三万向节设计结构，并选择转向管柱的布置硬点；
判断所述转向系统是否满足空间分布条件和输入输出等速条件；
若所述三万向节设计结构不满足空间分布条件和输入输出等速条件，则在 所述转向系统中增设套轴，并调整转向管柱布置硬点，调整后再次判断转向系 统是否满足所述空间分布条件和输入输出等速条件；
当所述双万向节设计结构或三万向节设计结构满足空间分布条件和输入输 出等速条件时，测量传动轴的相位角θ，并对转向系统进行转动仿真；
将仿真结果做成转向系统的波动曲线图，并计算出波动率。
进一步的，在所述对转向系统进行转动仿真之前，还包括：
调整传动轴的相位角θ，使所述动轴的相位角θ等于输入轴与传动轴所确 定平面S1与传动轴与输出轴所确定平面S2的夹角，其中，如果S2相对S1顺 时针转过θ，则所述相位角为+θ；如果S2相对S1逆时针转过θ，则所述相位 角为-θ。
本发明为解决上述技术问题提供的另一技术方案为：一种汽车转向系统优 化方法，包括：
先选用空间三万向节设计结构，对转向管柱布置硬点进行初选；
判断转向系统是否满足空间分布条件：输入轴与传动轴的夹角α1及传动轴 与输出轴的夹角α2均不小于150°，并且所述α1与α2的差值不大于20°；
若是，则根据公式：
和
判断所述转向系统是否满足输入输出等速条件，其中，所述ω1为输入轴的 角速度，ω3为输出轴的角速度，α1为输入轴与传动轴的夹角，α2为传动轴与输 出轴的夹角，为输入轴的输入角度，
为输出轴的输出角度；
若所述转向系统不满足空间分布条件和输入输出等速条件，则在所述转向 系统中增设套轴，并调整转向管柱布置硬点，调整后再次判断转向系统是否满 足所述空间分布条件和输入输出等速条件；
若调整后仍不能满足空间分布条件和输入输出等速条件，则将转向系统调 整成空间双万向节设计结构，并选择转向管柱的布置硬点；
判断所述转向系统是否满足空间分布条件和输入输出等速条件；
若所述双万向节设计结构不满足空间分布条件和输入输出等速条件，则在 所述转向系统中增设套轴，并调整转向管柱布置硬点，调整后再次判断转向系 统是否满足所述空间分布条件和输入输出等速条件；
当所述双万向节设计结构或三万向节设计结构满足空间分布条件和输入输 出等速条件时，测量传动轴的相位角θ，并对转向系统进行转动仿真；
将仿真结果做成转向系统的波动曲线图，并计算出波动率。
进一步的，在所述对转向系统进行转动仿真之前，还包括：
调整传动轴的相位角θ，使所述动轴的相位角θ等于输入轴与传动轴所确 定平面S1与传动轴与输出轴所确定平面S2的夹角，其中，如果S2相对S1顺 时针转过θ，则所述相位角为+θ；如果S2相对S1逆时针转过θ，则所述相位 角为-θ。
本发明的有益效果为：
本发明汽车转向系统优化方法设计过程简单、容易理解和掌握，并且能准 确的算出转向系统的相位角，转身系统的空间分布合理，明显提高转向系统的 输入输出等速性，降低了转动力矩波动性。
附图说明
图1为本发明实施方式汽车转向系统优化方法的步骤流程图；
图2为本发明实施方式中所涉及到的空间双万向节转向系统的结构示意图；
图3为本某车型转向系统优化前后的转动波动对比图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合 实施方式并配合附图详予说明。
请参阅图1以及图2，本发明实施方式，一种汽车转向系统优化方法，其包 括：
S1、根据整车布置要求，先选用空间双万向节设计结构，并对转向管柱布 置硬点进行初选；在该步骤中，可用CATIA三维设置软件进行转向管柱布的设 计与硬点设置。
S2、判断所述转向系统是否满足空间分布条件，所述空间分布条件：转向 管柱的输入轴与传动轴的夹角α1及传动轴与输出轴的夹角α2均不小于150°， 并且所述α1与α2的差值不大于20°。
若转向系统满足空间分布条件，则根据公式：
和
S3、判断所述转向系统是否满足输入输出等速条件，其中，所述ω1为转向 系统的输入轴的角速度，ω3为输出轴的角速度，α1为输入轴与传动轴的夹角， α2为传动轴与输出轴的夹角，为输入轴的输入角度，
为输出轴的输出角度。 其中，所述公式(1)和公式(2)中由单万向节具有不等速特性以及单个十字 轴万向节的主、从动叉轴转角βa、βb间的关系推导出的，忽略管柱传动机构 各处摩擦产生的影响，根据瞬时功率相等条件，输出轴上的转矩为：
公式(3)中：T1为轴1转矩，T3为轴3转矩。
因此，双万向节输入输出等速条件(三万向节输入输出等速的条件与双万 向节输入输出等速条件相适)：
①输入轴、传动轴、输出轴三段轴共面；
②α1＝±α2，既输入轴与传动轴夹角等于传动轴与输出轴夹角(W型或Z 型)；
③传动轴两端的节叉轴线位于同一平面。
若所述转向系统同时满足空间分布条件和输入输出等速条件，则测量传动 轴相位角。
S4、若所述转向系统不同时满足空间分布条件和输入输出等速条件，则在 所述转向系统中增设套轴，并调整转向管柱布置硬点，调整后再次判断转向系 统是否满足所述空间分布条件和输入输出等速条件。
S5、若调整后仍不能满足空间分布条件和输入输出等速条件，则将转向系 统调整成空间三万向节设计结构，并选择转向管柱的布置硬点。
S6、判断所述转向系统是否满足空间分布条件和输入输出等速条件。
S7、若所述三万向节设计结构不满足空间分布条件和输入输出等速条件， 则在所述转向系统中增设套轴，并调整转向管柱布置硬点，调整后再次判断转 向系统是否满足所述空间分布条件和输入输出等速条件。
S8、当所述双万向节设计结构或三万向节设计结构满足空间分布条件和输 入输出等速条件时，测量传动轴的相位角θ，并对转向系统进行转动仿真。
S9、将仿真结果做成转向系统的波动曲线图，并计算出波动率。
在进行仿真时，优选应用CATIA三给软件的DMU运动仿真模块，将转向 管柱进行约束，进行转动仿真，并将仿真结果导入EXCLE文档中，应用EXCLE 文档中的插入折线命令，做出波动曲线图，算出转向系统的波动率。
进一步的，在本实施方式中，为补偿由于输入轴、传动轴、输出轴不共面 所产生的波动，在所述对转向系统进行转动仿真之前，还包括：
调整传动轴的相位角θ，使所述动轴的相位角θ等于输入轴与传动轴所确 定平面S1与传动轴与输出轴所确定平面S2的夹角，其中，如果S2相对S1顺 时针转过θ，则所述相位角为+θ；如果S2相对S1逆时针转过θ，则所述相位 角为-θ。相位角是为了补偿由于输入轴、传动轴、输出轴不共面所产生的波动， 而不是补偿上下夹角引起的波动，大小等于平面S1与平面S2的夹角，如果S2 相对S1顺时针转过θ，相位角为+θ，反之为-θ，传动轴从动节叉相对主动节 叉转过角度θ既为相位角，顺时针为正，逆时针为负，观察方向从驾驶室端至 转向机。通过调整相位角可减小角度波动，使转向力矩波动范围减小至±5％以 内。
在某一现有车型上，其采用的是空间三万向节设计结构，其需要两段传动 轴，每个传动轴都要有各自的相位角，但是该车型所采用的转向管柱不满足万 向传动系统设计的基本原则，既两轴间夹角不小于150°、夹角差不大于20°。 在该车型中，输入轴与第一传动轴的夹角α1为152.71°，第一传动轴与第二传 动轴的夹角α2为144.66°，第二传动轴与输出轴的夹角α3为170.73°，可见 该车型所采用的转向管柱不满足万向传动系统设计的基本原则。该车型转向系 统的转动波动性如图3中的虚线所示。采用以上实施方式所述的汽车转向系统 优化方法对该车型的转向系统进行优化，经优化后，该车型的转向系统采用空 间双万向节结构即可满足空间分布条件和输入输出等速条件，优化后的转向系 统的转动波动图如图3中的实线所示。可以看出，经优化后转向系统的波动性 明显降低。
可见，本发明汽车转向系统优化方法，可明显提高转向系统的输入输出等 速性，降低了转动力矩波动性，并且本发明汽车转向系统优化方法只要求使用 者掌握CATIA、EXCLE软件，可以准确的算出相位角，具有实用性强、应用简 单、容易理解、可以直观的得到优化结果等优点。
本发明提供的另一实施方式为：一种汽车转向系统优化方法，包括：
先选用空间三万向节设计结构，并对转向管柱布置硬点进行初选；
判断所述转向系统是否满足空间分布条件：输入轴与传动轴的夹角α1及传 动轴与输出轴的夹角α2均不小于150°，并且所述α1与α2的差值不大于 20°；
若是，则根据公式：
和
判断所述转向系统是否满足输入输出等速条件，其中，所述ω1为输入轴的 角速度，ω3为输出轴的角速度，α1为输入轴与传动轴的夹角，α2为传动轴与输 出轴的夹角，为输入轴的输入角度，
为输出轴的输出角度；
若所述转向系统不满足空间分布条件和输入输出等速条件，则在所述转向 系统中增设套轴，并调整转向管柱布置硬点，调整后再次判断转向系统是否满 足所述空间分布条件和输入输出等速条件；
若调整后仍不能满足空间分布条件和输入输出等速条件，则将转向系统调 整成空间双万向节设计结构，并选择转向管柱的布置硬点；
判断所述转向系统是否满足空间分布条件和输入输出等速条件；
若所述双万向节设计结构不满足空间分布条件和输入输出等速条件，则在 所述转向系统中增设套轴，并调整转向管柱布置硬点，调整后再次判断转向系 统是否满足所述空间分布条件和输入输出等速条件；
当所述双万向节设计结构或三万向节设计结构满足空间分布条件和输入输 出等速条件时，测量传动轴的相位角θ，并对转向系统进行转动仿真；
将仿真结果做成转向系统的波动曲线图，并计算出波动率。
进一步的，在本实施方式中，在所述对转向系统进行转动仿真之前，还包 括：
调整传动轴的相位角θ，使所述动轴的相位角θ等于输入轴与传动轴所确 定平面S1与传动轴与输出轴所确定平面S2的夹角，其中，如果S2相对S1顺 时针转过θ，则所述相位角为+θ；如果S2相对S1逆时针转过θ，则所述相位 角为-θ。
与上一实施方式不同的，在本实施方式中，优先采用空间三万向节设计结 构，而在第一实施方式中，则是优先采用空间双万向节设计结构，本实施方式 与第一实施方式具有相同的技术效果。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利 用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运 用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
