张雁成1，戴峻2，程海波3，周鹤4
(1．华晨汽车工程研究院，2．华晨汽车工程研究院，3．华晨汽车工程研究院，4．华晨汽车工程研究院) 【摘要】转向系统是典型的空间三轴双万向节结构，万向节空间布置对转向系统的力矩波动有着直接的影响。本文首先详细阐述了十字轴万向节的传动特点以及等速传动条件，然后基于Adams软件进行转向系统万向节布置进行了优化，最后通过仿真模型对优化结果进行了验证，证明该方法对工程实际有着实际的指
导意义。
【关键字】转向系统，万向节，Adams
The Layo ut Optimization and Sim u la ti on of Steering Universal J oin t
Y a nc h e n g Zhangr，Jun Dai2，Haibo Chen93，H e Zhou4
1．Brilliance Aut omo tiv e Engine er in g Research Instit ute，2．B rilli ance Auto moti ve E n gi ne e ri ng Research Institute，3．Brilliance Automotive En g in ee r in g Research Institute,4．Brilliance A utom otiv e E ng in e er i ng
Research Institute
[Abstract]：Steering system is a characteristic structure which has three axles and t wo universal joint。the la yout affect the torque fluctu at e directly．In this text，we d e s cr i be the transmis sion property and constant conditions，then th e un iversal joint layout optimization was done using Adams，lastly we validated the simulation result th r ou gh mo de l，w hi ch is ve r y usef ul to the eng in ee rin g．
Key w o rd s：s te e r in g system，universal joint，Adams
—1．I【^—jL·
日Ⅱ雷
转向系统是整车的指挥中枢，它的性能优劣直接反馈给驾驶员，对整车的操纵性和舒适性有很大的影响。现代轿车常用的典型的转向系统结构如图1所示。
转向系统力矩波动是其开发过程中经常遇到的问题，究其原因可以分为两大类：其一是由于转向系统组成部件的周期性波动引起的(对EPS而言，助力电机转速的波动、减速机构
自身的不均匀性等都会导致力矩波动：而对于肝s，液压油泵则是主要波动源)；其二则是汽车万向节
由于转向系统十字轴万向节不等速传动引起的。前者可以通过控制单个零部件的质量、优化
设计得到解决，而后者则需要优化十字轴万向节的布置来实现。本文基于某车型的转向系统，
讨论采用Adams进行转向系统十字轴万向节布置的优化方法。
向管柱
图1汽车转向系统示意图图2单个万向节传动示意图十字轴万向节传动机理
1．1单万向节传动单个十字轴万向节在有夹角时具有不等速的传动特性，即若主动轴以等角速度转动，而
从动轴则时快时慢，在一周转动过程中的角速度是不均匀的。并且两轴的夹角越大，转动的
速度越快，传动的不等速性就越差。
如图2所示，当十字轴万向节的主动轴与从动轴存在一定夹角Q时，主动轴的角速度生：一j掣I(1)————一∞与从动轴的角速度m，之问存在如下的关系：
l—sin
09l
式中妒1为万向节主动叉所在平面与万向节主、从动轴所在平面的夹角。
1-2万向节等速传动
单个十字轴万向节的不等速性会对其从动轴产生扭转振动，进而产生附加的交变载荷，影响到零部件的使用寿命。因此，在实际使用过程中十字轴万向节必须成对使用，用第二个万向节的不等速性来抵消第一个万向节的不等速性。因此，万向节等速传动的必要条件之一是：两个万向节两轴间夹角分别相等。
1．2．1三轴共面等速传动
当双万向节相连的三轴共面时，第2个万向节的主动节叉与第1个万向节的从动节又也必然在同一平面上。如图3所示，当第1轴匀速转动过程中，其从动轴(2轴)则呈现周期
小鹏汽车取消大小周为n周期性的波动状态；同理，当第2轴匀速转动时，第3轴也会同样出现周期性的波
动情况。如果两个万向节传动波动曲线的波峰和波谷正好重合，则能实现等速传动。
面2
＼、。／
＼．／
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图3三轴共面等速传动图4空间三轴等速传动
1．2．2空间三轴等速传动
空间三轴等速传动相当于三轴共面情况的一个延伸，其基本原理是相同的，即用第二个万向节的不等速性来抵消第一个万向节的不等速性。如图4所示，定义第1轴与第2轴组成的平面为面1，两轴的夹角为B。；第2轴与第3轴组成的平面为面2，两轴的夹角为13：：面1与面2的夹角为o。根据空间几何的关系可以看出，如果要实现1轴和3轴的等速传动，除了满足B。与B。相等外，还需要满足如下条件：第1个万向节的从动节叉与面2共面，第长城500越野车价格
2个万向节的主动节叉与面1共面，此时第2轴上的两个节叉就会有一定的相位差，它
的大小与面1与面2的夹角。相等。
综上，空间两万向节实现等速传动的条件是：①两万向节之问进行相位角补偿，②第1 轴与第2轴夹角B。和第2轴与第3轴夹角B：相等。
2参数化建模
转向系统中转向管柱、转向中间轴以及转向器输入小齿轮轴是典型的空间三轴双万向节结构。本文利用多体动力学仿真软件Adams强大的仿真分析功能，在Adams-car中进行参数化建模分析。转向系统主要的硬点坐标值如表1所示，对应的系统模型见图5所示。
表1转向系统硬点坐标值
硬点名称是否对称X Y Z标记点
转向中间轴前否B
-795—18498
点
转向中间轴后否C
-582-3254079月30号上高速10月1号下高速要收费吗
点
齿轮齿条啮合否A
-825—177-47
点
日
转向器安装点疋-840—131-55
方向盘中心点否-840174-55D
疋日一120-340816
转向内拉杆点
图5转向系统仿真模型转向系统万向节结构优化的基本原理是空问三轴等速传动，但在实际应用时还要结合工
程实际的一些经验值，以使得优化后的结果是切实可行的。因为往往理论计算的结果会有多个，所以应该将其结果与工程应用相结合考虑。
参数化建模的前提是确定设计变量，结合实际情况，本文最终确定的设计变量如图6、图7及表2所示。
≥
￥ ；
e 点
≤
＼明№1
图6设计变量位置示意图1
图7设计变量位置示意图2
表2设计变量列表
参数
单位
变量名
初始值
范围
DV 二Y
m m
啮合点在齿条中心线上的投影的Y 坐
一1 60
一155“一190
自动挡捷达
标值
L
m m
齿轮与齿条的中心线间距离
1 5．5 16～22
angIe 一1
degedonis
输出轴投影到XZ 平面后与×Y 平面的 80 70。90
夹角
angIe 一3 deg
输出轴输出轴面上与Y 轴的夹角
80 70’90
3优化设计
前文述及，转向系统传动平稳无波动的必要条件是：中问轴与主、从动轴的轴间角应相等，所以以中 问轴与主、从动轴的轴间角的角度差diff_angle 作为优化目标。根据工程实际经验，取中间轴与主、从 动轴的轴问角不小于155deg 作为约束、进行传动轴轴线布置的优化。
利用Adams —insight 模块进行优化设计，该模块具有强大的批处理计算功能，可以方便的进行系统因 素的敏感度分析以及设计目标优化计算。在软件中分别将设计变量和设计目标进行设置定义。设计变量及
设计目标设置如图8和图9所示。
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图8设计变量设置
图9设计目标设置 表3是按照此设置进行
的批处理优化的计算结果。在工程实际应用过程中，首先要保证理论的平稳传
动，其次还应该结合转向系统的实际工作条件，诸如与周边件的布置间隙问题、十字轴万向节正常的摆动 角度问题等。综合考虑后最终确定采用第17组优化结果。即中间轴与转向器输入小齿轮轴的夹角为
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