基于DOE方法的汽车转向系统灵敏度分析

姬鹏，李小龙

（河北工程大学 机电工程学院，河北 邯郸 056038）

0 引 言

在研发和制造的过程中，潜在的输入变量的数目往往很大。灵敏度分析就是通过确定关键输入变量来减少整体输入变量的数目，从而将精力集中在那些较为重要的变量上。

试验设计（Design of Experiments）是灵敏度分析中的重要方法，作为一种安排实验和分析实验数据的数理统计方法，它能根据不同类型实验的实际需求来进行设计，最终达到以最低成本来获得最高收益的目的。

由于制造汽车实际模型和修改参数是一个耗时又昂贵的过程，因此用ADAMS/Car 建立一个虚拟模型将是个不错的选择。通过ADAMS/Car 专业的仿真环境，汽车工程师们可以准确地模拟他们所设计的整车在真实世界中的各种行为。

本文通过稳态回转试验和转向盘角阶跃试验得到了一些车辆常用的操纵评价特性，并将各个特性都设定为一个单目标函数，利用单一分析的方法来获取相对重要的系统参数。

图1 整车仿真模型

1 ADAMS 模型的建立与验证

ADAMS/Car 专业的仿真环境能够让汽车工程师创建一个完整的汽车虚拟样机，包括底盘、发动机和车身等。本文运用ADAMS/Car建立整车的虚拟模型，如图1。该车为前轮驱动汽车，采用麦弗逊式前悬架，后扭转梁式后悬架，齿轮齿条式转向系统，四轮盘式制动系统。其中，转向系统考虑了扭力杆刚度和综合干摩擦等因素。

模型各参数如表1 所示。

由稳态回转试验得到了图2、图3、图4 三种关系曲线，图中虚线和实线分别代表仿真结果和路试结果，二者基本吻合，该模型的有效性得以验证。

表1 整车仿真参数表

图2 转向盘转角与侧向加速度关系

图3 侧倾角与侧向加速度关系

图4 转向盘力矩与侧向加速度关系

2 灵敏度分析方法

转向系统中进行灵敏度分析的15 个参数包括衬套刚度、转向阻尼、转向器转向比、转向横拉杆和转向节臂结点的位置等，如表2。分别将各参数以字母A、B、C 等表示，在仿真过程中通过改变参数的数值来观察各参数对车辆性能的影响。

表2 各参数及改变量

3 灵敏度分析结果

图5～图12 表示参数A～P 对车辆不同性能的影响程度。

由此可以得到一些车辆常用的操纵评价特性，其中通过稳态回转试验可以得到不足转向度、转向盘扭矩、转向灵敏度；转向盘角阶跃试验可以得到侧倾角超调量等，如图8～图12。

图5 A～P 对不足转向度影响

图6 A～P 对转向力影响

由结果可知，转向横拉杆和转向节臂结点的位置很重要。这是一个可以预见的结果，因为改变结点位置可以改变转向比，也可以改变车辆的侧倾转向。

图8 A～P 对侧倾角超调量影响

图9 A～P 对横摆角速度峰值响应时间影响

图10 A～P 对横摆角速度超调量影响

图11 A～P 对侧向加速度峰值响应时间影响

图12 A～P 对侧向加速度超调量影响

改变转向器转向比就直接改变了转向比，其重要性显而易见。

由于改变转向管柱与中间轴夹角和中间轴与转向轴夹角能改变转向比，因此改变这两个角度也可以影响转向力、转向灵敏度等上述响应，得到的结果与分析一致。

4 结 论

本文建立了包含所有部件的齿轮齿条式转向系统，并嵌入到整车模型中进行稳态回转试验和转向盘角阶跃试验，结果表明，上述15 个参数中只有6 个在目标函数中起主要作用。这6 个参数包括：转向横拉杆与转向节臂结点的x、y、z 3 个方向分量，转向器转向比，转向管柱与中间轴夹角，中间轴与转向轴夹角。在对车辆进行性能设计时应抓住主要影响因素，兼顾次要影响因素，合理地进行设计匹配。

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