CN116151046B - 一种转向系统参数化建模与仿真分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种转向系统参数化建模与仿真分析方法及系统，属于载重汽车转向系统设计技术领域，方法包括：创建运动仿真模型所需的参数；建立转向系统中零部件参数化模型，并执行装配程序；建立转向直拉杆参数化模型；调整零部件装配方式为运动副连接，并添加电动机；基于阿克曼转角关系原理，建立所需分析转向车轮的实际转角与理论转角差值的测量结果；运行运动仿真模型得到转角差值测量结果曲线；分析转向车轮的实际转角与理论转角差值及各零部件运动是否满足要求；若满足要求，输出最终的转向系统数模及相关性能参数。本发明无需再使用其他软件工具进行数据分析。提高了汽车工程师的工作效率，缩短了产品开发周期。

Description

一种转向系统参数化建模与仿真分析方法及系统

技术领域

本发明属于载重汽车转向系统设计技术领域，尤其是涉及一种转向系统参数化建模与仿真分析方法及系统。

背景技术

转向系统是汽车的重要组成部分，用来保持或改变车辆的行驶方向，且要保证各转向车轮之间保持一定转角关系。汽车工程师在进行转向系统设计时需进行各转向车轮之间转角关系分析和各零部件空间运动干涉校核。

目前，行业内关于汽车转向系统运动仿真分析方法主要是通过单独建立完成转向摇臂、转向直拉杆等零部件模型，再在装配环境下建立各运动零部件间的运动副后进行运动仿真，然后导出各转向车轮转角数据在其他数据分析工具中进行数据分析，若转向车轮之间转角关系不满足要求或零部件出现运动干涉，则无法直接输出转向车轮的实际转角与理论转角差值测量结果，需再使用其他软件工具进行数据分析。

或者重新建立零部件模型、建立运动副、仿真导出车轮转角数据进行分析，直到转向车轮之间转角关系满足要求或零部件出现运动干涉，才能可以进行转向系统参数化建模与仿真分析。这无疑增加了汽车工程师的工作量，影响了转向系统参数化建模与仿真分析的效率，还增加了转向系统的设计开发周期。

发明内容

本发明提供一种转向系统参数化建模与仿真分析方法，方法能够快速实现零部件模型、转向系统运动仿真模型的快速更新，对各转向车轮之间转角关系进行分析，同步进行运动干涉校核。

方法包括：

S10、根据转向系统传动结构形式，并结合Creo软件转向系统运动仿真模型，创建运动仿真模型所需的参数；

S20、建立转向系统中零部件参数化模型，并执行装配程序；

S30、建立转向直拉杆参数化模型；

S40、调整零部件装配方式为运动副连接，并添加电动机；

S50、基于阿克曼转角关系原理，建立所需分析转向车轮的实际转角与理论转角差值的测量结果；

S60、运行运动仿真模型得到转角差值测量结果曲线；

S70、分析转向车轮的实际转角与理论转角差值及各零部件运动是否满足要求；若满足要求，执行步骤S90；

S90、输出最终的转向系统数模及相关性能参数。

进一步需要说明的是，转向系统包括：转向摇臂、过渡摆臂、过渡摆臂和转向直拉杆；

步骤S10中，根据转向系统传动结构形式，并向Creo软件添加转向摇臂、过渡摆臂、转向直拉杆、过渡摆臂的球销连接点位尺寸参数，建立各个转向直拉杆折弯点坐标参数及轴距参数。

进一步需要说明的是，步骤S20中，使用Creo软件分别建立转向摇臂运动仿真模型和过渡摆臂运动仿真模型。

进一步需要说明的是，将转向摇臂、过渡摆臂、转向车轮等运动零部件装配在固定件上，以车辆直行状态进行位置装配，装配方式为完成约束方式。

进一步需要说明的是，步骤S30还包括：创建参数化的转向直拉杆模型，以预设方式装配到整车环境下的坐标系中；

创建转向直拉杆基准坐标系，以转向直拉杆一端球销中心点位坐标原点，以转向直拉杆两端球销中心点的连线方向为X轴方向；

在创建的基准坐标系内建立折弯点，依次连接球销中心点、折弯点建立转向直拉杆的中心线；

基于转向直拉杆中心线，建立转向直拉杆杆身数模，两端球头以合并继承方式进行建模。

进一步需要说明的是，步骤S40还包括：调整转向摇臂、过渡摆臂、各转向车轮、各转向直拉杆运动零部件装配方式，将约束连接方式调整为运动副连接；

各零部件以车辆直行状态为初始状态，设置运动副重生值；

在使用Creo软件机构分析模块，在第一桥左转向车轮的运动副上添加电动机。

进一步需要说明的是，步骤S50还包括：建立各转向车轮角度位置测量结果，利用阿克曼转向几何关系，以转向系统中一转向车轮为主动轮，计算得出所需分析的转向车轮理论转角；

以预设的定义测量方式，建立该转向车轮实际转角与理论转角的差值测量结果，运行仿真得到转角差值测量结果曲线。

进一步需要说明的是，方法中的阿克曼转向几何关系的计算方式为：

L₁为一桥到转向中心的距离，L₂为二桥到转向中心的距离，α₁是转向系统中第一桥内转向车轮的转角，α₂是转向系统中第二桥内转向车轮的转角。

进一步需要说明的是，S70中，若不满足要求，则执行步骤S80；

S80、调整步骤S10中的参数，并重新生成运动仿真模型，然后执行步骤S60。

本发明还提供一种转向系统参数化建模与仿真分析系统，系统包括：Creo软件、模型创建模块、零部件模型建立模块、转向直拉杆模型建立模块、零部件装配模块、转角差值测量模块、差值测量结果曲线配置模块、转向车轮分析判断模块以及输出模块；

模型创建模块用于根据转向系统传动结构形式，并结合Creo软件转向系统运动仿真模型，创建运动仿真模型所需的参数；

零部件模型建立模块用于建立转向系统中零部件参数化模型，并执行装配程序；

转向直拉杆模型建立模块用于建立转向直拉杆参数化模型；

零部件装配模块用于调整零部件装配方式为运动副连接，并添加电动机；

转角差值测量模块基于阿克曼转角关系原理，建立所需分析转向车轮的实际转角与理论转角差值的测量结果；

差值测量结果曲线配置模块基于运行运动仿真模型得到转角差值测量结果曲线；

转向车轮分析判断模块用于分析转向车轮的实际转角与理论转角差值及各零部件运动是否满足要求；若满足要求，通过输出模块输出最终的转向系统数模及相关性能参数；

若不满足要求，则调整模型创建模块中的参数和运动仿真模型；

调整相关参数后，重新生成运动仿真模型，然后执行差值测量结果曲线配置模块。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供的转向系统参数化建模与仿真分析方法建立了转向系统参数化仿真模型，只需更新转向摇臂、过渡摆臂等零部件上的转向拉杆连接点位尺寸参数、各个转向拉杆折弯点坐标参数，就可以实现运动仿真数模的快速更新，无需再进行调整零部件数模、建立运动副等重复性工作。更新后的零部件数模均为最新精准数模，可用于各零部件空间运动干涉校核，实现转向系统概念设计与详细设计同步进行，大大缩短了产品开发周期。

而且本发明所建立的转向系统参数化运动仿真模型，能够直接得转向车轮实际转角与理论转角的差值，无需使用其他数据分析工具中进行数据分析提高了产品研发的工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对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发明的一些实施例，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为转向系统参数化建模与仿真分析方法流程图；

图2为转向系统结构示意图；

图3为转向摇臂参数化建模示意图；

图4为阿克曼转向几何关系示意图。

附图标记说明：1、转向摇臂，2、第一转向直拉杆，3、过渡转向直拉杆，4、第一桥左转向车轮，5、过渡摆臂，6、第二桥转向直拉杆，7、第二桥左转向车轮，8、一桥转向直拉杆前球销中心，9、一桥转向直拉杆折弯点，10、转向节臂，11、转向节臂球销中心。

具体实施方式

本发明提供的转向系统参数化建模与仿真分析方法利用Creo软件技术以及人工神经网络、迁移学习、归纳学习、式教学习等技术，通过建立转向系统中零部件参数化模型以及转向直拉杆参数化等模型，实现转向系统运动仿真，将转向摇臂、过渡摆臂、转向直拉杆等零部件关键尺寸参数化，通过参数调整实现各零部件精准数模的快速更新，同步实现运动副约束的自动更新，无需做重复性搭建工作。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图4所示是一具体实施例中转向系统参数化建模与仿真分析方法的流程图及示例图，方法包括：

步骤S10、创建参数。

具体来讲，如图2为一种单摆臂双前轴转向系统，包含转向摇臂1、过渡摆臂5和三个转向直拉杆。根据转向系统传动结构形式，基于Creo软件添加转向摇臂1、过渡摆臂5的球销连接点位尺寸参数，建立各个转向直拉杆折弯点坐标参数、轴距参数等。步骤S10所建参数如表1所示。

表1为单摆臂双前轴转向系统参数表；

步骤S20、建立精准的转向摇臂及过渡摆臂等零部件参数化模型并装配。

在一个示例性实施例中，使用Creo软件建立完整的转向摇臂1、过渡摆臂5的精准模型，使用所建立的参数将球销连接点尺寸参数化。如图3所示为本发明一实施例的转向摇臂参数化建模示意图。

按完成约束的方式将转向摇臂1、过渡摆臂5、各转向车轮等运动零部件装配在固定件上，以车辆直行状态进行位置装配。

步骤S30、建立精准的转向直拉杆参数化模型。

需要说明的是，以其中第一转向直拉杆2为例，转向节臂10与第一转向直拉杆2连接，创建可自动更新的转向直拉杆参数化模型。第一转向直拉杆2以默认方式装配整车装配环境下，创建转向直拉杆基准坐标系，以一桥转向直拉杆前球销中心8为坐标原点，以一桥转向直拉杆前球销中心8与转向节臂球销中心11的连线方向为X轴方向。

本实施例中，在所创建的基准坐标系内建立一桥转向直拉杆折弯点9，依次一桥转向直拉杆前球销中心8、一桥转向直拉杆折弯点9、转向节臂球销中心11建立转向直拉杆的中心线。基于转向直拉杆中心线，建立转向直拉杆杆身数模，两端球头以合并继承方式进行建模。按同样方式完成过渡转向直拉杆3、第二桥转向直拉杆6的参数模型。

步骤S40、调整零部件装配方式为运动副连接，并添加电动机。

本实施例中，调整转向摇臂1、过渡摆臂5、各转向车轮、各转向直拉杆等运动零部件装配方式，将完全约束连接方式调整为运动副连接。各零部件以车辆直行状态为初始状态，设置运动副重生值。使用Creo软件机构分析模块，在第一桥左转向车轮4的运动副上添加电动机。

步骤S50、基于阿克曼转角关系原理，建立所需分析转向车轮的实际转角与理论转角差值的测量结果。

具体来讲，如图4所示为本发明一实施例的阿克曼转向几何关系示意图。图中A、B分别为左、右主销中心线的延长线与地面的交点，K为A、B两点之间的距离。L₁为一桥到转向中心的距离，L₂为二桥到转向中心的距离，α₁和β₁分别是转向系统中第一桥内转向车轮的转角，α₂和β₂分别是转向系统中第二桥内转向车轮的转角。

理想的一、二桥转向轮转角关系即阿克曼转向几何关系为：

基于阿克曼转向几何关系公式，以转向系统中第一桥左转向车轮4为主动轮，计算得出所需分析的第二桥左转向车轮7理论转角。以预设的定义测量方式，建立第二桥左转向车轮7实际转角与理论转角的差值测量结果D-value。

步骤S60、运行运动仿真模型得到转角差值测量结果曲线。

步骤S70、分析转向车轮的实际转角与理论转角差值及各零部件运动是否满足要求，不能发生零部件运动干涉，且间隙满足设计要求。若满足要求，执行步骤S90；若不满足执行步骤S80。

步骤S80、调整相关参数，更新数模。调整步骤S10中的参数，重新生成运动仿真模型，转向摇臂1、过渡摆臂5、各转向直拉杆数模均变为最新精准状态，各零部件件运动副约束无需重新搭建，然后执行步骤S60。

步骤S90、输出最终的转向系统数模及相关性能参数。

基于上述转向系统参数化建模与仿真分析方法，本发明将转向摇臂、过渡摆臂、转向直拉杆等零部件关键尺寸参数化，通过参数调整实现这些零部件精准数模的快速更新。

使用本发明的方法建立的转向系统运动仿真，可通过关键参数调整实现各零部件运动约束自动更新，无需做重复性手动搭建。而且本发明的方法建立的转向系统运动仿真，可直接输出转向车轮的实际转角与理论转角差值测量结果，无需再使用其他软件工具进行数据分析。本发明的方法建立的转向系统运动仿真，可同步进行转向车轮转角关系分析和各零部件空间运动干涉校核，极大地缩短了产品开发周期。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

以下是本公开实施例提供的转向系统参数化建模与仿真分析系统的实施例，该系统与上述各实施例的转向系统参数化建模与仿真分析方法属于同一个发明构思，在转向系统参数化建模与仿真分析系统的实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述转向系统参数化建模与仿真分析方法的实施例。

系统包括：Creo软件、模型创建模块、零部件模型建立模块、转向直拉杆模型建立模块、零部件装配模块、转角差值测量模块、差值测量结果曲线配置模块、转向车轮分析判断模块以及输出模块；

模型创建模块用于根据转向系统传动结构形式，并结合Creo软件转向系统运动仿真模型，创建运动仿真模型所需的参数；

需要说明的是，模型创建模块根据转向系统传动结构形式，基于Creo软件转向系统运动仿真模型所需参数。包含转向摇臂、过渡摆臂等零部件上的转向拉杆连接点位尺寸参数、各个转向拉杆折弯点坐标参数、轴距参数等。

零部件模型建立模块用于建立转向系统中零部件参数化模型，并执行装配程序；

转向直拉杆模型建立模块用于建立转向直拉杆参数化模型；

本发明的系统使用Creo软件建立完整的转向摇臂、过渡摆臂等零部件的精准模型，使用所建立的参数将转向拉杆连接点位尺寸参数化。将转向摇臂、过渡摆臂、转向车轮等运动零部件装配在固定件上，以车辆直行状态进行位置装配，装配方式为完成约束方式。

系统使用Creo软件创建可自动更新的转向拉杆模型，以默认方式装配整车装配环境下坐标系。创建转向拉杆基准坐标系，以转向拉杆一端球销中心点位坐标原点，以转向拉杆两端球销中心点的连线方向为X轴方向。在所创建的基准坐标系内建立折弯点，依次连接球销中心点、折弯点建立转向拉杆的中心线。基于转向拉杆中心线，建立转向拉杆杆身数模，两端球头以合并继承方式进行建模。

零部件装配模块用于调整零部件装配方式为运动副连接，并添加电动机；

需要说明的是，零部件装配模块调整转向摇臂、过渡摆臂、转向车轮、转向拉杆等运动零部件装配方式，将完全约束连接方式调整为运动副连接。各零部件以车辆直行状态为初始状态，设置运动副重生值。使用Creo软件机构分析模块，在一桥内转向车轮运动副上添加电动机。

转角差值测量模块基于阿克曼转角关系原理，建立所需分析转向车轮的实际转角与理论转角差值的测量结果；

其中，转角差值测量模块使用Creo软件机构分析模块建立各转向车轮角度位置测量结果。利用阿克曼（Ackerman）转向几何关系，以一桥内转向车轮为主动轮，计算得出所需分析的转向车轮理论转角。可以用户定义测量方式建立该转向车轮实际转角与理论转角的差值测量结果，运行仿真得到转角差值测量结果曲线。

差值测量结果曲线配置模块基于运行运动仿真模型得到转角差值测量结果曲线；

转向车轮分析判断模块用于分析转向车轮的实际转角与理论转角差值及各零部件运动是否满足要求；若满足要求，通过输出模块输出最终的转向系统数模及相关性能参数；

若不满足要求，则调整模型创建模块中的参数和运动仿真模型；

调整相关参数后，重新生成运动仿真模型，然后执行差值测量结果曲线配置模块。

需要说明的是，系统若测得的转向车轮实际转角与理论转角的差值不满足要求，只需更新转向摇臂、过渡摆臂等零部件上的转向拉杆连接点位尺寸参数、各个转向拉杆折弯点坐标参数，重新生成数模后，各零部件均调整为最新状态精准数模。再进行仿真得到最新转角差值测量结果曲线，同步可进行各零部件空间运动干涉校核。

本发明提供的转向系统参数化建模与仿真分析方法及系统中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

本发明提供的转向系统参数化建模与仿真分析系统是结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明的实施例中，可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括但不限于面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。

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发明。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发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明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。

Claims (10)

1.一种转向系统参数化建模与仿真分析方法，其特征在于，方法包括：

S10、根据转向系统传动结构形式，并结合Creo软件转向系统运动仿真模型，创建运动仿真模型所需的参数；

S20、建立转向系统中零部件参数化模型，并执行装配程序；

S30、建立转向直拉杆参数化模型；

S40、调整零部件装配方式为运动副连接，并添加电动机；

S50、基于阿克曼转角关系原理，建立所需分析转向车轮的实际转角与理论转角差值的测量结果；

S60、运行运动仿真模型得到转角差值测量结果曲线；

S70、分析转向车轮的实际转角与理论转角差值及各零部件运动是否满足要求；若满足要求，执行步骤S90；

S90、输出最终的转向系统数模及相关性能参数。

2.根据权利要求1所述的转向系统参数化建模与仿真分析方法，其特征在于，转向系统包括：转向摇臂、过渡摆臂和转向直拉杆；

步骤S10中，根据转向系统传动结构形式，并向Creo软件添加转向摇臂、过渡摆臂、转向直拉杆、过渡摆臂的球销连接点位尺寸参数，建立各个转向直拉杆折弯点坐标参数及轴距参数。

3.根据权利要求2所述的转向系统参数化建模与仿真分析方法，其特征在于，步骤S20中，使用Creo软件分别建立转向摇臂运动仿真模型和过渡摆臂运动仿真模型。

4.根据权利要求3所述的转向系统参数化建模与仿真分析方法，其特征在于，

将转向摇臂、过渡摆臂、转向车轮装配在固定件上，以车辆直行状态进行位置装配，装配方式为完成约束方式。

5.根据权利要求1或2所述的转向系统参数化建模与仿真分析方法，其特征在于，步骤S30还包括：创建参数化的转向直拉杆模型，以预设方式装配到整车环境下的坐标系中；

创建转向直拉杆基准坐标系，以转向直拉杆一端球销中心点位坐标原点，以转向直拉杆两端球销中心点的连线方向为X轴方向；

在创建的基准坐标系内建立折弯点，依次连接球销中心点、折弯点建立转向直拉杆的中心线；

基于转向直拉杆中心线，建立转向直拉杆杆身数模，两端球头以合并继承方式进行建模。

6.根据权利要求2所述的转向系统参数化建模与仿真分析方法，其特征在于，步骤S40还包括：调整转向摇臂、过渡摆臂、各转向车轮、各转向直拉杆运动零部件装配方式，将约束连接方式调整为运动副连接；

各零部件以车辆直行状态为初始状态，设置运动副重生值；

在使用Creo软件机构分析模块，在第一桥左转向车轮的运动副上添加电动机。

7.根据权利要求2所述的转向系统参数化建模与仿真分析方法，其特征在于，步骤S50还包括：建立各转向车轮角度位置测量结果，利用阿克曼转向几何关系，以转向系统中一转向车轮为主动轮，计算得出所需分析的转向车轮理论转角；

以预设的定义测量方式，建立该转向车轮实际转角与理论转角的差值测量结果，运行仿真得到转角差值测量结果曲线。

8.根据权利要求7所述的转向系统参数化建模与仿真分析方法，其特征在于，方法中的阿克曼转向几何关系的计算方式为：

L₁为一桥到转向中心的距离，L₂为二桥到转向中心的距离，α₁是转向系统中第一桥内转向车轮的转角，α₂是转向系统中第二桥内转向车轮的转角。

9.根据权利要求1或2所述的转向系统参数化建模与仿真分析方法，其特征在于，S70中，若不满足要求，则执行步骤S80；

S80、调整步骤S10中的参数，并重新生成运动仿真模型，然后执行步骤S60。

10.一种转向系统参数化建模与仿真分析系统，其特征在于，系统采用如权利要求1至9任意一项所述的转向系统参数化建模与仿真分析方法；

系统包括：Creo软件、模型创建模块、零部件模型建立模块、转向直拉杆模型建立模块、零部件装配模块、转角差值测量模块、差值测量结果曲线配置模块、转向车轮分析判断模块以及输出模块；

模型创建模块用于根据转向系统传动结构形式，并结合Creo软件转向系统运动仿真模型，创建运动仿真模型所需的参数；

零部件模型建立模块用于建立转向系统中零部件参数化模型，并执行装配程序；

转向直拉杆模型建立模块用于建立转向直拉杆参数化模型；

零部件装配模块用于调整零部件装配方式为运动副连接，并添加电动机；

转角差值测量模块基于阿克曼转角关系原理，建立所需分析转向车轮的实际转角与理论转角差值的测量结果；

差值测量结果曲线配置模块基于运行运动仿真模型得到转角差值测量结果曲线；

转向车轮分析判断模块用于分析转向车轮的实际转角与理论转角差值及各零部件运动是否满足要求；若满足要求，通过输出模块输出最终的转向系统数模及相关性能参数；

若不满足要求，则调整模型创建模块中的参数和运动仿真模型；

调整相关参数后，重新生成运动仿真模型，然后执行差值测量结果曲线配置模块。

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