涂大鵬，林成杰，谷玉川，胡偉

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

隨著全球市場(chǎng)對(duì)汽車消費(fèi)需求的上升，全球各汽車生產(chǎn)廠商為節(jié)約研發(fā)費(fèi)用，提高研發(fā)效率，縮短研發(fā)時(shí)間，均已逐步采取整車平臺(tái)化開發(fā)模式，如大眾的MQB平臺(tái)，標(biāo)致雪鐵龍的EMP平臺(tái)，豐田的TNGA平臺(tái)，沃爾沃的CMA平臺(tái)。采用平臺(tái)開發(fā)有下述幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：(1)平臺(tái)化的設(shè)計(jì)提高了產(chǎn)品的通用化和模塊化零部件的應(yīng)用，可以最大限度減少零部件數(shù)量和種類，降低了開成設(shè)計(jì)成本；(2)平臺(tái)化縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，提高了生產(chǎn)效率；(3)平臺(tái)化的零件反復(fù)被使用并優(yōu)化，積累了設(shè)計(jì)和制造的經(jīng)驗(yàn)，其可靠性得到了多次驗(yàn)證，提高了產(chǎn)品質(zhì)量[1-3]。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)影響因素

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在整個(gè)底盤性能中起著至關(guān)重要的作用，底盤的操穩(wěn)平順性大部分通過方向盤傳遞到駕駛員手上。其中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)是決定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能的基礎(chǔ)，是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)之初最重要的設(shè)計(jì)工作。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)除考慮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能之外，還受很多外界因素的影響，如方向盤中心點(diǎn)的位置、人機(jī)的高低位置、懸架的高低位置、懸架的硬點(diǎn)以及碰撞潰縮的要求[4-5]。由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響因素太多，在平臺(tái)化設(shè)計(jì)中，如果前期沒有對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的通用化進(jìn)行全盤考慮，會(huì)導(dǎo)致由于一點(diǎn)點(diǎn)因素的修改使得轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無法通用。

影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)力矩波動(dòng)的因素很多[6]，包括方向盤位置、管柱中心線角度、前懸硬點(diǎn)的齒條內(nèi)點(diǎn)位置、轉(zhuǎn)向管柱長(zhǎng)度、輸入軸長(zhǎng)度、輸入軸俯仰角、齒輪齒條夾角、齒輪齒條嚙合點(diǎn)位置等，具體如圖1—圖2所示。

圖1 側(cè)視圖

圖2 俯視圖

2 多車型力矩波動(dòng)優(yōu)化方法

表1為某司某平臺(tái)下開發(fā)的3款車型的方向盤中心點(diǎn)及齒條內(nèi)點(diǎn)參數(shù)。

表1 整車參數(shù)

根據(jù)上述的硬點(diǎn)參數(shù)及分布，雖然齒條內(nèi)點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)行了統(tǒng)一，但是由于對(duì)應(yīng)不同車型，如分別對(duì)應(yīng)Seden、SUV、MPV等車型，導(dǎo)致方向盤中心位置差別很大，其中Seden和MPV的方向盤中心點(diǎn)相差達(dá)到209 mm。

在不同車型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)硬點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，要保證各個(gè)車型的力矩波動(dòng)滿足力矩波動(dòng)小于10%的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。而根據(jù)平臺(tái)化的思想，希望各個(gè)車型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬點(diǎn)基本保持不變[7-8]，因此該問題可以轉(zhuǎn)換為在滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各影響因素要求下，滿足各個(gè)車型的力矩波動(dòng)要求的非劣解。由于該解是一組滿足要求的非劣解，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來選擇其中一組解。

式中：F1(x,y,z， ......)表示A車型的力矩波動(dòng)方程；

F2(x,y,z， ......)表示B車型的力矩波動(dòng)方程；

F3(x,y,z， ......)表示C車型的力矩波動(dòng)方程；

gk(x,y,z， ......)∈gk表示k個(gè)約束方程。

由于每個(gè)車型的力矩波動(dòng)的權(quán)重系數(shù)是一樣的，根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化方法[9-11]，可以將上述方程通過線性加權(quán)法將多目標(biāo)優(yōu)化方程簡(jiǎn)化為單目標(biāo)規(guī)劃問題。通過建模算出各個(gè)因素的影響因子，按影響因子由大到小確認(rèn)每個(gè)影響因子的值。圖3為計(jì)算方法流程圖。

圖3 系統(tǒng)流程圖

3 某平臺(tái)力矩波動(dòng)優(yōu)化示例

圖4是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖。

圖4 系統(tǒng)示意圖

根據(jù)上述闡述的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)影響因素進(jìn)行分析：輸入軸俯仰角、齒輪齒條夾角及嚙合點(diǎn)位置任何一變更參數(shù)，就會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向機(jī)殼體重新開模。由于轉(zhuǎn)向機(jī)殼體的模具費(fèi)比較昂貴，根據(jù)平臺(tái)化開發(fā)的思路希望各個(gè)車型共用一個(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)殼體，只通過修改輸入軸長(zhǎng)度及管柱輸出軸長(zhǎng)度來保證各個(gè)車型的力矩波動(dòng)滿足要求，輸入軸長(zhǎng)度由于受到傳感器及防塵罩布置及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)剛度的影響，文中按300 mm作為初始值，轉(zhuǎn)向管柱長(zhǎng)度考慮到布置電動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向管柱及碰撞的潰縮要求,文中按520 mm作為初始值。齒輪齒條夾角會(huì)影響轉(zhuǎn)向器的正、逆效率，建議設(shè)定為65°～75°(具體可以根據(jù)每個(gè)廠家要求進(jìn)行設(shè)定)，初定70°作為初始值。嚙合點(diǎn)位置受齒條行程及加工模具的影響，文中按155 mm作為初始值。

綜上，需要先確定俯仰角、齒輪齒條夾角及嚙合點(diǎn)位置后，再針對(duì)各車型對(duì)輸入軸及管柱輸出軸進(jìn)行微調(diào)，優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化參數(shù)具體見表2，以滿足各個(gè)車型的力矩波動(dòng)要求。

表2 優(yōu)化目標(biāo)及參數(shù)

由于可以對(duì)輸入軸及管柱輸入軸進(jìn)行微調(diào)，3個(gè)車型的力矩波動(dòng)的優(yōu)化，可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)上下極限位置車型的力矩波動(dòng)的優(yōu)化。通過CATIA建立模型，并用PEO模塊計(jì)算出各個(gè)參數(shù)的影響因子，按影響因子進(jìn)行排序，按影響因子大小分別確認(rèn)各個(gè)參數(shù)值后，再根據(jù)管柱長(zhǎng)度及輸入軸長(zhǎng)度進(jìn)行微調(diào)。

通過分析后，各個(gè)參數(shù)對(duì)A車型的力矩波動(dòng)影響如圖5—圖7所示。

各個(gè)參數(shù)對(duì)C車型的力矩波動(dòng)影響如圖8—圖10所示。

根據(jù)以上分析，兩個(gè)車型的趨勢(shì)基本上是相反的，各個(gè)參數(shù)的影響因子如表3所示。

圖5 俯仰角與力矩波動(dòng)曲線(A車型)

圖6 軸交角與力矩波動(dòng)曲線(A車型)

圖7 嚙合點(diǎn)位置與力矩波動(dòng)曲線(A車型)

圖8 俯仰角與力矩波動(dòng)曲線(C車型)

圖9 嚙合點(diǎn)位置與力矩波動(dòng)曲線(C車型)

圖10 軸交角與力矩波動(dòng)曲線(C車型)

根據(jù)影響因子排序，俯仰角對(duì)力矩波動(dòng)的影響最大。通過比較F1(x,y,z， ......)的極值點(diǎn)，F(xiàn)2(x,y,z， ......)的極值點(diǎn)以及F1(x,y,z， ......)=F2(x,y,z， ......)時(shí)的值，最終確定俯仰角。

表4為各方案的力矩波動(dòng)。

表4 各方案的力矩波動(dòng)

根據(jù)以上對(duì)比，確定俯仰角為22.46°，圓整后為22.5°。

同理，分別確定齒輪齒條夾角為65°，嚙合點(diǎn)位置為165 mm。

根據(jù)上述確認(rèn)的俯仰角、齒輪齒條夾角及嚙合點(diǎn)位置對(duì)各車型進(jìn)行力矩波動(dòng)優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)果如表5所示。

表5 優(yōu)化參數(shù)

通過上述方法，實(shí)現(xiàn)了只修改轉(zhuǎn)向機(jī)輸入軸及管柱輸出軸的長(zhǎng)度來保證各個(gè)車型的力矩波動(dòng)要求，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的平臺(tái)化設(shè)計(jì)。

4 總結(jié)

通過該方法實(shí)現(xiàn)了多車型的力矩波動(dòng)優(yōu)化，大大提高了時(shí)間和效率，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的平臺(tái)化。在前期設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的通用化，防止在后期不同車型設(shè)計(jì)，由于布置等因素導(dǎo)致轉(zhuǎn)向系統(tǒng)或者其他系統(tǒng)的修改，有效節(jié)約開發(fā)時(shí)間和開發(fā)成本。