某微型電動汽車轉(zhuǎn)彎特性虛擬試驗仿真分析

汪振興，李萬祥，何劍峰

(1.蘭州交通大學(xué)機電工程學(xué)院，蘭州 730070;2.同濟大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804)

傳統(tǒng)汽車開發(fā)流程需經(jīng)過多輪樣車試制，反復(fù)的道路模擬試驗和整車性能試驗，不僅花費大量的人力、物力，延長設(shè)計周期，而且有些試驗因其具有危險性而難以進行.利用計算機仿真整車試驗來開發(fā)新車型，已成為汽車設(shè)計不可或缺的技術(shù)[1-2].

通過標桿車試驗和設(shè)計中的CAD模型提取有效參數(shù)，對某設(shè)計中的微型電動汽車建立ADAMS整車模型，并利用理論計算和仿真試驗，分別驗證了子系統(tǒng)模型的正確性，以保證模型的可靠性.之后依據(jù)國標進行了兩項轉(zhuǎn)彎虛擬仿真試驗，針對仿真結(jié)果進行了計算評價分析，為后期整車優(yōu)化設(shè)計提供理論參考[3].

1 整車虛擬仿真模型

1.1 動力學(xué)分析原理

ADAMS/car動力學(xué)分析原理是利用帶拉格朗日乘子的第一類拉格朗日方程導(dǎo)出最大數(shù)量坐標的微分方程.它選取系統(tǒng)內(nèi)每個剛體質(zhì)心在慣性參考系中的3個直角坐標和確定剛體方位的3個歐拉角作為笛卡爾廣義坐標，用帶乘子的拉格朗日第一類方程處理具有多余坐標的完整約束系統(tǒng)或非完整約束系統(tǒng)，導(dǎo)出以笛卡爾廣義坐標為變量的動力學(xué)方程.

1.2 基本參數(shù)的確定

整車多體系統(tǒng)的硬點參數(shù)、慣性參數(shù)通過三維實體CAD軟件CATIA等計算得到.根據(jù)設(shè)計好初始三維模型，添加材料特性參數(shù)后，計算出整車及零部件質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量等模型數(shù)據(jù).結(jié)構(gòu)和材料復(fù)雜的零部件采用試驗方法或經(jīng)驗公式獲得其質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量.減振器阻尼特性曲線和彈簧的剛度特性曲線由制造商提供圖紙或者通過試驗測定.由于處于設(shè)計階段，橡膠襯套參數(shù)取相似車型替代;整車參數(shù)如圖1.

圖1 整車參數(shù)樹圖

1.3 模型創(chuàng)建和驗證

在ADAMS/car中使用模板創(chuàng)建整車的子系統(tǒng):前懸架，后懸架，轉(zhuǎn)向系，制動系，車輪，動力傳動系，車身總成，前穩(wěn)定桿.在ADAMS/car懸架仿真模塊中對前懸架和后懸架進行K＆C仿真分析，校對4輪定位參數(shù)、彈簧剛度、緩沖塊剛度來保證模型的正確性;然后裝配創(chuàng)建整車模型.自由度為94的剛?cè)峄旌夏Ｐ腿鐖D2.

圖2 ADAMS整車模型

2 仿真試驗與分析

2.1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況仿真與分析

汽車橫向動力學(xué)線性理論指出，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性決定了汽車作為一個動力學(xué)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向輸入下是否穩(wěn)定的充分條件.試驗方法參照GB/T 6323.6－94進行仿真[4]，先輸入一個固定的方向盤轉(zhuǎn)角，通過車速來改變側(cè)向加速度，使側(cè)向加速度達到6.5m/s2或到電機功率所能達到的最大的側(cè)向加速度，如圖3、圖4和圖5.仿真試驗側(cè)向加速度達到了6.9 m/s2

由轉(zhuǎn)彎半徑比Ri/R0與側(cè)向加速度ay關(guān)系曲線圖6可以看出該車當(dāng)整車的側(cè)向加速度增大時，瞬時轉(zhuǎn)彎半徑和起始轉(zhuǎn)彎半徑的比值逐漸增大，說明該車具有一定的不足轉(zhuǎn)向，而且隨著側(cè)向加速度的增加到達6.5 m/s2，并沒有出現(xiàn)中性轉(zhuǎn)向點an，這是因為輪胎進入了非線性工作區(qū)域的緣故[5].通過前后軸側(cè)偏角差值(α1－α2)與側(cè)向加速度ay的關(guān)系曲線圖7可以得出側(cè)向加速度為2 m/s2時，可計算出不足轉(zhuǎn)向度U為0.545(°)/m.s－2.一般的前后軸側(cè)偏角差在側(cè)向加速度4 m/s2為2°最佳，而該車只有0.97°，不利于汽車的操縱穩(wěn)定性[4].從車身側(cè)傾角與側(cè)向加速度ay的關(guān)系曲線圖8可以得出側(cè)向加速度為2 m/s2時的車廂側(cè)傾度KΦ為1.073(°)/m.s－2.

試驗仿真數(shù)據(jù)按QC/T 480—1999中給出的評價方法分別計算出評價對象的值，再根據(jù)標準中給出的公式進行評價計分，結(jié)果如表1.從數(shù)據(jù)分析該車的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗結(jié)果總評價得分為88.83，符合試驗標準.

表1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)評價對象

2.2 低速回正性工況仿真與分析

回正仿真試驗是評價汽車由曲線行駛自行恢復(fù)到直線行駛的過度過程的性能，試驗方法參照GB/T 6323.4－94進行仿真[4]，如圖9和圖10讓汽車直線行使，調(diào)整方向盤轉(zhuǎn)角，使汽車沿半徑為(15±1)m的圓周行使，調(diào)整車速，使側(cè)向加速度達到 (4±0.2)m/s2，固定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，穩(wěn)定車速并開始記錄，待3s后，突然松開轉(zhuǎn)向盤，至少記錄松手后4s的汽車運動過程，記錄時間內(nèi)油門開度保持不變.

由橫擺角速度時間歷程曲線圖11可以得出起始橫擺角速度為28.87(°)/s;車身橫擺角速度達到新的穩(wěn)定狀態(tài)的穩(wěn)定時間為3.3s;松開方向盤3s時刻的殘留橫擺角速度值為2.75(°)/s.通過圖11分析導(dǎo)出仿真數(shù)據(jù)，可以計算得出橫擺角速度總方差為0.292.

圖11 橫擺角速度響應(yīng)

試驗仿真數(shù)據(jù)按QC/T 480—1999中給出的評價方法分別對殘留橫擺角速度和橫擺角速度總方差進行評價計分，如表2，其中對殘留橫擺角速度評價得分為45，說明殘留的橫擺角速度偏大，從影響該指標的因素分析，后期應(yīng)針對懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行優(yōu)化及對輪胎的合理選擇.但是，最后總體評價分值為72.5.

表2 轉(zhuǎn)向回正評價對象

3 結(jié)論

1)從穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)虛擬仿真分析該車具有不足轉(zhuǎn)向特性，隨著側(cè)向加速度的增加，沒有出現(xiàn)中性轉(zhuǎn)向點，且不足轉(zhuǎn)向趨勢是發(fā)散的.

2)轉(zhuǎn)向回正試驗中對低速回正的殘留橫擺角速度評價得分較低，說明殘留橫擺角速度偏大，但從總評價指標值來看，是符合國家標準的.

3)結(jié)合其他分析和設(shè)計標準為后期優(yōu)化改進高速穩(wěn)態(tài)特性和低速回正提供理論依據(jù).

[1] 任衛(wèi)群.車-路系統(tǒng)動力學(xué)中的虛擬樣機:MSC.ADAMS軟件應(yīng)用實踐[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005.

[2] 郝云堂，金 燁，季 輝.虛擬樣機技術(shù)及其在ADAMS中的實踐[J].機械設(shè)計與制造，2003(3):16-18.

[3] 陳 軍.MSC.ADAMS技術(shù)與工程分析實例[M].北京:中國水利水電出版社，2008.

[4] GB/T6323-1994汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法[S].

[5] 海貴春，谷正氣，駱 軍，等.某SUV車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性分析與優(yōu)化[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2009(7):2068-2071.