基于ADAMS/car的汽車操作穩(wěn)定性建模與仿真

孟杰，張凱，楊保成

（常熟理工學(xué)院機械工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

基于ADAMS/car的汽車操作穩(wěn)定性建模與仿真

孟杰，張凱，楊保成

（常熟理工學(xué)院機械工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

利用多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS建立了車輛的模型，并對汽車進行了穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗和雙移線試驗的設(shè)計和仿真分析.依據(jù)仿真結(jié)果，對汽車的操縱穩(wěn)定性做出了評價.結(jié)果表明，利用ADAMS軟件可以對汽車的操縱穩(wěn)定性進行精確的仿真試驗，進而達到優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計方案的目的.

多體動力學(xué)；ADAMS/Car；操縱穩(wěn)定性

1 引言

汽車操縱穩(wěn)定性是汽車的重要性能之一，是指汽車在駕駛員不感到過分緊張、疲勞的條件下，能夠遵循駕駛員操作規(guī)程，而且能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力[1].由于道路條件逐步改善，汽車設(shè)計車速不斷提高，汽車操作穩(wěn)定性更加受到重視.

本文在完成懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等子系統(tǒng)的動力學(xué)模型基礎(chǔ)上，建立了某轎車整車的動力學(xué)模型；并依據(jù)GB/T6323294規(guī)定的汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法進行了穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)以及蛇形穿越的操縱穩(wěn)定性仿真試驗，獲得了該轎車的操縱穩(wěn)定性性能.

2 整車仿真模型的建立

本文運用美國MSC公司開發(fā)的ADAMS/Car軟件為仿真平臺，并根據(jù)國產(chǎn)某品牌汽車數(shù)據(jù)，在創(chuàng)建懸架子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向、前后車輪及前后橫向穩(wěn)定桿等子系統(tǒng)虛擬樣機模型的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)整車的組裝與仿真.

2.1 懸架模型

該車的前懸架是典型的雙橫臂式前懸架，其結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向節(jié)、襯套、上下橫臂、減震器以及彈簧等.上下橫臂一端由兩個橡膠襯套與副車架連接，另一端通過球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)連接.減震器上端與車身由萬向節(jié)鉸鏈連接，橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)之間以球形副連接.后懸架與前懸架類似.如圖1所示.

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

該車模型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為齒輪-齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向傳動軸、轉(zhuǎn)向齒條以及轉(zhuǎn)向橫拉桿等部件.如圖2所示.

方向盤與轉(zhuǎn)向軸間的連接為固定鉸鏈.轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)之間為球鉸鏈，而轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向傳動軸間為萬向節(jié)鉸鏈.轉(zhuǎn)向軸與車身之間連接方式為轉(zhuǎn)動鉸鏈；轉(zhuǎn)向橫拉桿與齒條之間為萬向節(jié)鉸鏈，齒條與車身之間為移動鉸鏈.

圖1 車輛的雙橫臂式前懸架模型

圖2 車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

2.3 輪胎模型

輪胎是車輛至關(guān)重要的部分，特別是輪胎的側(cè)偏特性，顯著影響汽車的操縱穩(wěn)定性，輪胎的側(cè)偏特性包括側(cè)偏力、回正力矩與側(cè)偏角間的特殊關(guān)系.

輪胎構(gòu)成較為復(fù)雜，包括橡膠、簾布層等合成材料和充氣結(jié)構(gòu)，這使得輪胎具有高度非線性、可壓縮性、各向異性和粘彈性，導(dǎo)致其物理模型復(fù)雜、特殊[2].此外輪胎的建模精度直接影響整車動力學(xué)建模精度，所以輪胎模型的選擇必須與仿真的要求相一致.

本文選取UA輪胎模型，UA輪胎模型的特點是包含輪胎的縱向、側(cè)向松弛效應(yīng).該模型考慮了縱向和橫向聯(lián)合滑移的情況，因而比較精確、全面.

2.4 整車模型

將上述子系統(tǒng)進行裝配之后，得到虛擬整車模型.如圖3所示.該車主要參數(shù)如表1所示.

圖3 整車仿真模型

表1 整車主要參數(shù)

3 整車操縱性仿真試驗設(shè)計與分析

3.1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗方法（Constant radius Cornering）

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗是研究汽車響應(yīng)特性的一種常用試驗方法.汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性對汽車的方向控制有非常重要的影響[3].過度轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向不足都會使汽車難以控制.汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性是汽車操縱穩(wěn)定性研究的重要內(nèi)容.

本文依據(jù)GB/T6323.6-94關(guān)于固定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗的規(guī)定，仿真過程中，設(shè)置汽車以最低車速開始沿初始轉(zhuǎn)向半徑50 m的圓周行駛，方向盤轉(zhuǎn)角為150°.然后加速（加速度為250 mm/s2），并固定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角.仿真試驗分析結(jié)果如下：

車身在側(cè)向力的作用下繞側(cè)傾軸線的轉(zhuǎn)角稱為車身側(cè)傾角，且車身側(cè)傾角與側(cè)向加速度方向一致.車身側(cè)傾角是和汽車操縱穩(wěn)定性和平順性有關(guān)的一個重要參數(shù).側(cè)傾角的數(shù)值影響到汽車的橫擺角速度瞬態(tài)響應(yīng).側(cè)傾角如果過大，會使駕駛員感到不穩(wěn)定、不安全.從圖4可以看到該車在較大的側(cè)向加速度下，車身質(zhì)心處的側(cè)傾角相對較小（直線斜率較低），不容易引起側(cè)傾轉(zhuǎn)向.因此操作穩(wěn)定性較好，但平順性較差.

圖5為前后車輪側(cè)偏角差值與側(cè)向加速度關(guān)系曲線.由圖可知，當(dāng)側(cè)向加速度大于0.02 m/s2時，前后側(cè)偏角差值與側(cè)向加速度不再存在線性關(guān)系.隨著側(cè)向加速度的增加，圖中曲線趨于平緩，即隨著側(cè)向加速度的增加，轉(zhuǎn)向半徑也同時增加，說明了該車有明顯的轉(zhuǎn)向不足特性.

3.2 雙移線試驗仿真分析[4]

雙移線試驗是研究汽車躲避障礙時的瞬態(tài)閉環(huán)響應(yīng)特性的重要試驗之一，是評價汽車操縱穩(wěn)定性的重要試驗.本仿真中的車輛是按照ISO3888規(guī)定的路徑進行仿真的，即汽車在緊急避讓時，側(cè)翻的可能路徑控制通過驅(qū)動樣機來實現(xiàn).仿真結(jié)果如圖6所示.

在IS0/3888標(biāo)準(zhǔn)文件中規(guī)定了該試驗的行駛路線.只需要選擇合適的檔位和車速，就可以進行試驗.仿真分析設(shè)置在運行250 m后自動停止.在仿真試驗中主要記錄汽車的橫擺角速度以及側(cè)向加速度等參數(shù)，以評價該試驗性能.由圖6可知，在仿真時間2 s-6 s內(nèi)，該車迅速恢復(fù)原有行駛狀態(tài)，橫擺加速度趨于零.說明該車輛具有較好的躲避障礙物的性能，操縱穩(wěn)定性較好.

圖4 車輛側(cè)傾角與側(cè)向加速度的關(guān)系曲線

圖5 車輛前后側(cè)偏角差值（δ1-δ2）與側(cè)向加速度的關(guān)系曲線

圖6 雙移線仿真試驗曲線

4 結(jié)論

本文利用ADAMS/Car模塊建立了汽車整車仿真模型.對汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能和雙移線性能等主要的整車操縱穩(wěn)定性能進行了仿真.仿真結(jié)果表明，該車的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能和躲避障礙物性能良好.另外，仿真曲線表明ADAMS/Car具有精確仿真試驗的能力，因此可利用采用ADAMS/Car軟件建立的參數(shù)化車輛模型，對各種設(shè)計參數(shù)不斷進行修改或優(yōu)化設(shè)計，達到改進產(chǎn)品設(shè)計方案的目的.

[1]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2]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，2008：10.

[3]郭孔輝.汽車操作動力學(xué)原理[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2011：2.

[4]范成建，熊光明.虛擬樣機軟件MSC.ADAMS應(yīng)用與提高[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

Model Establishment and Simulation of Vehicle Handling Stability Using ADAMS/Car

MENG Jie,ZHANG Kai,YANG Bao-cheng
(School of Mechanical Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

A vehicle model is built using the multi body dynamics software-ADAMS/Car first.And then the ve?hicle's performance of the constant radius cornering and ISO lane change is simulated.According to the simula?tion results,the handling stability is evaluated.The result shows that the ADAMS software can provide an accu?rate simulation experiment and optimize the design plan of vehicle product.

multi body dynamics;ADAMS/Car;handling stability

TP/391.9

A

1008-2794（2013）04-0061-04

2012--02-01

蘇州市科技計劃項目“汽車半主動電磁懸架應(yīng)用研究”（SYG201102）

孟杰，講師，碩士，研究方向：汽車安全，E-mail：122603289@qq.com．