整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型的建立、驗(yàn)證及仿真分析

張宇

摘?要：隨著車(chē)速的不斷提升，整車(chē)的穩(wěn)定性能備受矚目。作為復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，人、車(chē)、外界載荷環(huán)境等相互作用下，一直是汽車(chē)動(dòng)力學(xué)模型建立、分析的難題。本文以某轎車(chē)的整車(chē)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)模型建立為理論主體，考慮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及前后懸架的幾何參數(shù)，以及阻尼器與橡膠襯套等非線(xiàn)性特征，對(duì)所建模型進(jìn)行多元化實(shí)驗(yàn)，分析樣車(chē)的穩(wěn)定性能及可操控性等相關(guān)特點(diǎn)，結(jié)果表明所建模型就較高的精度，在動(dòng)力學(xué)研究中起到了關(guān)鍵作用。

關(guān)鍵詞：多體動(dòng)力學(xué);車(chē)輛動(dòng)力學(xué);模型建立;仿真實(shí)驗(yàn)

前言

隨著車(chē)速的提高，汽車(chē)的平順性、穩(wěn)定性以及制動(dòng)性能逐漸變得重要起來(lái)。本文以ADAMS軟件建立轎車(chē)非線(xiàn)性多體動(dòng)力模型并進(jìn)行有效實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。建模過(guò)程以實(shí)際汽車(chē)運(yùn)行情況為主，考慮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束，來(lái)用非曲線(xiàn)襯套模擬實(shí)際力學(xué)特征。同時(shí)考慮轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及前后懸架的幾何參數(shù)，以及阻尼器與橡膠襯套等非線(xiàn)性特征，對(duì)所建模型進(jìn)行多元化實(shí)驗(yàn)，分析樣車(chē)的穩(wěn)定性能及可操控性等相關(guān)特點(diǎn)，對(duì)仿真模型進(jìn)行瞬態(tài)脈沖實(shí)驗(yàn)以及轉(zhuǎn)向性實(shí)驗(yàn)等進(jìn)行一系列的仿真分析。

1.整車(chē)多體模型建立

1.1?多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)定義

ADAM利用連體坐標(biāo)多慣性坐標(biāo)姿態(tài)和位置為廣義坐標(biāo)，利用拉格朗日乘子法建立動(dòng)力學(xué)方程式：。其中系統(tǒng)動(dòng)能為T(mén)，廣義坐標(biāo)量為q，廣義力為Q。拉氏乘子列為。通過(guò)上述公式形成指標(biāo)微分后利用BDF求解。

1.2?非線(xiàn)性力元模型

多體模型中存在多種非線(xiàn)性力元，如非線(xiàn)性彈簧、非線(xiàn)性阻尼器以及非線(xiàn)性襯套等。這些力元自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜制約模型建立。因此，建立力學(xué)模型的基礎(chǔ)是ADAMS實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上加大仿真精度。

橡膠襯套的數(shù)學(xué)模型為：

阻尼器阻力對(duì)非線(xiàn)性關(guān)系，在ADAMS中定義模型為：Fd=fd（v）。

1.3?輪胎模型制動(dòng)力及動(dòng)力總成模型

在操作穩(wěn)定性能中，輪胎模型穩(wěn)定性十分重要。本文以側(cè)偏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為建模參數(shù)，并通過(guò)三角函數(shù)表達(dá)輪胎側(cè)偏縱滑率、縱側(cè)向力以及側(cè)偏角等。其中，縱向力與側(cè)向力表達(dá)式為：;回正力矩表達(dá)式為：。動(dòng)力總成則通過(guò)與車(chē)身相連的橡膠襯套作為輸出傳遞，根據(jù)車(chē)速進(jìn)行動(dòng)力輸出和PID（調(diào)節(jié)器控制器）控制。

1.4?整車(chē)多體模型

將前后懸架系統(tǒng)模型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型以及動(dòng)力總成等模型與車(chē)身集成，建立多體精確模型中，根據(jù)前后懸架調(diào)整整車(chē)質(zhì)心位置，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整各部件質(zhì)心位置。根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)整車(chē)輪參數(shù)定位。自由度公式為：。整車(chē)模型包括44個(gè)剛體，其中各種類(lèi)型約束個(gè)數(shù)如下表1所示。其中，整車(chē)模型自由度利用自由度公式進(jìn)行計(jì)算，整車(chē)自由度系數(shù)為102。同時(shí)，外接力元如下：4個(gè)懸架彈簧;40個(gè)橡膠襯套;4個(gè)阻尼器;兩個(gè)穩(wěn)定桿扭簧及制動(dòng)力和輪胎力元各4個(gè)等。

表1：類(lèi)型約束個(gè)數(shù)

類(lèi)型

圓柱鉸

等速鉸

轉(zhuǎn)動(dòng)鉸

移動(dòng)鉸

齒輪條鉸

胡克鉸

個(gè)數(shù)

3

10

8

5

1

2

2.模型驗(yàn)證

2.1?轉(zhuǎn)角脈沖瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角為仿真輸入對(duì)象，測(cè)量轉(zhuǎn)角間隙并在實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向盤(pán)數(shù)據(jù)減去間隙數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)作為仿真數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果顯示，仿真曲線(xiàn)較為平滑且試驗(yàn)曲有高頻信號(hào)反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果有一定的重合度。這說(shuō)明仿真模型表達(dá)了該車(chē)動(dòng)特性及精度，滿(mǎn)足實(shí)際需求。

3.仿真分析

3.1?平順性隨機(jī)路面輸入仿真

B級(jí)路面上對(duì)整車(chē)模型進(jìn)行隨機(jī)輸入仿真，并以六種車(chē)速進(jìn)行平順性仿真實(shí)驗(yàn)。

仿真后得到不同車(chē)速下三個(gè)軸向加速時(shí)間，由于篇幅有限，只列出座椅各向及總的加權(quán)加速度均方根。根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)垂向加速低于31m/s2時(shí)，不會(huì)危害健康，在高于31m/s2并達(dá)到44m/s2時(shí)會(huì)有一定的危害性，大于44m/s2對(duì)健康不利。本次試驗(yàn)中，最大車(chē)身垂向加速為7.8m/s2，低于危害值且在脈沖輸入下平順性較好。

3.2?平順性脈沖輸入仿真

平順脈沖仿真是平順實(shí)驗(yàn)一種。本次研究在ADAMS軟件中，建立三維立體三角形路面，高60mm長(zhǎng)40mm，仿真過(guò)程中車(chē)速?gòu)?0Km/h逐步升至60Km/h，得到不同速度下車(chē)身垂向數(shù)據(jù)。下表1為平順路面仿真數(shù)據(jù)。

表1：不同車(chē)速下最大車(chē)身垂向

車(chē)速/Km·h-1

20

30

40

50

60

a?max/m·s-2

5.09

6.19

7.30

7.69

7.67

3.3?汽車(chē)操縱穩(wěn)定性仿真分析

3.3.1?穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真

作為車(chē)輛穩(wěn)定相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)是在一定狀態(tài)下，車(chē)輛轉(zhuǎn)向角和前進(jìn)速度定值，使得車(chē)輛轉(zhuǎn)彎行駛半徑固定。穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真研究過(guò)程中車(chē)速?gòu)?.5m/s加速至6.5m/s為仿真過(guò)程。下圖、圖?為仿真后行駛軌跡。

圖?：轉(zhuǎn)向半徑與側(cè)向加速關(guān)系??圖?：前后側(cè)偏角差與側(cè)向加速關(guān)系

3.3.2?轉(zhuǎn)向盤(pán)角階躍輸入

轉(zhuǎn)向盤(pán)角階躍輸入用來(lái)評(píng)價(jià)該車(chē)瞬態(tài)響應(yīng)性能。根據(jù)GB/T6323.2-1994，仿真過(guò)程中時(shí)間為10s，車(chē)速為60Km/h，在1s后持續(xù)輸入時(shí)間0.2s，方向盤(pán)最大轉(zhuǎn)角為30°。隨后油門(mén)不變轉(zhuǎn)角不變。下圖為橫擺角速度及側(cè)向加速瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程。從圖片中可以看出車(chē)輛瞬態(tài)響應(yīng)性能良好。

圖?：橫擺角響應(yīng)數(shù)據(jù)???????????圖?：側(cè)向加速瞬態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)

3.3.3?蛇行試驗(yàn)

作為瞬態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)的一種，蛇形試驗(yàn)是評(píng)價(jià)車(chē)輛瞬態(tài)閉環(huán)的重要依據(jù)。往往使車(chē)輛在極限轉(zhuǎn)彎狀態(tài)下，反應(yīng)車(chē)輛行駛的安全性、舒適性和穩(wěn)定性。本次研究中，仿真車(chē)輛通過(guò)30m標(biāo)樁區(qū)域速度為65Km/s.測(cè)試結(jié)果顯示車(chē)輛在標(biāo)準(zhǔn)車(chē)速下，具有一定的操作性和穩(wěn)定性。

3.4?結(jié)論評(píng)價(jià)

通過(guò)ADAMS軟件建立包括轉(zhuǎn)向器、動(dòng)力總成、車(chē)身制動(dòng)系統(tǒng)以及前后懸架的整體車(chē)模型，研究ADAMS軟件如何作用于平順性以及整車(chē)操縱穩(wěn)定性，進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。同時(shí)，通過(guò)穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況仿真和蛇形試驗(yàn)等一系列仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該車(chē)具有一定的操控性且平順性較好。ADAMS軟件能對(duì)原始設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)原有設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化和改進(jìn)，同時(shí)能進(jìn)行一定的分析和預(yù)存。

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