基于ADAMS/CAR的整車操縱穩(wěn)定性仿真及優(yōu)化

李慧聰,勾治踐,任明輝

(1.長春工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，吉林 長春 130012;2.杭州師范大學(xué) 錢江學(xué)院，浙江 杭州 310016;3.中國第一汽車集團公司技術(shù)中心，吉林 長春 130012)

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基于ADAMS/CAR的整車操縱穩(wěn)定性仿真及優(yōu)化

李慧聰1,勾治踐2*,任明輝3

(1.長春工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，吉林 長春 130012;2.杭州師范大學(xué) 錢江學(xué)院，浙江 杭州 310016;3.中國第一汽車集團公司技術(shù)中心，吉林 長春 130012)

依據(jù)多體系統(tǒng)動力學(xué)理論，采用虛擬樣機技術(shù)ADAMS/CAR創(chuàng)建完整的整車模型，并在INSIGHT模塊進行優(yōu)化，對懸架的硬點坐標(biāo)及性能進行改進，最后對整體進行仿真與計算。選取階躍轉(zhuǎn)向和蛇形實驗來對目標(biāo)車輛進行操縱穩(wěn)定性能的評價。

ADAMS/CAR；操縱穩(wěn)定性；優(yōu)化設(shè)計；階躍轉(zhuǎn)向；蛇形實驗

0 引 言

汽車的操縱穩(wěn)定性能與其懸架特性聯(lián)系較為緊密，指駕駛員在沒有明顯的慌張、勞累狀態(tài)下，汽車可以按方向盤給定的由車主意志控制的路線前進。德國人阿達姆·措莫托[1]介紹了車輛行駛過程中性能的測試與評價；德國汽車專家賴姆帕爾[2]從懸架各部件的計算設(shè)計以及懸架類型特點對懸架性能做出了完整的分析；日本學(xué)者安部正人[3]在汽車受力與運動時，對懸架建立了較為完整的動力學(xué)方程，對懸架的主要部位開展了嚴(yán)密的計算；天津大學(xué)的潘筱[4]等依據(jù)后懸架拓撲結(jié)構(gòu)仿真模型，得出了改進后的車輛在行駛穩(wěn)定及操縱方面有了較大的提升。根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，操縱穩(wěn)定性能的分析應(yīng)該從穩(wěn)定狀態(tài)回轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入、轉(zhuǎn)向操縱輕便和蛇形等多個方面進行評價[5]。文中選用ADAMS軟件中的汽車模塊來對車輛轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)和蛇形行駛進行仿真計算。

1 汽車整車模型的建立

1.1 前懸架結(jié)構(gòu)模型的建立

文中所研究的是發(fā)動機后置的汽車模型，發(fā)動機后置可使車身在重量分布方面大大改善，提升了整體的平衡性和操控性。前懸架采用的是雙叉臂獨立懸架，該懸架的結(jié)構(gòu)特點為其所擁有的兩個上下不等長設(shè)置的A字形的叉臂(上短下長)，兩個A字形臂共同承擔(dān)了側(cè)向外力，支柱只對汽車的車體起到支撐作用，橫向剛度與縱向剛度性能優(yōu)異，是雙叉臂懸架的杰出特性。前輪方位的各項數(shù)據(jù)可由該懸掛的兩個A臂精確標(biāo)定，當(dāng)行駛方向發(fā)生改變時，輪胎受到的側(cè)向外力可被該雙A字形臂吸收，因此，雙叉臂式獨立懸架在方向發(fā)生變化時的抵抗側(cè)向傾斜的能力比其他懸架好，操縱穩(wěn)定性好。此外，兩叉臂長度不同的結(jié)構(gòu)類型可以使前輪在運動過程中，外傾角隨時變化來減小前輪間距的變化。這樣可以延長輪胎的使用壽命，增強了對不同情況路面的應(yīng)變能力，使輪胎與地面的接觸面變大，車輪的工作性能強。前懸架結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 前懸架結(jié)構(gòu)模型

1.2 后懸架模型的建立

該汽車后懸架采用的是多連桿結(jié)構(gòu)，此類型懸架可以對主銷后傾角的位置進行調(diào)整，極大程度地削減來自路面?zhèn)鱽淼那昂蠓较蛄?，從而提高了制動與加速的舒適性。在汽車沿直行道路行駛時，能起到良好的保證直行能力的穩(wěn)定性；在汽車處于制動或轉(zhuǎn)彎過程中，多連桿懸架能使后輪前束為正值，增強了對汽車的操控性能，降低了轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向輪的角度幅值。多連桿懸架在受迫運動時，通過連桿對各桿件間連接點(硬點)位置的主動調(diào)整來改變車輪狀態(tài)，時刻保持后輪對地面的抓地力達到最好的狀態(tài)。由于該懸架自由度的設(shè)計比較大，可以針對車輛在運動狀態(tài)時的前束角和外傾角進行校正，并能使后輪獲得一定的轉(zhuǎn)向角度，可以極大提高整車的操控極限，后懸架結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 后懸架結(jié)構(gòu)模型

1.3 整車集成模型

利用ADAMS/CAR的組件功能，將所需創(chuàng)建的各結(jié)構(gòu)部件組裝，建立整車模型。整車仿真模型主要由前懸架部件、后懸架部件、車身、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪胎和動力傳動系統(tǒng)模型6個部分構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 整車仿真模型

車輛模型在虛擬路面上行駛，對行駛狀態(tài)的控制由驅(qū)動器來進行。依靠仿真功能對整車進行仿真可以獲得本次實驗中所需的特性曲線。

2 ADAMS/INSIGHT實驗設(shè)計

由于該模型是通過對原有模型的硬點進行修改后獲得的所需要的模型，使得模型可能會存在缺陷或不足，實驗設(shè)計可以對多個參數(shù)進行實驗分析，幫助尋找出哪些因素的影響最顯著，利用優(yōu)化分析求出該因素參數(shù)在取什么值的時候能使測量目標(biāo)達到最小或最大，其步驟如下：

1)創(chuàng)建狀態(tài)變量；

2)創(chuàng)建測量函數(shù)；

3)創(chuàng)建設(shè)計目標(biāo)變量；

4)進行優(yōu)化分析；

5)查看優(yōu)化結(jié)果[6]。

選取平衡位置轉(zhuǎn)向節(jié)下球鉸點C、下控制臂后點A、下控制臂前點B、平衡位置轉(zhuǎn)向節(jié)上球鉸點F、上控制臂后點D、上控制臂前點E、轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)外點(設(shè)為N、M)的空間坐標(biāo)參數(shù)作為設(shè)計變量：

(1)

規(guī)定所選參數(shù)的變化范圍，受結(jié)構(gòu)設(shè)計影響，令所選各參數(shù)的變化范圍為±15 mm：

(2)

前懸架優(yōu)化中，前輪位置參數(shù)指其前軸、主銷軸線在空間上形成的定位參數(shù)，有前輪前束角、前輪外傾角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角。選取前輪外傾角(γ)、前輪前束角(B)、主銷后傾角(β)為測試目標(biāo)，硬點參數(shù)的變化會影響外傾角、主銷后傾角、內(nèi)傾角。對三者變化量進行分析，目標(biāo)函數(shù)式為：

(3)

經(jīng)過迭代計算后，選取令三個目標(biāo)變化量最小的一組數(shù)據(jù)，忽略不計對目標(biāo)影響效果較小的設(shè)計變量(平衡位置轉(zhuǎn)向節(jié)下球鉸點C)，對其余的設(shè)計變量進行優(yōu)化后的數(shù)據(jù)調(diào)整，最終獲得經(jīng)過優(yōu)化后的數(shù)據(jù)，見表1。

表1 優(yōu)化后的數(shù)據(jù)

將優(yōu)化后的懸架重新進行裝配，就可對優(yōu)化前與優(yōu)化后的整車進行分析對比。

3 整車的仿真分析

3.1 階躍轉(zhuǎn)向仿真

通過階躍轉(zhuǎn)向的仿真實驗，可獲得汽車的時域過渡特性，有橫擺角速度和側(cè)向加速度。實驗時，先要保持汽車勻速直線行駛狀態(tài)，為了消除自由間隙，需要從轉(zhuǎn)向方向緩慢靠向轉(zhuǎn)向盤，隨后快速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤至實驗設(shè)定的方向轉(zhuǎn)角值，并保持轉(zhuǎn)角值不能發(fā)生變動。經(jīng)過數(shù)秒直至所測變量達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。實驗中需要車速、轉(zhuǎn)向盤角度、側(cè)向加速度、橫擺角速度等數(shù)據(jù)。

首先，由進入穩(wěn)態(tài)時的側(cè)向加速度值達到1～3 m/s2來確定獲得角階躍輸入實驗中方向盤轉(zhuǎn)角大小。在沿直線行駛過程中，當(dāng)汽車速度保持在其最高車速的70%時，需要在盡可能短的時間內(nèi)迅速轉(zhuǎn)動方向盤，并停留在預(yù)先設(shè)定的角度上，在保持數(shù)秒車速不變的狀態(tài)下，直到汽車穩(wěn)定。選取仿真車車速為100 km/h，方向盤右轉(zhuǎn)，其設(shè)定角度為22°，起躍時間為0.4 s，階躍轉(zhuǎn)向仿真條件如圖4所示。

圖4 階躍轉(zhuǎn)向仿真條件

優(yōu)化前后橫擺角速度仿真對比如圖5所示。

根據(jù)下式可知，優(yōu)化前超調(diào)量為26.9%，優(yōu)化后超調(diào)量為18.8%，說明優(yōu)化后穩(wěn)定性能明顯優(yōu)于優(yōu)化前，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)快，諧振幅小。

(4)

式中：ψ——超調(diào)量；

Xmax——橫擺角速度最大值；

X0——橫擺角速度穩(wěn)態(tài)值。

蛇形仿真在汽車操縱穩(wěn)定的仿真實驗中是一種非常重要的試驗方法，因為它能夠充分展現(xiàn)出汽車的操縱穩(wěn)定性能以及乘客在車中的乘坐舒適度。該項仿真實驗用于評測車輛在行駛過程中的過渡響應(yīng)與側(cè)傾穩(wěn)定性。在蛇形駕駛過程中要預(yù)先對方向盤進行轉(zhuǎn)向角的設(shè)定，之后再反方向轉(zhuǎn)動方向盤，達到設(shè)定角度。由國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6323.1-94規(guī)定的蛇形基準(zhǔn)設(shè)定標(biāo)樁間距L為30m，基準(zhǔn)車速為65km/h，仿真車速依次為40、55、65、75km/h。

實線為優(yōu)化前; 虛線為優(yōu)化后

3.2 蛇形仿真

車速為40 km/h時橫擺角速度響應(yīng)如圖6所示。

圖6 車速40 km/h時橫擺角速度響應(yīng)

方向盤轉(zhuǎn)角優(yōu)化前后對比如圖7所示。

實線為優(yōu)化前; 虛線為優(yōu)化后

由圖7可知，優(yōu)化前后的橫擺角速度和方向盤轉(zhuǎn)角的變化趨勢大體上是對應(yīng)的，其中優(yōu)化前汽車方向盤的轉(zhuǎn)角幅度是38°，優(yōu)化后汽車方向盤的轉(zhuǎn)角幅度是36°，優(yōu)化后比優(yōu)化前減小了5.3%；橫擺角速度大體相同。根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定蛇形仿真實驗的評價方法如下[7]：

1)對橫擺角峰值的均值r進行評價。平均橫擺角速度峰值的評價計分值Nr：

(5)

式中：r60——橫擺角速度平均峰值的下限值；

r100——橫擺角速度平均峰值的上限值；

r——基準(zhǔn)車速下橫擺角速度平均峰值的仿真值。

2)對轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角峰值平均值θ進行評價。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角平均峰值的評價計分值Nθ：

(6)

式中：θ60——轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角平均峰值的下限值；

θ100——轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角平均峰值的上限值；

θ——基準(zhǔn)車速下轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角平均峰值的仿真值。

3)蛇形仿真實驗的綜合評價計分值。蛇形仿真實驗的綜合評價計分值NS：

(7)

結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)，計算出蛇形仿真實驗的評價計分值，優(yōu)化前NS=97.326，優(yōu)化后NS=98.391，評分較優(yōu)化前高。

4 結(jié) 語

通過利用ADAMS/CAR模塊對整車進行建模仿真，并通過ADAMS/INSIGHT模塊對前后懸架進行優(yōu)化，對懸架的幾個定位參數(shù)進行分析及修改，在階躍轉(zhuǎn)向仿真中使超調(diào)量由26.9%降低至18.8%，提升了汽車的穩(wěn)定性。蛇形試驗中，評分由97.326升高到98.391，表明該方法可以準(zhǔn)確方便地計算汽車懸架的硬點參數(shù)，在汽車的前期開發(fā)中大量降低了成本及車輛的研發(fā)時間，使得生產(chǎn)出的車輛安全又舒適。

[1] 阿達姆.措莫托.汽車行駛性能[M].黃錫朋,解春陽,譯.北京:科學(xué)普及出版社,1992.

[2] 耶爾森.賴姆帕爾.汽車懸架[M].李旭東,譯.北京:機械工業(yè)出版社,2013.

[3] 安部正人.汽車的運動與操縱[M].陳幸波,譯.北京:機械工業(yè)出版社,1998.

[4] 潘筱.五連桿非獨立后懸架K & C特性仿真研究[J].機械設(shè)計與制造,2013,9(9):79-82.

[5] 彭莫,刁增祥,黨瀟正.汽車懸架構(gòu)件的設(shè)計計算[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012.

[6] 周志才.基于ADAMS/Insight的某傳動機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].機械工程師,2011,6(6):64-66.

[7] 全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化委員會.QC/T480-1999汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評價方法[S].北京：[s.n.],1999.

ADAMS/CAR based vehicle steering stability simulation and optimization

LI Huicong1,GOU Zhijian2*,REN Minghui3

(1.School of Mechatronic Engineering,Changchun University of Technology,Changchun 130012，China;2.Qianjiang College，Hangzhou Normal University,Hangzhou 310016,China;3.FAW Technology Center,Changchun 130012，China)

Based on multibody dynamics principle,ADAMS/CAR technique is used to build the vehicle model and then optimized with INSIGHT module to improve the suspension hard points. Simulation analysis is carried out on the whole structure. Step steering and serpentine experiments are applied to evaluate the stability of vehicle handling.

ADAMS/CAR; handling and stability; optimization design; steering; pylon course slalom test.

2016-03-09

李慧聰(1989-)，男，漢族，河北張家口人，長春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事數(shù)字化制造工程方向研究,E-mail:741088796@qq.com. *通訊作者：勾治踐(1958-)，男，漢族，吉林長春人，杭州師范大學(xué)教授，博士，主要從事數(shù)字化制造工程和機械系統(tǒng)動力學(xué)方向研究,E-mail:gouzhijian@163.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.5.21

U 463.33

A

1674-1374(2016)05-0516-05