基于ADAMS的整車建模及轉(zhuǎn)向回正性仿真

張學(xué)萍，王曉彬，王娜，吳芳芳

（1.安徽三聯(lián)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥230601；2.重慶同濟(jì)研究院有限公司，重慶401120）

近年來大量問卷調(diào)查報(bào)告顯示某款重型牽引車在使用過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)向回正困難現(xiàn)象。利用ADAMS整車建模及動(dòng)力分析軟件可以解決上述問題。整車模型較為復(fù)雜，在ADAMS/Car 中建模需要將模型簡化，文中對某款重型牽引車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、輪胎系統(tǒng)等系統(tǒng)與試驗(yàn)臺建立正確的通訊器，便于仿真結(jié)果的研究分析，進(jìn)而利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與其仿真結(jié)果做對比，驗(yàn)證模型的正確性［1］。為后期利用模型仿真分析整車平順性和操縱穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)，為設(shè)計(jì)人員縮短了研發(fā)周期。根據(jù)已建立的正確模型利用ADAMS/Isight 進(jìn)行轉(zhuǎn)向回正性能仿真分析，得出主銷內(nèi)傾角、主銷外傾角硬點(diǎn)坐標(biāo)值優(yōu)化的結(jié)果，有效改善了某款重型牽引車的轉(zhuǎn)向回正性能。

1 整車模型建立

根據(jù)某廠提供的雙前橋重型牽引車實(shí)車模型和CATIA 三維模型參數(shù)，在ADAMS/Car 模塊中建立三維仿真模型前簡化零部件模型，忽略質(zhì)量、慣性等參數(shù)，根據(jù)雙前橋整車模型結(jié)構(gòu)特征，大部分零部件用一般桿件來代替；根據(jù)實(shí)車幾何參數(shù)確定空間位置，防止出現(xiàn)零件干涉，零部件之間的連接屬性須與實(shí)車模型一致［3-4］。

1）轉(zhuǎn)向系子系統(tǒng)模型 根據(jù)雙前橋重卡轉(zhuǎn)向系統(tǒng)零部件的組成分析，轉(zhuǎn)向系轉(zhuǎn)向器部件簡化成傳動(dòng)比為23.27的構(gòu)件，使用2種類型的連接件，即鉸鏈和軸套。轉(zhuǎn)向盤到一橋傳動(dòng)比為22.06，轉(zhuǎn)向盤直徑為0.48 m，根據(jù)轉(zhuǎn)向系運(yùn)動(dòng)副之間的關(guān)系建立轉(zhuǎn)向系子系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向系子系統(tǒng)

2）一、二橋懸架子系統(tǒng)模型 重型牽引車的懸架系統(tǒng)采用鋼板彈簧非獨(dú)立懸架，一橋、二橋懸架均由轉(zhuǎn)向梯形、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、橋殼等組成，其中一橋有減震器、二橋沒有減震器。懸架的主要特性參數(shù)如表1 所示，建立一、二橋懸架子系統(tǒng)模型如圖2 所示。該款雙前橋重型牽引車實(shí)車模型采用少片變截面等寬度鋼板彈簧，將其簡化成單片簧。

表1 懸架的主要特性參數(shù)

圖2 懸架子系統(tǒng)

3）驅(qū)動(dòng)橋及輪胎子系統(tǒng) 實(shí)車模型驅(qū)動(dòng)橋?yàn)殇摪鍙椈煞仟?dú)立懸架，由鋼板彈簧、主減速器、差速器、半軸、輪轂等組成。動(dòng)力系統(tǒng)在ADAMS/Car中的主要功用是提供車輪驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力，可不按實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)詳細(xì)建模，而是將發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、離合器總成集中在1個(gè)模塊中，使用函數(shù)模擬實(shí)現(xiàn)各部分的功能。發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩與節(jié)氣門開度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，其特性曲線參數(shù)由外部V12_engine_map.pwr提供，可以按樣車參數(shù)對其中所需參數(shù)進(jìn)行修改。差速器在ADAMS/Car 中建模比較困難，在建立驅(qū)動(dòng)橋模型時(shí)可以簡化，左右半軸通過固定副連接。輪轂與車輪通過固定副連接、驅(qū)動(dòng)橋殼通過鋼板彈簧與車架連接。驅(qū)動(dòng)橋軸荷為4380 kg，輪距為1.86 m，修改相關(guān)性能參數(shù)，建立驅(qū)動(dòng)橋子系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)橋子系統(tǒng)

一橋、二橋和驅(qū)動(dòng)橋輪胎子系統(tǒng)采用Car中自帶的Fiala模型，整車力學(xué)性能精度和復(fù)雜程度均滿足要求。一、二橋和驅(qū)動(dòng)橋共用同型號輪胎，輸入相關(guān)特性參數(shù)，得到輪胎子系統(tǒng)模型。

4）車架子系統(tǒng) 車架子系統(tǒng)包括車架和駕駛室，轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、懸架子系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)橋子系統(tǒng)均與車架連接，通過建立相關(guān)輸出通訊器與車架連接［5］。

5）整車裝配體 整車裝配過程中需要注意整車結(jié)構(gòu)參數(shù)（表2），以及12個(gè)子系統(tǒng)之間的通訊器設(shè)置，否則會影響整車性能仿真。根據(jù)12 個(gè)子系統(tǒng)間的通訊器裝配成整車模型，如圖4所示。

圖4 整車裝配體

表2 整車結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 驗(yàn)證整車模型的正確性

為驗(yàn)證虛擬樣機(jī)中整車模型的正確性，利用實(shí)車模型在某大型試驗(yàn)場進(jìn)行了車輛轉(zhuǎn)向回正性試驗(yàn)和轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)，并與虛擬樣機(jī)中整車仿真結(jié)果進(jìn)行比較。

1）轉(zhuǎn)向回正性結(jié)果分析 根據(jù)試驗(yàn)場的實(shí)驗(yàn)條件選取低速回正性能試驗(yàn)，選取橫擺角速度作為測量參數(shù)。接通儀器電源待到正常工作溫度，試驗(yàn)汽車先直線行駛，然后調(diào)整轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，調(diào)整車速為30 km·h?1，以半徑為15 m的圓周行駛，側(cè)向加速度達(dá)到4±0.2 m·s-2時(shí)，固定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，穩(wěn)定車速開始記錄數(shù)據(jù)，待3 s 后松開使方向盤回到自由狀態(tài)，記錄過程中加速踏板位置保持不變。在ADAMS 中進(jìn)行低速轉(zhuǎn)向回正實(shí)驗(yàn)仿真，輸入相關(guān)參數(shù)，如圖5 所示。根據(jù)實(shí)車試驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)，分別進(jìn)行左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)2個(gè)方向的結(jié)果分析比較，如圖6所示，實(shí)車4次試驗(yàn)和仿真曲線吻合度較高。

圖5 左轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向回正性仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖6 輕向回正性能曲線

2）轉(zhuǎn)向輕便性結(jié)果分析 試驗(yàn)車輛在試驗(yàn)場測量的數(shù)據(jù)是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向盤力矩。在ADAMS 中進(jìn)行轉(zhuǎn)向輕便性仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)需ADAMS/Car驅(qū)動(dòng)控制dcf 文件，執(zhí)行dcf 文件時(shí)ADAMS 驅(qū)動(dòng)器會相應(yīng)地查找dcd 文件，根據(jù)dcd 文件的雙紐線路徑運(yùn)行。其中dcd 文件是根據(jù)與實(shí)車試驗(yàn)時(shí)的雙紐路線編制而成。ADAMS/Car 中仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，虛擬樣機(jī)模型的仿真曲線和實(shí)車試驗(yàn)曲線接近，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角曲線的擬合度較高，反應(yīng)了整車的轉(zhuǎn)向輕便性。

圖7 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線

通過ADAMS/Car 中的轉(zhuǎn)向回正性和轉(zhuǎn)向輕便性仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)車試驗(yàn)的數(shù)據(jù)曲線吻合度較高，驗(yàn)證了ADAMS/Car中整車模型的準(zhǔn)確性。

3 轉(zhuǎn)向回正性能的仿真分析及優(yōu)化

設(shè)置變量為主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角，約束目標(biāo)是殘余橫擺角速度在國標(biāo)要求的范圍內(nèi)，優(yōu)化整車的轉(zhuǎn)向回正性能。

在ADAMS/Insight 設(shè)置主銷軸線上下硬點(diǎn)的Y坐標(biāo)值，從而改變主銷內(nèi)傾角值，具體參數(shù)設(shè)置如圖8所示。在factors 中設(shè)置目標(biāo)函數(shù)值，即最小橫擺角速度值，優(yōu)化結(jié)果為主銷后傾角最優(yōu)的硬點(diǎn)坐標(biāo)值。主銷內(nèi)傾角從7°優(yōu)化為11°，相應(yīng)的硬點(diǎn)Y坐標(biāo)值優(yōu)化前后值如表4 所示。殘余橫擺角速度優(yōu)化前后曲線如圖9 所示。優(yōu)化后殘余橫擺角速度從7.7（°）·s-1減小為6.7（°）·s-1，達(dá)不到國標(biāo)要求，需要對主銷后傾角進(jìn)行優(yōu)化。

圖9 主銷內(nèi)傾角優(yōu)化前后殘余橫擺角速度對比

表4 主銷內(nèi)傾角優(yōu)化前后的硬點(diǎn)Y坐標(biāo)值

圖8 主銷內(nèi)傾角優(yōu)化

在ADAMS/Insight 中設(shè)置主銷后傾角的靈敏度參數(shù)值，即主銷軸線的上下硬點(diǎn)X坐標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)為殘余橫擺角速度值最小。從圖10 可知，優(yōu)化后主銷后傾角為7°，殘余橫擺角速度從7.7（°）·s-1減小為5.5（°）·s-1，滿足國標(biāo)要求。

圖10 優(yōu)化主銷后傾角前后結(jié)果對比

4 結(jié)論

根據(jù)某重型牽引車實(shí)車模型及CATIA 三維模型參數(shù)，在虛擬樣機(jī)中建立整車動(dòng)力學(xué)模型。樣車進(jìn)行4次左右轉(zhuǎn)向回正性能實(shí)車試驗(yàn)，并在試驗(yàn)場地進(jìn)行轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)，在ADAMS/Car 中設(shè)置相同條件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，2 組數(shù)據(jù)曲線吻合度高，驗(yàn)證了整車動(dòng)力學(xué)模型的正確性。對樣車進(jìn)行轉(zhuǎn)向回正性能仿真分析，在ADAMS/Insight 中進(jìn)行優(yōu)化，主銷內(nèi)傾角優(yōu)化為11°，主銷后傾角優(yōu)化后為7°，殘余橫擺角速度優(yōu)化為5.5（°）·s-1，改善了整車轉(zhuǎn)向回正性能。