基于Adams的FSEC賽車的操縱穩(wěn)定性分析*

張漢宇，沈 輝，孫明珠

（1.揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 238010）

0 引言

車輛的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛者在正常舒適情況下，車輛能按照駕駛者通過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)以及車輪給定的方向行駛，且在遭受到外界干擾時(shí)，仍能有效抵抗干擾并保持穩(wěn)定行駛的能力[1-3]。操縱穩(wěn)定性不僅代表著車輛行駛的操縱方便程度，而且是決定車輛安全行駛的一個(gè)重要性能。車輛操縱穩(wěn)定性常見(jiàn)的道路試驗(yàn)有蛇形駕駛試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向回正性能試驗(yàn)和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)等。

Adams由美國(guó)MDI公司開(kāi)發(fā)，是CAE領(lǐng)域中使用范圍最廣、應(yīng)用行業(yè)最多的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真工具，是一款集建模、求解、可視化技術(shù)于一體的虛擬樣機(jī)軟件[4]。Adams可建立復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的“功能化數(shù)字樣機(jī)”，在現(xiàn)實(shí)工作條件下模擬其運(yùn)動(dòng)情況，并且可以快速分析多種設(shè)計(jì)方案，尋找最優(yōu)方案。

1 基于Adams/Car整車動(dòng)力學(xué)模型的建立

Adams/Car模塊有Standard（標(biāo)準(zhǔn)）和Template Builder（模板建模器）兩種模式[4-6]。Adams/Car采用自上而下的建模順序，即先在Template Builder中建立模板，包括前懸架、轉(zhuǎn)向系、后懸架、制動(dòng)、輪胎、動(dòng)力總成和車身，然后在Standard中基于模板建立對(duì)應(yīng)的子系統(tǒng)，最后將各個(gè)子系統(tǒng)裝配組合形成整車模型。

1.1 前懸架子系統(tǒng)的建立

該FSEC賽車前懸采用對(duì)稱的不等長(zhǎng)雙橫臂式獨(dú)立懸架，包括螺旋彈簧、減振器等。其整車的部分設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 賽車整車部分設(shè)計(jì)參數(shù)

前懸架模板的建立過(guò)程大致如下[4-6]：

1）簡(jiǎn)化物理模型。根據(jù)子系統(tǒng)中各個(gè)零部件的實(shí)際相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，確立各個(gè)零部件的自由度和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化模型。簡(jiǎn)化的前懸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 前懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2）確定硬點(diǎn)。硬點(diǎn)是指各部件定位、連接的關(guān)鍵幾何定位點(diǎn)，在Catia中通過(guò)參數(shù)化測(cè)量，選取坐標(biāo)系確定硬點(diǎn)坐標(biāo)。整車坐標(biāo)選取主環(huán)前下橫梁與整車中性面的交點(diǎn)為原點(diǎn)；以賽車的縱向?yàn)閄軸，賽車后退方向?yàn)閄軸正方向；以賽車橫向?yàn)閅軸，賽車前進(jìn)時(shí)的右側(cè)為Y軸正方向；以賽車垂直方向?yàn)閆軸，向上為Z軸正方向。所測(cè)前懸架左端各部件硬點(diǎn)如表2所示。

表2 前懸架左端各部件硬點(diǎn)參數(shù)

3）確立部件的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。確定部件的質(zhì)心、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

4）創(chuàng)建部件的幾何體。創(chuàng)建硬點(diǎn)后，在此基礎(chǔ)上建立各部件的幾何模型。

5）定義約束。按照各個(gè)部件與其他部件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，確定約束的類型，添加運(yùn)動(dòng)副和軸套。前懸架系統(tǒng)共有4個(gè)旋轉(zhuǎn)副、10個(gè)球鉸副、8個(gè)萬(wàn)向副、2個(gè)圓柱副和2個(gè)等速副，如圖2所示。前懸架系統(tǒng)各部件之間運(yùn)動(dòng)副關(guān)系如表3所示。

圖2 前懸架各部件間的運(yùn)動(dòng)副

表3 前懸架系統(tǒng)各部件之間運(yùn)動(dòng)副關(guān)系

6）定義模板的參數(shù)變量、制動(dòng)器。定義參數(shù)變量是為了便于在Standard模式中對(duì)運(yùn)動(dòng)、幾何尺寸等進(jìn)行調(diào)整，定義制動(dòng)器是為了定義部件間力與運(yùn)動(dòng)的傳遞。實(shí)驗(yàn)測(cè)得前懸架減振器阻尼力特性并在Adams上生成屬性曲線，如圖3所示。

圖3 前懸架減振器阻尼力特性曲線

7）定義、測(cè)試通信器。創(chuàng)建、測(cè)試、檢查通信器信息，包括類型、名稱和對(duì)稱性。

創(chuàng)建好模板后，在Standard中建立前懸架子系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 前懸架子系統(tǒng)模型

1.2 整車模型的建立

按上述步驟建立轉(zhuǎn)向系子系統(tǒng)、后懸架子系統(tǒng)、制動(dòng)子系統(tǒng)、輪胎子系統(tǒng)、動(dòng)力總成子系統(tǒng)和車身子系統(tǒng)，并裝配成整車模型。其中制動(dòng)子系統(tǒng)直接調(diào)用四輪盤(pán)式制動(dòng)模板，輪胎子系統(tǒng)和動(dòng)力總成子系統(tǒng)通過(guò)編輯屬性文件等生成模板，而車身子系統(tǒng)只需確定質(zhì)心位置生成模板即可。整車模型如圖5所示。

圖5 整車模型

2 整車操縱穩(wěn)定性仿真及評(píng)價(jià)

Adams/Car的整車仿真驅(qū)動(dòng)方式有事件（Event）和演習(xí)（Maneuvers）兩大類。事件類仿真是驅(qū)動(dòng)模型行進(jìn)在指定路面上并執(zhí)行各種操作，演算類仿真是通過(guò)在模型上施加力或側(cè)向加速度來(lái)模擬真實(shí)運(yùn)動(dòng)[4-6]。

2.1 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向

穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性試驗(yàn)的目的是測(cè)定汽車對(duì)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角輸入達(dá)到穩(wěn)定行駛狀態(tài)時(shí)汽車的穩(wěn)定橫擺響應(yīng)。汽車的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分為中性轉(zhuǎn)向、不足轉(zhuǎn)向和過(guò)多轉(zhuǎn)向三種。過(guò)多轉(zhuǎn)向的汽車在達(dá)到臨界車速時(shí)有失穩(wěn)的危險(xiǎn)，而中性轉(zhuǎn)向在一定條件下會(huì)變?yōu)檫^(guò)多轉(zhuǎn)向，因此汽車應(yīng)該具有不足轉(zhuǎn)向的特性[7]。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 6323—2014中的規(guī)定，并結(jié)合該FSEC賽車情況，采用固定轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角連續(xù)加速法進(jìn)行仿真試驗(yàn)。即設(shè)定賽車穩(wěn)定車速為10 km/h，轉(zhuǎn)向圓半徑為15 m，賽車起步后以0.2 m/s2的縱向加速度緩慢而勻速地加速，直至賽車的側(cè)向加速度達(dá)到6.5 m/s2時(shí)停止仿真[8]。設(shè)置好驅(qū)動(dòng)事件，開(kāi)始仿真。仿真得到車速隨時(shí)間變化曲線、橫擺角速度隨時(shí)間變化曲線和車身側(cè)傾角隨側(cè)向加速度變化曲線如圖6~8所示。

圖6 車速隨時(shí)間變化

圖7 橫擺角速度隨時(shí)間變化

圖8 車身側(cè)傾角隨側(cè)向加速度變化

根據(jù)賽車的瞬時(shí)車速Vn和瞬時(shí)橫擺角速度ωn，按照公式（1）可計(jì)算出前后軸側(cè)偏角之差α1-α2。

式中，n為樣點(diǎn)編號(hào)；Rn為瞬時(shí)轉(zhuǎn)向半徑；L為賽車軸距；R0為初始轉(zhuǎn)向半徑.

從而得到前后軸側(cè)偏角之差α1-α2隨側(cè)向加速度變化曲線，如圖9所示。

圖9 前后軸側(cè)偏角之差α1-α2隨側(cè)向加速度變化

根據(jù)QC/T 480—1999，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)按中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向加速度值an、不足轉(zhuǎn)向度U和車箱側(cè)傾度Kφ進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)分[9-10]。中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向加速度值an為前后軸側(cè)偏角差隨側(cè)向加速度變化曲線上，斜率為零處的側(cè)向加速度值。不足轉(zhuǎn)向度U為前后軸側(cè)偏角差隨側(cè)向加速度變化曲線上，側(cè)向加速度為2 m/s2處的平均斜率。車身側(cè)傾度Kφ為車身側(cè)傾角隨側(cè)向加速度變化曲線上，側(cè)向加速度為2 m/s2處的平均斜率。具體數(shù)值和評(píng)分如表4所示。

表4 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向評(píng)價(jià)參數(shù)數(shù)值及評(píng)分

2.2 蛇形駕駛

蛇形駕駛試驗(yàn)主要是指讓汽車連續(xù)穿過(guò)擺放好的有一定間距的標(biāo)樁，測(cè)量汽車的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、橫擺角速度和車身側(cè)傾角等參數(shù)，來(lái)評(píng)估車輛的過(guò)渡響應(yīng)和側(cè)傾穩(wěn)定性。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 6323—2014，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，試驗(yàn)車速應(yīng)該為基準(zhǔn)車速二分之一并四舍五入為10的整數(shù)倍，往后逐步提高試驗(yàn)車速，但不超過(guò)80 km/h[8]。根據(jù)賽車情況，選取65 km/h為基準(zhǔn)車速，且樁間距為30 m。在Adams中生成B級(jí)路面，設(shè)置好驅(qū)動(dòng)事件，開(kāi)始仿真。仿真得到橫擺角速度隨時(shí)間變化曲線、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化曲線如圖10、圖11所示。

圖10 橫擺角速度隨時(shí)間變化

圖11 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化

根據(jù)QC/T 480—1999，蛇形試驗(yàn)按基準(zhǔn)車速下的平均橫擺角速度峰值τ與平均方向盤(pán)轉(zhuǎn)角峰值θ進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)分[9]。由圖10、圖11可得平均橫擺角速度峰值τ為15.795°/s，平均方向盤(pán)轉(zhuǎn)角峰值θ為7.183°。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)得蛇形試驗(yàn)評(píng)分如表5所示。

表5 蛇形試驗(yàn)評(píng)分

3 結(jié)論

本文主要通過(guò)Adams對(duì)賽車各子系統(tǒng)建模，并在裝配組合成整車模型后，對(duì)其進(jìn)行 操縱穩(wěn)定性的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)仿真和蛇形駕駛試驗(yàn)仿真，得到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)仿真和蛇形駕駛試驗(yàn)仿真的綜合評(píng)分分別為90.95分和89.70分，為后續(xù)優(yōu)化賽車操縱穩(wěn)定性提供了對(duì)比依據(jù)，有效降低賽車研發(fā)成本。