基于ADAMS 的某型輕卡操穩(wěn)性分析

袁承麟，俞俊

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

操縱穩(wěn)定性[1]是衡量車輛行駛安全性能的一個(gè)重要參數(shù)，操縱穩(wěn)定性良好的汽車能夠根據(jù)駕駛員的操作指令及時(shí)做出正確的響應(yīng)，而操穩(wěn)性不合要求的車輛通常無(wú)法精準(zhǔn)按照駕駛員操作指令行駛，且更容易受到路況、側(cè)風(fēng)等干擾[2]。操穩(wěn)性評(píng)價(jià)分為主觀評(píng)價(jià)與客觀評(píng)價(jià)，基于駕駛員主觀感受的測(cè)評(píng)屬于主觀評(píng)價(jià)，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)操穩(wěn)性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的評(píng)價(jià)屬于客觀評(píng)價(jià)。本文重點(diǎn)研究后者。

諸多學(xué)者利用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論對(duì)車輛操縱性、動(dòng)力性等性能的研究碩果累累。秦東晨[3]運(yùn)用ADAMS/Car 模塊建立了某運(yùn)動(dòng)型汽車前懸架與整車的多體模型，進(jìn)行了主要定位參數(shù)影響的性能及動(dòng)力學(xué)性能的仿真,完成前懸架各參數(shù)靈敏度分析及性能改進(jìn)，并提升了整車性能；黃志平[4]利用多體動(dòng)力學(xué)軟件建立的懸架模型類型為五連桿式，并仿真分析五連桿懸架與其他類型懸架性能的差異性。

本文在某輕卡初步設(shè)計(jì)完成后，建立了整車模型，運(yùn)用ADAMS 多體模型仿真軟件，并參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了操縱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)評(píng)分，校核了其操縱穩(wěn)定性符合要求。

1 懸架建立

1.1 前懸架建模

前懸架為麥弗遜式懸架[5]，各部件使用剛性體建模，分別為減振器、轉(zhuǎn)向節(jié)、懸架的控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)柱、轉(zhuǎn)向橫拉桿、滑柱、減振器上的螺旋彈簧、以及輪轂。前懸架建模如圖1 所示。

圖1 前懸架建模Fig.1 Front suspension modeling

各部件間的約束類型如表1 所示，減振器實(shí)測(cè)參數(shù)如表2 所示。各子系統(tǒng)創(chuàng)建時(shí)坐標(biāo)與整車XYZ坐標(biāo)一致。

表1 前懸架各部件間約束Tab.1 Constraints between components of front suspension

表2 減震器特性曲線Tab.2 Shock absorber characteristic curve

1.2 后懸架建模

后懸架為鋼板彈簧懸架，按設(shè)計(jì)的前卷耳、吊耳與車架的連接位置來(lái)確定硬點(diǎn)坐標(biāo)，并調(diào)整鋼板彈簧和軸連接處襯套的線性剛度阻尼及扭轉(zhuǎn)剛度阻尼，使其與設(shè)計(jì)參數(shù)一致。建立的后懸架模型如圖2 所示。

圖2 后懸架建模Fig.2 Rear suspension modeling

2 整車模型組裝

根據(jù)設(shè)計(jì)的硬點(diǎn)坐標(biāo)建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)及傳動(dòng)軸。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選用齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)。由于不考慮車身氣動(dòng)效應(yīng)，只需確保車身質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)與實(shí)測(cè)一致，即認(rèn)為該車身滿足操穩(wěn)性仿真需求。在各子系統(tǒng)中建立對(duì)應(yīng)的通訊器，依靠通訊器將各子系統(tǒng)連接起來(lái)，組裝成整車模型[6-7]。整車模型如圖3 所示。

圖3 整車模型Fig.3 Full vehicle model

3 操穩(wěn)性仿真

3.1 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向仿真試驗(yàn)

汽車以一定的速度沿著直線行駛。在一定的時(shí)間內(nèi)，給方向盤一個(gè)固定的角度輸入，車輛變成拐彎狀態(tài)，車輛的響應(yīng)分為2 種：第1 種轉(zhuǎn)向程度越來(lái)越劇烈，轉(zhuǎn)彎半徑變小，轉(zhuǎn)向過(guò)度，甚至發(fā)生甩尾現(xiàn)象，這就情況就很危險(xiǎn)；第2 種是穩(wěn)定轉(zhuǎn)向。車輛拐彎時(shí)具有恒定不變的轉(zhuǎn)彎半徑。轉(zhuǎn)向不足也是屬于第2 種情況，雖能保持恒定半徑轉(zhuǎn)彎，但在有些條件下就會(huì)顯得性能不足。轉(zhuǎn)向不足和轉(zhuǎn)向過(guò)度程度都不能大，盡量接近中性轉(zhuǎn)向是設(shè)計(jì)目標(biāo)。該試驗(yàn)的目的是研究該型輕卡的穩(wěn)態(tài)橫擺響應(yīng)規(guī)律，并檢驗(yàn)其操穩(wěn)性，而約束條件是汽車方向盤轉(zhuǎn)角輸入成一定穩(wěn)定角度。我國(guó)當(dāng)下主要采用的是固定方向盤轉(zhuǎn)角的試驗(yàn)辦法。參照GB/T 6323.6-1994《汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)》，設(shè)置上述輕卡模型沿直徑為50 m 的圓周道路行駛，路面狀況設(shè)為平坦無(wú)坡度，且方向盤的角度是一定的，轉(zhuǎn)向方向定義為左轉(zhuǎn)。當(dāng)側(cè)向加速度小于設(shè)定值時(shí)仿真結(jié)束。仿真結(jié)果如圖4—圖7 所示。

圖4 側(cè)向加速度曲線Fig.4 Lateral acceleration curve

圖5 車身側(cè)傾角與側(cè)向加速度曲線Fig.5 Body roll angle and lateral acceleration curve

圖6 縱向車速和橫擺角速度曲線Fig.6 Longitudinal velocity and yaw velocity curves

圖7 側(cè)傾角曲線Fig.7 Roll curve

依據(jù)QC/T 480-1999《汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法 》，對(duì)本節(jié)進(jìn)行的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向仿真試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。按中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的an（lateral acceleration），U 及 Kφ（其中U 為不足轉(zhuǎn)向度；Kφ為車身側(cè)傾度），3 個(gè)參數(shù)指標(biāo)經(jīng)公式計(jì)算推導(dǎo)后，能夠得出分?jǐn)?shù)用來(lái)評(píng)價(jià)本輕卡操穩(wěn)性能否滿足日常平坦路面的要求。

穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)an為中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)，其最大取值為an100=9.8 m/s2，最小取值為an60=5.0 m/s2；U 的取值為U100=0.4 (°)/(m/s2)到U60=1.0 (°)/(m/s2)之前；Kφ的取值為0.7～1.2 (°)/(m/s2)，令 Kφ100=0.7 (°)/(m/s2)、Kφ60=1.2 (°)/(m/s2)。

（1）an的評(píng)分公式

式中：an——側(cè)向加速度。代入?yún)?shù)計(jì)算后可得an=7.1 m/s2。則有=81 分。

（2）U 的評(píng)分公式

把各數(shù)據(jù)賦值給式（3）、式（4），計(jì)算后可知λ=4。U 的計(jì)算需結(jié)合前、后軸側(cè)偏角的差值，由計(jì)算可知U=0.18 (°)/(m/s2)。把各數(shù)據(jù)代入計(jì)算得Nu＞100，可按照100 分來(lái)算，本輕卡Nu=100 分。

（3）Kφ的評(píng)分公式

其中，Kφ計(jì)算時(shí)參照?qǐng)D5 的數(shù)據(jù)曲線，計(jì)算得 Kφ=0.25 (°)/(m/s2) 。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得出Nφ＞100，按照100 分來(lái)算，即Nφ=100 分。

（4）穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向仿真試驗(yàn)需要進(jìn)行總體性評(píng)分，計(jì)算公式為：

將各評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)代入式（5）可得NW=94.2分。由評(píng)分可知，該輕卡穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能良好，設(shè)計(jì)符合要求。

3.2 Ramp steer 轉(zhuǎn)向斜坡輸入

轉(zhuǎn)向斜坡輸入仿真可用來(lái)考察車輛時(shí)域上的瞬態(tài)響應(yīng)特性。仿真設(shè)置輕卡先沿直線行駛，緊接著方向盤開始以均勻角速度朝左邊轉(zhuǎn)動(dòng)，汽車轉(zhuǎn)向越來(lái)越劇烈。在此過(guò)程中，該輕卡表現(xiàn)穩(wěn)定，能夠完成轉(zhuǎn)向，幾乎沒有轉(zhuǎn)向不足或是轉(zhuǎn)向過(guò)度的情況。仿真結(jié)果如圖8—圖11 所示。如圖9 所示的結(jié)果表明轉(zhuǎn)向響應(yīng)很及時(shí)，側(cè)傾角小，操穩(wěn)性表現(xiàn)良好。

圖8 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角變化曲線Fig.8 Curve of steering wheel angle’s change

圖9 側(cè)偏角變化曲線Fig.9 Curve of sideslip’s change

圖10 橫擺角速度變化曲線Fig.10 Curve of yaw velocity’s change

圖11 側(cè)向加速度變化曲線Fig.11 Curve of lateral acceleration’s change

除上述穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)向斜坡輸入試驗(yàn)，該輕卡還經(jīng)過(guò)了漂移試驗(yàn)、角階躍試驗(yàn)、角脈沖試驗(yàn)、蛇形轉(zhuǎn)向等仿真試驗(yàn)，根據(jù)操穩(wěn)性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，該車操穩(wěn)性整體滿足要求，部分路況評(píng)分較高，表明該車的前、后懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)等設(shè)計(jì)良好，使其擁有較好的k 特性[8]，而且減震器等參數(shù)設(shè)計(jì)較好，c 特性滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文建立多體動(dòng)力學(xué)模型，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)凍結(jié)前利用ADAMS 仿真的方式校核了該車型的操作穩(wěn)定性，具體結(jié)論如下：

（1）分別建立麥弗遜式前懸架和鋼板彈簧式后懸架，并結(jié)合其他關(guān)鍵子系統(tǒng)建立輕卡多體動(dòng)力學(xué)模型，為相似車型的建模提供參考。

（2）對(duì)輕卡進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)向斜坡輸入試驗(yàn)等仿真試驗(yàn)，根據(jù)仿真輸出數(shù)據(jù)曲線及整車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該輕卡的操縱穩(wěn)定性作出評(píng)分及評(píng)價(jià)，結(jié)果表明該車表現(xiàn)良好，操穩(wěn)性滿足要求。

本文可為該型輕卡的操穩(wěn)性能試驗(yàn)提供參考。