汽車動力學(xué)仿真模型建立及其驗證

陳鵬 赫圣杰

（天津一汽夏利汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)中心）

在汽車的開發(fā)過程中，為減少試驗的迭代次數(shù)和縮短整車的開發(fā)周期，汽車生產(chǎn)廠商往往以試驗場耐久性試驗為基礎(chǔ)，采用CAE 的方法進行數(shù)字化耐久性分析。為準確真實地反映汽車的耐久性能，需要建立貼合實際的汽車動力學(xué)仿真模型。文章利用ADAMS 基于結(jié)構(gòu)的建模方法，建立了目標車多體動力學(xué)模型，主要包括前懸架模型、后懸架模型、轉(zhuǎn)向系模型和輪胎模型等。利用目標車的實車平順性和操縱穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)對建立的汽車模型進行了驗證。

1 整車仿真模型

1.1 前懸架

前懸架采用的是麥弗遜式獨立懸架，主要由轉(zhuǎn)向節(jié)、下擺臂、螺旋彈簧、轉(zhuǎn)向橫拉桿、減震器、橫向穩(wěn)定桿、橡膠襯套、限位塊和車輪等組成。對各運動副進行簡化，完成拓撲結(jié)構(gòu)關(guān)系圖，如圖1 所示。

1.2 后懸架

后懸架采用的是變形麥弗遜式獨立懸架，主要包括:轉(zhuǎn)向節(jié)、1 個縱向控制臂、2 個平行布置的橫向控制臂、螺旋彈簧、減震器、橫向穩(wěn)定桿、橡膠襯套、限位塊和車輪等。圖2 示出變形麥弗遜式后懸架的拓撲結(jié)構(gòu)關(guān)系圖。

1.3 橡膠襯套剛度獲取

一個精確的汽車模型中，彈性元件，特別是橡膠襯套準確的剛度特性是必不可少的。橡膠襯套剛度試驗包括:軸向剛度試驗、徑向剛度試驗、扭轉(zhuǎn)剛度試驗和彎曲剛度試驗。試驗前需先將前后懸架的所有橡膠襯套進行編號，以前懸架下擺臂前面的橡膠襯套F21 為例，圖3 示出F21 襯套軸向剛度特性曲線。

1.4 轉(zhuǎn)向系

該轎車轉(zhuǎn)向系為具有液壓助力的齒輪齒條式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向梯形后置[1-2]。模型中對轉(zhuǎn)向系進行了較合理的簡化，轉(zhuǎn)向系具體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4 所示。

1.5 輪胎模型

輪胎模型是輪胎力學(xué)特性的數(shù)學(xué)描述，通常分為理論模型、半經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃徒?jīng)驗?zāi)Ｐ?，并在汽車動力學(xué)仿真中得到廣泛的應(yīng)用。對于汽車操縱穩(wěn)定性動力學(xué)仿真來說，仿真的準確性在很大程度上取決于輪胎模型的準確性。因此，建立一個能夠準確描述輪胎力學(xué)特性的輪胎模型是汽車動力學(xué)仿真研究的關(guān)鍵。文章選用UniTire 輪胎模型進行仿真分析[3]。

1.6 駕駛員模型

文章采用的駕駛員模型是在“預(yù)瞄-跟隨”理論的基礎(chǔ)上，通過在方向控制和速度控制上引入反饋，提出的一個簡單有效的跟隨任意道路路徑和任意車速的方向與速度綜合控制駕駛員模型[4-5]。該模型經(jīng)過多次不同汽車模型的閉環(huán)仿真驗證，能夠很好地描述駕駛員的方向控制駕駛行為特性。

1.7 整車模型

將文章建立的汽車前懸架、后懸架、轉(zhuǎn)向系及輪胎等子系統(tǒng)模型，在Adams/Car 中的MDI_SDI_TESTRIG試驗平臺上進行裝配，建立整車模型，如圖5 所示。

2 汽車動力學(xué)模型仿真與驗證

對建立的汽車動力學(xué)模型進行平順性和操縱穩(wěn)定性的仿真與試驗，來驗證汽車動力學(xué)模型的準確性。

2.1 目標車參數(shù)

文章研究的目標車為國產(chǎn)A0 級轎車，前置前驅(qū)和制動器為前盤后鼓，5 擋手動變速，汽車試驗時載荷狀態(tài)參數(shù)，如表1 所示。仿真前，先在模型中調(diào)節(jié)簧載質(zhì)量的位置和轉(zhuǎn)動慣量來滿足整車的載荷狀態(tài)。

表1 國產(chǎn)A0 級轎車主要參數(shù)

2.2 平順性仿真模型驗證

通過道路試驗獲得的平順性評價指標（客觀指標）通常被劃分為2 個不同方面:在試驗場路段上汽車對單一激勵的響應(yīng)和對連續(xù)激勵的響應(yīng)。

文章依據(jù)GB 5902—86《汽車平順性脈沖輸入行駛試驗方法》采用單一激勵的響應(yīng)作為平順性仿真的典型工況。圖6 和圖7 分別示出左前輪簧下加速度和左后輪簧下加速度仿真與試驗對比圖，從圖6b 和圖7b中可以看出，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果具有較好的符合性。

2.3 操縱穩(wěn)定性仿真模型驗證

汽車操縱穩(wěn)定性通常被認為包含互相聯(lián)系的2 個部分:操縱性和穩(wěn)定性。文章將在前面建立的整車多體動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，按照GB/T 6323 和ISO 13674—1:2003，對以上操縱穩(wěn)定性試驗進行仿真與試驗結(jié)果的對比，來驗證整車多體動力學(xué)模型的準確性。實車操縱穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)來自2007年6月在某試驗場完成的整車操縱穩(wěn)定性試驗。

2.3.1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗可以驗證整車在不同側(cè)向加速度下的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性和穩(wěn)態(tài)側(cè)傾特性。穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性采用前后軸側(cè)偏角之差和側(cè)向加速度關(guān)系曲線來描述，是對汽車不足轉(zhuǎn)向度的一種描述方式，它決定了汽車最基本的轉(zhuǎn)向性能。前后輪側(cè)偏角之差與側(cè)向加速度以及車身側(cè)傾角與側(cè)向加速度試驗與仿真特性對比圖，如圖8 和圖9 所示，可以看出，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。

2.3.2 方向盤角瞬態(tài)響應(yīng)試驗

方向盤角瞬態(tài)響應(yīng)試驗包括脈沖試驗和階躍試驗，兩者分別從頻域和時域?qū)ζ嚨乃矐B(tài)轉(zhuǎn)向進行評估。將脈沖試驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果經(jīng)過傅里葉變換和處理后，得到該試驗汽車橫擺角速度對方向盤轉(zhuǎn)角響應(yīng)的幅頻和相頻特性，如圖10 和圖11 所示。

階躍試驗方向盤橫擺角速度與側(cè)向加速度仿真與試驗特性對比，如圖12 和圖13 所示。

2.3.3 轉(zhuǎn)向回正試驗

轉(zhuǎn)向回正性主要考察汽車在撒手回正時的汽車響應(yīng)特性，反映了方向盤力階躍輸入特性。轉(zhuǎn)向回正性試驗包括低速轉(zhuǎn)向回正試驗和高速轉(zhuǎn)向回正試驗。圖14和圖15 分別示出仿真與試驗低速轉(zhuǎn)向回正和高速轉(zhuǎn)向回正橫擺角速度對比圖?？梢钥闯?，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。

從圖8～15 可以看出，操縱穩(wěn)定性試驗工況的試驗與仿真結(jié)果具有較好的符合性，說明文章所建的汽車動力學(xué)模型基本正確，可以用來描述汽車在線性區(qū)和非線性區(qū)的動力學(xué)特性。

3 結(jié)論

利用平順性脈沖行駛輸入試驗和操縱穩(wěn)定性試驗的實車試驗數(shù)據(jù)，對所建立的整車多體動力學(xué)模型進行了驗證。驗證結(jié)果表明:仿真結(jié)果和試驗結(jié)果吻合較好，整車多體動力學(xué)模型基本正確，可以用來描述汽車在線性區(qū)和非線性區(qū)的動力學(xué)特性，為汽車試驗場耐久性試驗研究提供了良好的模型，也為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。