ADAMS/Car模塊在汽車(chē)操縱穩(wěn)定性中的應(yīng)用

王凱峰

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

ADAMS/Car模塊在汽車(chē)操縱穩(wěn)定性中的應(yīng)用

王凱峰

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文中簡(jiǎn)單介紹了ADAMS/Car模塊，利用其建立了包括車(chē)身、懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和輪胎等在內(nèi)的整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型。進(jìn)行了操縱穩(wěn)定性的仿真，并將仿真結(jié)果與實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了所建整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型的正確性。

ADAMS/Car；整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型；操縱穩(wěn)定性；仿真

CLC NO.: U461.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-51-05

引言

在汽車(chē)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)操縱穩(wěn)定性能的評(píng)價(jià)主要采用試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，需經(jīng)過(guò)多次樣車(chē)試制和反復(fù)試驗(yàn)，花費(fèi)的人力、物力、財(cái)力較大，且設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)。采用ADAMS軟件建立的參數(shù)化車(chē)輛模型，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，可利用仿真分析結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)不斷進(jìn)行修改，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，降低成本、縮短設(shè)計(jì)周期。利用ADAMS/Car可以建立精確的整車(chē)虛擬樣機(jī)，從而準(zhǔn)確地模擬汽車(chē)操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性、安全性及其他各項(xiàng)性能試驗(yàn)，同時(shí)可以比較容易地創(chuàng)建仿真試驗(yàn)過(guò)程，或者根據(jù)數(shù)據(jù)再現(xiàn)試驗(yàn)事件。

1、ADAMS/Car簡(jiǎn)介[]1

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析，該軟件是美國(guó)MDI公司（Mechanical Dynamics Inc.）開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。其中轎車(chē)模塊（ADAMS/Car）是MDI公司與Audi、BMW、Renault和Volvo等公司合作開(kāi)發(fā)的整車(chē)設(shè)計(jì)軟件包，集成了他們?cè)谄?chē)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)方面的專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，能夠幫助工程師快速建造高精度的整車(chē)虛擬樣機(jī)，其中包括車(chē)身、懸架、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、制動(dòng)系統(tǒng)等，用戶可以通過(guò)高速動(dòng)畫(huà)直觀地再現(xiàn)在各種試驗(yàn)工況下整車(chē)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，并輸出標(biāo)志操作穩(wěn)定性、制動(dòng)性、乘坐舒適性和安全性的特征參數(shù)，從而減少對(duì)物理樣機(jī)的依賴(lài)。其仿真工況包括：方向盤(pán)角階躍、斜坡和脈沖輸入、蛇行穿越試驗(yàn)、漂移試驗(yàn)、加速試驗(yàn)、制動(dòng)試驗(yàn)和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)等，同時(shí)還可以設(shè)定試驗(yàn)過(guò)程中的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度、變速器檔位等。

2、整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型建立[2?3]

2.1 模型參數(shù)的獲取

建立車(chē)輛仿真模型所需的參數(shù)，可以歸納為四類(lèi)：運(yùn)動(dòng)學(xué)（幾何定位）參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)（質(zhì)量、質(zhì)心與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等）、力學(xué)特性參數(shù)（剛度、阻尼等特性）與外界參數(shù)（道路譜、風(fēng)力等）。獲取模型參數(shù)有數(shù)種方法：查閱圖紙法、試驗(yàn)法、計(jì)算法、CAD建模法等。以某商務(wù)車(chē)為例，為了方便在ADAMS/Car中建模，采用了如圖1所示的坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系的原點(diǎn)是兩個(gè)前輪輪心連線的中點(diǎn)。

2.2 整車(chē)模型的建立[4]

首先將整車(chē)模型分割成懸架、車(chē)身、轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系、輪胎、發(fā)動(dòng)機(jī)等子系統(tǒng)分別建立；然后建立各子系統(tǒng)之間以及子系統(tǒng)與ADAMS/Car提供的試驗(yàn)臺(tái)之間相互交換信息的輸入、輸出信號(hào)器“Communicator”；最后按系統(tǒng)組裝成整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型（如圖2所示）。下面介紹一下幾個(gè)主要子系統(tǒng)的建立：

A.前懸架系統(tǒng)

前懸架采用雙橫臂式獨(dú)立懸架，縱置扭桿彈簧，帶橫向穩(wěn)定桿，該懸架上擺臂采用叉形結(jié)構(gòu)，而下擺臂采用U形梁式結(jié)構(gòu)，其各個(gè)零件的連接點(diǎn)坐標(biāo)值如表1所示。

表1 前懸架各零件連接點(diǎn)處的坐標(biāo)值

將懸架分為八個(gè)部件，他們分別如圖3所示。因?yàn)檗D(zhuǎn)向節(jié)臂與主銷(xiāo)的相對(duì)位置固定，所以建模時(shí)將他們簡(jiǎn)化成一個(gè)零件。這里重點(diǎn)要講到的是各個(gè)零件之間的連接，它們的位置在圖中分別用大寫(xiě)字母表示了，表2列出了各處所用的連接方法。

表2 前懸架各處連接的方法及被連零件

其中，減震器（Damper）建立的時(shí)候需要用到一個(gè)減震器屬性文件（*.dpr），這種文件可以通過(guò)曲線工具或文本文件編輯器來(lái)編輯。這里的減震器是用記事本方式按照表3所編輯的，其特性曲線如圖4。

表3 前懸架減震器特性參數(shù)

模型的幾何部分建好之后，再添加一些今后組裝時(shí)必要的信號(hào)器（Communicator），為以后發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)輪、轉(zhuǎn)向系等子系統(tǒng)的組裝提供裝配信息和位置信息。建好夠的前懸架模型如圖5所示。

B.后懸架系統(tǒng)

后懸架為雙縱臂式非獨(dú)立懸架，彈簧采用變節(jié)距螺旋彈簧，以獲得其變剛度的效果。上、下縱擺臂以襯套分別與車(chē)身和后橋聯(lián)接，變剛度螺旋彈簧安裝在下縱擺臂和車(chē)身之間，減振器聯(lián)接車(chē)身與后橋，建模時(shí)阻尼特性與前懸架減振器一樣處理。橫向穩(wěn)定桿兩端與車(chē)身以橡膠球鉸相連，中部又與后橋以橡膠襯套相連。

按其各連接處的坐標(biāo)建模，各點(diǎn)的坐標(biāo)值如表4。

表4 后懸架各零件連接點(diǎn)處的坐標(biāo)值

后懸架的建模過(guò)程中，其它的都和前懸架類(lèi)似，這里就不予復(fù)述，重點(diǎn)講一下后懸架特有的變節(jié)距螺旋彈簧的建模。這里采用Spline：F=f(defo)（載荷—變形曲線）來(lái)解決變剛度建模，具體操作為：在彈簧Stiffness Coefficient欄的下拉菜單中選擇Spline：F=f(defo) ，然后鼠標(biāo)放在對(duì)應(yīng)處，右鍵單擊彈出菜單條Spline，選擇Create ，彈出Spline編輯欄，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制載荷——變形曲線。繪制過(guò)程中要注意曲線之間的圓滑過(guò)渡。以下是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表5）與模型仿真結(jié)果（圖6）的驗(yàn)證，對(duì)兩者進(jìn)行比較可以看出，模型的剛度與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合，所用方法可以解決變節(jié)距彈簧的建模問(wèn)題。

表5 變節(jié)距螺旋彈簧實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

建好各零件、連接、輸入輸出信息傳輸器之后，創(chuàng)建減震器特性文件并導(dǎo)入到后懸減震器，將彈簧特性文件也導(dǎo)入后懸彈簧，建成的模型如圖7。

C.前后輪胎

輪胎是汽車(chē)的重要組成部件，它不僅支撐整個(gè)汽車(chē)的重量，保證汽車(chē)與路面有良好的附著性能，傳遞驅(qū)動(dòng)力矩和制動(dòng)力矩，確定汽車(chē)的行駛方向，而且還和懸架系統(tǒng)共同緩和汽車(chē)在行駛過(guò)程中由于路面不平所受到的沖擊，衰減由此產(chǎn)生的振動(dòng)。另外，在汽車(chē)行駛過(guò)程中由于輪胎的不均勻和不平衡還將產(chǎn)生振動(dòng)。輪胎類(lèi)型及參數(shù)的選取對(duì)汽車(chē)有很重要的影響。在

表6 輪胎特性參數(shù)

ADAMS中提供五種用于動(dòng)力學(xué)仿真的輪胎模型：UA模型、

Fialia模型、Smithers模型、DELFT模型和用戶自定義模型，這里采用的是使用最廣泛的UA模型，其特性參數(shù)如表6。在ADAMS中，輪胎的特性是用文件表示的，對(duì)輪胎的建?？梢杂镁庉嬑谋疚募姆椒?。

最后將各個(gè)建好的子系統(tǒng)模型組裝起來(lái)，形成整車(chē)模型。用

ADAMS/Car創(chuàng)建的整車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真分析模型如圖8所示。

3、操縱穩(wěn)定性仿真[5]

整車(chē)建模完成后，即可進(jìn)行汽車(chē)操縱穩(wěn)定性仿真試驗(yàn)。

(1)時(shí)域響應(yīng)

A．方向盤(pán)角階躍試驗(yàn)

將車(chē)速保持在80km/h，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角為50°，起躍時(shí)間為0.4s，進(jìn)行仿真。方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、橫擺角速度仿真結(jié)果依次如圖9、10。

B．方向盤(pán)角脈沖試驗(yàn)

將車(chē)速保持在60km/h，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角為30°，脈沖時(shí)間為0.6s，進(jìn)行仿真。方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、橫擺角速度仿真結(jié)果依次如圖11、12。

C．回正能力試驗(yàn)

仿真中汽車(chē)初始車(chē)速為40km/h，轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)使其圓周行駛并且使側(cè)向加速度達(dá)到0.4g，穩(wěn)定后松開(kāi)方向盤(pán)。具體仿真結(jié)果如圖13、14所示：

D．轉(zhuǎn)向盤(pán)單周正弦角輸入試驗(yàn)

仿真中汽車(chē)以100km/h車(chē)速直線行駛，然后施加一個(gè)完整的正弦轉(zhuǎn)向輸入。具體仿真結(jié)果如圖15、16所示：

(2)頻域響應(yīng)

轉(zhuǎn)向盤(pán)角正弦掃描輸入試驗(yàn)是研究汽車(chē)頻域響應(yīng)特性的一種重要方法。仿真中給方向盤(pán)正弦輸入，頻率從0.01Hz-4Hz連續(xù)變化，車(chē)速為60Km/h。具體仿真結(jié)果如圖17、18所示：

4、結(jié)束語(yǔ)

從以上所做工作可以看出，ADAMS/Car作為專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于汽車(chē)動(dòng)力學(xué)的分析的模塊，由于從力學(xué)建模到動(dòng)力學(xué)仿真分析的每一個(gè)過(guò)程都是參數(shù)化過(guò)程，能夠方便快捷的確定物理樣機(jī)的研制方案。因此ADAMS/Car在汽車(chē)動(dòng)力學(xué)分析和仿真上應(yīng)用很廣泛。

[1] 陳立平，張?jiān)魄?，任衛(wèi)群，覃剛，等.機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2] MDI公司.Using ADAMS/Car.

[3] Shabana. Dynamics of Multibody Systems. Cambridge University Press. 1998.

[4] 時(shí)培成.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的汽車(chē)整車(chē)操縱穩(wěn)定性研究:[碩士學(xué)位論文]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué), 2005.

[5] 余志生.汽車(chē)?yán)碚?第三版).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

3.5.4 改變E點(diǎn)Z坐標(biāo)曲線變化趨勢(shì)：E點(diǎn)是平衡塊旋轉(zhuǎn)軸左端點(diǎn)，修改其Z坐標(biāo)曲線劇烈變化。Z值越大，越不利于本側(cè)門(mén)碰撞，但有利于對(duì)側(cè)門(mén)碰撞。外把手開(kāi)啟力也會(huì)減小。

3.5.5 改變加速度值曲線變化趨勢(shì)：將加速度從0逐漸升到130，加速度越大，不管是來(lái)自本側(cè)門(mén)的碰撞還是來(lái)自對(duì)側(cè)門(mén)的碰撞，都不利。

3.5.6 改變扭簧力矩值曲線變化趨勢(shì)：改變扭簧力矩值，曲線有明顯變化，扭簧力矩值增加，不管是來(lái)自本側(cè)門(mén)的碰撞還是來(lái)自對(duì)側(cè)門(mén)的碰撞，都有利，但外把手開(kāi)啟力將會(huì)增大。

4、結(jié)論

本優(yōu)化過(guò)程：先優(yōu)化確定AB軸和EF軸各自坐標(biāo)位置，后優(yōu)化確定碰撞加速度為±65g的前提下，搜索：“不會(huì)導(dǎo)致主動(dòng)開(kāi)啟側(cè)門(mén)，且正常情況下外把手在開(kāi)啟過(guò)程的開(kāi)啟力范圍為35±15N”的扭簧扭矩值的范圍。通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，搜索到開(kāi)啟扭簧的扭矩為0.251N·m，工作過(guò)程最大扭矩為0.501N·m。按優(yōu)化結(jié)果輸出所有的設(shè)計(jì)參數(shù)，就是需要的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)者可以在原布置的數(shù)據(jù)上重新輸入優(yōu)化后的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李卓森．現(xiàn)代汽車(chē)造型[M]．北京：人民交通出版社．

[2] GB 15086 汽車(chē)門(mén)鎖及車(chē)門(mén)保持件的性能要求和試驗(yàn)方法．

[3] 鐘志華.汽車(chē)碰撞安全技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.2006.

[4] 江淮汽車(chē)公司.QJQ 6118—車(chē)門(mén)外把手技術(shù)要求[S].合肥：江淮汽車(chē)公司.

Application of ADAMS/Car Module in Vehicle's Handling Stability

Wang Kaifeng
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

ADAMS/Car module is introduced simply in this paper, using ADAMS/Car to build a multi-body dynamics vehicle model that contains body、suspension、steering-system and tires etc. The simulations of handling stability had been carried out. In order to validate the vehicle model, the simulation results were compared with physical experiments.

ADAMS/Car; Multi-body Dynamics Vehicle Model; Handling Stability; Simulation

U461.6

A

1671-7988(2015)02-51-05

王凱峰，就職于就職于安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，主要從事底盤(pán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。