基于ADAMS的汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析

□ 尹漢琪 □ 黃秀玲 □ 唐亞麗 □ 沈黎明

上海大學 機電工程與自動化學院 上海 200072

隨著世界各地經(jīng)濟的不斷發(fā)展與汽車技術(shù)的不斷改善，汽車的數(shù)量越來越多，頻繁發(fā)生的交通事故，使道路交通安全成為公眾關(guān)注的焦點。安全性問題成為擺在汽車專家面前的重要問題，而對汽車行駛安全影響最大的因素是汽車的操縱穩(wěn)定性［1］。

本文將凱越HRV型轎車作為參考對象,采用虛擬樣機技術(shù)，利用機械系統(tǒng)仿真軟件ADAMS中的CAR模塊建立整車仿真模型，目的是探究該款轎車整車的操縱穩(wěn)定性，以給實際生產(chǎn)設計提供借鑒,從而縮短汽車的研發(fā)周期［2］。

1 整車模型的建立

實驗室所采用的凱越HRV的主要特征參數(shù)見表1，用ADAMS/CAR從上到下建模，建模順序為模板→子系統(tǒng)→總成。由于整車系統(tǒng)比較復雜，在ADAMS/CAR中建立仿真模型時，可以將車輛分成幾個子系統(tǒng)，先建立各個子系統(tǒng)模型，再建立各個子系統(tǒng)間的通信端口命令，最后裝配成整車仿真模型，如圖1所示。

主要結(jié)構(gòu)為：前懸架采用麥弗遜式獨立懸架［3］，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機構(gòu)，后懸架采用多連桿式獨立后懸架，制動系簡化為一制動力矩發(fā)生器，采用了ADAMS/CAR數(shù)據(jù)庫中內(nèi)置發(fā)動機模塊，225/45 R18的輪胎。

2 整車操縱穩(wěn)定性試驗仿真與分析

目前，各國采用的整車操縱穩(wěn)定性試驗評價方法較多，本文主要通過已建好的整車模型進行蛇形試驗、轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入、轉(zhuǎn)向盤角脈沖輸入、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性的試驗研究。

▲圖1 車身模型圖

2.1 蛇形試驗仿真

蛇行試驗是一種典型的行駛工況性能試驗，它可以評價汽車的隨動性、收斂性、方向操縱穩(wěn)定性等。實踐中如果采用實車進行測試，則具有很大的危險性，因此，可以采用虛擬樣機對轎車進行仿真蛇行試驗。

表1 實驗室凱越HRV型主要特征參數(shù)

根據(jù)國家標準GB/T 6323.1-1994［4］的試驗方法，蛇行試驗仿真需要進行標樁設置，對于中小型汽車L=30 m。仿真時讓汽車以65 km/h的車速勻速直線行駛，然后蛇行通過試驗路段，汽車在行駛時不能碰到標樁。汽車行駛軌跡如圖2虛線所示，整車處于滿載狀態(tài)。

圖3～圖6分別是當車速為50 km/h、65 km/h及70 km/h時方向盤轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度、橫擺角速度、車身側(cè)傾角隨時間變化的響應曲線。

由以上曲線圖可知，在車速相對較低的情況下，汽車具有較好躲避障礙物的性能。隨著車速的提高，汽車的橫擺角速度、側(cè)向加速度、車身側(cè)傾角等響應時間比低速時要明顯短很多，同時，響應時間雖然縮短了，但是各參數(shù)的峰值明顯變大，車輛回避障礙物的性能有所降低。

▲圖2 蛇行試驗軌跡曲線

▲圖3 不同車速時方向盤轉(zhuǎn)角隨時間的變化曲線

▲圖5 不同車速時橫擺角速度隨時間的變化曲線

▲圖4 不同車速時側(cè)向加速度隨時間的變化曲線

2.2 方向盤角階躍輸入試驗仿真

根據(jù)國標 GB/T6323.2-94［5］規(guī)定的試驗方法,首先以初始速度為90 km/h的車速進行仿真，擋位設為5擋，初始方向盤轉(zhuǎn)角為0°，方向盤終止轉(zhuǎn)角為60°，仿真持續(xù)時間為20 s，在3 s時給方向盤一個階躍輸入并之后保持方向盤轉(zhuǎn)角不變，記錄仿真過程中的汽車運動響應。

2.2.1 方向盤轉(zhuǎn)角仿真

由圖7可知，前3 s內(nèi)方向盤轉(zhuǎn)角均無變化，從第3 s開始的瞬間，由于給其一個階躍輸入，方向盤轉(zhuǎn)角瞬間由0°變化到60°，起階時間大約是0.2 s，并最終穩(wěn)定在起初設置的60°轉(zhuǎn)角值，車輛由起初的等速直線行駛經(jīng)短暫時間后進入等速圓周行駛，這也說明車速對于方向盤轉(zhuǎn)角幾乎沒有影響。

2.2.2 側(cè)向加速度仿真

本系統(tǒng)[1]根據(jù)氣調(diào)庫內(nèi)的果蔬貯藏環(huán)境要求，設計了一種以STM32F103rct6為微處理器，通過空氣溫濕度傳感器、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器對氣調(diào)庫內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)參數(shù)進行采集，并將數(shù)據(jù)上傳至上位機[2]監(jiān)測平臺，便于工作人員實時查看處理，實現(xiàn)對果蔬氣調(diào)庫的實時監(jiān)測，維持果蔬最理想的貯藏環(huán)境，保質(zhì)貯存期可達2～4個月。

圖8是當車速分別為80 km/h、100 km/h和120 km/h時汽車側(cè)向加速度隨時間變化的響應曲線圖。

▲圖7 方向盤轉(zhuǎn)角隨時間變化曲線

▲圖6 不同車速時車身側(cè)傾角隨時間的變化曲線

由圖8可看出，當車速為80 km/h時，汽車能很快進入并達到穩(wěn)態(tài)，側(cè)向加速度穩(wěn)態(tài)值大約為0.5 m/s2，達到穩(wěn)態(tài)所需的時間較短；隨著車速的進一步提高，汽車達到穩(wěn)態(tài)所需的時間、穩(wěn)態(tài)值均增大，過渡過程穩(wěn)定，說明該車的操縱穩(wěn)定性在時速低于120 km/h時表現(xiàn)十分良好。

2.2.3 側(cè)傾角仿真

由圖9可知，當車速為80 km/h時，汽車很快就能達到穩(wěn)態(tài)，車身側(cè)傾角穩(wěn)態(tài)值約為1.7°；當車速提高到100 km/h時，汽車達到穩(wěn)態(tài)所需要的時間及穩(wěn)態(tài)值均有所增加，但過渡過程仍十分穩(wěn)定；隨著車速的進一步提高，當車速達到120 km/h時，汽車需要經(jīng)過較長的時間才能達到穩(wěn)態(tài)，但過渡過程仍較穩(wěn)定，說明該車的汽車操縱穩(wěn)定性較好。

2.2.4 橫擺角速度仿真

▲圖8 側(cè)向加速度隨時間變化曲線

▲圖9 側(cè)傾角隨時間變化曲線

▲圖1 0 橫擺角速度隨時間變化曲線

▲圖1 1 方向盤轉(zhuǎn)角隨時間變化曲線

▲圖1 2 橫擺角速度隨時間變化曲線

▲圖1 3 側(cè)傾角隨時間變化曲線

由圖10可知，當車速為80 km/h時，汽車的橫擺角速度很快達到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)橫擺角速度值大約為12.5（°）/s，達到穩(wěn)態(tài)所需時間約為1 s，此時橫擺角速度的超調(diào)量約為44%；隨著車速的進一步提高，達到穩(wěn)態(tài)所需要的時間、超調(diào)量均進一步增大，過渡過程也較穩(wěn)定。

2.3 方向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗仿真

角脈沖試驗主要考察整車受到外界干擾后,恢復到穩(wěn)態(tài)前的一段時間內(nèi)表現(xiàn)出來的特性，它通過幅頻特性和相頻特性圖來分析整車瞬態(tài)響應的能力。根據(jù)GB/T6323.3-1994［6］規(guī)定設置方向盤角脈沖輸入仿真工況，整車模型的車速按該車最高車速的70%并取為10的整數(shù)倍計算。本文分別取車速為80 km/h、100 km/h、120 km/h作直線行駛，然后給轉(zhuǎn)向盤一個三角脈沖轉(zhuǎn)角輸入，試驗時向左（或向右）轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤，并迅速轉(zhuǎn)回原處（允許及時修正）保持不動，直至汽車恢復到直線行駛位置，記錄全過程。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入脈寬為0.3 s，方向盤的轉(zhuǎn)角幅值為120°，脈沖開始輸入的時間為5 s,之后方向盤回轉(zhuǎn)到原位并保持不動，直到仿真結(jié)束，見圖11。

▲圖1 4 側(cè)向加速度隨時間變化曲線

2.4 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗仿真

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性仿真試驗是當轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入達到穩(wěn)定時對汽車行駛狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)橫擺響應的測試，有理論指出，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性決定了汽車作為一個動力學系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向輸入下是否穩(wěn)定的充分條件。當汽車的車速V達到或大于臨界車速Vcr時，就會出現(xiàn)過多轉(zhuǎn)向，這時即使受到輕微的轉(zhuǎn)向干擾，汽車也會出現(xiàn)不穩(wěn)定運動的現(xiàn)象?，F(xiàn)代汽車在設計階段，首先都要對其模型進行模擬計算分析，得到該車模型的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性，在產(chǎn)品制造出來以后，還要進行實況實車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性試驗的測定，由此可見其在操縱穩(wěn)定性中的重要意義。

▲圖1 5 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向仿真實驗的參數(shù)設置

▲圖1 6 方向盤轉(zhuǎn)角隨時間變化的曲線

本次仿真試驗是根據(jù)GB/T 6323.6-1994的規(guī)定進行的，采用的是穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗中的定半徑轉(zhuǎn)彎法。在本次穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真試驗中，設置整車模型最低車速為20 km/h，以半徑為30 m的圓形軌跡作為試驗路徑，使整車模型沿該圓形軌跡行駛，并逐漸增大車速，得到不同的側(cè)向加速度值，從而進一步評價整車的不足轉(zhuǎn)向或過多轉(zhuǎn)向。在模型進入行駛路徑并達到穩(wěn)定狀態(tài)后，開始記錄并在10 s內(nèi)保持一定油門和方向盤位置不動，完成之后停止記錄。本次仿真試驗前具體初始參數(shù)設置如圖15所示。

由圖16～圖18可知：轉(zhuǎn)角隨時間增加呈上升趨勢，側(cè)向加速度隨時間變化而增大，整車前后輪側(cè)偏角之差基本維持在0附近，呈現(xiàn)輕微適度的不足轉(zhuǎn)向。

3 總結(jié)

以凱越HRV型車為研究對象，利用虛擬樣機軟件ADAMS中CAR模塊，建立了整車仿真模型，并對所建的模型進行仿真，同時，利用ADAMS后處理模塊的仿真結(jié)果進行了研究分析，最后深入討論了影響操縱穩(wěn)定性的幾個因素，結(jié)論如下。

▲圖1 7 側(cè)向加速度隨時間變化的曲線

▲圖1 8 前后輪側(cè)偏角隨時間變化的曲線

（1）建立了凱越HRV車前懸架系統(tǒng)、后懸架系統(tǒng)、輪胎系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等子系統(tǒng)以及整車仿真模型。

（2）按照操縱穩(wěn)定性試驗方法GB/T 6323-1994的規(guī)定，對該整車模型進行了仿真試驗分析，結(jié)果表明：該車的整車操縱穩(wěn)定性性能一般。

（3）利用ADAMS/CAR軟件試驗平臺能夠很好的滿足整車虛擬樣機的建模仿真和試驗要求，減少了試驗成本和試驗周期，豐富了汽車性能分析的手段。

［1］ 余志生.汽車理論（第 5版）［M］.北京:機械工業(yè)出版社,2009.

［2］ 陳立平，張云清，任衛(wèi)群，等.機械系統(tǒng)動力學分析及ADAMS應用教程［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［3］ 《汽車工程手冊》編輯委員會.汽車工程手冊·設計篇［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［4］ 程源,張翼,李鵬,等.基于ADAMS的汽車操縱穩(wěn)定性仿真試驗研究［J］.公路與汽運，2010,27（2）:7-9.

［5］ 陳蓉.轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入下汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析［D］.長春:吉林大學,2006.

［6］ 田文彬.基于ADAMS/CAR的汽車操穩(wěn)性動力學仿真［D］.福州:福建工程學院,2011.