基于ADAMS的轎車操縱穩(wěn)定性仿真分析

梅雪晴 姚鵬華

摘 ?要：通過(guò)建立某轎車整車ADAMS多體動(dòng)力學(xué)模型，按照國(guó)標(biāo)要求進(jìn)行整車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、角躍階輸入和轉(zhuǎn)向回正性試驗(yàn)的操縱穩(wěn)定性仿真，仿真結(jié)果表明該車的操縱穩(wěn)定性良好。

關(guān)鍵詞：整車模型;操縱穩(wěn)定性;仿真

1.引言

汽車的操縱穩(wěn)定性是“高速車輛的生命線”[1]，對(duì)高速汽車的行駛安全具有絕對(duì)重要的作用。操縱穩(wěn)定性研究的內(nèi)容非常多，實(shí)車實(shí)驗(yàn)耗時(shí)耗力，而且具有一定的危險(xiǎn)性。本文將采用ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真的方法來(lái)獲得部分操縱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)的仿真結(jié)果[2]，為轎車操縱穩(wěn)定性研究提供分析依據(jù)。

2.整車仿真模型的建立

為了簡(jiǎn)化計(jì)算和抓住動(dòng)力學(xué)的本質(zhì)，需要對(duì)整車模型作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。整車質(zhì)量參數(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和力學(xué)特性參數(shù)由廠家提供，外界參數(shù)（如路譜）由ADAMS軟件系統(tǒng)提供。整車模型包括轉(zhuǎn)向、前懸架、后懸架、前輪胎、后輪胎以及車身等子系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)均先在ADAMS模板上建立模型，再建立相應(yīng)的子總成，通過(guò)信息交換器將各個(gè)子總成組合成轎車的整車模型[3]。其中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為齒輪齒條式，前懸架為麥?zhǔn)姜?dú)立懸架，后懸架為雙連桿式獨(dú)立懸架，前后輪胎型號(hào)均為175/70 R13，整車模型見圖1，模型部分具體參數(shù)見表1。

3.整車操縱穩(wěn)定性仿真與結(jié)果分析

評(píng)價(jià)汽車操縱穩(wěn)定性的指標(biāo)研究?jī)?nèi)容有很多，這里僅選擇最基本的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、角躍階輸入和轉(zhuǎn)向回正性試驗(yàn)。

3.1穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)用以測(cè)定汽車對(duì)轉(zhuǎn)向盤輸入達(dá)到穩(wěn)定行駛狀態(tài)時(shí)汽車的穩(wěn)態(tài)橫擺響應(yīng)。依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定，評(píng)價(jià)指標(biāo)包括中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向加速度值an、不足轉(zhuǎn)向度U以及車身側(cè)傾度Kφ。

根據(jù)GB/T6323.6—94補(bǔ)充件規(guī)定，采用定轉(zhuǎn)彎半徑法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)測(cè)試。汽車以最低穩(wěn)定車速行駛，調(diào)正轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，沿半徑為30米的圓弧行駛。在進(jìn)入圓弧路徑并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，保持油門和轉(zhuǎn)向盤位置在3s內(nèi)不動(dòng)開始記錄。然后增加車速，但側(cè)向加速度增量每次不大于0.5m/s2（在所測(cè)數(shù)據(jù)急劇變化時(shí)增量可更小）。重復(fù)上述試驗(yàn)，直至做到側(cè)向加速度達(dá)到6.5m/s2，或達(dá)到汽車本身所限制的最大側(cè)向加速度為止。依據(jù)已知條件編寫駕駛員文件，進(jìn)行仿真。

汽車前后輪側(cè)偏角絕對(duì)值（δ1-δ2）與側(cè)向加速度ay的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可知中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向加速度an為6.0m/s2，在5m/s2～9.8m/s2之間，有較好的穩(wěn)定性。汽車前后輪側(cè)偏角絕對(duì)值（δ1-δ2）>0，所以此車為不足轉(zhuǎn)向。不足轉(zhuǎn)向度U按前、后橋側(cè)偏角差值與側(cè)向加速度關(guān)系曲線上側(cè)向加速度值為2m/s2處的平均斜率（縱坐標(biāo)值除以橫坐標(biāo)值）計(jì)算。則U=0.886°/（m/s2），在0.4～1之間，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，整車有較好的行駛穩(wěn)定性。另外車廂側(cè)傾角φ與側(cè)向加速度ay的曲線如圖3所示。

車廂側(cè)傾剛度Kφ，按車廂側(cè)傾角與側(cè)向加速度關(guān)系曲線上加速度為2m/s2處的平均斜率（縱坐標(biāo)除以橫坐標(biāo)值）計(jì)算?？傻肒φ=0.73°/（m/s2），在0.7～1.2之間，橫擺響應(yīng)穩(wěn)定，驗(yàn)證了所建模型的正確性。

3.2角躍階輸入試驗(yàn)

前輪角躍階輸入試驗(yàn)用以評(píng)價(jià)汽車轉(zhuǎn)向的整車隨動(dòng)性和反應(yīng)靈敏度，響應(yīng)時(shí)間越短說(shuō)明整車隨動(dòng)性及轉(zhuǎn)向靈敏性好。

按照GB/T 6323.2—94規(guī)定，汽車以試驗(yàn)車速直線行駛，先按輸入方向輕輕靠緊轉(zhuǎn)向盤，消除轉(zhuǎn)向盤自由行程并開始記錄各測(cè)量變量的零線，經(jīng)過(guò)0.2～0.5s，以盡快的速度（起躍時(shí)間不大于0.2s或起躍速度不低于200°/s）轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，使其達(dá)到預(yù)先選好的位置并固定數(shù)秒鐘。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為汽車橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間τ。

汽車橫擺角速度隨時(shí)間變化曲線如圖4。橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間τ=0.19s，在0.02s～0.2s允許范圍內(nèi)，說(shuō)明此車有良好的瞬態(tài)響應(yīng)特性和反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)。

3.3轉(zhuǎn)向回正性試驗(yàn)

轉(zhuǎn)向回正試驗(yàn)的實(shí)質(zhì)是一種力階躍輸入試驗(yàn)，包括低速與高速轉(zhuǎn)向回正，評(píng)價(jià)指標(biāo)包括殘余橫擺角速度、橫擺角速度超調(diào)量和穩(wěn)定時(shí)間。

根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，低速回轉(zhuǎn)時(shí)汽車沿半徑為15±1m的圓周行駛，調(diào)整車速，使側(cè)向加速度達(dá)到4±0.2m/s2，固定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，穩(wěn)定車速并開始記錄。待3s后，駕駛員突然松開轉(zhuǎn)向盤，記錄松手后至少4s的運(yùn)動(dòng)情況。

對(duì)于最高車速超過(guò)100km/h的汽車，要進(jìn)行高速回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，汽車以最高車速的70%行駛，使側(cè)向加速度達(dá)到2±0.2m/s2，待穩(wěn)定3s后，突然松手，記錄4s后的汽車運(yùn)動(dòng)情況。低速回轉(zhuǎn)試驗(yàn)車速為40km/h與80km/h橫擺角速度隨時(shí)間變化曲線如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可知低速回正時(shí)穩(wěn)定時(shí)間為3.8s，橫擺角速度超調(diào)量為21.8%，殘余橫擺角速度為0.0553°/s;高速回轉(zhuǎn)時(shí)穩(wěn)定時(shí)間為4.5s，橫擺角速度超調(diào)量為19.9%，殘余橫擺角速度為0.0535°/s。橫擺角速度響應(yīng)速度和超調(diào)量仿真結(jié)果良好符合要求。

4.結(jié)論及展望

通過(guò)建立某轎車整車ADAMS模型進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、角躍階輸入和轉(zhuǎn)向回正性試驗(yàn)三個(gè)操縱穩(wěn)定性仿真計(jì)算，仿真結(jié)果表明該車的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)響應(yīng)以及回正性能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，操縱穩(wěn)定性良好。后續(xù)可以考慮建立包括制動(dòng)系、傳動(dòng)軸、變速器、驅(qū)動(dòng)橋總成在內(nèi)的整車模型，力爭(zhēng)更加貼近實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)更多方面的性能仿真。

參考文獻(xiàn)

[1] ?余志生，夏群生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2] ?張?jiān)浇?汽車多體動(dòng)力學(xué)及計(jì)算機(jī)仿真[M]. 吉林：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1998.

[3] ?李軍，邢俊文，覃文潔.ADAMS實(shí)例教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

基金項(xiàng)目：湖北文理學(xué)院博士科研基金資助項(xiàng)目（2015B003）。第一作者，梅雪晴，博士，講師，研究方向：車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制、汽車可靠性工程