孟杰，張凱，楊保成

（常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

基于ADAMS/car的汽車(chē)操作穩(wěn)定性建模與仿真

孟杰，張凱，楊保成

（常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立了車(chē)輛的模型，并對(duì)汽車(chē)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)和雙移線(xiàn)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和仿真分析.依據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性做出了評(píng)價(jià).結(jié)果表明，利用ADAMS軟件可以對(duì)汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行精確的仿真試驗(yàn)，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的目的.

多體動(dòng)力學(xué)；ADAMS/Car；操縱穩(wěn)定性

1 引言

汽車(chē)操縱穩(wěn)定性是汽車(chē)的重要性能之一，是指汽車(chē)在駕駛員不感到過(guò)分緊張、疲勞的條件下，能夠遵循駕駛員操作規(guī)程，而且能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力[1].由于道路條件逐步改善，汽車(chē)設(shè)計(jì)車(chē)速不斷提高，汽車(chē)操作穩(wěn)定性更加受到重視.

本文在完成懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，建立了某轎車(chē)整車(chē)的動(dòng)力學(xué)模型；并依據(jù)GB/T6323294規(guī)定的汽車(chē)操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)以及蛇形穿越的操縱穩(wěn)定性仿真試驗(yàn)，獲得了該轎車(chē)的操縱穩(wěn)定性性能.

2 整車(chē)仿真模型的建立

本文運(yùn)用美國(guó)MSC公司開(kāi)發(fā)的ADAMS/Car軟件為仿真平臺(tái)，并根據(jù)國(guó)產(chǎn)某品牌汽車(chē)數(shù)據(jù)，在創(chuàng)建懸架子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向、前后車(chē)輪及前后橫向穩(wěn)定桿等子系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)整車(chē)的組裝與仿真.

2.1 懸架模型

該車(chē)的前懸架是典型的雙橫臂式前懸架，其結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向節(jié)、襯套、上下橫臂、減震器以及彈簧等.上下橫臂一端由兩個(gè)橡膠襯套與副車(chē)架連接，另一端通過(guò)球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)連接.減震器上端與車(chē)身由萬(wàn)向節(jié)鉸鏈連接，橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)之間以球形副連接.后懸架與前懸架類(lèi)似.如圖1所示.

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

該車(chē)模型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為齒輪-齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)向盤(pán)、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸、轉(zhuǎn)向齒條以及轉(zhuǎn)向橫拉桿等部件.如圖2所示.

方向盤(pán)與轉(zhuǎn)向軸間的連接為固定鉸鏈.轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)之間為球鉸鏈，而轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸間為萬(wàn)向節(jié)鉸鏈.轉(zhuǎn)向軸與車(chē)身之間連接方式為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈；轉(zhuǎn)向橫拉桿與齒條之間為萬(wàn)向節(jié)鉸鏈，齒條與車(chē)身之間為移動(dòng)鉸鏈.

圖1 車(chē)輛的雙橫臂式前懸架模型

圖2 車(chē)輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

2.3 輪胎模型

輪胎是車(chē)輛至關(guān)重要的部分，特別是輪胎的側(cè)偏特性，顯著影響汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性，輪胎的側(cè)偏特性包括側(cè)偏力、回正力矩與側(cè)偏角間的特殊關(guān)系.

輪胎構(gòu)成較為復(fù)雜，包括橡膠、簾布層等合成材料和充氣結(jié)構(gòu)，這使得輪胎具有高度非線(xiàn)性、可壓縮性、各向異性和粘彈性，導(dǎo)致其物理模型復(fù)雜、特殊[2].此外輪胎的建模精度直接影響整車(chē)動(dòng)力學(xué)建模精度，所以輪胎模型的選擇必須與仿真的要求相一致.

本文選取UA輪胎模型，UA輪胎模型的特點(diǎn)是包含輪胎的縱向、側(cè)向松弛效應(yīng).該模型考慮了縱向和橫向聯(lián)合滑移的情況，因而比較精確、全面.

2.4 整車(chē)模型

將上述子系統(tǒng)進(jìn)行裝配之后，得到虛擬整車(chē)模型.如圖3所示.該車(chē)主要參數(shù)如表1所示.

圖3 整車(chē)仿真模型

表1 整車(chē)主要參數(shù)

3 整車(chē)操縱性仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

3.1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法（Constant radius Cornering）

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)是研究汽車(chē)響應(yīng)特性的一種常用試驗(yàn)方法.汽車(chē)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性對(duì)汽車(chē)的方向控制有非常重要的影響[3].過(guò)度轉(zhuǎn)向或轉(zhuǎn)向不足都會(huì)使汽車(chē)難以控制.汽車(chē)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性是汽車(chē)操縱穩(wěn)定性研究的重要內(nèi)容.

本文依據(jù)GB/T6323.6-94關(guān)于固定轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的規(guī)定，仿真過(guò)程中，設(shè)置汽車(chē)以最低車(chē)速開(kāi)始沿初始轉(zhuǎn)向半徑50 m的圓周行駛，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角為150°.然后加速（加速度為250 mm/s2），并固定轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角.仿真試驗(yàn)分析結(jié)果如下：

車(chē)身在側(cè)向力的作用下繞側(cè)傾軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)角稱(chēng)為車(chē)身側(cè)傾角，且車(chē)身側(cè)傾角與側(cè)向加速度方向一致.車(chē)身側(cè)傾角是和汽車(chē)操縱穩(wěn)定性和平順性有關(guān)的一個(gè)重要參數(shù).側(cè)傾角的數(shù)值影響到汽車(chē)的橫擺角速度瞬態(tài)響應(yīng).側(cè)傾角如果過(guò)大，會(huì)使駕駛員感到不穩(wěn)定、不安全.從圖4可以看到該車(chē)在較大的側(cè)向加速度下，車(chē)身質(zhì)心處的側(cè)傾角相對(duì)較?。ㄖ本€(xiàn)斜率較低），不容易引起側(cè)傾轉(zhuǎn)向.因此操作穩(wěn)定性較好，但平順性較差.

圖5為前后車(chē)輪側(cè)偏角差值與側(cè)向加速度關(guān)系曲線(xiàn).由圖可知，當(dāng)側(cè)向加速度大于0.02 m/s2時(shí)，前后側(cè)偏角差值與側(cè)向加速度不再存在線(xiàn)性關(guān)系.隨著側(cè)向加速度的增加，圖中曲線(xiàn)趨于平緩，即隨著側(cè)向加速度的增加，轉(zhuǎn)向半徑也同時(shí)增加，說(shuō)明了該車(chē)有明顯的轉(zhuǎn)向不足特性.

3.2 雙移線(xiàn)試驗(yàn)仿真分析[4]

雙移線(xiàn)試驗(yàn)是研究汽車(chē)躲避障礙時(shí)的瞬態(tài)閉環(huán)響應(yīng)特性的重要試驗(yàn)之一，是評(píng)價(jià)汽車(chē)操縱穩(wěn)定性的重要試驗(yàn).本仿真中的車(chē)輛是按照ISO3888規(guī)定的路徑進(jìn)行仿真的，即汽車(chē)在緊急避讓時(shí)，側(cè)翻的可能路徑控制通過(guò)驅(qū)動(dòng)樣機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn).仿真結(jié)果如圖6所示.

在IS0/3888標(biāo)準(zhǔn)文件中規(guī)定了該試驗(yàn)的行駛路線(xiàn).只需要選擇合適的檔位和車(chē)速，就可以進(jìn)行試驗(yàn).仿真分析設(shè)置在運(yùn)行250 m后自動(dòng)停止.在仿真試驗(yàn)中主要記錄汽車(chē)的橫擺角速度以及側(cè)向加速度等參數(shù)，以評(píng)價(jià)該試驗(yàn)性能.由圖6可知，在仿真時(shí)間2 s-6 s內(nèi)，該車(chē)迅速恢復(fù)原有行駛狀態(tài)，橫擺加速度趨于零.說(shuō)明該車(chē)輛具有較好的躲避障礙物的性能，操縱穩(wěn)定性較好.

圖4 車(chē)輛側(cè)傾角與側(cè)向加速度的關(guān)系曲線(xiàn)

圖5 車(chē)輛前后側(cè)偏角差值（δ1-δ2）與側(cè)向加速度的關(guān)系曲線(xiàn)

圖6 雙移線(xiàn)仿真試驗(yàn)曲線(xiàn)

4 結(jié)論

本文利用ADAMS/Car模塊建立了汽車(chē)整車(chē)仿真模型.對(duì)汽車(chē)穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能和雙移線(xiàn)性能等主要的整車(chē)操縱穩(wěn)定性能進(jìn)行了仿真.仿真結(jié)果表明，該車(chē)的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能和躲避障礙物性能良好.另外，仿真曲線(xiàn)表明ADAMS/Car具有精確仿真試驗(yàn)的能力，因此可利用采用ADAMS/Car軟件建立的參數(shù)化車(chē)輛模型，對(duì)各種設(shè)計(jì)參數(shù)不斷進(jìn)行修改或優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的目的.

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

[2]陳軍.MSC.ADAMS技術(shù)與工程分析實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2008：10.

[3]郭孔輝.汽車(chē)操作動(dòng)力學(xué)原理[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2011：2.

[4]范成建，熊光明.虛擬樣機(jī)軟件MSC.ADAMS應(yīng)用與提高[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

Model Establishment and Simulation of Vehicle Handling Stability Using ADAMS/Car

MENG Jie,ZHANG Kai,YANG Bao-cheng
(School of Mechanical Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

A vehicle model is built using the multi body dynamics software-ADAMS/Car first.And then the ve?hicle's performance of the constant radius cornering and ISO lane change is simulated.According to the simula?tion results,the handling stability is evaluated.The result shows that the ADAMS software can provide an accu?rate simulation experiment and optimize the design plan of vehicle product.

multi body dynamics;ADAMS/Car;handling stability

TP/391.9

A

1008-2794（2013）04-0061-04

2012--02-01

蘇州市科技計(jì)劃項(xiàng)目“汽車(chē)半主動(dòng)電磁懸架應(yīng)用研究”（SYG201102）

孟杰，講師，碩士，研究方向：汽車(chē)安全，E-mail：122603289@qq.com．