閆 偉，邵毅明*，朱夏毅

(1.重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074;2.重慶長安鈴木汽車有限公司，重慶 401321)

汽車的制動性能是汽車的主要性能之一，直接關(guān)系到汽車制動過程中車輛和乘客的安全，而實(shí)車試驗(yàn)存在危險(xiǎn)性，所以對汽車整車制動穩(wěn)定性的虛擬樣機(jī)仿真研究已成為車輛制動穩(wěn)定性理論研究與汽車性能預(yù)測的重要手段［1]。載貨汽車制動時(shí)由于質(zhì)量大，制動距離較長;轉(zhuǎn)彎制動時(shí)車輛受到離心力作用，會降低車輛的橫向附著力，使車輛產(chǎn)生過大的橫擺力矩，降低車輛的抗側(cè)滑能力，導(dǎo)致車輛出現(xiàn)駛出彎道或嚴(yán)重甩尾的現(xiàn)象。本文利用機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件ADAMS建立某載貨汽車整車模型，對直線制動和彎道制動過程進(jìn)行仿真，驗(yàn)證所建模型的制動穩(wěn)定性是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 仿真模型的建立

由于汽車是一個(gè)極為復(fù)雜的系統(tǒng)，為了建立整車動力學(xué)模型并進(jìn)行分析，需要做一些假設(shè)和簡化。

1)懸掛質(zhì)量假設(shè)成剛體。

2)機(jī)構(gòu)的連接沒有考慮實(shí)際的彈性元件，把這些連接假設(shè)為各類運(yùn)動副，省略了摩擦和阻尼的影響［2]?？紤]到整車系統(tǒng)的復(fù)雜性，在ADAMS/Car模塊中建模時(shí)，將整車系統(tǒng)分成幾個(gè)子系統(tǒng)，先分別建立各個(gè)子系統(tǒng)的模型，再在子系統(tǒng)間建立通訊器，通過通訊器完成各個(gè)子系統(tǒng)的連接，最后裝配成整車模型［3]。

1.1 子系統(tǒng)模型

1.1.1 建立過程

在ADAMS/Car模塊中分別建立載貨汽車前懸架、后懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動力總成、制動系統(tǒng)、輪胎以及車身子系統(tǒng)模型，其建立過程大致如下:

1)確定硬點(diǎn)。硬點(diǎn)是各部件布置、連接的關(guān)鍵幾何定位點(diǎn)，是模型建立的基礎(chǔ)。

2)創(chuàng)建一般部件。一般部件是具有質(zhì)量屬性、確定方向、空間位置的局部物體參照框。

3)創(chuàng)建部件的幾何體。部件幾何體的形狀盡可能地貼近實(shí)際結(jié)構(gòu)。

4)定義各部件間的約束。通過部件之間的相互運(yùn)動關(guān)系確定約束的類型。

5)定義、測試通訊器。子系統(tǒng)之間的連接主要通過通訊器與外界進(jìn)行聯(lián)系，所以在定義通訊器的類型、名稱以及對稱性時(shí)一定要對應(yīng)一致［4]。

部件的約束和通訊器的定義在子系統(tǒng)中不能修改，其它的像質(zhì)量特性等在子系統(tǒng)中可以修改。

1.1.2 部分子系統(tǒng)模型

轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)主要由方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向傳動軸等組成。在建模時(shí)進(jìn)行了簡化，只是通過建立各個(gè)部件間的約束來實(shí)現(xiàn)其間的運(yùn)動傳遞，如在方向盤與轉(zhuǎn)向軸間為固定鉸約束，轉(zhuǎn)向軸與傳動軸之間為萬向節(jié)鉸鏈約束，轉(zhuǎn)向軸與車身間以及轉(zhuǎn)向傳動軸與車身間為轉(zhuǎn)動鉸鏈約束。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型如圖1所示。

前懸架為鋼板彈簧式非獨(dú)立懸架，主要由彈性元件、減振器(阻尼元件)和導(dǎo)向裝置等3部分組成。前橋主要由前軸及轉(zhuǎn)向節(jié)組成。鋼板彈簧模型由一系列被視為剛體的梁單元離散體塊通過BEAM梁連接在一起形成，在綜合考慮模型精度和計(jì)算強(qiáng)度的前提下，鋼板彈簧模型簡化后為2片鋼板。將前軸、左右轉(zhuǎn)向節(jié)、減震器、轉(zhuǎn)向橫拉桿等一起組合建模后再與鋼板彈簧模型組合成前橋與前懸架模型，如圖2所示。

中(后)橋結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，經(jīng)過簡化，把中(后)橋抽象為6個(gè)剛體，即中(后)軸、左右輪轂與制動鼓、縱向推力桿、側(cè)向推力桿和支撐臂。在ADAMS中建立的中(后)橋1/2模型如圖3所示。

圖1 轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)模型

圖2 前橋及前懸架子系統(tǒng)模型

圖3 中(后)橋模型

輪胎是車輛至關(guān)重要的一部分，它支撐整個(gè)車輛，與懸掛元件共同抑制由路面不平引起的振動和沖擊，傳遞縱向力以實(shí)現(xiàn)加速、驅(qū)動和制動以及傳遞側(cè)向力等。文中輪胎系統(tǒng)中輪胎為Fiala輪胎模型，是經(jīng)典彈性圓狀梁模型。其自由半徑為504 mm，寬度為304.8 mm，輪胎名義高寬比為0.45，側(cè)偏剛度為4 000N/rad。圖2為輪胎子系統(tǒng)模型圖。

1.2 整車動力學(xué)模型

整車模型由多個(gè)子系統(tǒng)模型組裝而成，由通訊器完成子系統(tǒng)之間的聯(lián)接。通訊器是一種基于模板型的關(guān)鍵元素，用于子系統(tǒng)、模板、試驗(yàn)臺之間數(shù)據(jù)的相互傳遞。通訊器的創(chuàng)建、測試、檢查信息非常重要。ADAMS/Car使用通訊器在數(shù)據(jù)層面上對子系統(tǒng)進(jìn)行總裝。在ADAMS Standard Interface界面，將建好的所有子系統(tǒng)添加到相應(yīng)的地方，如圖4所示，最后完成整車模型的建立。

為了模型的準(zhǔn)確性，建模所需參數(shù)的獲取非常重要。模型參數(shù)的獲取主要有試驗(yàn)法、查閱圖紙法及CAD建模法等。文中所用到的載貨汽車模型的部分參數(shù)為:軸距5 395 mm，長×寬×高=8 544 mm×2 388 mm×3 193 mm，整車整備質(zhì)量3 700 kg，最大載質(zhì)量9 000 kg。整車動力學(xué)模型如圖5所示。

圖4 整車模型組裝

圖5 整車動力學(xué)模型

1.3 道路模型

采用二維平整路面作為仿真路面模型，根據(jù)實(shí)車試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)要求定義路面的摩擦系數(shù)(μ=0.85)，盡可能使仿真條件接近真實(shí)情況。

2 制動仿真試驗(yàn)

2.1 仿真試驗(yàn)

汽車制動性能仿真試驗(yàn)有道路試驗(yàn)和臺架試驗(yàn)2種，道路試驗(yàn)主要有轉(zhuǎn)彎制動仿真試驗(yàn)和直線制動仿真試驗(yàn)2種，本文運(yùn)用ADAMS主要對模型車進(jìn)行道路試驗(yàn)的仿真分析。

1)彎道制動

①試驗(yàn)方法。車輛以約40 km/h初始車速，在半徑為42 m的圓周上穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)，然后保持轉(zhuǎn)向盤不動，踏下離合器踏板后迅速制動，測得車輛制動過程的運(yùn)動參數(shù)變化過程。②評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。以橫擺角速度在制動過程中的響應(yīng)為評價(jià)參數(shù)［5]。③仿真條件。驅(qū)動車輛從直線引道駛?cè)朐囼?yàn)車道，首先給汽車一個(gè)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入，待汽車響應(yīng)穩(wěn)定后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)圓周回轉(zhuǎn)，接著鎖定方向盤施加制動減速度，制動減速度從0.1g(g為重力加速度，m/s2)開始，以級差0.1g逐次遞增至0.8g做制動仿真分析。

2)直線制動

①試驗(yàn)方法。制動初速度為60 km/h，從減速度1.5 m/s2起，以級差1±0.2 m/s2逐次遞增至0.8 g做制動試驗(yàn)。繪制“制動距離—制動減速度”關(guān)系曲線圖。②評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。安全制動距離為Smax=36.69 m，汽車制動器能夠發(fā)出的平均減速度amin≥5 m/s2，最大控制力Fmax=700 N。③仿真條件。汽車在平直道路上行駛一段距離，制動減速度以階躍的形式輸入，輸入的減速度從0.1g起，以級差0.1g逐次遞增至0.8g做制動仿真，直至汽車前輪達(dá)到抱死狀態(tài)為止;汽車以60 km/h的車速勻速行駛，在第5秒時(shí)開始制動。

2.2 仿真結(jié)果及評價(jià)

1)彎道制動仿真結(jié)果

圖6為彎道制動時(shí)橫擺角速度隨時(shí)間的變化曲線，圖7為彎道制動時(shí)側(cè)向加速度隨時(shí)間的變化曲線，圖6，7中的曲線1～8分別代表制動減速度從0.1g起，以級差0.1g逐次遞增至0.8g做制動仿真時(shí)的橫擺角速度隨時(shí)間的變化曲線與側(cè)向加速度隨時(shí)間的變化曲線。

圖6 橫擺角速度隨時(shí)間的變化曲線

圖7 側(cè)向加速度隨時(shí)間的變化曲線

由圖6，7可知:當(dāng)制動減速度＜0.7g時(shí)，該車具有良好的轉(zhuǎn)向能力，制動穩(wěn)定性好;當(dāng)制動減速度≥0.7g時(shí)，該車失去轉(zhuǎn)向能力，但是仍具有較好的維持圓周行駛的能力，具有很小的不足轉(zhuǎn)向量。所以該車具有較好的轉(zhuǎn)彎制動性能。

2)直線制動仿真結(jié)果

制動減速度從0.1g開始，以級差0.1g逐次遞增至0.8g做制動仿真分析，車輛縱向位移仿真結(jié)果如圖8所示，圖8中曲線1～8代表制動減速度從0.1g起，以級差0.1g逐次遞增至0.8g做制動仿真時(shí)汽車的縱向行駛距離隨時(shí)間的變化曲線。根據(jù)對仿真條件的設(shè)定，可以從圖8間接得到車輛仿真試驗(yàn)的制動距離。制動距離和制動減速度的擬合關(guān)系如圖9所示。

圖8 汽車行駛距離隨時(shí)間的變化曲線

圖9 制動距離與制動減速度的關(guān)系曲線

從圖9可以看出隨著制動減速度的增加，車輛的行駛距離縮短，當(dāng)制動減速度達(dá)到0.5g以后，再增加制動減速度，車輛行駛距離已經(jīng)相差很小。當(dāng)制動減速度為0.45g時(shí)，該車的制動距離即滿足了文獻(xiàn)［6]中最大制動距離為36.69 m的要求;當(dāng)制動減速度等于0.7g時(shí)，制動距離達(dá)到最小為24.55 m。

由圖9看出該載貨汽車模型仿真制動距離與理論制動距離的變化趨勢相似，在一定程度上說明所建載貨汽車模型正確，可以用于汽車的試驗(yàn)仿真中。

圖10為直線制動時(shí)縱向減速度隨時(shí)間的變化曲線圖，圖10中曲線1～8代表制動減速度從0.1g起，以級差0.1g逐次遞增至0.8g做制動仿真時(shí)的汽車縱向減速度隨時(shí)間的變化曲線。圖11為不同制動減速度時(shí)車輛的側(cè)向位移隨時(shí)間的變化曲線，圖11中曲線1～8代表制動減速度從0.1g起，以級差0.1g逐次遞增至0.8g做制動仿真時(shí)側(cè)向位移隨時(shí)間的變化曲線。

圖10 縱向減速度隨時(shí)間的變化曲線

圖11 側(cè)向位移隨時(shí)間的變化曲線

由圖10可以看出:當(dāng)制動減速度＞0.7g時(shí)，制動減速度曲線出現(xiàn)波動，原因是由于地面附著條件的限制，地面可以提供的最大制動減速度為0.7g，因此在該制動仿真試驗(yàn)中載貨汽車可以發(fā)出的最大制動減速度約為0.7g，符合文獻(xiàn)［6]對制動減速度的要求;由圖11可以看出，在直線制動仿真過程中該汽車側(cè)向位移最大值為30.21 mm，符合文獻(xiàn)［6]對汽車在直線制動過程中側(cè)向位移的要求。

3 結(jié)語

1)建立載貨汽車整車動力學(xué)模型，根據(jù)國標(biāo)要求的實(shí)車試驗(yàn)方法設(shè)置仿真條件，以不同的制動減速度進(jìn)行轉(zhuǎn)彎制動仿真和直線制動仿真。從仿真結(jié)果看，所建載貨汽車模型正確，具有良好的制動性能。由于條件的限制，本文缺少與實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，但虛擬樣機(jī)技術(shù)可以作為一種新的方法用于汽車的試驗(yàn)研究中。

2)利用虛擬樣機(jī)技術(shù)仿真試驗(yàn)可以快速準(zhǔn)確地檢測車輛的制動性能，為汽車的研發(fā)工作提供方便，可以減少汽車的設(shè)計(jì)開發(fā)費(fèi)用，縮短設(shè)計(jì)周期。

3)所建的虛擬樣機(jī)模型將汽車的所有零部件都設(shè)置為剛體，進(jìn)行了若干簡化，沒有考慮到某些部件本身的特性，如果能夠進(jìn)一步考慮更多的影響因素，建立更為精確的整車動力學(xué)模型，對實(shí)車不方便做的試驗(yàn)運(yùn)用虛擬樣機(jī)仿真試驗(yàn)來做，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1]余志生.汽車?yán)碚摚跰].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2]王晶，呂浩.運(yùn)用虛擬技術(shù)對夏利TJ7101U轎車進(jìn)行制動分析［J].天津汽車，2002，(2):11.

［3]邵毅明，毛嘉川，劉勝川，等.山區(qū)公路上駕駛?cè)说能囁倏刂菩袨榉治觯跩].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2011，2(1):79－88.

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

［5]國際標(biāo)準(zhǔn)化組織.ISO/TC22CS9 汽車轉(zhuǎn)彎制動試驗(yàn)方法國際標(biāo)準(zhǔn)［S].柏林:國際標(biāo)準(zhǔn)化出版社，1980.

［6]全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化委員會.GB12676—1999 汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方法［S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.