張宇

摘?要：隨著車速的不斷提升，整車的穩(wěn)定性能備受矚目。作為復雜的機械系統(tǒng)，人、車、外界載荷環(huán)境等相互作用下，一直是汽車動力學模型建立、分析的難題。本文以某轎車的整車非線性動力學模型建立為理論主體，考慮轉向系統(tǒng)及前后懸架的幾何參數(shù)，以及阻尼器與橡膠襯套等非線性特征，對所建模型進行多元化實驗，分析樣車的穩(wěn)定性能及可操控性等相關特點，結果表明所建模型就較高的精度，在動力學研究中起到了關鍵作用。

關鍵詞：多體動力學;車輛動力學;模型建立;仿真實驗

前言

隨著車速的提高，汽車的平順性、穩(wěn)定性以及制動性能逐漸變得重要起來。本文以ADAMS軟件建立轎車非線性多體動力模型并進行有效實驗驗證。建模過程以實際汽車運行情況為主，考慮轉向系統(tǒng)、懸架的運動學約束，來用非曲線襯套模擬實際力學特征。同時考慮轉向系統(tǒng)及前后懸架的幾何參數(shù)，以及阻尼器與橡膠襯套等非線性特征，對所建模型進行多元化實驗，分析樣車的穩(wěn)定性能及可操控性等相關特點，對仿真模型進行瞬態(tài)脈沖實驗以及轉向性實驗等進行一系列的仿真分析。

1.整車多體模型建立

1.1?多體系統(tǒng)動力學定義

ADAM利用連體坐標多慣性坐標姿態(tài)和位置為廣義坐標，利用拉格朗日乘子法建立動力學方程式：。其中系統(tǒng)動能為T，廣義坐標量為q，廣義力為Q。拉氏乘子列為。通過上述公式形成指標微分后利用BDF求解。

1.2?非線性力元模型

多體模型中存在多種非線性力元，如非線性彈簧、非線性阻尼器以及非線性襯套等。這些力元自身結構復雜制約模型建立。因此，建立力學模型的基礎是ADAMS實驗結果。同時，在實驗模型的基礎上加大仿真精度。

橡膠襯套的數(shù)學模型為：

阻尼器阻力對非線性關系，在ADAMS中定義模型為：Fd=fd（v）。

1.3?輪胎模型制動力及動力總成模型

在操作穩(wěn)定性能中，輪胎模型穩(wěn)定性十分重要。本文以側偏實驗數(shù)據(jù)為建模參數(shù)，并通過三角函數(shù)表達輪胎側偏縱滑率、縱側向力以及側偏角等。其中，縱向力與側向力表達式為：;回正力矩表達式為：。動力總成則通過與車身相連的橡膠襯套作為輸出傳遞，根據(jù)車速進行動力輸出和PID（調節(jié)器控制器）控制。

1.4?整車多體模型

將前后懸架系統(tǒng)模型、轉向系統(tǒng)模型以及動力總成等模型與車身集成，建立多體精確模型中，根據(jù)前后懸架調整整車質心位置，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)調整各部件質心位置。根據(jù)實驗調整車輪參數(shù)定位。自由度公式為：。整車模型包括44個剛體，其中各種類型約束個數(shù)如下表1所示。其中，整車模型自由度利用自由度公式進行計算，整車自由度系數(shù)為102。同時，外接力元如下：4個懸架彈簧;40個橡膠襯套;4個阻尼器;兩個穩(wěn)定桿扭簧及制動力和輪胎力元各4個等。

表1：類型約束個數(shù)

類型

圓柱鉸

等速鉸

轉動鉸

移動鉸

齒輪條鉸

胡克鉸

個數(shù)

3

10

8

5

1

2

2.模型驗證

2.1?轉角脈沖瞬態(tài)實驗驗證

在實車實驗過程中，轉向盤轉角為仿真輸入對象，測量轉角間隙并在實驗轉向盤數(shù)據(jù)減去間隙數(shù)據(jù)，將處理后的數(shù)據(jù)作為仿真數(shù)據(jù)。測試結果顯示，仿真曲線較為平滑且試驗曲有高頻信號反應，實驗與仿真結果有一定的重合度。這說明仿真模型表達了該車動特性及精度，滿足實際需求。

3.仿真分析

3.1?平順性隨機路面輸入仿真

B級路面上對整車模型進行隨機輸入仿真，并以六種車速進行平順性仿真實驗。

仿真后得到不同車速下三個軸向加速時間，由于篇幅有限，只列出座椅各向及總的加權加速度均方根。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)顯示，當垂向加速低于31m/s2時，不會危害健康，在高于31m/s2并達到44m/s2時會有一定的危害性，大于44m/s2對健康不利。本次試驗中，最大車身垂向加速為7.8m/s2，低于危害值且在脈沖輸入下平順性較好。

3.2?平順性脈沖輸入仿真

平順脈沖仿真是平順實驗一種。本次研究在ADAMS軟件中，建立三維立體三角形路面，高60mm長40mm，仿真過程中車速從20Km/h逐步升至60Km/h，得到不同速度下車身垂向數(shù)據(jù)。下表1為平順路面仿真數(shù)據(jù)。

表1：不同車速下最大車身垂向

車速/Km·h-1

20

30

40

50

60

a?max/m·s-2

5.09

6.19

7.30

7.69

7.67

3.3?汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析

3.3.1?穩(wěn)態(tài)回轉仿真

作為車輛穩(wěn)定相應實驗，穩(wěn)態(tài)回轉是在一定狀態(tài)下，車輛轉向角和前進速度定值，使得車輛轉彎行駛半徑固定。穩(wěn)態(tài)回轉仿真研究過程中車速從4.5m/s加速至6.5m/s為仿真過程。下圖、圖?為仿真后行駛軌跡。

圖?：轉向半徑與側向加速關系??圖?：前后側偏角差與側向加速關系

3.3.2?轉向盤角階躍輸入

轉向盤角階躍輸入用來評價該車瞬態(tài)響應性能。根據(jù)GB/T6323.2-1994，仿真過程中時間為10s，車速為60Km/h，在1s后持續(xù)輸入時間0.2s，方向盤最大轉角為30°。隨后油門不變轉角不變。下圖為橫擺角速度及側向加速瞬態(tài)響應過程。從圖片中可以看出車輛瞬態(tài)響應性能良好。

圖?：橫擺角響應數(shù)據(jù)???????????圖?：側向加速瞬態(tài)響應數(shù)據(jù)

3.3.3?蛇行試驗

作為瞬態(tài)響應實驗的一種，蛇形試驗是評價車輛瞬態(tài)閉環(huán)的重要依據(jù)。往往使車輛在極限轉彎狀態(tài)下，反應車輛行駛的安全性、舒適性和穩(wěn)定性。本次研究中，仿真車輛通過30m標樁區(qū)域速度為65Km/s.測試結果顯示車輛在標準車速下，具有一定的操作性和穩(wěn)定性。

3.4?結論評價

通過ADAMS軟件建立包括轉向器、動力總成、車身制動系統(tǒng)以及前后懸架的整體車模型，研究ADAMS軟件如何作用于平順性以及整車操縱穩(wěn)定性，進行詳細優(yōu)化和運動學分析。同時，通過穩(wěn)態(tài)回轉工況仿真和蛇形試驗等一系列仿真實驗，結果表明該車具有一定的操控性且平順性較好。ADAMS軟件能對原始設計過程中，實現(xiàn)對原有設計參數(shù)的優(yōu)化和改進，同時能進行一定的分析和預存。

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