但世群

摘 要：汽車底盤是車輛的核心系統(tǒng)，而懸架系統(tǒng)又是底盤的重要組成部分。懸架系統(tǒng)對(duì)整車行駛動(dòng)力學(xué)（如操縱穩(wěn)定性、行駛平順性等）有舉足輕重的影響，懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性會(huì)對(duì)整車的性能造成影響。操縱性是按駕駛員的意志操縱汽車方面的性能，穩(wěn)定性是即使受到干擾后恢復(fù)原來(lái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力，兩者相互聯(lián)系，不可分開，穩(wěn)定性的好壞直接影響操縱穩(wěn)定的結(jié)果。本文以目標(biāo)車型為研究對(duì)象，以虛擬樣機(jī)CAE仿真技術(shù)為前提，采用虛擬樣機(jī)仿真軟件ADAMS/Car模塊來(lái)分析懸架和整車的性能。

關(guān)鍵詞：懸架系統(tǒng)；懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)；操縱穩(wěn)定性；虛擬樣機(jī)；ADAMS/Car

1 引言

懸架桿系的設(shè)計(jì)，使得整車姿態(tài)受到不同路面和工況是產(chǎn)生不同的變化，乘坐人員會(huì)感覺到路面的顛簸等不適，也會(huì)造成交通安全隱患。所以，汽車懸架不同的結(jié)構(gòu)、不同桿系的設(shè)計(jì)具有重要的研究意義，如何提高桿系的剛度、模態(tài)及壽命，并將這種對(duì)整車姿態(tài)的影響減小，從而提高整車的行駛穩(wěn)定性和操縱方便性，提高消費(fèi)者的滿意度，也提高我們自主品牌的知名度。

隨著理論研究的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生?；诙囿w動(dòng)力學(xué)理論的虛擬樣機(jī)技術(shù)是當(dāng)前設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)，它可以在各種虛擬環(huán)境中真實(shí)的模擬產(chǎn)品整體的運(yùn)動(dòng)及受力情況等，快速分析多種設(shè)計(jì)方案。使用虛擬樣機(jī)技術(shù)，不但可以縮短開發(fā)周期，而且大大提供了設(shè)計(jì)質(zhì)量[1]。

本文主要依托某公司自選SUV項(xiàng)目，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，先在Adams/Car模塊中創(chuàng)建前懸架總成、后懸架總成和整車模型，然后依據(jù)汽車行業(yè)關(guān)于操縱穩(wěn)定性性的試驗(yàn)方法，對(duì)它們進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助仿真分析，并且按照國(guó)標(biāo)要求給出整車的評(píng)價(jià)，并初步探討了影響操縱穩(wěn)定性的因素。

2 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模與求解過(guò)程

一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)，從初始的幾何模型，到動(dòng)力學(xué)模型的建立，經(jīng)過(guò)對(duì)模型的數(shù)值求解，最后得到分析結(jié)果，其流程如圖1所示[2]。

多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象一般比較復(fù)雜的多體系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)和連接方式也是多種多樣的，這個(gè)動(dòng)力學(xué)方程帶來(lái)很大困難；并且系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程多為高階非線性方程，所以動(dòng)力學(xué)方程的建立和求解都必須由計(jì)算機(jī)去完成。多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究方法主要有經(jīng)典力學(xué)、圖論方法、凱恩方法、變分方法、旋量方法[3]。

國(guó)內(nèi)外主機(jī)廠通常采用Adams/Car軟件來(lái)進(jìn)行汽車多體建模和分析，并通過(guò)及后處理獲得試驗(yàn)曲線和動(dòng)畫。下圖2，圖3，圖4是根據(jù)某SUV的各種輸入建立的前懸、后懸和整車虛擬樣機(jī)模型。

整車模型通過(guò)11個(gè)旋轉(zhuǎn)副、8個(gè)球副及14個(gè)固定副等進(jìn)行約束，模型的自由度為103個(gè)，整車主要性能參數(shù)如下：

長(zhǎng)×寬×高（mm）4260×1804×1740

前/后輪距（mm） 1545/1540

軸距（mm） 2576

空載質(zhì)量（kg） 1640

滿載質(zhì)量（kg） 2070

前/后懸架剛度（N/mm） 21.3/22.2

3 典型工況分析結(jié)果

進(jìn)入新時(shí)代，各主機(jī)廠均基于國(guó)際、國(guó)標(biāo)形成自己的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)國(guó)標(biāo)主要有以下常見的試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法[4]-[9]。限于篇幅，本文只給出穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)工況的分析結(jié)果。依據(jù)國(guó)標(biāo)“汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)”的要求，以比較低的車速使得能在半徑為15m的圓周上行駛；維持轉(zhuǎn)向盤的角度，逐漸加速待該SUV側(cè)向加速度0.65g，期間應(yīng)注意縱向加速度不能超過(guò)0.25g，具體分析結(jié)果如下圖5，圖6，圖7，圖8和表1。

由下圖和表分析可知，該SUV中性轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向加速度、不足轉(zhuǎn)向梯度和整車側(cè)傾角梯度具有較好的計(jì)算結(jié)果，說(shuō)明該車具有很好的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性。

4 影響操縱穩(wěn)定性因素的探討

影響汽車操縱穩(wěn)定性的因素有很多，本文選取了幾個(gè)主要的汽車特征參數(shù)，包括質(zhì)心高低、質(zhì)心前后位置和整車載荷等。通過(guò)仿真對(duì)比來(lái)分析這些特征參數(shù)的變化對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性所造成的不同影響，對(duì)整車的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

4.1 質(zhì)心高低對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響

改變質(zhì)心高度進(jìn)行仿真分析對(duì)比（以轉(zhuǎn)向角階躍輸入為例）：定義三種狀態(tài)：Design：原車質(zhì)心高度；Higher：質(zhì)心抬高50mm；Lower：質(zhì)心降低50mm。下圖是各質(zhì)心高度的仿真曲線對(duì)比：

從下圖中可以看出，質(zhì)心高度不同時(shí)，對(duì)汽車的瞬態(tài)響應(yīng)性能影響較為明顯，質(zhì)心抬高時(shí)，轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入后，汽車的橫擺角度和側(cè)向加速度減小，橫擺角度響應(yīng)時(shí)間和側(cè)向加速度響應(yīng)時(shí)間明顯延后，同時(shí)汽車的側(cè)傾角也明顯增大。而質(zhì)心降低時(shí)，橫擺角速度和側(cè)向加速度響應(yīng)時(shí)間縮短，汽車的側(cè)傾角也明顯減小。因此，適當(dāng)?shù)慕档唾|(zhì)心高度可以提高汽車的瞬態(tài)響應(yīng)特性，有利于整車的操縱穩(wěn)定性。

4.2 質(zhì)心前后位置對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響

改變質(zhì)心前后位置進(jìn)行仿真分析對(duì)比（以轉(zhuǎn)向角階躍輸入為例）：定義三種狀態(tài)：Design：原車質(zhì)心位置；Front：質(zhì)心前移100mm；Rear：質(zhì)心后移100mm。下圖是各質(zhì)心位置的仿真曲線對(duì)比：

從上圖中可以看出，質(zhì)心前移100mm后，汽車的側(cè)向加速度和橫擺角速度都明顯增大，側(cè)向加速度和橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間增加，同時(shí)汽車的側(cè)傾角增大。質(zhì)心后移100mm后，汽車的側(cè)向加速度和橫擺角速度有所減小，響應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間也明顯縮短，同時(shí)汽車的側(cè)傾角也明顯減小。因此，對(duì)本車來(lái)說(shuō)略微后移有利于整車的操縱穩(wěn)定性。

4.3 不同載荷對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響

改變整車載荷進(jìn)行仿真分析對(duì)比（以轉(zhuǎn)向角階躍輸入為例）：定義兩種狀態(tài)：Curb Weight：原車載荷；Full Weight：滿載。下圖是各載荷的仿真曲線對(duì)比：

從上圖中可以看出，滿載時(shí)汽車的橫擺角速度和側(cè)向加速度的峰值比空載時(shí)小，車身的側(cè)傾角也比空載時(shí)明顯較小。橫擺角速度和側(cè)向加速度的超調(diào)量也增大，橫擺角速度和側(cè)向加速度響應(yīng)時(shí)間也有所延長(zhǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合對(duì)某SUV的整車的GB典型6種工況的整車開環(huán)和閉環(huán)工況的仿真分析，分析研究每個(gè)試驗(yàn)的各個(gè)具體結(jié)果，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行總體的結(jié)果為90.5分，符合標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明該SUV具有良好的操縱穩(wěn)定性，也虛擬樣機(jī)的建模及操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)仿真的正確性得到了驗(yàn)證，體現(xiàn)了在現(xiàn)代汽車開發(fā)中虛擬樣機(jī)技術(shù)具有了重要的作用。這對(duì)于我們汽車的開發(fā)、調(diào)教及后續(xù)的改進(jìn)減少了多輪物理樣機(jī)投入，節(jié)省了公司成本、提高了效率，為新產(chǎn)品的投產(chǎn)贏得了時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

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