ADAMS在汽车操纵稳定性中的应用研究

收稿日期：’""’$!’$’)*

作者简介：刘红军（!+#,$）

，男，江苏丹徒人，武汉理工大学汽车工程学院硕士研究生*-.-/0在汽车操纵稳定性中的应用研究

刘红军，明平顺，程远会，马

飞

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉%(""#"

）摘

要：利用-.-/0软件建立了某轿车的整车多体仿真近似模型；

详细考虑了前悬架系统、转向系统和轮胎，以及各种联接件中的弹性的影响，对不同车速，不同载荷下的操纵稳定性进行了动力学仿真。用参数化设计来指导产品设计，能缩短开发周期。

关键词：多体系统动力学；车辆动力学；操纵稳定性；仿真系统中图法分类号：1’#"*!

文献标识码：-

!引

言

数字化虚拟样机技术是缩短车辆研发周期、降低开发成本、提高产品设计和制造质量的重要途径。随着虚拟产品开发、虚拟制造技术的逐渐成熟，计算机仿真技术得到大量应用。系统动力学仿真是数字化虚拟样机的核心、关键技术。对汽车而言，车辆动力学性能尤为重要。为了降低产品开发风险，在样车制造出之前，利用数字化样机对车辆的动力学性能进行计算机仿真，并优化其参数就显得十分必要了。

对操纵稳定性的研究常采用仿真分析方法和试验方法来进行。仿真分析是在计算机上建立简化到一定程度的模型，输入驾驶员对汽车的各种操纵信号，解算出系统的时域响应和频域响应，以此来表征汽车的操纵稳定性能。因为仿真分析花费时间短，可在计算机上重复进行，对各种设计方案进行快速优化对比，并且可实现试验条件下不能进行的严酷工况分析，因此该方法日益被人们采用。建立整车仿真模型常有多种方法，笔者应用机械系统运动学、动力学仿真分析软件-.-/0

，来建立仿真模型，并对不同车速、不同载荷下的操纵稳定性进行了动力学仿真。

美国/.2（/345678469.:76;84<，274*）开发的-.-/0软件是通用机械系统仿真软件。在应用其分析车辆系统动力学时，首先由其他=-.软件设计各种形状的零部件，或直接由-.-/0来建立。然后，在模型的物体之间，通过约束库、运

动发生器以及广义力和力矩等施加约束，建立车辆系统的仿真模型。

’仿真模型与参数准备

’*!建立前悬架系统仿真模型的步骤

研究系统动力学，建立仿真模型，归纳起来有以下几个典型步骤：

（!）机械系统的物理抽象；（’

）获取模型的运动学（几何定位）参数，建立抽象系统的运动部件和约束，从而建立运动学模型。校验模型的自由度及正确性；

（(）获得模型的动力学参数，定义模型中部件、铰链与弹性元件及外界条件，如道路模型、轮胎模型等的特性，建立动力学模型；

（%

）对动力学模型进行调整与仿真计算；（)

）对仿真计算结果进行后处理。’*’建立车辆仿真模型的参数准备在仿真模型建立后，模型参数的精度，是影响模型分析精度的主要因素。因此，对于模型参数的准备工作，必须引起仿真分析人员的高度重视。笔者认为，建立车辆仿真模型所需的参数，可以总

结归纳为如下%类［!］：

（!

）几何定位参数。在应用多体系统动力学理论建立车辆仿真模型，需要依据车辆的具体结构型式，在模型中输入各运动部件之间的安装连接位置与相对角度等参数。这些参数决定了车辆各运动部件的空间运动关系。

（’

）质量参数。质量、质心与转动惯量等；力第’)卷第%期武汉理工大学学报・信息与管理工程版>?9*’)@?*%

’""(年,月

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*’""(万方数据

（!）外界参数。它主要包括道路谱和风力等。

（"）获得模型参数的方法。它主要包括图纸查阅法、实验法、计算法和#$%建模法等。在最后仿真时。可采取设计变量来改变这些参数使性能达到最优解。

&’!整车系统近似模型

使用$%$()／*+,-［&］中创建汽车的整车近似模型（*,.+#/,’0+1）。其中悬架部分的主销长度为!!233，主销内倾角425，主销后倾角为&’65，上横臂长为!6233，上横臂在汽车横向平面的倾角为445，上横臂轴水平斜置角为765，下横臂长62233，下横臂在汽车横向平面的倾角为8’65，下横臂轴水平斜置角为425，车轮前束角为2’&5。轴距!为!!2233，轮距"为4922 33，载荷4:22;<。车身质量就近似考虑为模型中的球形质点。总的模型组成如图4所示，通过优化以上各个设计变量来达到优化此系统模型。

另外根据轮胎和路面谱的特性参数，可以编制$%$()／*+,-中的轮胎特性文件（=>?@’=A B）和路面特性文件（?C D E’?E B）［!］。为了进行转向工况仿真，采用了基于轮胎侧偏特性试验数据，考虑侧滑、纵滑工况的轮胎侧偏特性理论模型———F$轮胎模型，有关F$轮胎模型参数（满载）可参考表4

。

图4整车近似模型表4满载时前后轮胎有关参数

参数名称前轮后轮

车轮自由半径#

4

／33!"2!"2

胎体半径#

&

／3394’494’4

径向刚度$

1

／1・33!6&’8&!6"’G9

纵向滑移刚度$

)

／16’9,":’2,"

侧偏刚度$

$

／1・H D E74!!6G6’:!4"’"

外倾刚度$

I

／1・H D E7494"!’84&6G9’:

滚动阻力偶臂!／33:’4&:’4&

径向阻尼比!2’2"2’2"

车轮无滑动时的摩擦系数%

22’862’86

车轮纯滑动时的摩擦系数%

42’G62’G6

&’"操纵稳定性的评价参数

操纵稳定性的评价指标参数较多，这里仅用

下面最常用的参数来评价该车的操纵稳定性［"］：（4）转弯半径

#&（4’()*&）)#2，

式中，(为稳定性因数；*为车速，#

2

&（+)

!）／!。

（&）横摆角速度的稳态值,

2：汽车到达稳态

回转时绕质心垂直轴转动的角速度。

（!）侧向加速度的稳态值-

.2

：汽车到达稳态

回转时指向汽车横轴方向的加速度。

（"）横摆角速度的峰值,

3D J

：汽车在过渡过

程中横摆角速度的最大值。

（6）侧向加速度的峰值-

.3D J

：汽车在过渡过

程中侧向加速度的最大值。

!操纵稳定性仿真结果

!’4稳态转向分析

整车模型在车速为"2;3／K时的稳态转向

的运动轨迹如图&示。分析结果可从后处理得

到。该车的转向直径约为后处理&&3。

在实际分析中，前转向轮以相同的转速转动，

未考虑差速器对内外转向轮转速的调整，是造成

仿真计算得出的转向半径偏大的主要原因。其

次，转向时的车速较高，车身的侧向加速度较大，

造成车轮的侧滑，是造成仿真计算得出的转向半

径偏大的次要原因。另外，未能进行轮胎外特性

4

6

第&6卷第"期刘红军等：$%$()在汽车操纵稳定性中的应用研究万方数据

图!稳态转向的运动轨迹

试验，轮胎的相关特性参数参考相应轮胎的数据，对仿真计算得出的转向半径的影响不可忽略。轮胎侧偏刚度影响，特别是前后轮胎的侧偏刚度的匹配，对转向特性具有较大的影响。

"#!不同车速下的操纵稳定性

使仿真模型在满载条件下，以!$%&／’、($ %&／’、)$%&／’、*$%&／’和+$$%&／’匀速行驶，汽车的横摆角速度和侧向加速度响应曲线如图" !(所示。曲线+、!、"、(、,分别表示车速为!$ %&／’、($%&／’、)$%&／’、*$%&／’和+$$%&／’匀速行驶时的情况，从图中可以清楚地看到，随着车速的增加，汽车横摆角速度和侧向加速度波动越来越大，在+$$%&／’时，

波动已十分明显。

图"

横摆角速度响应曲线

图(侧向加速度响应曲线

"#"同一车速不同载荷下的操纵稳定性

在同一车速下（)$%&／’），使汽车分别装载

不同的载荷：空载、+／(最大装载质量、+／!最大装载质量、"／(最大装载质量和满载。由于轮胎的侧偏刚度与载荷有关，因此不同载荷下的轮胎侧偏刚度是不同的，不同载荷下的汽车横摆角速度和侧向加速度响应曲线如图,、图)所示，+、!、"、(、,分别表示,种不同!

次的响应曲线。

图,

横摆角速度响应曲线

图)侧向加速度响应曲线

因为汽车是一复杂的多体系统，与经典方法相比，它建模的工作量明显较大，而且建模者需有较强的力学背景知识，加上车辆动力学的各种工况的复杂性，以及建模中输入变量、输出变量的复杂性，使一般的产品设计人员较难直接应用多体通用程序进行虚拟样机模拟来解决实际问题。因此，国外的汽车公司均在多体商品化软件基础上开发有自己特色的虚拟样机仿真系统，如福特公司的-.-/0／123，40565公司的-.-/0／40565，大约!*个主要汽车公司拥有在-.-/0基础上二次开发的专用仿真系统，

所以笔者在模型的基础上，利用-.-/0下的.4-7:8;二次开发功能［!］，在对话框中改变各构件的几何参数：方向盘转角、左右车轮上下跳动量、上下摆臂安装参数、载荷、轮距及轴距，而其他的拓扑结构不变，多次仿真来考察整个系统运动和受力情况。

!

,武汉理工大学学报・信息与管理工程版

!$$"年*月万方数据

!结

论

利用"#"$%软件把分散的零部件设计和分析技术揉合在一起，以提供一个全面了解产品性能的方法，并通过仿真分析中的反馈信息指导设计，建立了某汽车的前悬架转向系统模型，并进行了不同车速，不同载荷下的操纵稳定性仿真，从设计—试验—改进设计—再试验—再设计的设计理念转为设计—仿真—试验，使设计中的主要问题利用数字化样机技术在设计初期得以解决。尤其在今后考虑"&%、’(%等动力学与控制集成问题多体系统动力学方面必将显示更大的作用。

参考文献：

［)］余志生*汽车理论［$］*北京：

机械工业出版社，)+,+*

［-］$./0123/14#5

2163/72/*"#"$%／879:;<3=.>12=?2432.@.4A ［9&／?B ］*0C C A ：／／43/A D D D *.A E 4*/0／1=16>*1>A

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