整車多體動力學模型的建立、驗證及仿真分析

張宇

摘?要：隨著車速的不斷提升，整車的穩定性能備受矚目。作為復雜的機械系統，人、車、外界載荷環境等相互作用下，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，考慮轉向系統及前后懸架的幾何參數，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、懸架的運動學約束，來用非曲線襯套模擬實際力學特征。同時考慮轉向系統及前后懸架的幾何參數，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，分析樣車的穩定性能及可操控性等相關特點，對仿真模型進行瞬態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?多體系統動力學定義

ADAM利用連體坐標多慣性坐標姿態和位置為廣義坐標，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

在操作穩定性能中，輪胎模型穩定性十分重要。本文以側偏實驗數據為建模參數，并通過三角函數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，根據車速進行動力輸出和PID（調節器控制器）控制。

1.4?整車多體模型

將前后懸架系統模型、轉向系統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，根據前后懸架調整整車質心位置，根據實驗數據調整各部件質心位置。根據實驗調整車輪參數定位。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

類型

圓柱鉸

等速鉸

轉動鉸

移動鉸

齒輪條鉸

胡克鉸

個數

3

10

8

5

1

2

2.模型驗證

2.1?轉角脈沖瞬態實驗驗證

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據減去間隙數據，將處理后的數據作為仿真數據。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。根據測得的數據顯示，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據。下表1為平順路面仿真數據。

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?汽車操縱穩定性仿真分析

3.3.1?穩態回轉仿真

作為車輛穩定相應實驗，穩態回轉是在一定狀態下，車輛轉向角和前進速度定值，使得車輛轉彎行駛半徑固定。穩態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響應性能。根據GB/T6323.2-1994，仿真過程中時間為10s，車速為60Km/h，在1s后持續輸入時間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響應過程。從圖片中可以看出車輛瞬態響應性能良好。

圖?：橫擺角響應數據???????????圖?：側向加速瞬態響應數據

3.3.3?蛇行試驗

作為瞬態響應實驗的一種，蛇形試驗是評價車輛瞬態閉環的重要依據。往往使車輛在極限轉彎狀態下，反應車輛行駛的安全性、舒適性和穩定性。本次研究中，仿真車輛通過30m標樁區域速度為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定性，進行詳細優化和運動學分析。同時，通過穩態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，實現對原有設計參數的優化和改進，同時能進行一定的分析和預存。

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