ADAMS/Car模塊在汽車操縱穩定性中的應用

王凱峰

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

ADAMS/Car模塊在汽車操縱穩定性中的應用

王凱峰

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文中簡單介紹了ADAMS/Car模塊，利用其建立了包括車身、懸架、轉向系統和輪胎等在內的整車多體動力學模型。進行了操縱穩定性的仿真，并將仿真結果與實車試驗結果進行對比，驗證了所建整車動力學模型的正確性。

ADAMS/Car；整車多體動力學模型；操縱穩定性；仿真

CLC NO.: U461.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-51-05

引言

在汽車的設計開發過程中，對操縱穩定性能的評價主要采用試驗評價方法，需經過多次樣車試制和反復試驗，花費的人力、物力、財力較大，且設計周期較長。采用ADAMS軟件建立的參數化車輛模型，在產品開發階段，可利用仿真分析結果對設計參數不斷進行修改，優化產品設計方案，降低成本、縮短設計周期。利用ADAMS/Car可以建立精確的整車虛擬樣機，從而準確地模擬汽車操縱穩定性、乘坐舒適性、安全性及其他各項性能試驗，同時可以比較容易地創建仿真試驗過程，或者根據數據再現試驗事件。

1、ADAMS/Car簡介[]1

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），即機械系統動力學自動分析，該軟件是美國MDI公司（Mechanical Dynamics Inc.）開發的虛擬樣機分析軟件。其中轎車模塊（ADAMS/Car）是MDI公司與Audi、BMW、Renault和Volvo等公司合作開發的整車設計軟件包，集成了他們在汽車設計、開發方面的專家經驗，能夠幫助工程師快速建造高精度的整車虛擬樣機，其中包括車身、懸架、傳動系統、發動機、轉向機構、制動系統等，用戶可以通過高速動畫直觀地再現在各種試驗工況下整車的動力學響應，并輸出標志操作穩定性、制動性、乘坐舒適性和安全性的特征參數，從而減少對物理樣機的依賴。其仿真工況包括：方向盤角階躍、斜坡和脈沖輸入、蛇行穿越試驗、漂移試驗、加速試驗、制動試驗和穩態轉向試驗等，同時還可以設定試驗過程中的節氣門開度、變速器檔位等。

2、整車多體動力學模型建立[2?3]

2.1 模型參數的獲取

建立車輛仿真模型所需的參數，可以歸納為四類：運動學（幾何定位）參數、質量參數（質量、質心與轉動慣量等）、力學特性參數（剛度、阻尼等特性）與外界參數（道路譜、風力等）。獲取模型參數有數種方法：查閱圖紙法、試驗法、計算法、CAD建模法等。以某商務車為例，為了方便在ADAMS/Car中建模，采用了如圖1所示的坐標系，該坐標系的原點是兩個前輪輪心連線的中點。

2.2 整車模型的建立[4]

首先將整車模型分割成懸架、車身、轉向系、制動系、輪胎、發動機等子系統分別建立；然后建立各子系統之間以及子系統與ADAMS/Car提供的試驗臺之間相互交換信息的輸入、輸出信號器“Communicator”；最后按系統組裝成整車多體動力學模型（如圖2所示）。下面介紹一下幾個主要子系統的建立：

A.前懸架系統

前懸架采用雙橫臂式獨立懸架，縱置扭桿彈簧，帶橫向穩定桿，該懸架上擺臂采用叉形結構，而下擺臂采用U形梁式結構，其各個零件的連接點坐標值如表1所示。

表1 前懸架各零件連接點處的坐標值

將懸架分為八個部件，他們分別如圖3所示。因為轉向節臂與主銷的相對位置固定，所以建模時將他們簡化成一個零件。這里重點要講到的是各個零件之間的連接，它們的位置在圖中分別用大寫字母表示了，表2列出了各處所用的連接方法。

表2 前懸架各處連接的方法及被連零件

其中，減震器（Damper）建立的時候需要用到一個減震器屬性文件（*.dpr），這種文件可以通過曲線工具或文本文件編輯器來編輯。這里的減震器是用記事本方式按照表3所編輯的，其特性曲線如圖4。

表3 前懸架減震器特性參數

模型的幾何部分建好之后，再添加一些今后組裝時必要的信號器（Communicator），為以后發動機、車輪、轉向系等子系統的組裝提供裝配信息和位置信息。建好夠的前懸架模型如圖5所示。

B.后懸架系統

后懸架為雙縱臂式非獨立懸架，彈簧采用變節距螺旋彈簧，以獲得其變剛度的效果。上、下縱擺臂以襯套分別與車身和后橋聯接，變剛度螺旋彈簧安裝在下縱擺臂和車身之間，減振器聯接車身與后橋，建模時阻尼特性與前懸架減振器一樣處理。橫向穩定桿兩端與車身以橡膠球鉸相連，中部又與后橋以橡膠襯套相連。

按其各連接處的坐標建模，各點的坐標值如表4。

表4 后懸架各零件連接點處的坐標值

后懸架的建模過程中，其它的都和前懸架類似，這里就不予復述，重點講一下后懸架特有的變節距螺旋彈簧的建模。這里采用Spline：F=f(defo)（載荷—變形曲線）來解決變剛度建模，具體操作為：在彈簧Stiffness Coefficient欄的下拉菜單中選擇Spline：F=f(defo) ，然后鼠標放在對應處，右鍵單擊彈出菜單條Spline，選擇Create ，彈出Spline編輯欄，根據實驗數據繪制載荷——變形曲線。繪制過程中要注意曲線之間的圓滑過渡。以下是實驗數據（表5）與模型仿真結果（圖6）的驗證，對兩者進行比較可以看出，模型的剛度與實驗數據吻合，所用方法可以解決變節距彈簧的建模問題。

表5 變節距螺旋彈簧實驗數據

建好各零件、連接、輸入輸出信息傳輸器之后，創建減震器特性文件并導入到后懸減震器，將彈簧特性文件也導入后懸彈簧，建成的模型如圖7。

C.前后輪胎

輪胎是汽車的重要組成部件，它不僅支撐整個汽車的重量，保證汽車與路面有良好的附著性能，傳遞驅動力矩和制動力矩，確定汽車的行駛方向，而且還和懸架系統共同緩和汽車在行駛過程中由于路面不平所受到的沖擊，衰減由此產生的振動。另外，在汽車行駛過程中由于輪胎的不均勻和不平衡還將產生振動。輪胎類型及參數的選取對汽車有很重要的影響。在

表6 輪胎特性參數

ADAMS中提供五種用于動力學仿真的輪胎模型：UA模型、

Fialia模型、Smithers模型、DELFT模型和用戶自定義模型，這里采用的是使用最廣泛的UA模型，其特性參數如表6。在ADAMS中，輪胎的特性是用文件表示的，對輪胎的建模可以用編輯文本文件的方法。

最后將各個建好的子系統模型組裝起來，形成整車模型。用

ADAMS/Car創建的整車動力學仿真分析模型如圖8所示。

3、操縱穩定性仿真[5]

整車建模完成后，即可進行汽車操縱穩定性仿真試驗。

(1)時域響應

A．方向盤角階躍試驗

將車速保持在80km/h，方向盤轉角為50°，起躍時間為0.4s，進行仿真。方向盤轉角、橫擺角速度仿真結果依次如圖9、10。

B．方向盤角脈沖試驗

將車速保持在60km/h，方向盤轉角為30°，脈沖時間為0.6s，進行仿真。方向盤轉角、橫擺角速度仿真結果依次如圖11、12。

C．回正能力試驗

仿真中汽車初始車速為40km/h，轉動方向盤使其圓周行駛并且使側向加速度達到0.4g，穩定后松開方向盤。具體仿真結果如圖13、14所示：

D．轉向盤單周正弦角輸入試驗

仿真中汽車以100km/h車速直線行駛，然后施加一個完整的正弦轉向輸入。具體仿真結果如圖15、16所示：

(2)頻域響應

轉向盤角正弦掃描輸入試驗是研究汽車頻域響應特性的一種重要方法。仿真中給方向盤正弦輸入，頻率從0.01Hz-4Hz連續變化，車速為60Km/h。具體仿真結果如圖17、18所示：

4、結束語

從以上所做工作可以看出，ADAMS/Car作為專門應用于汽車動力學的分析的模塊，由于從力學建模到動力學仿真分析的每一個過程都是參數化過程，能夠方便快捷的確定物理樣機的研制方案。因此ADAMS/Car在汽車動力學分析和仿真上應用很廣泛。

[1] 陳立平，張云清，任衛群，覃剛，等.機械系統動力學分析及ADAMS應用教程.北京：清華大學出版社，2005.

[2] MDI公司.Using ADAMS/Car.

[3] Shabana. Dynamics of Multibody Systems. Cambridge University Press. 1998.

[4] 時培成.基于虛擬樣機技術的汽車整車操縱穩定性研究:[碩士學位論文]. 合肥：合肥工業大學, 2005.

[5] 余志生.汽車理論(第三版).北京：機械工業出版社，2000.

3.5.4 改變E點Z坐標曲線變化趨勢：E點是平衡塊旋轉軸左端點，修改其Z坐標曲線劇烈變化。Z值越大，越不利于本側門碰撞，但有利于對側門碰撞。外把手開啟力也會減小。

3.5.5 改變加速度值曲線變化趨勢：將加速度從0逐漸升到130，加速度越大，不管是來自本側門的碰撞還是來自對側門的碰撞，都不利。

3.5.6 改變扭簧力矩值曲線變化趨勢：改變扭簧力矩值，曲線有明顯變化，扭簧力矩值增加，不管是來自本側門的碰撞還是來自對側門的碰撞，都有利，但外把手開啟力將會增大。

4、結論

本優化過程：先優化確定AB軸和EF軸各自坐標位置，后優化確定碰撞加速度為±65g的前提下，搜索：“不會導致主動開啟側門，且正常情況下外把手在開啟過程的開啟力范圍為35±15N”的扭簧扭矩值的范圍。通過優化計算，搜索到開啟扭簧的扭矩為0.251N·m，工作過程最大扭矩為0.501N·m。按優化結果輸出所有的設計參數，就是需要的最優設計方案，設計者可以在原布置的數據上重新輸入優化后的參數，實現優化方案設計應用。

參考文獻

[1] 李卓森．現代汽車造型[M]．北京：人民交通出版社．

[2] GB 15086 汽車門鎖及車門保持件的性能要求和試驗方法．

[3] 鐘志華.汽車碰撞安全技術.機械工業出版社.2006.

[4] 江淮汽車公司.QJQ 6118—車門外把手技術要求[S].合肥：江淮汽車公司.

Application of ADAMS/Car Module in Vehicle's Handling Stability

Wang Kaifeng
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

ADAMS/Car module is introduced simply in this paper, using ADAMS/Car to build a multi-body dynamics vehicle model that contains body、suspension、steering-system and tires etc. The simulations of handling stability had been carried out. In order to validate the vehicle model, the simulation results were compared with physical experiments.

ADAMS/Car; Multi-body Dynamics Vehicle Model; Handling Stability; Simulation

U461.6

A

1671-7988(2015)02-51-05

王凱峰，就職于就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，主要從事底盤系統設計開發工作。