基于ADAMS的汽車(chē)操縱穩(wěn)定性仿真分析

□ 尹漢琪 □ 黃秀玲 □ 唐亞麗 □ 沈黎明

上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海 200072

隨著世界各地經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與汽車(chē)技術(shù)的不斷改善，汽車(chē)的數(shù)量越來(lái)越多，頻繁發(fā)生的交通事故，使道路交通安全成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。安全性問(wèn)題成為擺在汽車(chē)專(zhuān)家面前的重要問(wèn)題，而對(duì)汽車(chē)行駛安全影響最大的因素是汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性［1］。

本文將凱越HRV型轎車(chē)作為參考對(duì)象,采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，利用機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件ADAMS中的CAR模塊建立整車(chē)仿真模型，目的是探究該款轎車(chē)整車(chē)的操縱穩(wěn)定性，以給實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供借鑒,從而縮短汽車(chē)的研發(fā)周期［2］。

1 整車(chē)模型的建立

實(shí)驗(yàn)室所采用的凱越HRV的主要特征參數(shù)見(jiàn)表1，用ADAMS/CAR從上到下建模，建模順序?yàn)槟０濉酉到y(tǒng)→總成。由于整車(chē)系統(tǒng)比較復(fù)雜，在ADAMS/CAR中建立仿真模型時(shí)，可以將車(chē)輛分成幾個(gè)子系統(tǒng)，先建立各個(gè)子系統(tǒng)模型，再建立各個(gè)子系統(tǒng)間的通信端口命令，最后裝配成整車(chē)仿真模型，如圖1所示。

主要結(jié)構(gòu)為：前懸架采用麥弗遜式獨(dú)立懸架［3］，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，后懸架采用多連桿式獨(dú)立后懸架，制動(dòng)系簡(jiǎn)化為一制動(dòng)力矩發(fā)生器，采用了ADAMS/CAR數(shù)據(jù)庫(kù)中內(nèi)置發(fā)動(dòng)機(jī)模塊，225/45 R18的輪胎。

2 整車(chē)操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)仿真與分析

目前，各國(guó)采用的整車(chē)操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法較多，本文主要通過(guò)已建好的整車(chē)模型進(jìn)行蛇形試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向盤(pán)角階躍輸入、轉(zhuǎn)向盤(pán)角脈沖輸入、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性的試驗(yàn)研究。

▲圖1 車(chē)身模型圖

2.1 蛇形試驗(yàn)仿真

蛇行試驗(yàn)是一種典型的行駛工況性能試驗(yàn)，它可以評(píng)價(jià)汽車(chē)的隨動(dòng)性、收斂性、方向操縱穩(wěn)定性等。實(shí)踐中如果采用實(shí)車(chē)進(jìn)行測(cè)試，則具有很大的危險(xiǎn)性，因此，可以采用虛擬樣機(jī)對(duì)轎車(chē)進(jìn)行仿真蛇行試驗(yàn)。

表1 實(shí)驗(yàn)室凱越HRV型主要特征參數(shù)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6323.1-1994［4］的試驗(yàn)方法，蛇行試驗(yàn)仿真需要進(jìn)行標(biāo)樁設(shè)置，對(duì)于中小型汽車(chē)L=30 m。仿真時(shí)讓汽車(chē)以65 km/h的車(chē)速勻速直線(xiàn)行駛，然后蛇行通過(guò)試驗(yàn)路段，汽車(chē)在行駛時(shí)不能碰到標(biāo)樁。汽車(chē)行駛軌跡如圖2虛線(xiàn)所示，整車(chē)處于滿(mǎn)載狀態(tài)。

圖3～圖6分別是當(dāng)車(chē)速為50 km/h、65 km/h及70 km/h時(shí)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度、橫擺角速度、車(chē)身側(cè)傾角隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線(xiàn)。

由以上曲線(xiàn)圖可知，在車(chē)速相對(duì)較低的情況下，汽車(chē)具有較好躲避障礙物的性能。隨著車(chē)速的提高，汽車(chē)的橫擺角速度、側(cè)向加速度、車(chē)身側(cè)傾角等響應(yīng)時(shí)間比低速時(shí)要明顯短很多，同時(shí)，響應(yīng)時(shí)間雖然縮短了，但是各參數(shù)的峰值明顯變大，車(chē)輛回避障礙物的性能有所降低。

▲圖2 蛇行試驗(yàn)軌跡曲線(xiàn)

▲圖3 不同車(chē)速時(shí)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

▲圖5 不同車(chē)速時(shí)橫擺角速度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

▲圖4 不同車(chē)速時(shí)側(cè)向加速度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

2.2 方向盤(pán)角階躍輸入試驗(yàn)仿真

根據(jù)國(guó)標(biāo) GB/T6323.2-94［5］規(guī)定的試驗(yàn)方法,首先以初始速度為90 km/h的車(chē)速進(jìn)行仿真，擋位設(shè)為5擋，初始方向盤(pán)轉(zhuǎn)角為0°，方向盤(pán)終止轉(zhuǎn)角為60°，仿真持續(xù)時(shí)間為20 s，在3 s時(shí)給方向盤(pán)一個(gè)階躍輸入并之后保持方向盤(pán)轉(zhuǎn)角不變，記錄仿真過(guò)程中的汽車(chē)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

2.2.1 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角仿真

由圖7可知，前3 s內(nèi)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角均無(wú)變化，從第3 s開(kāi)始的瞬間，由于給其一個(gè)階躍輸入，方向盤(pán)轉(zhuǎn)角瞬間由0°變化到60°，起階時(shí)間大約是0.2 s，并最終穩(wěn)定在起初設(shè)置的60°轉(zhuǎn)角值，車(chē)輛由起初的等速直線(xiàn)行駛經(jīng)短暫時(shí)間后進(jìn)入等速圓周行駛，這也說(shuō)明車(chē)速對(duì)于方向盤(pán)轉(zhuǎn)角幾乎沒(méi)有影響。

2.2.2 側(cè)向加速度仿真

本系統(tǒng)[1]根據(jù)氣調(diào)庫(kù)內(nèi)的果蔬貯藏環(huán)境要求，設(shè)計(jì)了一種以STM32F103rct6為微處理器，通過(guò)空氣溫濕度傳感器、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器對(duì)氣調(diào)庫(kù)內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)[2]監(jiān)測(cè)平臺(tái)，便于工作人員實(shí)時(shí)查看處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)果蔬氣調(diào)庫(kù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，維持果蔬最理想的貯藏環(huán)境，保質(zhì)貯存期可達(dá)2～4個(gè)月。

圖8是當(dāng)車(chē)速分別為80 km/h、100 km/h和120 km/h時(shí)汽車(chē)側(cè)向加速度隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線(xiàn)圖。

▲圖7 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

▲圖6 不同車(chē)速時(shí)車(chē)身側(cè)傾角隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

由圖8可看出，當(dāng)車(chē)速為80 km/h時(shí)，汽車(chē)能很快進(jìn)入并達(dá)到穩(wěn)態(tài)，側(cè)向加速度穩(wěn)態(tài)值大約為0.5 m/s2，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間較短；隨著車(chē)速的進(jìn)一步提高，汽車(chē)達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間、穩(wěn)態(tài)值均增大，過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定，說(shuō)明該車(chē)的操縱穩(wěn)定性在時(shí)速低于120 km/h時(shí)表現(xiàn)十分良好。

2.2.3 側(cè)傾角仿真

由圖9可知，當(dāng)車(chē)速為80 km/h時(shí)，汽車(chē)很快就能達(dá)到穩(wěn)態(tài)，車(chē)身側(cè)傾角穩(wěn)態(tài)值約為1.7°；當(dāng)車(chē)速提高到100 km/h時(shí)，汽車(chē)達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需要的時(shí)間及穩(wěn)態(tài)值均有所增加，但過(guò)渡過(guò)程仍十分穩(wěn)定；隨著車(chē)速的進(jìn)一步提高，當(dāng)車(chē)速達(dá)到120 km/h時(shí)，汽車(chē)需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但過(guò)渡過(guò)程仍較穩(wěn)定，說(shuō)明該車(chē)的汽車(chē)操縱穩(wěn)定性較好。

2.2.4 橫擺角速度仿真

▲圖8 側(cè)向加速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

▲圖9 側(cè)傾角隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

▲圖1 0 橫擺角速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

▲圖1 1 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

▲圖1 2 橫擺角速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

▲圖1 3 側(cè)傾角隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

由圖10可知，當(dāng)車(chē)速為80 km/h時(shí)，汽車(chē)的橫擺角速度很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)橫擺角速度值大約為12.5（°）/s，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間約為1 s，此時(shí)橫擺角速度的超調(diào)量約為44%；隨著車(chē)速的進(jìn)一步提高，達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需要的時(shí)間、超調(diào)量均進(jìn)一步增大，過(guò)渡過(guò)程也較穩(wěn)定。

2.3 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗(yàn)仿真

角脈沖試驗(yàn)主要考察整車(chē)受到外界干擾后,恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)前的一段時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出來(lái)的特性，它通過(guò)幅頻特性和相頻特性圖來(lái)分析整車(chē)瞬態(tài)響應(yīng)的能力。根據(jù)GB/T6323.3-1994［6］規(guī)定設(shè)置方向盤(pán)角脈沖輸入仿真工況，整車(chē)模型的車(chē)速按該車(chē)最高車(chē)速的70%并取為10的整數(shù)倍計(jì)算。本文分別取車(chē)速為80 km/h、100 km/h、120 km/h作直線(xiàn)行駛，然后給轉(zhuǎn)向盤(pán)一個(gè)三角脈沖轉(zhuǎn)角輸入，試驗(yàn)時(shí)向左（或向右）轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)，并迅速轉(zhuǎn)回原處（允許及時(shí)修正）保持不動(dòng)，直至汽車(chē)恢復(fù)到直線(xiàn)行駛位置，記錄全過(guò)程。轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角輸入脈寬為0.3 s，方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角幅值為120°，脈沖開(kāi)始輸入的時(shí)間為5 s,之后方向盤(pán)回轉(zhuǎn)到原位并保持不動(dòng)，直到仿真結(jié)束，見(jiàn)圖11。

▲圖1 4 側(cè)向加速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

2.4 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)仿真

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性仿真試驗(yàn)是當(dāng)轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角輸入達(dá)到穩(wěn)定時(shí)對(duì)汽車(chē)行駛狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)橫擺響應(yīng)的測(cè)試，有理論指出，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性決定了汽車(chē)作為一個(gè)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向輸入下是否穩(wěn)定的充分條件。當(dāng)汽車(chē)的車(chē)速V達(dá)到或大于臨界車(chē)速Vcr時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)過(guò)多轉(zhuǎn)向，這時(shí)即使受到輕微的轉(zhuǎn)向干擾，汽車(chē)也會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。現(xiàn)代汽車(chē)在設(shè)計(jì)階段，首先都要對(duì)其模型進(jìn)行模擬計(jì)算分析，得到該車(chē)模型的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性，在產(chǎn)品制造出來(lái)以后，還要進(jìn)行實(shí)況實(shí)車(chē)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性試驗(yàn)的測(cè)定，由此可見(jiàn)其在操縱穩(wěn)定性中的重要意義。

▲圖1 5 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向仿真實(shí)驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置

▲圖1 6 方向盤(pán)轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)

本次仿真試驗(yàn)是根據(jù)GB/T 6323.6-1994的規(guī)定進(jìn)行的，采用的是穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中的定半徑轉(zhuǎn)彎法。在本次穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)中，設(shè)置整車(chē)模型最低車(chē)速為20 km/h，以半徑為30 m的圓形軌跡作為試驗(yàn)路徑，使整車(chē)模型沿該圓形軌跡行駛，并逐漸增大車(chē)速，得到不同的側(cè)向加速度值，從而進(jìn)一步評(píng)價(jià)整車(chē)的不足轉(zhuǎn)向或過(guò)多轉(zhuǎn)向。在模型進(jìn)入行駛路徑并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，開(kāi)始記錄并在10 s內(nèi)保持一定油門(mén)和方向盤(pán)位置不動(dòng)，完成之后停止記錄。本次仿真試驗(yàn)前具體初始參數(shù)設(shè)置如圖15所示。

由圖16～圖18可知：轉(zhuǎn)角隨時(shí)間增加呈上升趨勢(shì)，側(cè)向加速度隨時(shí)間變化而增大，整車(chē)前后輪側(cè)偏角之差基本維持在0附近，呈現(xiàn)輕微適度的不足轉(zhuǎn)向。

3 總結(jié)

以凱越HRV型車(chē)為研究對(duì)象，利用虛擬樣機(jī)軟件ADAMS中CAR模塊，建立了整車(chē)仿真模型，并對(duì)所建的模型進(jìn)行仿真，同時(shí)，利用ADAMS后處理模塊的仿真結(jié)果進(jìn)行了研究分析，最后深入討論了影響操縱穩(wěn)定性的幾個(gè)因素，結(jié)論如下。

▲圖1 7 側(cè)向加速度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)

▲圖1 8 前后輪側(cè)偏角隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)

（1）建立了凱越HRV車(chē)前懸架系統(tǒng)、后懸架系統(tǒng)、輪胎系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等子系統(tǒng)以及整車(chē)仿真模型。

（2）按照操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法GB/T 6323-1994的規(guī)定，對(duì)該整車(chē)模型進(jìn)行了仿真試驗(yàn)分析，結(jié)果表明：該車(chē)的整車(chē)操縱穩(wěn)定性性能一般。

（3）利用ADAMS/CAR軟件試驗(yàn)平臺(tái)能夠很好的滿(mǎn)足整車(chē)虛擬樣機(jī)的建模仿真和試驗(yàn)要求，減少了試驗(yàn)成本和試驗(yàn)周期，豐富了汽車(chē)性能分析的手段。

［1］ 余志生.汽車(chē)?yán)碚摚ǖ?5版）［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

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