基于ADAMS-Car的汽車建模與仿真研究

么鳴濤 曹鋒 曲勁松 李勇 李丹 王旭鵬

摘 要：為了有效應(yīng)用多體動力學(xué)軟件ADAMS/Car進(jìn)行車輛動力學(xué)研究，介紹并建立了包括汽車底盤、車身、轉(zhuǎn)向、前后懸架、輪胎、動力總成等分系統(tǒng)的汽車整車模型，將整車系統(tǒng)簡化為單自由度的質(zhì)量-剛度-阻尼系統(tǒng)，建立微分方程，分別應(yīng)用Matlab/Simulink和ADAMS/Car兩種仿真方法，對整車模型進(jìn)行了正弦激勵輸入下的仿真，比較計算結(jié)果可知達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的車身響應(yīng)曲線非常吻合。研究表明：基于ADAMS/Car建立的整車多體動力學(xué)模型準(zhǔn)確，可以用于實(shí)際車輛的仿真研究。

關(guān)鍵詞：多體動力學(xué);車輛動力學(xué);單自由度;質(zhì)量-剛度-阻尼系統(tǒng);正弦激勵

中圖分類號：U462.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）05-138-05

Abstract： In order to effectively apply multi-body dynamics software ADAMS/Car to the research on vehicle dynamics， the whole model including automobile chassis， body， front and rear suspensions， tires and powertrain were introduced and established. The whole automobile was simplified to a mass-stiffness-damping system with single-degree-of-freedom， and a differential equation was set up. Afterwards， two simulation methods of Matlab/Simulink and ADAMS/Car were used respectively to simulate the whole automobile model under sinusoidal excitation input. The response curves of the vehicle body after reaching steady state were very consistent by comparing calculation results. According to the research， the multi-body dynamics model of the whole automobile based on ADAMS/Car is accurate and can be used for the simulation of actual vehicles.

Keywords： Multi-body dynamics; Vehicle dynamics; Single-degree-of-freedom; Mass-stiffness-damping system; Sinu -soidal excitation

1 整車系統(tǒng)分析

車輛是一個多自由度的“質(zhì)量-剛度-阻尼”系統(tǒng)[1]，汽車行駛時，路面產(chǎn)生的振動經(jīng)輪胎、懸架系統(tǒng)、座椅等最終傳遞到人體上。整車虛擬模型的建立，既要保證運(yùn)動系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，同時又要對和主要研究目標(biāo)影響不大的因素進(jìn)行簡化，以提高運(yùn)算仿真的速度。本文在進(jìn)行建模時，進(jìn)行了如下假設(shè)[2]：

（1）車身作為汽車結(jié)構(gòu)的一部分，是駕駛員工作的場所，為駕駛員提供良好的操作條件和舒適的乘坐條件，極大影響乘員的主觀感覺。本文在建模時將車身簡化為一剛體，并集中質(zhì)量于底盤上，通過改變車身質(zhì)量來修改整車質(zhì)量。

（2）汽車在行駛時，路面不平度、輪胎及傳動系零件旋轉(zhuǎn)的不均勻性、發(fā)動機(jī)工作時轉(zhuǎn)矩的瞬變過程等都將引起汽車的振動。本文在建模時把動力總成簡化為一個剛體，并集中質(zhì)量于底盤。

（3）汽車行駛時，路面不平度經(jīng)輪胎、懸架、座墊等彈性、阻尼元件組成的振動系統(tǒng)最終傳遞到人身體上，因此在建模時必須考慮輪胎和懸架的特性。本研究中考慮輪胎的彈性特性，把具體的零部件（如轉(zhuǎn)向節(jié)，下擺臂）視為剛體，這樣既考慮到懸架的緩沖、減振作用又簡化了懸架的建模。

經(jīng)過上面的簡化，最終的整車系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：底盤模型、車身模型、動力總成模型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、前后懸架模型、輪胎模型，表1列出了某款汽車一些主要技術(shù)參數(shù)。

2 ADAMS/Car的建模方法

ADAMS/Car是一種基于模板的建模和仿真工具，大大加速和簡化了建模的步驟。用戶只需在模板中輸入必要的數(shù)據(jù)，就可以快速構(gòu)造包括車身、懸架、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、制動系統(tǒng)等在內(nèi)的高精度的整車虛擬樣機(jī)，并進(jìn)行仿真。利用ADAMS/Car的數(shù)據(jù)庫功能，可以有效地選擇襯套、限位塊、減振器等以裝配各個子系統(tǒng)，節(jié)約用戶每次重復(fù)輸入數(shù)據(jù)的時間。通過高速動畫直觀地顯示在各種試驗工況下整車動力學(xué)響應(yīng)，并輸出標(biāo)志操縱穩(wěn)定性、制動性、乘坐舒適性和安全性的特征參數(shù)，從而減小對物理樣機(jī)的依賴。一個完整的懸架或整車裝配由以下四個層次構(gòu)成：特性文件、模板文件、子系統(tǒng)文件和裝配文件，如圖1所示，研究車輛系統(tǒng)動力學(xué)，建立車輛仿真模型，歸納起來有以下幾個典型步驟[3]：

（1）機(jī)械系統(tǒng)的物理抽象;獲取模型的運(yùn)動學(xué)（幾何定位）參數(shù)，建立抽象系統(tǒng)的運(yùn)動部件、約束，從而建立運(yùn)動學(xué)模型;

（2）校正模型的自由度及正確性;

（3）獲得模型的動力學(xué)參數(shù)，定義模型中部件、鉸鏈與彈性元件及外界條件，建立動力學(xué)模型，對動力學(xué)模型進(jìn)行調(diào)整與仿真計算。

3 子系統(tǒng)模型的建立

ADAMS/Car采用自上而下的建模順序，即整車模型和系統(tǒng)總成模型是建立在各個子系統(tǒng)模型之上，而各個子系統(tǒng)模型則需由模板來建立，故建立各個模板是建立整車模型的關(guān)鍵步驟，模板建立過程如下[5，4]：

（1）物理模型的簡化：根據(jù)子系統(tǒng)各個零件之間的相對運(yùn)動關(guān)系，定義零件的“Topological Structure”（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)），對零件進(jìn)行整合，把沒有運(yùn)動關(guān)系的零件定義為一個“Gene -ral Part”（整合零件）。

（2）確定“Hard Point”（硬點(diǎn)）：硬點(diǎn)就是零件關(guān)鍵連接點(diǎn)處的幾何定位點(diǎn)，確定硬點(diǎn)就是在子系統(tǒng)坐標(biāo)系內(nèi)確定零件關(guān)鍵點(diǎn)的幾何坐標(biāo)，硬點(diǎn)在整車模型和模板狀態(tài)下都能修改。

（3）確定零件的參數(shù)：計算或測量整合零件的質(zhì)量、質(zhì)心位置以及繞質(zhì)心坐標(biāo)系3個軸的轉(zhuǎn)動慣量，需要注意的是質(zhì)心坐標(biāo)系的3個坐標(biāo)軸的方向必須與系統(tǒng)坐標(biāo)系的三個軸的方向平行，整車的質(zhì)心位置需要自己手動進(jìn)行設(shè)置。

（4）創(chuàng)建零件的“Geometry”（幾何模型）：在硬點(diǎn)的基礎(chǔ)上建立零件的幾何模型。由于零件的動力學(xué)參數(shù)已經(jīng)確定，此幾何模型的形狀對動力學(xué)仿真結(jié)果沒有任何影響，但在運(yùn)動學(xué)分析中，零件的外輪廓直接關(guān)系到零件的運(yùn)動校核，而且考慮到模型的直觀性，零件的幾何形狀應(yīng)該還是盡量貼近實(shí)際結(jié)構(gòu)。

（5）定義“Constrain”（約束）：按照零件間的運(yùn)動關(guān)系定義約束的類型，通過約束把各個零件連接起來，從而構(gòu)成子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。定義約束是正確建模的關(guān)鍵，直接關(guān)系著系統(tǒng)自由度的合理性。

（6）定義“Mount”（組裝）：在子系統(tǒng)和子系統(tǒng)或者外部模型之間連接處定義組裝命令。

（7）定義“Subsystem”（子系統(tǒng)）：將在Template中建好的模型轉(zhuǎn)入到標(biāo)準(zhǔn)模式中，定義各個子系統(tǒng)模型，為組裝整車模型做準(zhǔn)備。

（8）定義“Assembly”（整車模型）：在標(biāo)準(zhǔn)模式中將各個子系統(tǒng)組裝成整車模型，這樣在ADAMS/Car模塊中完成物理模型的建立過程。通過添加屬性文件即可進(jìn)行整車在不同工況下的仿真分析，從而獲得所需要的結(jié)果。

3.1 底盤模型

底盤把整車的其他系統(tǒng)連接起來，不考慮動力系統(tǒng)和車身的具體結(jié)構(gòu)，把傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)都集中于底盤上，把它們簡化為剛體，質(zhì)量集中于底盤，在本文中用一個球形質(zhì)量塊來表示集中質(zhì)量，球形質(zhì)量塊的大小、位置不重要，只要保證轉(zhuǎn)向系、懸架等其它零部件與底盤連接時，連接方式和位置都正確就可以， 整個底盤與其他系統(tǒng)連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，可以通過調(diào)節(jié)球體的屬性來修改整車的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，同時也定義了幾個硬點(diǎn)用來確定車輪和車身的位置，相對于全局坐標(biāo)系的位置坐標(biāo)如表2所示。

3.2 車身系統(tǒng)模型

車身直接關(guān)系到駕駛員乘坐舒適性，平順性評價指標(biāo)的車身垂向加速度的測量需要在車身上進(jìn)行，而且整車質(zhì)心位置和質(zhì)量的調(diào)節(jié)也是通過改變車身來實(shí)現(xiàn)的，因而車身建模很重要，本課題將車身簡化為剛體，其外形定位的硬點(diǎn)坐標(biāo)和需要測量的地方的硬點(diǎn)坐標(biāo)如表3所示，（底盤+車身）模型如圖3所示。

3.3 動力總成系統(tǒng)模型

動力總成系統(tǒng)在ADAMS/Car中的功能是提供車輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，所以不需實(shí)際結(jié)構(gòu)建模，而是將發(fā)動機(jī)、離合器、變速器三個結(jié)構(gòu)集合在一起，使用函數(shù)模板模擬實(shí)現(xiàn)其功能。由于發(fā)動機(jī)激勵也是引起汽車振動的激振源之一，為了減少發(fā)動機(jī)不平衡對車身振動的影響，汽車的發(fā)動機(jī)動力總成總是通過數(shù)個彈性支撐安裝在副車架上。動力總成模型的硬點(diǎn)坐標(biāo)如表4所示，建好的動力總成模型如圖4所示。

3.4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由以下幾個剛體組成：方向盤、轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向中間軸、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向齒條、轉(zhuǎn)向器套筒等組成。方向盤通過旋轉(zhuǎn)副與底盤系統(tǒng)相連，通過圓柱副與轉(zhuǎn)向柱相連;轉(zhuǎn)向柱通過恒速度副與轉(zhuǎn)向中間軸相連;轉(zhuǎn)向中間軸通過恒速度副與轉(zhuǎn)向軸相連;轉(zhuǎn)向軸通過旋轉(zhuǎn)副與轉(zhuǎn)向器套筒相連;轉(zhuǎn)向器套筒通過滑動副與轉(zhuǎn)向齒條相連;方向盤的回轉(zhuǎn)運(yùn)動通過轉(zhuǎn)向齒條轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，齒條帶動橫拉桿往復(fù)運(yùn)動并與轉(zhuǎn)向節(jié)回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的硬點(diǎn)坐標(biāo)如表5所示，虛擬樣機(jī)模型如圖5所示。

3.5 前后懸架系統(tǒng)模型

本文研究的車輛懸架系統(tǒng)使用了螺旋彈簧麥弗遜懸架，在虛擬樣機(jī)模型中，將懸架系統(tǒng)簡化為以下6個部分：轉(zhuǎn)向節(jié)、橫擺臂、螺旋彈簧、空氣彈簧、減振器支柱總成、轉(zhuǎn)向橫拉桿。橫擺臂內(nèi)端通過旋轉(zhuǎn)副與車身相連，外端通過球形副與轉(zhuǎn)向節(jié)下端相連;轉(zhuǎn)向節(jié)上端通過棱柱副與減振器支柱總成下端相連，中間部分通過旋轉(zhuǎn)副和球形副分別與輪轂和轉(zhuǎn)向橫拉桿相連，減振器活塞桿通過球形副和車身相連，減振器活塞桿與減振器缸筒之間通過圓柱副相連，螺旋彈簧和減振器串在一起，中間還包括了一些采用襯套連接的地方，使虛擬模型更加符合實(shí)際。在建模過程的主要定位硬點(diǎn)如表6所示，虛擬樣機(jī)如圖6所示。

3.6 輪胎模型

在ADAMS/Car中，適合行駛平順性分析的輪胎主要是FTire（Flexible ring tire model）柔性環(huán)輪胎模型，在使用FTire輪胎模型時，需要輪胎屬性文件來定義輪胎的特性，本研究參考有關(guān)文獻(xiàn)[5][6]，輪胎的參數(shù)如表7所示，建好的虛擬樣機(jī)圖如7所示。

4 整車模型的建立

建立整車模型，通過添加橡膠襯套和其它約束元件，即可將上面的子系統(tǒng)進(jìn)行裝配，建立適用于仿真的整車模型，如圖8所示：

5 模型檢驗

由于車輛系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的剛?cè)峄旌系亩囿w系統(tǒng)，對于整車仿真，首先進(jìn)行裝配以確定初始構(gòu)型，然后從靜平衡狀態(tài)開始進(jìn)行一系列仿真，實(shí)現(xiàn)車輛在路面上穩(wěn)定行駛。模型檢驗的方式是用Matlab/Simulink仿真結(jié)果和ADAMS/ Car仿真結(jié)果對比，以驗證模型是否正確。整車總質(zhì)量為1650kg，通過ADAMS/Car靜平衡分析，可以求得在靜平衡位置時的參數(shù)如表8所示：

在實(shí)際仿真中，車輛以2.5m/s的速度在的正弦路面上行駛10s，測得車身垂向位移的響應(yīng)。根據(jù)空間頻率與時間頻率的轉(zhuǎn)換公式，其中波長 ，可求出空間頻率，因此在時域的正弦激勵函數(shù)為 。

在理想狀態(tài)下，把整個汽車系統(tǒng)簡化如圖9的所示的單自由度質(zhì)量-剛度-阻尼系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)如表9所示，以車身靜平衡位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，得到描述系統(tǒng)運(yùn)動的微分方程如下：

應(yīng)用Matlab/Simulink軟件，建立的仿真模型如圖10所示。利用Matlab/Simulink和ADAMS/Car仿真計算出的車身響應(yīng)曲線如圖11所示。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，兩種方法的數(shù)據(jù)結(jié)果對比如表10所示：通過對比可知，對簡化后的系統(tǒng)在時域進(jìn)行正弦激勵，

達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，通過Matlab/Simulink和ADAMS/Car兩種方法仿真計算出的車身響應(yīng)曲線非常吻合，故此整車模型是符合實(shí)際情況的。

6 結(jié)論

（1）根據(jù)實(shí)際的車輛模型，在不影響仿真結(jié)果的情況下對車輛模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕员阍谔摂M樣機(jī)中采用最簡潔的方法建立整車模型;

（2）介紹了ADAMS/Car建立整車模型的一般過程，詳細(xì)介紹了各子系統(tǒng)的建立過程;

（3）對建立好的整車模型進(jìn)行了調(diào)試和檢驗，保證整車仿真的正確性。

參考文獻(xiàn)

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