基于ADAMS的轎車操縱穩定性仿真分析

梅雪晴 姚鵬華

摘 ?要：通過建立某轎車整車ADAMS多體動力學模型，按照國標要求進行整車穩態回轉試驗、角躍階輸入和轉向回正性試驗的操縱穩定性仿真，仿真結果表明該車的操縱穩定性良好。

關鍵詞：整車模型;操縱穩定性;仿真

1.引言

汽車的操縱穩定性是“高速車輛的生命線”[1]，對高速汽車的行駛安全具有絕對重要的作用。操縱穩定性研究的內容非常多，實車實驗耗時耗力，而且具有一定的危險性。本文將采用ADAMS動力學仿真的方法來獲得部分操縱穩定性實驗的仿真結果[2]，為轎車操縱穩定性研究提供分析依據。

2.整車仿真模型的建立

為了簡化計算和抓住動力學的本質，需要對整車模型作適當的簡化。整車質量參數、運動學參數和力學特性參數由廠家提供，外界參數（如路譜）由ADAMS軟件系統提供。整車模型包括轉向、前懸架、后懸架、前輪胎、后輪胎以及車身等子系統。每個子系統均先在ADAMS模板上建立模型，再建立相應的子總成，通過信息交換器將各個子總成組合成轎車的整車模型[3]。其中轉向系統為齒輪齒條式，前懸架為麥式獨立懸架，后懸架為雙連桿式獨立懸架，前后輪胎型號均為175/70 R13，整車模型見圖1，模型部分具體參數見表1。

3.整車操縱穩定性仿真與結果分析

評價汽車操縱穩定性的指標研究內容有很多，這里僅選擇最基本的穩態回轉試驗、角躍階輸入和轉向回正性試驗。

3.1穩態回轉試驗

穩態回轉試驗用以測定汽車對轉向盤輸入達到穩定行駛狀態時汽車的穩態橫擺響應。依照國家標準有關規定，評價指標包括中性轉向點的側向加速度值an、不足轉向度U以及車身側傾度Kφ。

根據GB/T6323.6—94補充件規定，采用定轉彎半徑法進行穩態回轉測試。汽車以最低穩定車速行駛，調正轉向盤轉角，沿半徑為30米的圓弧行駛。在進入圓弧路徑并達到穩定狀態后，保持油門和轉向盤位置在3s內不動開始記錄。然后增加車速，但側向加速度增量每次不大于0.5m/s2（在所測數據急劇變化時增量可更小）。重復上述試驗，直至做到側向加速度達到6.5m/s2，或達到汽車本身所限制的最大側向加速度為止。依據已知條件編寫駕駛員文件，進行仿真。

汽車前后輪側偏角絕對值（δ1-δ2）與側向加速度ay的關系如圖2所示。

由圖2可知中性轉向點的側向加速度an為6.0m/s2，在5m/s2～9.8m/s2之間，有較好的穩定性。汽車前后輪側偏角絕對值（δ1-δ2）>0，所以此車為不足轉向。不足轉向度U按前、后橋側偏角差值與側向加速度關系曲線上側向加速度值為2m/s2處的平均斜率（縱坐標值除以橫坐標值）計算。則U=0.886°/（m/s2），在0.4～1之間，符合標準規定，整車有較好的行駛穩定性。另外車廂側傾角φ與側向加速度ay的曲線如圖3所示。

車廂側傾剛度Kφ，按車廂側傾角與側向加速度關系曲線上加速度為2m/s2處的平均斜率（縱坐標除以橫坐標值）計算。可得Kφ=0.73°/（m/s2），在0.7～1.2之間，橫擺響應穩定，驗證了所建模型的正確性。

3.2角躍階輸入試驗

前輪角躍階輸入試驗用以評價汽車轉向的整車隨動性和反應靈敏度，響應時間越短說明整車隨動性及轉向靈敏性好。

按照GB/T 6323.2—94規定，汽車以試驗車速直線行駛，先按輸入方向輕輕靠緊轉向盤，消除轉向盤自由行程并開始記錄各測量變量的零線，經過0.2～0.5s，以盡快的速度（起躍時間不大于0.2s或起躍速度不低于200°/s）轉動轉向盤，使其達到預先選好的位置并固定數秒鐘。評價標準為汽車橫擺角速度響應時間τ。

汽車橫擺角速度隨時間變化曲線如圖4。橫擺角速度響應時間τ=0.19s，在0.02s～0.2s允許范圍內，說明此車有良好的瞬態響應特性和反應靈敏等特點。

3.3轉向回正性試驗

轉向回正試驗的實質是一種力階躍輸入試驗，包括低速與高速轉向回正，評價指標包括殘余橫擺角速度、橫擺角速度超調量和穩定時間。

根據國標規定，低速回轉時汽車沿半徑為15±1m的圓周行駛，調整車速，使側向加速度達到4±0.2m/s2，固定轉向盤轉角，穩定車速并開始記錄。待3s后，駕駛員突然松開轉向盤，記錄松手后至少4s的運動情況。

對于最高車速超過100km/h的汽車，要進行高速回轉試驗，汽車以最高車速的70%行駛，使側向加速度達到2±0.2m/s2，待穩定3s后，突然松手，記錄4s后的汽車運動情況。低速回轉試驗車速為40km/h與80km/h橫擺角速度隨時間變化曲線如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可知低速回正時穩定時間為3.8s，橫擺角速度超調量為21.8%，殘余橫擺角速度為0.0553°/s;高速回轉時穩定時間為4.5s，橫擺角速度超調量為19.9%，殘余橫擺角速度為0.0535°/s。橫擺角速度響應速度和超調量仿真結果良好符合要求。

4.結論及展望

通過建立某轎車整車ADAMS模型進行了穩態回轉試驗、角躍階輸入和轉向回正性試驗三個操縱穩定性仿真計算，仿真結果表明該車的穩態、瞬態響應以及回正性能符合國家標準規定，操縱穩定性良好。后續可以考慮建立包括制動系、傳動軸、變速器、驅動橋總成在內的整車模型，力爭更加貼近實際情況，實現更多方面的性能仿真。

參考文獻

[1] ?余志生，夏群生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2009.

[2] ?張越今.汽車多體動力學及計算機仿真[M]. 吉林：吉林科學技術出版社，1998.

[3] ?李軍，邢俊文，覃文潔.ADAMS實例教程[M].北京：北京理工大學出版社，2002.

基金項目：湖北文理學院博士科研基金資助項目（2015B003）。第一作者，梅雪晴，博士，講師，研究方向：車輛系統動力學與控制、汽車可靠性工程