基于Adams的FSEC賽車的操縱穩定性分析*

張漢宇，沈 輝，孫明珠

（1.揚州大學，江蘇 揚州 225127；2.合肥職業技術學院，安徽 合肥 238010）

0 引言

車輛的操縱穩定性是指在駕駛者在正常舒適情況下，車輛能按照駕駛者通過轉向機構以及車輪給定的方向行駛，且在遭受到外界干擾時，仍能有效抵抗干擾并保持穩定行駛的能力[1-3]。操縱穩定性不僅代表著車輛行駛的操縱方便程度，而且是決定車輛安全行駛的一個重要性能。車輛操縱穩定性常見的道路試驗有蛇形駕駛試驗、轉向瞬態響應試驗、轉向回正性能試驗和穩態轉向試驗等。

Adams由美國MDI公司開發，是CAE領域中使用范圍最廣、應用行業最多的機械系統動力學仿真工具，是一款集建模、求解、可視化技術于一體的虛擬樣機軟件[4]。Adams可建立復雜機械系統的“功能化數字樣機”，在現實工作條件下模擬其運動情況，并且可以快速分析多種設計方案，尋找最優方案。

1 基于Adams/Car整車動力學模型的建立

Adams/Car模塊有Standard（標準）和Template Builder（模板建模器）兩種模式[4-6]。Adams/Car采用自上而下的建模順序，即先在Template Builder中建立模板，包括前懸架、轉向系、后懸架、制動、輪胎、動力總成和車身，然后在Standard中基于模板建立對應的子系統，最后將各個子系統裝配組合形成整車模型。

1.1 前懸架子系統的建立

該FSEC賽車前懸采用對稱的不等長雙橫臂式獨立懸架，包括螺旋彈簧、減振器等。其整車的部分設計參數如表1所示。

表1 賽車整車部分設計參數

前懸架模板的建立過程大致如下[4-6]：

1）簡化物理模型。根據子系統中各個零部件的實際相對運動關系，確立各個零部件的自由度和拓撲結構，簡化模型。簡化的前懸結構如圖1所示。

圖1 前懸架結構簡圖

2）確定硬點。硬點是指各部件定位、連接的關鍵幾何定位點，在Catia中通過參數化測量，選取坐標系確定硬點坐標。整車坐標選取主環前下橫梁與整車中性面的交點為原點；以賽車的縱向為X軸，賽車后退方向為X軸正方向；以賽車橫向為Y軸，賽車前進時的右側為Y軸正方向；以賽車垂直方向為Z軸，向上為Z軸正方向。所測前懸架左端各部件硬點如表2所示。

表2 前懸架左端各部件硬點參數

3）確立部件的動力學參數。確定部件的質心、質量和轉動慣量。

4）創建部件的幾何體。創建硬點后，在此基礎上建立各部件的幾何模型。

5）定義約束。按照各個部件與其他部件間的運動關系，確定約束的類型，添加運動副和軸套。前懸架系統共有4個旋轉副、10個球鉸副、8個萬向副、2個圓柱副和2個等速副，如圖2所示。前懸架系統各部件之間運動副關系如表3所示。

圖2 前懸架各部件間的運動副

表3 前懸架系統各部件之間運動副關系

6）定義模板的參數變量、制動器。定義參數變量是為了便于在Standard模式中對運動、幾何尺寸等進行調整，定義制動器是為了定義部件間力與運動的傳遞。實驗測得前懸架減振器阻尼力特性并在Adams上生成屬性曲線，如圖3所示。

圖3 前懸架減振器阻尼力特性曲線

7）定義、測試通信器。創建、測試、檢查通信器信息，包括類型、名稱和對稱性。

創建好模板后，在Standard中建立前懸架子系統，如圖4所示。

圖4 前懸架子系統模型

1.2 整車模型的建立

按上述步驟建立轉向系子系統、后懸架子系統、制動子系統、輪胎子系統、動力總成子系統和車身子系統，并裝配成整車模型。其中制動子系統直接調用四輪盤式制動模板，輪胎子系統和動力總成子系統通過編輯屬性文件等生成模板，而車身子系統只需確定質心位置生成模板即可。整車模型如圖5所示。

圖5 整車模型

2 整車操縱穩定性仿真及評價

Adams/Car的整車仿真驅動方式有事件（Event）和演習（Maneuvers）兩大類。事件類仿真是驅動模型行進在指定路面上并執行各種操作，演算類仿真是通過在模型上施加力或側向加速度來模擬真實運動[4-6]。

2.1 穩態轉向

穩態轉向特性試驗的目的是測定汽車對轉向盤轉角輸入達到穩定行駛狀態時汽車的穩定橫擺響應。汽車的穩態響應分為中性轉向、不足轉向和過多轉向三種。過多轉向的汽車在達到臨界車速時有失穩的危險，而中性轉向在一定條件下會變為過多轉向，因此汽車應該具有不足轉向的特性[7]。

根據國標GB/T 6323—2014中的規定，并結合該FSEC賽車情況，采用固定轉向盤轉角連續加速法進行仿真試驗。即設定賽車穩定車速為10 km/h，轉向圓半徑為15 m，賽車起步后以0.2 m/s2的縱向加速度緩慢而勻速地加速，直至賽車的側向加速度達到6.5 m/s2時停止仿真[8]。設置好驅動事件，開始仿真。仿真得到車速隨時間變化曲線、橫擺角速度隨時間變化曲線和車身側傾角隨側向加速度變化曲線如圖6~8所示。

圖6 車速隨時間變化

圖7 橫擺角速度隨時間變化

圖8 車身側傾角隨側向加速度變化

根據賽車的瞬時車速Vn和瞬時橫擺角速度ωn，按照公式（1）可計算出前后軸側偏角之差α1-α2。

式中，n為樣點編號；Rn為瞬時轉向半徑；L為賽車軸距；R0為初始轉向半徑.

從而得到前后軸側偏角之差α1-α2隨側向加速度變化曲線，如圖9所示。

圖9 前后軸側偏角之差α1-α2隨側向加速度變化

根據QC/T 480—1999，穩態轉向試驗按中性轉向點的側向加速度值an、不足轉向度U和車箱側傾度Kφ進行評價計分[9-10]。中性轉向點的側向加速度值an為前后軸側偏角差隨側向加速度變化曲線上，斜率為零處的側向加速度值。不足轉向度U為前后軸側偏角差隨側向加速度變化曲線上，側向加速度為2 m/s2處的平均斜率。車身側傾度Kφ為車身側傾角隨側向加速度變化曲線上，側向加速度為2 m/s2處的平均斜率。具體數值和評分如表4所示。

表4 穩態轉向評價參數數值及評分

2.2 蛇形駕駛

蛇形駕駛試驗主要是指讓汽車連續穿過擺放好的有一定間距的標樁，測量汽車的方向盤轉角、橫擺角速度和車身側傾角等參數，來評估車輛的過渡響應和側傾穩定性。

根據國標GB/T 6323—2014，試驗開始時，試驗車速應該為基準車速二分之一并四舍五入為10的整數倍，往后逐步提高試驗車速，但不超過80 km/h[8]。根據賽車情況，選取65 km/h為基準車速，且樁間距為30 m。在Adams中生成B級路面，設置好驅動事件，開始仿真。仿真得到橫擺角速度隨時間變化曲線、方向盤轉角隨時間變化曲線如圖10、圖11所示。

圖10 橫擺角速度隨時間變化

圖11 方向盤轉角隨時間變化

根據QC/T 480—1999，蛇形試驗按基準車速下的平均橫擺角速度峰值τ與平均方向盤轉角峰值θ進行評價計分[9]。由圖10、圖11可得平均橫擺角速度峰值τ為15.795°/s，平均方向盤轉角峰值θ為7.183°。根據標準得蛇形試驗評分如表5所示。

表5 蛇形試驗評分

3 結論

本文主要通過Adams對賽車各子系統建模，并在裝配組合成整車模型后，對其進行 操縱穩定性的穩態轉向試驗仿真和蛇形駕駛試驗仿真，得到穩態轉向試驗仿真和蛇形駕駛試驗仿真的綜合評分分別為90.95分和89.70分，為后續優化賽車操縱穩定性提供了對比依據，有效降低賽車研發成本。