某輕卡轉(zhuǎn)向回正性能仿真分析及優(yōu)化設(shè)計

盧 威，王 印，張 旭

（陜西汽車集團股份有限公司，陜西 西安 710200）

隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，商用汽車在日常生活、工作和生產(chǎn)中的作用越來越重要。同時，駕乘人員，特別是青年人對整車的舒適性、操縱穩(wěn)定性和安全性的要求也越來越高，諸如轉(zhuǎn)向回正等得到越來越多的重視。對于設(shè)計人員來說，在產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)之初，就應(yīng)該對汽車系統(tǒng)動力學(xué)進行深入研究，利用ADMAS/Car軟件對系統(tǒng)進行動力學(xué)仿真，不僅能夠有效提升整車性能，同時也會大大縮短開發(fā)驗證周期。

目前對整車操縱穩(wěn)定性的研究、測試和評價主要從三個維度進行：（1）通過專業(yè)的主觀評價工程師進行實車試驗，按照標(biāo)準(zhǔn)的評價體系，對汽車的運動特性進行研究并給予主觀評價；（2）通過客觀試驗（包括場地試驗和模擬實驗），按照國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，測量開環(huán)和閉環(huán)條件下汽車的主要觀測量，研究汽車及人-車-路閉環(huán)系統(tǒng)的特性，并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)進行分析和客觀評價；（3）通過建立整車動力學(xué)仿真模型和人-車閉環(huán)系統(tǒng)模型，利用ADMAS/Car仿真軟件來研究分析和評價汽車的操縱穩(wěn)定性。

利用多體系統(tǒng)動力學(xué)理論建立多自由度汽車動力學(xué)模型，進行整車動力學(xué)仿真分析，成為整車操縱穩(wěn)定性分析及優(yōu)化提升的重要方法。本文以某輕型卡車為仿真分析對象，采用了ADAMS/Car仿真分析軟件的整車模塊、懸架模塊、底盤模塊、輪胎模塊、解算器模塊和后處理模塊，建立了前后懸架均是鋼板彈簧非獨立懸架的整車動力學(xué)仿真模型，進行了整車轉(zhuǎn)向回正性能分析，并對分析結(jié)果進行迭代優(yōu)化，將分析結(jié)論用于相關(guān)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，并在后續(xù)的實車測試、驗證及評價中得到了驗證。

1 基于ADAMS/Car的整車動力學(xué)模型的建立

根據(jù)ADAMS/Car的建模理論，在ADAMS/Car模塊分別建立整車的各項模板和子系統(tǒng)，并根據(jù)各子系統(tǒng)之間的通訊器匹配關(guān)系，裝配成整車模型。ADAMS/Car整車建模流程如圖1所示。其中，建模的難點是前后鋼板彈簧模型的建立，雖然鋼板彈簧結(jié)構(gòu)簡單，但在ADAMS中模擬鋼板彈簧并不是簡單的工作。本文運用ADAMS/Chassis模塊中的板簧編輯功能創(chuàng)建鋼板彈簧。

車輛結(jié)構(gòu)及主要設(shè)計參數(shù)如表1、表2所示，作為整車建模的參考。

以前懸架模型建立為例。用ADAMS/Chassis模塊中的Leaf Spring 創(chuàng)建鋼板彈簧模型，如圖2所示。前懸架模型可抽象為以下部件：前軸、左/右轉(zhuǎn)向節(jié)、左/右輪轂、左/右減振器、節(jié)臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿、左/右限位塊，建立好的前懸架模型如圖3所示。

之后對后鋼板彈簧、后懸架、輪胎、車身、動力總成等進行依次建模，在標(biāo)準(zhǔn)模式（standard interface）下將上述所建各子系統(tǒng)模型與整車測試平臺（MDI_SDI_TESTRIG）組裝在一起，得到整車操縱穩(wěn)定性動力學(xué)仿真模型，如圖4所示。

2 整車轉(zhuǎn)向回正性能仿真分析

2.1 轉(zhuǎn)向回正概念

轉(zhuǎn)向回正是汽車轉(zhuǎn)向后能否主動恢復(fù)直線行駛趨勢的一種重要性能，主要關(guān)注汽車瞬態(tài)響應(yīng)特性。轉(zhuǎn)向回正特性是表征汽車操縱穩(wěn)定性的一個重要特性，良好的轉(zhuǎn)向回正性能可有效提升整車的操縱品質(zhì)和駕駛感覺。

2.2 轉(zhuǎn)向回正仿真

2.2.1 轉(zhuǎn)向回正試驗方法

依據(jù)GB/T 6323—2014汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法的相關(guān)規(guī)定，試驗汽車直線行駛，記錄各測量變量零線，然后調(diào)整轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，使汽車沿半徑為15 m的圓周行駛，調(diào)整車速，使側(cè)向加速度達到（4±0.2）m/s，固定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，穩(wěn)定車速并開始記錄，待3 s后，駕駛員突然松開轉(zhuǎn)向盤并做標(biāo)記，至少記錄松手后4 s的汽車運動過程。記錄時間內(nèi)加速踏板位置保持不變。

2.2.2 仿真結(jié)果

對整車橫擺角速度進行觀測記錄，生成曲線如圖5所示。

根據(jù)QC/T 480—1999汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評價方法，結(jié)合仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)，計算出轉(zhuǎn)向回正性能仿真及試驗評價計分表如表3、表4所示。

小結(jié)：當(dāng)方向盤撒手時轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角曲線、整車側(cè)向加速度曲線、橫擺角速度曲線均經(jīng)過一定時間后進入穩(wěn)定狀態(tài)，符合轉(zhuǎn)向回正試驗要求，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果較接近，但轉(zhuǎn)向回正性能較差，同時由于整車阻尼、摩擦等一些誤差的原因?qū)е聶M擺角速度總方差的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果存在一定偏差。

3 整車轉(zhuǎn)向回正性能優(yōu)化及仿真

結(jié)合實車試驗情況，分析影響整車轉(zhuǎn)向回正性能的主要因素，重點對液壓轉(zhuǎn)向機背壓及主銷后傾角開展仿真分析及試驗驗證。

3.1 改變液壓轉(zhuǎn)向機背壓

經(jīng)試驗測量，液壓轉(zhuǎn)向器初始背壓為0.9 MPa，分別對轉(zhuǎn)向器的背壓加大20%（調(diào)整為1.08 MPa）、減小20%（調(diào)整為0.72 MPa）進行仿真，車輛的橫擺角速度仿真曲線如圖6所示，圖中為原車初始狀態(tài)，轉(zhuǎn)向機背壓加大20%，轉(zhuǎn)向機背壓減小20%時的橫擺角速度。

根據(jù)QC/T 480—1999汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評價方法，結(jié)合仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)，計算出改變液壓轉(zhuǎn)向機背壓轉(zhuǎn)向回正性能仿真評價計分表如表5所示。

小結(jié)：適當(dāng)減小轉(zhuǎn)向機背壓能提高整車的轉(zhuǎn)向回正性能。

3.2 改變主銷后傾角

車輛轉(zhuǎn)向軸的主銷后傾角為2°，分別將主銷后傾角加大至3°、減小至1°進行仿真，車輛的橫擺角速度仿真曲線如圖7所示。

根據(jù)QC/T 480—1999汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評價方法，結(jié)合仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)，計算出改變主銷后傾角轉(zhuǎn)向回正性能仿真評價計分表如表6所示。

小結(jié)：增大主銷后傾角能提高整車的轉(zhuǎn)向回正性能。

3.3 改進后實車驗證

通過上述仿真，適當(dāng)減小轉(zhuǎn)向機背壓及增大主銷后傾角，都能使轉(zhuǎn)向回正性能提高，根據(jù)此結(jié)論對實車進行了結(jié)構(gòu)改進（主銷后傾角增加到3°，同時轉(zhuǎn)向機背壓減小20%），表7為操穩(wěn)試驗結(jié)果數(shù)據(jù)。

小結(jié)：通過仿真分析適當(dāng)減小轉(zhuǎn)向機背壓并增大主銷后傾角，整車回正性能大幅提升，綜合評分達到65.3，滿足國標(biāo)要求。

4 總結(jié)

本文依據(jù)多體動力學(xué)的基本理論和仿真分析方法，利用ADAMS/Car模塊建立了某輕卡的多體動力學(xué)模型，并依據(jù)國標(biāo)的相關(guān)要求，對整車進行了轉(zhuǎn)向回正性能仿真分析，明確設(shè)計優(yōu)化方向，并進行實車驗證。

（1）在ADAMS/Car模塊中，按照整車建模流程，建立了前后懸架、前后板簧、轉(zhuǎn)向系、前后輪胎、車身、動力系統(tǒng)模型，并生成了系統(tǒng)，最后裝配成轉(zhuǎn)向回正模型，為下一步仿真打下基礎(chǔ)。

（2）對整車進行轉(zhuǎn)向回正仿真分析，仿真結(jié)果同試驗結(jié)果基本一致，轉(zhuǎn)向回正性能較差，需優(yōu)化提升。

（3）結(jié)合以上仿真結(jié)果，對影響該車型轉(zhuǎn)向回正的主要因素進行分析，并提出優(yōu)化方案。仿真結(jié)果表明，適當(dāng)減小轉(zhuǎn)向機背壓并增大主銷后傾角后回正性能提升；最后通過實車驗證，轉(zhuǎn)向回正性能提升到65.3分，滿足國標(biāo)要求，整車回正性能得到大幅提升；但主銷后傾角的增大會帶來其他問題，如輪胎磨損過度等，需結(jié)合整車可靠性試驗進一步確定。