ADAMS在汽车动力学仿真中的应用研究

　　一、引言

　　数字化虚拟样机技术是缩短车辆研发周期、降低开发成本、提高产品设计和制造质量的重要途径。随着虚拟产品开发、虚拟制造技术的逐渐成熟,计算机仿真技术得到大量应用。系统动力学仿真是数字化虚拟样机的核心、关键技术。对汽车而言,车辆动力学性能尤为重要。为了降低产品开发风险,在样车制造出之前,利用数字化样机对车辆的动力学性能进行计算机仿真,并优化其参数就显得十分必要了。对操纵稳定性的研究常采用仿真分析方法和试验方法来进行。仿真分析是在计算机上建立简化到一定程度的模型,输入驾驶员对汽车的各种操纵信号,解算出系统的时域响应和频域响应,以此来表征汽车的操纵稳定性能。因为仿真分析花费时间短,可在计算机上重复进行,对各种设计方案进行快速优化对比,并且可实现试验条件下不能进行的严酷工况分析,因此该方法日益被人们采用。

　　建立整车仿真模型常有多种方法,笔者应用机械系统运动学、动力学仿真分析软件ADAMS,来建立仿真模型,并对不同方向盘转角下的操纵稳定性进行了动力学仿真。

　　二、数字化分析模型的准备

　　(一)仿真分析模型所需要的参数类型

　　建立多体系统动力学分析模型,参数需要量大,精度要求高,参数准备工作量大。所需的参数主要可划分为四类:尺寸(几何定位)参数、质量特性参数(质量、质心与转动惯量等)、力学特性参数(刚度、阻尼等特性)与外界参数(道路谱等)。

　　其中的尺寸参数和大部分的质量特性参数可以通过建立三维数字模型得到,其他参数尚需要别的参数获得手段来获取。总的来说,参数的获得方法主要有以下几种:图纸查阅法、试验法、计算法、CAD建模法等。可根据具体实际情况采用。

　　(二)数字模型间的数据传递

　　基于CAD/CAM软件建立三维数字模型是建立数字化分析模型的基础。使用CAD/CAM软件建立系统的三维实体数字模型,并以各个运动部件的形式先将零部件合并,装配好；将模型存为ADAMS软件可调用的特定格式的数据文件；然后利用CAD/CAM软件与ADAMS软件之间的数据接口文件将三维模型传递到ADAMS软件中去；之后输入各运动部件的密度等必要参数,就可以直接得到各运动部件的质量、质心与转动惯量等质量参数。将三维数字模型传递到ADAMS软件中后,通过添加适宜的约束和力元素等建模元素就可以得到初步的多体系统分析模型,也就是我们的基本化模型。

　　三、整车模型的创建

　　(一)双横臂式前悬架多体系统动力学模型

　　C型车前悬架采用双横臂式独立悬架。前悬架主要零部件,对整车操纵稳定性能分析有重要影响的有:上横臂(两个)、下横臂(两个)、转向节(两个)、转向横拉杆(两个)、转向主拉杆(一个)、转向摇臂(两个)、车身(一个)、横向稳定杆(一个)、纵置扭杆弹簧(两个)、减振器(两个)。上横臂一端通过球铰与转向节相连,另一端通过转动铰与车身相连,使其可相对车身上下摆动。下横臂一端通过球铰与转向节相连,另一端通过转动铰与车身相连。转向横拉杆一端通过球铰与转向节拉臂相连、另一端通过球铰与转向主拉杆相连,纵置扭杆弹簧一端通过固定铰与下横臂相连,另一端通过固定铰与车身相连。车轮(即hub构件)通过转动铰与转向节相连。稳定杆中部自由地支承在两个固定在车架上的橡胶套筒内。稳定杆连杆一端通过等速万向节与稳定杆连接,另一端通过球铰与下控制臂连接。具体结构简图见图1所示:

　　

　　(二)后钢板弹簧多体动力学模型

　　由于钢板弹簧由多片长短不一的簧片叠加组成,力学特性较为复杂,既是弹性元件,又是传递纵向、侧向地面作用力的传力元件,因此建立钢板弹簧悬架模型是构造车辆多体模型的一大难点。这里利用等效中性面法建立了C型车用钢板弹簧悬架模型并验证了模型的正确性。其原理是:所有主簧可以简化为在某个等效中性面的单片主簧,即沿板簧厚度方向中间层组成的近似曲面,再将中性面按厚度基本相似原则分成若干等强度直线段,利用ADAMS中的BEAM单元模拟这些等强度直线段,每段间以Flexible(柔性)方式连接小刚体过渡;按板簧中性面上各段真实质量特性设定对应BEAM单元质量参数。副簧的建模可以单独划分若干段,每段的长度应和其对应的主簧分段长度接近。主副簧之间的约束问题通过在接触位置加IMPACT力来实现。

　　完成后的钢板弹簧自由状态时多体模型见图2所示:

　　

　　(三)扭杆弹簧参数及模型

　　扭杆弹簧一端与下控制臂相连,另一端与车身相连。根据实际问题的需要,在ADAMS软件中采用力约束rotational—spring—damping来模拟扭杆弹簧的作用。

　　(四)横向稳定杆模型

　　横向稳定杆对汽车的操纵稳定性有重要影响。在ADAMS中,建立简化的横向稳定杆的模型:方法是将稳定杆中间断开,联以扭杆弹簧,其扭转刚度由中间处的扭转弹簧表示。

　　(五)减振器模型

　　减振器是悬架系统的主要元件,与弹性元件并联安装,车轮与车身的相对振动,主要是通过减振器衰减的,即由于悬架匹配了适当的阻尼,车身的自由振动被迅速衰减,车身的强迫振动也会受到抑制。根据前、后减振器的速度—阻尼力特性曲线,在ADAMS中,可以在Data—element下,创建Spline二次样条插值函数。利用这个命令,使模型更接近于汽车的实际工况。

　　(六)轮胎与路面模型

　　ADAMS/View提供了5种轮胎模型,它们是:Delft轮胎模型、Fiala轮胎模型、Smithers轮胎模型、UA轮胎模型和UserDefined(用户自定义)轮胎模型。这里选用UA轮胎模型。UA轮胎模型所需要的轮胎特性参数为:轮胎自由半径R1(mm)；轮胎胎冠半径R2(mm)；轮胎垂直变形量为零时的垂直刚度CN(N/mm)；轮胎侧偏角为零时的侧倾刚度CALPHA(N/deg)；轮胎外倾角为零时的外倾刚度CGAMMA(N/deg)；纵向滑移刚度CSLIP(N/slip)；轮胎滚动阻力矩系数CRR(mm)；径向相对阻尼系数RDR；静摩擦系数U0；动摩擦系数U1。根据轮胎的特性参数,可以编制ADAMS/View中的轮胎特性文件(.tpf)。

　　(七)车身系统简化模型所用参数

　　车身模型的合理可行,取决于车身的惯性参数及车身与悬架的连接位置和方式的正确性。对于车身的惯性参数(车身质量及其绕质心三根轴的转动惯量)原则上应依据实测数据来确定。

　　(八)传动系简化模型

　　考虑到所研究的问题与传动系无关,传动系不作为重点考虑。在整车动力学性能仿真分析中,传动系模型简化为各轮上的力矩输入,其中左右轮按等力矩输入。在稳态转向特性分析中,采用连续加速法,驱动轮输入常力矩。

　　(九)整车多体系统的开环模型

　　将前悬架系统模型、前稳定杆系统模型、转向系统模型、前轮胎系统模型装配可建立前悬挂转向系统模型;将后悬架系统模型、后稳定杆系统模型、后轮胎系统模型装配可建立后悬挂系统模型。将所有子系统进行装配可建立一个十分精确的整车模型。

　　

　　四、操纵稳定性主要仿真结果

　　(一)转向盘转角阶跃输入仿真分析

　　整车模型以一定速度(本例为42km/h)行驶中,突然加方向盘阶跃输入,以尽快的速度(起阶时间不大于0.2s)转动方向盘到150°,分别将整车质心位置前移和后移100mm时横摆角速度、侧向加速度随时间变化曲线。

　　由图4、图5可知,当整车质心位置前移时,横摆角速度峰值及稳态值降低,达到第一峰值的反应时间短,反应快。

　　

　　

　　

　　(二)转向盘转角脉冲输入仿真分析

　　汽车以42km/h的车速直线行驶,方向盘在中间位置时,突然给方向盘加一脉宽为0.5一个三角脉冲,转角分别为80°、160°、250°、320°输入。输入脉冲激励后,使方向盘恢复到中间位置。

　　(三)稳态回转仿真分析

　　在整车稳态回转的仿真分析中,将汽车的传动系模型简化为各轮上的力矩输入,其中左右轮按相等的力矩输入。采用连续加速法,驱动轮输入力矩。

　　

　　由图8可知,转弯半径随着汽车行驶速度的增加而增加。

　　

　　下图9为汽车底盘质心的运动轨迹,它直观地表现了汽车的不足转向特性。

　　

　　五、结束语

　　利用ADAMS软件把分散的零部件设计和分析技术揉合在一起,以提供一个全面了解产品性能的方法,并通过仿真分析中的反馈信息指导设计,建立了C型车的多体系统动力学整车模型,并进行了不同方向盘转角及整车质心位置前后改变下的操纵稳定性仿真,从设计—试验—改进设计—再试验—再设计的设计理念转为设计—仿真—试验,使设计中的主要问题利用数字化样机技术在设计初期得以解决。尤其在今后考虑ABS、TCS等动力学与控制集成问题多体系统动力学方面必将显示更大的作用。