一、引言

數(shù)字化虛擬樣機技術(shù)是縮短車輛研發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品設(shè)計和制造質(zhì)量的重要途徑。隨著虛擬產(chǎn)品開發(fā)、虛擬制造技術(shù)的逐漸成熟，計算機仿真技術(shù)得到大量應(yīng)用。系統(tǒng)動力學(xué)仿真是數(shù)字化虛擬樣機的核心、關(guān)鍵技術(shù)。對汽車而言，車輛動力學(xué)性能尤為重要。為了降低產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險，在樣車制造出之前，利用數(shù)字化樣機對車輛的動力學(xué)性能進行計算機仿真，并優(yōu)化其參數(shù)就顯得十分必要了。對操縱穩(wěn)定性的研究常采用仿真分析方法和試驗方法來進行。仿真分析是在計算機上建立簡化到一定程度的模型，輸入駕駛員對汽車的各種操縱信號，解算出系統(tǒng)的時域響應(yīng)和頻域響應(yīng)，以此來表征汽車的操縱穩(wěn)定性能。因為仿真分析花費時間短，可在計算機上重復(fù)進行，對各種設(shè)計方案進行快速優(yōu)化對比，并且可實現(xiàn)試驗條件下不能進行的嚴酷工況分析，因此該方法日益被人們采用。

建立整車仿真模型常有多種方法，筆者應(yīng)用機械系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)仿真分析軟件ADAMS，來建立仿真模型，并對不同方向盤轉(zhuǎn)角下的操縱穩(wěn)定性進行了動力學(xué)仿真。

二、數(shù)字化分析模型的準備

（一）仿真分析模型所需要的參數(shù)類型

建立多體系統(tǒng)動力學(xué)分析模型，參數(shù)需要量大，精度要求高，參數(shù)準備工作量大。所需的參數(shù)主要可劃分為四類：尺寸（幾何定位）參數(shù)、質(zhì)量特性參數(shù)（質(zhì)量、質(zhì)心與轉(zhuǎn)動慣量等）、力學(xué)特性參數(shù)（剛度、阻尼等特性）與外界參數(shù)（道路譜等）。

其中的尺寸參數(shù)和大部分的質(zhì)量特性參數(shù)可以通過建立三維數(shù)字模型得到，其他參數(shù)尚需要別的參數(shù)獲得手段來獲取。總的來說，參數(shù)的獲得方法主要有以下幾種：圖紙查閱法、試驗法、計算法、CAD建模法等?？筛鶕?jù)具體實際情況采用。

（二）數(shù)字模型間的數(shù)據(jù)傳遞

基于CAD/CAM軟件建立三維數(shù)字模型是建立數(shù)字化分析模型的基礎(chǔ)。使用CAD/CAM軟件建立系統(tǒng)的三維實體數(shù)字模型，并以各個運動部件的形式先將零部件合并，裝配好；將模型存為ADAMS軟件可調(diào)用的特定格式的數(shù)據(jù)文件；然后利用CAD/CAM軟件與ADAMS軟件之間的數(shù)據(jù)接口文件將三維模型傳遞到ADAMS軟件中去；之后輸入各運動部件的密度等必要參數(shù)，就可以直接得到各運動部件的質(zhì)量、質(zhì)心與轉(zhuǎn)動慣量等質(zhì)量參數(shù)。將三維數(shù)字模型傳遞到ADAMS軟件中后，通過添加適宜的約束和力元素等建模元素就可以得到初步的多體系統(tǒng)分析模型，也就是我們的基本化模型。

三、整車模型的創(chuàng)建

（一）雙橫臂式前懸架多體系統(tǒng)動力學(xué)模型

C型車前懸架采用雙橫臂式獨立懸架。前懸架主要零部件，對整車操縱穩(wěn)定性能分析有重要影響的有：上橫臂（兩個）、下橫臂（兩個）、轉(zhuǎn)向節(jié)（兩個）、轉(zhuǎn)向橫拉桿（兩個）、轉(zhuǎn)向主拉桿（一個）、轉(zhuǎn)向搖臂（兩個）、車身（一個）、橫向穩(wěn)定桿（一個）、縱置扭桿彈簧（兩個）、減振器（兩個）。上橫臂一端通過球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)相連，另一端通過轉(zhuǎn)動鉸與車身相連，使其可相對車身上下擺動。下橫臂一端通過球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)相連，另一端通過轉(zhuǎn)動鉸與車身相連。轉(zhuǎn)向橫拉桿一端通過球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)拉臂相連、另一端通過球鉸與轉(zhuǎn)向主拉桿相連，縱置扭桿彈簧一端通過固定鉸與下橫臂相連，另一端通過固定鉸與車身相連。車輪（即hub構(gòu)件）通過轉(zhuǎn)動鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)相連。穩(wěn)定桿中部自由地支承在兩個固定在車架上的橡膠套筒內(nèi)。穩(wěn)定桿連桿一端通過等速萬向節(jié)與穩(wěn)定桿連接，另一端通過球鉸與下控制臂連接。具體結(jié)構(gòu)簡圖見圖1所示：

（二）后鋼板彈簧多體動力學(xué)模型

由于鋼板彈簧由多片長短不一的簧片疊加組成，力學(xué)特性較為復(fù)雜，既是彈性元件，又是傳遞縱向、側(cè)向地面作用力的傳力元件，因此建立鋼板彈簧懸架模型是構(gòu)造車輛多體模型的一大難點。這里利用等效中性面法建立了C型車用鋼板彈簧懸架模型并驗證了模型的正確性。其原理是：所有主簧可以簡化為在某個等效中性面的單片主簧，即沿板簧厚度方向中間層組成的近似曲面，再將中性面按厚度基本相似原則分成若干等強度直線段，利用ADAMS中的BEAM單元模擬這些等強度直線段，每段間以Flexible（柔性）方式連接小剛體過渡;按板簧中性面上各段真實質(zhì)量特性設(shè)定對應(yīng)BEAM單元質(zhì)量參數(shù)。副簧的建模可以單獨劃分若干段，每段的長度應(yīng)和其對應(yīng)的主簧分段長度接近。主副簧之間的約束問題通過在接觸位置加IMPACT力來實現(xiàn)。

完成后的鋼板彈簧自由狀態(tài)時多體模型見圖2所示：

（三）扭桿彈簧參數(shù)及模型

扭桿彈簧一端與下控制臂相連，另一端與車身相連。根據(jù)實際問題的需要，在ADAMS軟件中采用力約束rotational—spring—damping來模擬扭桿彈簧的作用。

（四）橫向穩(wěn)定桿模型

橫向穩(wěn)定桿對汽車的操縱穩(wěn)定性有重要影響。在ADAMS中，建立簡化的橫向穩(wěn)定桿的模型：方法是將穩(wěn)定桿中間斷開，聯(lián)以扭桿彈簧，其扭轉(zhuǎn)剛度由中間處的扭轉(zhuǎn)彈簧表示。

（五）減振器模型

減振器是懸架系統(tǒng)的主要元件，與彈性元件并聯(lián)安裝，車輪與車身的相對振動，主要是通過減振器衰減的，即由于懸架匹配了適當?shù)淖枘?，車身的自由振動被迅速衰減，車身的強迫振動也會受到抑制。根據(jù)前、后減振器的速度—阻尼力特性曲線，在ADAMS中，可以在Data—element下，創(chuàng)建Spline二次樣條插值函數(shù)。利用這個命令，使模型更接近于汽車的實際工況。

（六）輪胎與路面模型

ADAMS/View提供了5種輪胎模型，它們是：Delft輪胎模型、Fiala輪胎模型、Smithers輪胎模型、UA輪胎模型和UserDefined（用戶自定義）輪胎模型。這里選用UA輪胎模型。UA輪胎模型所需要的輪胎特性參數(shù)為：輪胎自由半徑R1（mm）；輪胎胎冠半徑R2（mm）；輪胎垂直變形量為零時的垂直剛度CN（N/mm）；輪胎側(cè)偏角為零時的側(cè)傾剛度CALPHA（N/deg）；輪胎外傾角為零時的外傾剛度CGAMMA（N/deg）；縱向滑移剛度CSLIP（N/slip）；輪胎滾動阻力矩系數(shù)CRR（mm）；徑向相對阻尼系數(shù)RDR；靜摩擦系數(shù)U₀；動摩擦系數(shù)U₁。根據(jù)輪胎的特性參數(shù)，可以編制ADAMS/View中的輪胎特性文件（.tpf）。

（七）車身系統(tǒng)簡化模型所用參數(shù)

車身模型的合理可行，取決于車身的慣性參數(shù)及車身與懸架的連接位置和方式的正確性。對于車身的慣性參數(shù)（車身質(zhì)量及其繞質(zhì)心三根軸的轉(zhuǎn)動慣量）原則上應(yīng)依據(jù)實測數(shù)據(jù)來確定。

（八）傳動系簡化模型

考慮到所研究的問題與傳動系無關(guān)，傳動系不作為重點考慮。在整車動力學(xué)性能仿真分析中，傳動系模型簡化為各輪上的力矩輸入，其中左右輪按等力矩輸入。在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性分析中，采用連續(xù)加速法，驅(qū)動輪輸入常力矩。

（九）整車多體系統(tǒng)的開環(huán)模型

將前懸架系統(tǒng)模型、前穩(wěn)定桿系統(tǒng)模型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、前輪胎系統(tǒng)模型裝配可建立前懸掛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型;將后懸架系統(tǒng)模型、后穩(wěn)定桿系統(tǒng)模型、后輪胎系統(tǒng)模型裝配可建立后懸掛系統(tǒng)模型。將所有子系統(tǒng)進行裝配可建立一個十分精確的整車模型。

四、操縱穩(wěn)定性主要仿真結(jié)果

（一）轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入仿真分析

整車模型以一定速度（本例為42km/h）行駛中，突然加方向盤階躍輸入，以盡快的速度（起階時間不大于0.2s）轉(zhuǎn)動方向盤到150°，分別將整車質(zhì)心位置前移和后移100mm時橫擺角速度、側(cè)向加速度隨時間變化曲線。

由圖4、圖5可知，當整車質(zhì)心位置前移時，橫擺角速度峰值及穩(wěn)態(tài)值降低，達到第一峰值的反應(yīng)時間短，反應(yīng)快。

（二）轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入仿真分析

汽車以42km/h的車速直線行駛，方向盤在中間位置時，突然給方向盤加一脈寬為0.5一個三角脈沖，轉(zhuǎn)角分別為80°、160°、250°、320°輸入。輸入脈沖激勵后，使方向盤恢復(fù)到中間位置。

（三）穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真分析

在整車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)的仿真分析中，將汽車的傳動系模型簡化為各輪上的力矩輸入，其中左右輪按相等的力矩輸入。采用連續(xù)加速法，驅(qū)動輪輸入力矩。

由圖8可知，轉(zhuǎn)彎半徑隨著汽車行駛速度的增加而增加。

下圖9為汽車底盤質(zhì)心的運動軌跡，它直觀地表現(xiàn)了汽車的不足轉(zhuǎn)向特性。

五、結(jié)束語

利用ADAMS軟件把分散的零部件設(shè)計和分析技術(shù)揉合在一起，以提供一個全面了解產(chǎn)品性能的方法，并通過仿真分析中的反饋信息指導(dǎo)設(shè)計，建立了C型車的多體系統(tǒng)動力學(xué)整車模型，并進行了不同方向盤轉(zhuǎn)角及整車質(zhì)心位置前后改變下的操縱穩(wěn)定性仿真，從設(shè)計—試驗—改進設(shè)計—再試驗—再設(shè)計的設(shè)計理念轉(zhuǎn)為設(shè)計—仿真—試驗，使設(shè)計中的主要問題利用數(shù)字化樣機技術(shù)在設(shè)計初期得以解決。尤其在今后考慮ABS、TCS等動力學(xué)與控制集成問題多體系統(tǒng)動力學(xué)方面必將顯示更大的作用。