基于虛擬樣機技術的載貨汽車制動性能仿真試驗研究

閆 偉，邵毅明*，朱夏毅

(1.重慶交通大學 交通運輸學院，重慶 400074;2.重慶長安鈴木汽車有限公司，重慶 401321)

汽車的制動性能是汽車的主要性能之一，直接關系到汽車制動過程中車輛和乘客的安全，而實車試驗存在危險性，所以對汽車整車制動穩定性的虛擬樣機仿真研究已成為車輛制動穩定性理論研究與汽車性能預測的重要手段［1]。載貨汽車制動時由于質量大，制動距離較長;轉彎制動時車輛受到離心力作用，會降低車輛的橫向附著力，使車輛產生過大的橫擺力矩，降低車輛的抗側滑能力，導致車輛出現駛出彎道或嚴重甩尾的現象。本文利用機械系統動力學自動分析軟件ADAMS建立某載貨汽車整車模型，對直線制動和彎道制動過程進行仿真，驗證所建模型的制動穩定性是否符合標準要求。

1 仿真模型的建立

由于汽車是一個極為復雜的系統，為了建立整車動力學模型并進行分析，需要做一些假設和簡化。

1)懸掛質量假設成剛體。

2)機構的連接沒有考慮實際的彈性元件，把這些連接假設為各類運動副，省略了摩擦和阻尼的影響［2]。考慮到整車系統的復雜性，在ADAMS/Car模塊中建模時，將整車系統分成幾個子系統，先分別建立各個子系統的模型，再在子系統間建立通訊器，通過通訊器完成各個子系統的連接，最后裝配成整車模型［3]。

1.1 子系統模型

1.1.1 建立過程

在ADAMS/Car模塊中分別建立載貨汽車前懸架、后懸架、轉向系統、動力總成、制動系統、輪胎以及車身子系統模型，其建立過程大致如下:

1)確定硬點。硬點是各部件布置、連接的關鍵幾何定位點，是模型建立的基礎。

2)創建一般部件。一般部件是具有質量屬性、確定方向、空間位置的局部物體參照框。

3)創建部件的幾何體。部件幾何體的形狀盡可能地貼近實際結構。

4)定義各部件間的約束。通過部件之間的相互運動關系確定約束的類型。

5)定義、測試通訊器。子系統之間的連接主要通過通訊器與外界進行聯系，所以在定義通訊器的類型、名稱以及對稱性時一定要對應一致［4]。

部件的約束和通訊器的定義在子系統中不能修改，其它的像質量特性等在子系統中可以修改。

1.1.2 部分子系統模型

轉向子系統主要由方向盤、轉向管柱、轉向傳動軸等組成。在建模時進行了簡化，只是通過建立各個部件間的約束來實現其間的運動傳遞，如在方向盤與轉向軸間為固定鉸約束，轉向軸與傳動軸之間為萬向節鉸鏈約束，轉向軸與車身間以及轉向傳動軸與車身間為轉動鉸鏈約束。轉向系統模型如圖1所示。

前懸架為鋼板彈簧式非獨立懸架，主要由彈性元件、減振器(阻尼元件)和導向裝置等3部分組成。前橋主要由前軸及轉向節組成。鋼板彈簧模型由一系列被視為剛體的梁單元離散體塊通過BEAM梁連接在一起形成，在綜合考慮模型精度和計算強度的前提下，鋼板彈簧模型簡化后為2片鋼板。將前軸、左右轉向節、減震器、轉向橫拉桿等一起組合建模后再與鋼板彈簧模型組合成前橋與前懸架模型，如圖2所示。

中(后)橋結構比較復雜，經過簡化，把中(后)橋抽象為6個剛體，即中(后)軸、左右輪轂與制動鼓、縱向推力桿、側向推力桿和支撐臂。在ADAMS中建立的中(后)橋1/2模型如圖3所示。

圖1 轉向子系統模型

圖2 前橋及前懸架子系統模型

圖3 中(后)橋模型

輪胎是車輛至關重要的一部分，它支撐整個車輛，與懸掛元件共同抑制由路面不平引起的振動和沖擊，傳遞縱向力以實現加速、驅動和制動以及傳遞側向力等。文中輪胎系統中輪胎為Fiala輪胎模型，是經典彈性圓狀梁模型。其自由半徑為504 mm，寬度為304.8 mm，輪胎名義高寬比為0.45，側偏剛度為4 000N/rad。圖2為輪胎子系統模型圖。

1.2 整車動力學模型

整車模型由多個子系統模型組裝而成，由通訊器完成子系統之間的聯接。通訊器是一種基于模板型的關鍵元素，用于子系統、模板、試驗臺之間數據的相互傳遞。通訊器的創建、測試、檢查信息非常重要。ADAMS/Car使用通訊器在數據層面上對子系統進行總裝。在ADAMS Standard Interface界面，將建好的所有子系統添加到相應的地方，如圖4所示，最后完成整車模型的建立。

為了模型的準確性，建模所需參數的獲取非常重要。模型參數的獲取主要有試驗法、查閱圖紙法及CAD建模法等。文中所用到的載貨汽車模型的部分參數為:軸距5 395 mm，長×寬×高=8 544 mm×2 388 mm×3 193 mm，整車整備質量3 700 kg，最大載質量9 000 kg。整車動力學模型如圖5所示。

圖4 整車模型組裝

圖5 整車動力學模型

1.3 道路模型

采用二維平整路面作為仿真路面模型，根據實車試驗的標準要求定義路面的摩擦系數(μ=0.85)，盡可能使仿真條件接近真實情況。

2 制動仿真試驗

2.1 仿真試驗

汽車制動性能仿真試驗有道路試驗和臺架試驗2種，道路試驗主要有轉彎制動仿真試驗和直線制動仿真試驗2種，本文運用ADAMS主要對模型車進行道路試驗的仿真分析。

1)彎道制動

①試驗方法。車輛以約40 km/h初始車速，在半徑為42 m的圓周上穩態回轉，然后保持轉向盤不動，踏下離合器踏板后迅速制動，測得車輛制動過程的運動參數變化過程。②評價標準。以橫擺角速度在制動過程中的響應為評價參數［5]。③仿真條件。驅動車輛從直線引道駛入試驗車道，首先給汽車一個轉向盤轉角階躍輸入，待汽車響應穩定后進入穩態圓周回轉，接著鎖定方向盤施加制動減速度，制動減速度從0.1g(g為重力加速度，m/s2)開始，以級差0.1g逐次遞增至0.8g做制動仿真分析。

2)直線制動

①試驗方法。制動初速度為60 km/h，從減速度1.5 m/s2起，以級差1±0.2 m/s2逐次遞增至0.8 g做制動試驗。繪制“制動距離—制動減速度”關系曲線圖。②評價標準。安全制動距離為Smax=36.69 m，汽車制動器能夠發出的平均減速度amin≥5 m/s2，最大控制力Fmax=700 N。③仿真條件。汽車在平直道路上行駛一段距離，制動減速度以階躍的形式輸入，輸入的減速度從0.1g起，以級差0.1g逐次遞增至0.8g做制動仿真，直至汽車前輪達到抱死狀態為止;汽車以60 km/h的車速勻速行駛，在第5秒時開始制動。

2.2 仿真結果及評價

1)彎道制動仿真結果

圖6為彎道制動時橫擺角速度隨時間的變化曲線，圖7為彎道制動時側向加速度隨時間的變化曲線，圖6，7中的曲線1～8分別代表制動減速度從0.1g起，以級差0.1g逐次遞增至0.8g做制動仿真時的橫擺角速度隨時間的變化曲線與側向加速度隨時間的變化曲線。

圖6 橫擺角速度隨時間的變化曲線

圖7 側向加速度隨時間的變化曲線

由圖6，7可知:當制動減速度＜0.7g時，該車具有良好的轉向能力，制動穩定性好;當制動減速度≥0.7g時，該車失去轉向能力，但是仍具有較好的維持圓周行駛的能力，具有很小的不足轉向量。所以該車具有較好的轉彎制動性能。

2)直線制動仿真結果

制動減速度從0.1g開始，以級差0.1g逐次遞增至0.8g做制動仿真分析，車輛縱向位移仿真結果如圖8所示，圖8中曲線1～8代表制動減速度從0.1g起，以級差0.1g逐次遞增至0.8g做制動仿真時汽車的縱向行駛距離隨時間的變化曲線。根據對仿真條件的設定，可以從圖8間接得到車輛仿真試驗的制動距離。制動距離和制動減速度的擬合關系如圖9所示。

圖8 汽車行駛距離隨時間的變化曲線

圖9 制動距離與制動減速度的關系曲線

從圖9可以看出隨著制動減速度的增加，車輛的行駛距離縮短，當制動減速度達到0.5g以后，再增加制動減速度，車輛行駛距離已經相差很小。當制動減速度為0.45g時，該車的制動距離即滿足了文獻［6]中最大制動距離為36.69 m的要求;當制動減速度等于0.7g時，制動距離達到最小為24.55 m。

由圖9看出該載貨汽車模型仿真制動距離與理論制動距離的變化趨勢相似，在一定程度上說明所建載貨汽車模型正確，可以用于汽車的試驗仿真中。

圖10為直線制動時縱向減速度隨時間的變化曲線圖，圖10中曲線1～8代表制動減速度從0.1g起，以級差0.1g逐次遞增至0.8g做制動仿真時的汽車縱向減速度隨時間的變化曲線。圖11為不同制動減速度時車輛的側向位移隨時間的變化曲線，圖11中曲線1～8代表制動減速度從0.1g起，以級差0.1g逐次遞增至0.8g做制動仿真時側向位移隨時間的變化曲線。

圖10 縱向減速度隨時間的變化曲線

圖11 側向位移隨時間的變化曲線

由圖10可以看出:當制動減速度＞0.7g時，制動減速度曲線出現波動，原因是由于地面附著條件的限制，地面可以提供的最大制動減速度為0.7g，因此在該制動仿真試驗中載貨汽車可以發出的最大制動減速度約為0.7g，符合文獻［6]對制動減速度的要求;由圖11可以看出，在直線制動仿真過程中該汽車側向位移最大值為30.21 mm，符合文獻［6]對汽車在直線制動過程中側向位移的要求。

3 結語

1)建立載貨汽車整車動力學模型，根據國標要求的實車試驗方法設置仿真條件，以不同的制動減速度進行轉彎制動仿真和直線制動仿真。從仿真結果看，所建載貨汽車模型正確，具有良好的制動性能。由于條件的限制，本文缺少與實車試驗數據的對比，但虛擬樣機技術可以作為一種新的方法用于汽車的試驗研究中。

2)利用虛擬樣機技術仿真試驗可以快速準確地檢測車輛的制動性能，為汽車的研發工作提供方便，可以減少汽車的設計開發費用，縮短設計周期。

3)所建的虛擬樣機模型將汽車的所有零部件都設置為剛體，進行了若干簡化，沒有考慮到某些部件本身的特性，如果能夠進一步考慮更多的影響因素，建立更為精確的整車動力學模型，對實車不方便做的試驗運用虛擬樣機仿真試驗來做，具有重要的現實意義。

［1]余志生.汽車理論［M].北京:機械工業出版社，2004.

［2]王晶，呂浩.運用虛擬技術對夏利TJ7101U轎車進行制動分析［J].天津汽車，2002，(2):11.

［3]邵毅明，毛嘉川，劉勝川，等.山區公路上駕駛人的車速控制行為分析［J].交通運輸工程學報，2011，2(1):79－88.

［4]陳軍.MSC.ADAMS技術與工程分析實例［M].北京:中國水利水電出版社，2008.

［5]國際標準化組織.ISO/TC22CS9 汽車轉彎制動試驗方法國際標準［S].柏林:國際標準化出版社，1980.

［6]全國汽車標準化委員會.GB12676—1999 汽車制動系統結構、性能和試驗方法［S].北京:中國標準出版社，1999.