基于ADAMS/Car的某微型電動汽車動力學模型建立

孫艷 王長明

（遼寧工業大學汽車與交通工程學院）

虛擬樣機技術是當前制造領域的一門新技術，涉及多體系統動力學、計算方法與軟件工程。在生產過程中，虛擬樣機的準確建造，可極大地縮短產品開發周期和降低產品開發成本。文章以實車數據為基礎，應用ADAMS軟件建立某微型電動汽車的虛擬樣機，并初步完成其正確性驗證。在ADAMS/Car中完成虛擬樣機的正確搭建，可為后續實車性能研究和開發提供技術支持。

1 虛擬樣機技術

虛擬樣機技術[1]是近些年在產品開發的CAX，DFX及DFM等技術基礎上發展起來的，它進一步融合了現代信息技術、先進仿真技術及先進制造技術，是面向系統級設計的、應用基于仿真設計過程的技術，包含數字化物理樣機（DigitalMock-Up）、功能虛擬樣機（Functional Virtual Prototyping）及虛擬工廠仿真（Virtual Factory Simulation）的內容。虛擬樣機在產品開發過程中代替物理樣機的重復制造，可極大地縮短產品開發周期，降低產品開發成本，改進產品質量，提高對產品的創新設計和評估。

1.1 虛擬樣機在產品開發中的應用

對于傳統的產品開發，在概念設計（產品規劃）之后，是一個產品設計—樣機生產—對樣機測試評估—對測試評估結果反饋—設計的循環反復的過程，物理樣機的修改，以及研發階段的測試、評估及反饋均會增長產品開發周期，增加研發成本。

將虛擬樣機應用于傳統產品生產過程中，可以將傳統生產過程中的設計—樣機生產—對樣機反復測試評估—對測試評估結果反饋—設計的需要耗費大量人力、物力的勞動過程以數字化方式進行，不僅可有效減少生產物理樣機的成本、縮短開發周期以及對人力資源的占用，且虛擬樣機的應用將使產品的開發全生命周期的統一成為可能。圖1示出汽車產品開發流程圖。中起到核 方法的利潤比較，如圖2所示。

由圖2可以看出，虛擬樣機在產品開發過程中的應用，不僅生產周期明顯減少，而且利潤大幅增加。

1.2 多體系統動力學MSC.ADAMS簡介

MSC.ADAMS[2]是CAE領域中使用范圍最廣且應用行業最多的機械動力學仿真工具，是一款集建模、求解及可視化于一體的虛擬樣機軟件。ADAMS/Car模塊分為Standard（標準）和Template Builder（模板建模器）2種模式，并對應不同的菜單界面功能。ADAMS/Car中有：屬性文件、模板、子系統及裝配組件4類文件。

ADAMS/Car允許汽車工程師建造汽車各個子系統的虛擬樣機原型，并如同試驗真實樣機一樣對其進行計算機仿真分析，輸出表示操縱穩定性、制動性、乘坐舒適性和安全性的性能參數。

2 電動汽車虛擬樣機的建立

文章以某微型電動汽車為例，額定載客2人，其主要參數指標，如表1所示。

表1 某微型電動汽車整車性能參數

2.1 前懸架動力學模型的建立

該微型電動汽車的前懸架為帶橫向推力桿跟穩定桿的L型麥弗遜懸架。根據CATIA三維模型，建立前懸架模板文件所需要的硬點坐標、質量及轉動慣量，建立帶橫向推力桿跟穩定桿的L型麥弗遜懸架，如圖3所示。

2.2 后懸架動力學模型的建立

后懸架系統仍為麥弗遜式獨立懸架系統，但不帶橫向推力桿及穩定桿，通過左右橫拉桿與車架直接相連，如圖4所示。

2.3 電動機模型的建立

該微型電動汽車電動機的額定電壓為72 V，額定轉速為5 200 r/min，額定連續輸出功率為4.5 kW。電動機模型是以ADAMS/Car共享數據庫中的發動機模型為基礎，配以該微型電動汽車電動機的屬性文件，導入發電機的殼體建立得到，如圖5所示。

2.4 輪胎模型的建立

該微型電動汽車的輪胎數目為2，輪胎規格為145/70R12，文章選用ADAMS/Car共享數據庫中的PAC2002，該型號的輪胎模型[3]，如圖6所示。

2.5 轉向子系統的建立

該微型電動汽車為齒輪齒條轉向系統。依據轉向系CATIA三維模型的硬點坐標、質量及轉動慣量，對共享數據庫中的齒輪齒條轉向系模型進行修改，得到如圖7所示的齒輪齒條轉向系。

2.6 車身子系統的建立

文章根據微型電動汽車實車性能參數，修改共享數據庫中的車身模型的質心高度、質量及轉動慣量，并為該微型電動汽車簡單匹配汽車的外型結構和電池組，獲得的該電動汽車的車身模型，如圖8所示。

2.7 整車模型的建立

將上述建立的該微型電動汽車的各個子系統跟ADAMS/Car Ride四柱試驗臺進行裝配，即可建立得到適用于平順性仿真實驗的微型電動汽車的仿真模型，如圖9所示。將上述建立的該微型電動汽車的各個子系統跟ADAMS/Car的整車測試試驗臺進行裝配，即可建立得到適用于操縱穩定性仿真實驗的微型電動汽車的仿真模型，如圖10所示。

3 模型驗證

在ADAMS/Car標準界面中檢測所建立虛擬樣機的過約束情況及通訊器的匹配情況。經檢測，該微型電動車整車模型沒有過約束現象，各通訊器匹配完全。初步驗證了文章所建立模型的可行性。在該標準界面中調用Ride模塊，完成四輪同時激振（垂向振幅為10mm的正弦波，掃描頻率從0～20Hz，仿真時間為10 s）的平順性激振試驗。試驗順利進行，沒有出現報錯現象。

退出ADAMS/Car Ride四柱試驗臺模塊，在ADAMS/Car標準界面中進行操縱穩定性模型的仿真試驗，仿真時間為15 s，仿真步數1 500，初始速度為40 km/h。第1次向右轉向，方向盤轉角為200°，轉向過程歷時0.2 s；第2次向左轉向，方向盤轉角為400°，轉向過程歷時0.4 s。2次轉角都維持6 s，試驗順利進行，也沒有報錯現象發生。

平順性仿真試驗與操縱穩定性試驗仿真過程中均沒有報錯現象發生，初步證明了虛擬樣機建立的正確性。

4 結論

1）根據電動汽車實車參數，在ADAMS/Car中完成虛擬樣車模型的建立，通過仿真試驗初步驗證了模型的正確性，后續還可以通過實車樣車試驗與仿真試驗對比，更為準確的驗證模型的準確性。

2）虛擬樣機的正確建立，可以減少設計經費，所建立的虛擬樣機還能和物理樣機進行對比測試，以便找出其樣機的不足，它可以在同樣的時間“試驗”更多的設計方案。與常規的仿真相比它涉及的領域更廣，考慮也比較周全，因而可以提高產品的質量，減少產品開發后期設計更改，這樣可以使得整個產品設計周期最小化，減少了產品開發過程的時間，使產品能更快上市。