汽車動力學仿真模型建立及其驗證

陳鵬 赫圣杰

（天津一汽夏利汽車股份有限公司產品開發中心）

在汽車的開發過程中，為減少試驗的迭代次數和縮短整車的開發周期，汽車生產廠商往往以試驗場耐久性試驗為基礎，采用CAE 的方法進行數字化耐久性分析。為準確真實地反映汽車的耐久性能，需要建立貼合實際的汽車動力學仿真模型。文章利用ADAMS 基于結構的建模方法，建立了目標車多體動力學模型，主要包括前懸架模型、后懸架模型、轉向系模型和輪胎模型等。利用目標車的實車平順性和操縱穩定性試驗數據對建立的汽車模型進行了驗證。

1 整車仿真模型

1.1 前懸架

前懸架采用的是麥弗遜式獨立懸架，主要由轉向節、下擺臂、螺旋彈簧、轉向橫拉桿、減震器、橫向穩定桿、橡膠襯套、限位塊和車輪等組成。對各運動副進行簡化，完成拓撲結構關系圖，如圖1 所示。

1.2 后懸架

后懸架采用的是變形麥弗遜式獨立懸架，主要包括:轉向節、1 個縱向控制臂、2 個平行布置的橫向控制臂、螺旋彈簧、減震器、橫向穩定桿、橡膠襯套、限位塊和車輪等。圖2 示出變形麥弗遜式后懸架的拓撲結構關系圖。

1.3 橡膠襯套剛度獲取

一個精確的汽車模型中，彈性元件，特別是橡膠襯套準確的剛度特性是必不可少的。橡膠襯套剛度試驗包括:軸向剛度試驗、徑向剛度試驗、扭轉剛度試驗和彎曲剛度試驗。試驗前需先將前后懸架的所有橡膠襯套進行編號，以前懸架下擺臂前面的橡膠襯套F21 為例，圖3 示出F21 襯套軸向剛度特性曲線。

1.4 轉向系

該轎車轉向系為具有液壓助力的齒輪齒條式動力轉向系統，轉向梯形后置[1-2]。模型中對轉向系進行了較合理的簡化，轉向系具體結構示意圖，如圖4 所示。

1.5 輪胎模型

輪胎模型是輪胎力學特性的數學描述，通常分為理論模型、半經驗模型和經驗模型，并在汽車動力學仿真中得到廣泛的應用。對于汽車操縱穩定性動力學仿真來說，仿真的準確性在很大程度上取決于輪胎模型的準確性。因此，建立一個能夠準確描述輪胎力學特性的輪胎模型是汽車動力學仿真研究的關鍵。文章選用UniTire 輪胎模型進行仿真分析[3]。

1.6 駕駛員模型

文章采用的駕駛員模型是在“預瞄-跟隨”理論的基礎上，通過在方向控制和速度控制上引入反饋，提出的一個簡單有效的跟隨任意道路路徑和任意車速的方向與速度綜合控制駕駛員模型[4-5]。該模型經過多次不同汽車模型的閉環仿真驗證，能夠很好地描述駕駛員的方向控制駕駛行為特性。

1.7 整車模型

將文章建立的汽車前懸架、后懸架、轉向系及輪胎等子系統模型，在Adams/Car 中的MDI_SDI_TESTRIG試驗平臺上進行裝配，建立整車模型，如圖5 所示。

2 汽車動力學模型仿真與驗證

對建立的汽車動力學模型進行平順性和操縱穩定性的仿真與試驗，來驗證汽車動力學模型的準確性。

2.1 目標車參數

文章研究的目標車為國產A0 級轎車，前置前驅和制動器為前盤后鼓，5 擋手動變速，汽車試驗時載荷狀態參數，如表1 所示。仿真前，先在模型中調節簧載質量的位置和轉動慣量來滿足整車的載荷狀態。

表1 國產A0 級轎車主要參數

2.2 平順性仿真模型驗證

通過道路試驗獲得的平順性評價指標（客觀指標）通常被劃分為2 個不同方面:在試驗場路段上汽車對單一激勵的響應和對連續激勵的響應。

文章依據GB 5902—86《汽車平順性脈沖輸入行駛試驗方法》采用單一激勵的響應作為平順性仿真的典型工況。圖6 和圖7 分別示出左前輪簧下加速度和左后輪簧下加速度仿真與試驗對比圖，從圖6b 和圖7b中可以看出，仿真結果與試驗結果具有較好的符合性。

2.3 操縱穩定性仿真模型驗證

汽車操縱穩定性通常被認為包含互相聯系的2 個部分:操縱性和穩定性。文章將在前面建立的整車多體動力學模型的基礎上，按照GB/T 6323 和ISO 13674—1:2003，對以上操縱穩定性試驗進行仿真與試驗結果的對比，來驗證整車多體動力學模型的準確性。實車操縱穩定性試驗數據來自2007年6月在某試驗場完成的整車操縱穩定性試驗。

2.3.1 穩態回轉試驗

穩態回轉試驗可以驗證整車在不同側向加速度下的穩態轉向特性和穩態側傾特性。穩態轉向特性采用前后軸側偏角之差和側向加速度關系曲線來描述，是對汽車不足轉向度的一種描述方式，它決定了汽車最基本的轉向性能。前后輪側偏角之差與側向加速度以及車身側傾角與側向加速度試驗與仿真特性對比圖，如圖8 和圖9 所示，可以看出，仿真結果與試驗結果吻合較好。

2.3.2 方向盤角瞬態響應試驗

方向盤角瞬態響應試驗包括脈沖試驗和階躍試驗，兩者分別從頻域和時域對汽車的瞬態轉向進行評估。將脈沖試驗數據和仿真結果經過傅里葉變換和處理后，得到該試驗汽車橫擺角速度對方向盤轉角響應的幅頻和相頻特性，如圖10 和圖11 所示。

階躍試驗方向盤橫擺角速度與側向加速度仿真與試驗特性對比，如圖12 和圖13 所示。

2.3.3 轉向回正試驗

轉向回正性主要考察汽車在撒手回正時的汽車響應特性，反映了方向盤力階躍輸入特性。轉向回正性試驗包括低速轉向回正試驗和高速轉向回正試驗。圖14和圖15 分別示出仿真與試驗低速轉向回正和高速轉向回正橫擺角速度對比圖?？梢钥闯?，仿真結果與試驗結果吻合較好。

從圖8～15 可以看出，操縱穩定性試驗工況的試驗與仿真結果具有較好的符合性，說明文章所建的汽車動力學模型基本正確，可以用來描述汽車在線性區和非線性區的動力學特性。

3 結論

利用平順性脈沖行駛輸入試驗和操縱穩定性試驗的實車試驗數據，對所建立的整車多體動力學模型進行了驗證。驗證結果表明:仿真結果和試驗結果吻合較好，整車多體動力學模型基本正確，可以用來描述汽車在線性區和非線性區的動力學特性，為汽車試驗場耐久性試驗研究提供了良好的模型，也為后續研究奠定了基礎。