基于ADAMS/CAR的整車操縱穩定性仿真及優化

李慧聰,勾治踐,任明輝

(1.長春工業大學 機電工程學院，吉林 長春 130012;2.杭州師范大學 錢江學院，浙江 杭州 310016;3.中國第一汽車集團公司技術中心，吉林 長春 130012)

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基于ADAMS/CAR的整車操縱穩定性仿真及優化

李慧聰1,勾治踐2*,任明輝3

(1.長春工業大學 機電工程學院，吉林 長春 130012;2.杭州師范大學 錢江學院，浙江 杭州 310016;3.中國第一汽車集團公司技術中心，吉林 長春 130012)

依據多體系統動力學理論，采用虛擬樣機技術ADAMS/CAR創建完整的整車模型，并在INSIGHT模塊進行優化，對懸架的硬點坐標及性能進行改進，最后對整體進行仿真與計算。選取階躍轉向和蛇形實驗來對目標車輛進行操縱穩定性能的評價。

ADAMS/CAR；操縱穩定性；優化設計；階躍轉向；蛇形實驗

0 引 言

汽車的操縱穩定性能與其懸架特性聯系較為緊密，指駕駛員在沒有明顯的慌張、勞累狀態下，汽車可以按方向盤給定的由車主意志控制的路線前進。德國人阿達姆·措莫托[1]介紹了車輛行駛過程中性能的測試與評價；德國汽車專家賴姆帕爾[2]從懸架各部件的計算設計以及懸架類型特點對懸架性能做出了完整的分析；日本學者安部正人[3]在汽車受力與運動時，對懸架建立了較為完整的動力學方程，對懸架的主要部位開展了嚴密的計算；天津大學的潘筱[4]等依據后懸架拓撲結構仿真模型，得出了改進后的車輛在行駛穩定及操縱方面有了較大的提升。根據國家相關標準規定，操縱穩定性能的分析應該從穩定狀態回轉、轉向盤角階躍輸入、轉向操縱輕便和蛇形等多個方面進行評價[5]。文中選用ADAMS軟件中的汽車模塊來對車輛轉向瞬態響應和蛇形行駛進行仿真計算。

1 汽車整車模型的建立

1.1 前懸架結構模型的建立

文中所研究的是發動機后置的汽車模型，發動機后置可使車身在重量分布方面大大改善，提升了整體的平衡性和操控性。前懸架采用的是雙叉臂獨立懸架，該懸架的結構特點為其所擁有的兩個上下不等長設置的A字形的叉臂(上短下長)，兩個A字形臂共同承擔了側向外力，支柱只對汽車的車體起到支撐作用，橫向剛度與縱向剛度性能優異，是雙叉臂懸架的杰出特性。前輪方位的各項數據可由該懸掛的兩個A臂精確標定，當行駛方向發生改變時，輪胎受到的側向外力可被該雙A字形臂吸收，因此，雙叉臂式獨立懸架在方向發生變化時的抵抗側向傾斜的能力比其他懸架好，操縱穩定性好。此外，兩叉臂長度不同的結構類型可以使前輪在運動過程中，外傾角隨時變化來減小前輪間距的變化。這樣可以延長輪胎的使用壽命，增強了對不同情況路面的應變能力，使輪胎與地面的接觸面變大，車輪的工作性能強。前懸架結構模型如圖1所示。

圖1 前懸架結構模型

1.2 后懸架模型的建立

該汽車后懸架采用的是多連桿結構，此類型懸架可以對主銷后傾角的位置進行調整，極大程度地削減來自路面傳來的前后方向力，從而提高了制動與加速的舒適性。在汽車沿直行道路行駛時，能起到良好的保證直行能力的穩定性；在汽車處于制動或轉彎過程中，多連桿懸架能使后輪前束為正值，增強了對汽車的操控性能，降低了轉向時轉向輪的角度幅值。多連桿懸架在受迫運動時，通過連桿對各桿件間連接點(硬點)位置的主動調整來改變車輪狀態，時刻保持后輪對地面的抓地力達到最好的狀態。由于該懸架自由度的設計比較大，可以針對車輛在運動狀態時的前束角和外傾角進行校正，并能使后輪獲得一定的轉向角度，可以極大提高整車的操控極限，后懸架結構模型如圖2所示。

圖2 后懸架結構模型

1.3 整車集成模型

利用ADAMS/CAR的組件功能，將所需創建的各結構部件組裝，建立整車模型。整車仿真模型主要由前懸架部件、后懸架部件、車身、轉向系統、輪胎和動力傳動系統模型6個部分構成，如圖3所示。

圖3 整車仿真模型

車輛模型在虛擬路面上行駛，對行駛狀態的控制由驅動器來進行。依靠仿真功能對整車進行仿真可以獲得本次實驗中所需的特性曲線。

2 ADAMS/INSIGHT實驗設計

由于該模型是通過對原有模型的硬點進行修改后獲得的所需要的模型，使得模型可能會存在缺陷或不足，實驗設計可以對多個參數進行實驗分析，幫助尋找出哪些因素的影響最顯著，利用優化分析求出該因素參數在取什么值的時候能使測量目標達到最小或最大，其步驟如下：

1)創建狀態變量；

2)創建測量函數；

3)創建設計目標變量；

4)進行優化分析；

5)查看優化結果[6]。

選取平衡位置轉向節下球鉸點C、下控制臂后點A、下控制臂前點B、平衡位置轉向節上球鉸點F、上控制臂后點D、上控制臂前點E、轉向橫拉桿內外點(設為N、M)的空間坐標參數作為設計變量：

(1)

規定所選參數的變化范圍，受結構設計影響，令所選各參數的變化范圍為±15 mm：

(2)

前懸架優化中，前輪位置參數指其前軸、主銷軸線在空間上形成的定位參數，有前輪前束角、前輪外傾角、主銷后傾角、主銷內傾角。選取前輪外傾角(γ)、前輪前束角(B)、主銷后傾角(β)為測試目標，硬點參數的變化會影響外傾角、主銷后傾角、內傾角。對三者變化量進行分析，目標函數式為：

(3)

經過迭代計算后，選取令三個目標變化量最小的一組數據，忽略不計對目標影響效果較小的設計變量(平衡位置轉向節下球鉸點C)，對其余的設計變量進行優化后的數據調整，最終獲得經過優化后的數據，見表1。

表1 優化后的數據

將優化后的懸架重新進行裝配，就可對優化前與優化后的整車進行分析對比。

3 整車的仿真分析

3.1 階躍轉向仿真

通過階躍轉向的仿真實驗，可獲得汽車的時域過渡特性，有橫擺角速度和側向加速度。實驗時，先要保持汽車勻速直線行駛狀態，為了消除自由間隙，需要從轉向方向緩慢靠向轉向盤，隨后快速轉動轉向盤至實驗設定的方向轉角值，并保持轉角值不能發生變動。經過數秒直至所測變量達到新的穩定狀態。實驗中需要車速、轉向盤角度、側向加速度、橫擺角速度等數據。

首先，由進入穩態時的側向加速度值達到1～3 m/s2來確定獲得角階躍輸入實驗中方向盤轉角大小。在沿直線行駛過程中，當汽車速度保持在其最高車速的70%時，需要在盡可能短的時間內迅速轉動方向盤，并停留在預先設定的角度上，在保持數秒車速不變的狀態下，直到汽車穩定。選取仿真車車速為100 km/h，方向盤右轉，其設定角度為22°，起躍時間為0.4 s，階躍轉向仿真條件如圖4所示。

圖4 階躍轉向仿真條件

優化前后橫擺角速度仿真對比如圖5所示。

根據下式可知，優化前超調量為26.9%，優化后超調量為18.8%，說明優化后穩定性能明顯優于優化前，穩態響應快，諧振幅小。

(4)

式中：ψ——超調量；

Xmax——橫擺角速度最大值；

X0——橫擺角速度穩態值。

蛇形仿真在汽車操縱穩定的仿真實驗中是一種非常重要的試驗方法，因為它能夠充分展現出汽車的操縱穩定性能以及乘客在車中的乘坐舒適度。該項仿真實驗用于評測車輛在行駛過程中的過渡響應與側傾穩定性。在蛇形駕駛過程中要預先對方向盤進行轉向角的設定，之后再反方向轉動方向盤，達到設定角度。由國家標準GB/T6323.1-94規定的蛇形基準設定標樁間距L為30m，基準車速為65km/h，仿真車速依次為40、55、65、75km/h。

實線為優化前; 虛線為優化后

3.2 蛇形仿真

車速為40 km/h時橫擺角速度響應如圖6所示。

圖6 車速40 km/h時橫擺角速度響應

方向盤轉角優化前后對比如圖7所示。

實線為優化前; 虛線為優化后

由圖7可知，優化前后的橫擺角速度和方向盤轉角的變化趨勢大體上是對應的，其中優化前汽車方向盤的轉角幅度是38°，優化后汽車方向盤的轉角幅度是36°，優化后比優化前減小了5.3%；橫擺角速度大體相同。根據國家相關標準規定蛇形仿真實驗的評價方法如下[7]：

1)對橫擺角峰值的均值r進行評價。平均橫擺角速度峰值的評價計分值Nr：

(5)

式中：r60——橫擺角速度平均峰值的下限值；

r100——橫擺角速度平均峰值的上限值；

r——基準車速下橫擺角速度平均峰值的仿真值。

2)對轉向盤轉角峰值平均值θ進行評價。轉向盤轉角平均峰值的評價計分值Nθ：

(6)

式中：θ60——轉向盤轉角平均峰值的下限值；

θ100——轉向盤轉角平均峰值的上限值；

θ——基準車速下轉向盤轉角平均峰值的仿真值。

3)蛇形仿真實驗的綜合評價計分值。蛇形仿真實驗的綜合評價計分值NS：

(7)

結合國家標準，計算出蛇形仿真實驗的評價計分值，優化前NS=97.326，優化后NS=98.391，評分較優化前高。

4 結 語

通過利用ADAMS/CAR模塊對整車進行建模仿真，并通過ADAMS/INSIGHT模塊對前后懸架進行優化，對懸架的幾個定位參數進行分析及修改，在階躍轉向仿真中使超調量由26.9%降低至18.8%，提升了汽車的穩定性。蛇形試驗中，評分由97.326升高到98.391，表明該方法可以準確方便地計算汽車懸架的硬點參數，在汽車的前期開發中大量降低了成本及車輛的研發時間，使得生產出的車輛安全又舒適。

[1] 阿達姆.措莫托.汽車行駛性能[M].黃錫朋,解春陽,譯.北京:科學普及出版社,1992.

[2] 耶爾森.賴姆帕爾.汽車懸架[M].李旭東,譯.北京:機械工業出版社,2013.

[3] 安部正人.汽車的運動與操縱[M].陳幸波,譯.北京:機械工業出版社,1998.

[4] 潘筱.五連桿非獨立后懸架K & C特性仿真研究[J].機械設計與制造,2013,9(9):79-82.

[5] 彭莫,刁增祥,黨瀟正.汽車懸架構件的設計計算[M].北京:機械工業出版社,2012.

[6] 周志才.基于ADAMS/Insight的某傳動機構參數優化[J].機械工程師,2011,6(6):64-66.

[7] 全國汽車標準化委員會.QC/T480-1999汽車操縱穩定性指標限值與評價方法[S].北京：[s.n.],1999.

ADAMS/CAR based vehicle steering stability simulation and optimization

LI Huicong1,GOU Zhijian2*,REN Minghui3

(1.School of Mechatronic Engineering,Changchun University of Technology,Changchun 130012，China;2.Qianjiang College，Hangzhou Normal University,Hangzhou 310016,China;3.FAW Technology Center,Changchun 130012，China)

Based on multibody dynamics principle,ADAMS/CAR technique is used to build the vehicle model and then optimized with INSIGHT module to improve the suspension hard points. Simulation analysis is carried out on the whole structure. Step steering and serpentine experiments are applied to evaluate the stability of vehicle handling.

ADAMS/CAR; handling and stability; optimization design; steering; pylon course slalom test.

2016-03-09

李慧聰(1989-)，男，漢族，河北張家口人，長春工業大學碩士研究生，主要從事數字化制造工程方向研究,E-mail:741088796@qq.com. *通訊作者：勾治踐(1958-)，男，漢族，吉林長春人，杭州師范大學教授，博士，主要從事數字化制造工程和機械系統動力學方向研究,E-mail:gouzhijian@163.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.5.21

U 463.33

A

1674-1374(2016)05-0516-05