基于ADAMS平臺(tái)的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

江騰飛，方亮，彭曼娜

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于ADAMS平臺(tái)的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

江騰飛，方亮，彭曼娜

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)商用車操控穩(wěn)定性能要求也逐步提高，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)是操縱穩(wěn)定性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，文章利用ADAMS軟件，以某中型卡車為例，建立整車動(dòng)力學(xué)分析模型，對(duì)整車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能進(jìn)行仿真分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升整車操縱性能。

ADAMS；穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)；板簧剛度

CLC NO.:U461.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-23-04

1、背景及意義

當(dāng)今世界汽車工業(yè)迅猛發(fā)展，汽車已成為人們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)中不可或缺的重要交通工具。而隨著汽車的普及，人們對(duì)汽車操縱性能等要求也越來(lái)越高，對(duì)于這些要求，只有通過(guò)對(duì)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的深入研究才能實(shí)現(xiàn)。

本文通過(guò)對(duì)某中型卡車的穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果給設(shè)計(jì)提供參考，減短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

2、基于ADAMS/Car的整車模型的建立

ADAMS/Car的建模順序是自下而上的，所有的整車模型都是建立在子系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，而子系統(tǒng)又是建立在模板的基礎(chǔ)上，根據(jù)零部件間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，定義零部件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)零部件進(jìn)行重新組合，將沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的零部件組合為一體，確定重新組合后零件間的連接關(guān)系和接地點(diǎn)的位置，主要模塊包括前懸架模型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、后懸架模型、輪胎 模型、車身模型、動(dòng)力總成模型等。在標(biāo)準(zhǔn)模式下將上述所建各子系統(tǒng)模型與整車測(cè)試平臺(tái)裝配在一起，得到整車操縱穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)仿真模型，車輛結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)如表1所示，作為整車建模的參考。

表1 整車部分設(shè)計(jì)參數(shù)

3、整車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能仿真分析

3.1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)概念

穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)特性是表征汽車操縱穩(wěn)定性的一個(gè)重要的時(shí)域響應(yīng)，汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性分為三種類型：不足轉(zhuǎn)向、中性轉(zhuǎn)向和過(guò)多轉(zhuǎn)向。

3.2 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)評(píng)價(jià)方法

汽車的操縱穩(wěn)定性由于受研究目的、駕駛?cè)蝿?wù)、人為感覺(jué)及環(huán)境條件等多種因素影響，使其研究和評(píng)價(jià)錯(cuò)綜復(fù)雜。現(xiàn)階段主要根據(jù)GB/T6323和QC/T480來(lái)進(jìn)行汽車操縱穩(wěn)定性的試驗(yàn)和評(píng)價(jià)。

3.3 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真

3.3.1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T-6323.6規(guī)定：汽車處于滿載狀態(tài)，以最低穩(wěn)定車速沿半徑15m的圓周行駛，達(dá)到穩(wěn)定后固定轉(zhuǎn)向盤不動(dòng)，緩緩連續(xù)而均勻地加速（縱向加速度不超過(guò)0.25m/s2），直至汽車的側(cè)向加速度達(dá)到4.5m/s2為止。記錄整個(gè)過(guò)程。

3.3.2 仿真過(guò)程圖1為穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真過(guò)程中車輛行駛軌跡，半徑為15m。圖2為車速與側(cè)向加速度的關(guān)系曲線，側(cè)向加速度達(dá)到4.5m/s2時(shí)，停止數(shù)據(jù)記錄。

圖1 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真軌跡

圖2 車速VS側(cè)向加速度

3.3.2.1 數(shù)據(jù)處理

轉(zhuǎn)彎半徑比Ri/R0與側(cè)向加速度ay關(guān)系曲線

Ri=Vi/riayi==Vi·rii=1,2,3,4……n

式中：Vi—第i點(diǎn)前進(jìn)車速，m/s

ri—第i點(diǎn)橫擺角速度，rad/s

Ri—第i點(diǎn)轉(zhuǎn)彎半徑，m

ayi—第i點(diǎn)側(cè)向加速度，m/s2

進(jìn)而算出各點(diǎn)的轉(zhuǎn)彎半徑比（Ri/R0）（R0為初始半徑，m）。根據(jù)仿真結(jié)果，繪制（Ri/R0）—ay曲線，如圖3所示：

圖3 轉(zhuǎn)彎半徑比VS側(cè)向加速度

汽車前后側(cè)偏角差值（δ1—δ2）與側(cè)向加速度ay關(guān)系曲線

式中：δ1，δ2—前后軸側(cè)偏角（°）

根據(jù)仿真結(jié)果繪制（δ1—δ2）—ay曲線，如圖4；根據(jù)記錄的車廂側(cè)傾角整理出Ф—ay關(guān)系曲線，如圖5；

圖4 前后側(cè)偏角差VS側(cè)向加速度

圖5 側(cè)傾角VS側(cè)向加速度

根據(jù)GB/T 13047的要求，找出中心轉(zhuǎn)向點(diǎn)的側(cè)向加速度an，不足轉(zhuǎn)向度U及車廂側(cè)傾度KФ三個(gè)參數(shù)。圖3、4、5曲線中ay＜0.5 m/s2的數(shù)據(jù)為無(wú)效數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果僅保留ay≥0.5 m/s2部分。

3.3.2.2 仿真評(píng)價(jià)

依據(jù)QC/T 480-1999汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法，由仿真分析結(jié)果得出整車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能的評(píng)價(jià)計(jì)分如表2所示,整車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)計(jì)分如表3所示：

表2 整車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能仿真評(píng)價(jià)計(jì)分

表3 整車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)計(jì)分

3.4 小結(jié)

根據(jù)GB/T6323和QC/T480對(duì)該車進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真分析及評(píng)價(jià)，由穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真結(jié)果可以看出該車具有不足轉(zhuǎn)向性能，穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能基本達(dá)到要求，且與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相近，說(shuō)明該動(dòng)力學(xué)模型具有很好的精度，仿真方法可行，可在此基礎(chǔ)上優(yōu)化進(jìn)一步提升穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能。

4、整車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能優(yōu)化

影響汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能的因素有很多，本文主要選取一些實(shí)際可修改的因素，如前后懸架鋼板彈簧剛度、主銷后傾角，對(duì)穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 板簧剛度的影響分析

表4為車輛前后板簧剛度原始數(shù)據(jù)及加大減小后數(shù)據(jù)。

表4 板簧剛度

4.1.1 前板簧剛度的影響分析

對(duì)前板簧剛度加大、減小方案，分別進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真，仿真過(guò)程中車輛行駛軌跡半徑為15m，軌跡如圖6所示，根據(jù)記錄的車廂側(cè)傾角整理出Ф—ay關(guān)系曲線，如圖7所示，仿真結(jié)果如表5所示：

圖6 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真軌跡

圖7 側(cè)傾角VS側(cè)向加速度

表5 仿真結(jié)果

由上表可以看出，加大前板簧剛度，能提高整車的不足轉(zhuǎn)向性能，并且使車廂側(cè)傾度減小，即加大前板簧剛度能提高整車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能。

4.1.2 后板簧剛度的影響分析

對(duì)后板簧主簧和復(fù)合剛度加大、減少方案，分別進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真，仿真過(guò)程中車輛行駛軌跡半徑為15m，軌跡如圖8所示，根據(jù)記錄的車廂側(cè)傾角整理出Ф—ay關(guān)系曲線，如圖9所示，仿真結(jié)果如表6所示：

改變后板簧剛度仿真對(duì)比：

紅色曲線：原板簧剛度

藍(lán)色曲線：后板簧剛度加大

粉色曲線：后板簧剛度減小

圖8 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真軌跡

圖9 側(cè)傾角VS側(cè)向加速

表6 仿真結(jié)果

由上表可以看出，加大后簧剛度能減小車廂側(cè)傾度，對(duì)整車的不足轉(zhuǎn)向性能影響小，即加大后板簧剛度能提高整車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能。

4.2 主銷后傾角的影響分析

對(duì)主銷后傾角由2°加大到3°，或?qū)χ麂N后傾角由2°減小1°，分別進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真，仿真過(guò)程中車輛行駛軌跡半徑為15m，軌跡如圖12所示，根據(jù)記錄的車廂側(cè)傾角整理出Ф—ay關(guān)系曲線，如圖13所示，仿真結(jié)果如表7所示：

改變主銷后傾角仿真對(duì)比：

紅色曲線：原主銷后傾角 2°

藍(lán)色曲線：主銷后傾角加大至3°

粉色曲線：主銷后傾角減小至1°

圖12 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真軌跡

圖13 側(cè)傾角VS側(cè)向加速度

表7 仿真結(jié)果

由上表可以看出，主銷后傾角加大或減小，不足轉(zhuǎn)向度和車廂側(cè)傾度變化較少，因此，改變主銷后傾角對(duì)整車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能幾乎無(wú)影響。

4.3 各影響因素仿真結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)前板簧剛度、后板簧剛度、主銷后傾角等參數(shù)的調(diào)整，可以提升轉(zhuǎn)向穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能，穩(wěn)態(tài) 回轉(zhuǎn)仿真評(píng)分詳細(xì)對(duì)比結(jié)果如圖14所示：

圖14 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)各影響因素仿真結(jié)果對(duì)比

4.4 小結(jié)

通過(guò)對(duì)各影響因素分析后可知，加大前板簧剛度、加大后板簧剛度都能使穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能提高，主銷后傾角對(duì)穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能的影響可以忽略不計(jì)。

5、總結(jié)

本文根據(jù)多體動(dòng)力學(xué)的基本理論和研究方法，利用ADAMS/Car模塊建立了該車的多體動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)國(guó)標(biāo)的相關(guān)要求，對(duì)整車進(jìn)行了整車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能進(jìn)行仿真分析，同時(shí)對(duì)整車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。全文總結(jié)如下：

1）對(duì)整車進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真，仿真結(jié)果顯示，該車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能較好；

2）根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)影響穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)的因素進(jìn)行分析，提出優(yōu)化方案。仿真結(jié)果表明：加大前板簧剛度、加大后板簧剛度都能使穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能提高，主銷后傾角對(duì)穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能的影響可以忽略，但有些因素會(huì)影響到平順性，需要綜合考慮穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能和平順性能再確定具體的變化的范圍。

[1] 余志生.汽車?yán)碚?第四版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2006.6.130-131, 141-151.

[2] 尹漢琪,黃秀玲,唐麗亞,沈黎明.基于ADMAS的汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析.機(jī)械制造53卷第606期. 2015.

[3] 長(zhǎng)春汽車研究所.QC/T 480. 汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法. 北京.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.1999.

[4] 全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB/T 6323.汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗(yàn). 北京.中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.2014.

Simulation Analysis and Optimum Design of Steady State Rotation Based on ADAMS

Jiang Tengfei, Fang Liang, Peng Manna
( Anhui Jianghuai Automobile Group Co. Ltd, Anhui Hefei 230601 )

With the development of the economy, people also improve their demand to Commercial vehicle control stability step by step, the steady state of rotary steering stability is an important evaluation index, this paper, by using the ADAMS software, taking a Medium-sized truck as an example, the vehicle multi-body system dynamics model is established and dynamics simulation analysis was carried out on the vehicle steady turning performance, according to the result of analysis and optimization design, improve vehicle handling performance.

ADAMS; Steady state rotational performance; Plate spring stiffness

U461.6

A

1671-7988 (2017)08-23-04

江騰飛，項(xiàng)目管理部，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.008