ADAMS環(huán)境下卡車及懸架模板的建立

蔣鵬

摘要：ADAMS中的Car模塊是MDI公司與Audi、BMW、Renault和Volvo等公司合作開發(fā)的轎車模塊，它能快速建立高精度的整車虛擬樣機(jī)，包括車身、懸架、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和制動系統(tǒng)等，通過高速動畫直觀地再現(xiàn)各種工況下車輛的運動學(xué)和動力學(xué)響應(yīng)，并輸出表征操縱穩(wěn)定性、制動性、乘坐舒適性和安全性等的性能參數(shù)。為更好地改善懸架的性能，本文在ADAMS/Car中建立了仿真模型，對影響車輛操穩(wěn)性的特性參數(shù)在汽車行駛中的變化進(jìn)行了仿真分析，并把分析結(jié)果和實際試驗結(jié)果作了比較，證明了所建模型的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：ADAMS；卡車；懸架；虛擬樣機(jī)；仿真

ADAMS/Car是MDI公司與奧迪、寶馬、雷諾和沃爾沃等公司合作開發(fā)的整車設(shè)計軟件包，集成了他們在汽車設(shè)計、開發(fā)方面的專家經(jīng)驗，能幫助工程師快速建造高精度的整車虛擬樣機(jī)，采用的用戶化界面是根據(jù)汽車工程師的習(xí)慣而專門設(shè)計的，包括整車動力學(xué)模塊（Vehicle Dynamics）和懸架設(shè)計模塊（Suspension Design）。對懸架系統(tǒng)而言，ADAMS/Car在仿真結(jié)束后，可自動計算出30多種懸架特性，根據(jù)這些常規(guī)的懸架特性，用戶又可定義出更多的懸架特性，產(chǎn)品設(shè)計人員完全可通過這些曲線來對懸架進(jìn)行綜合性能的評價和分析。

一、ADAMS簡介

ADAMS即機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），該軟件是美國機(jī)械動力公司開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。同時，ADAMS是全球運用最為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件，用戶可利用ADAMS在計算機(jī)上建立和測試虛擬樣機(jī)，實現(xiàn)事實再現(xiàn)仿真，從而了解復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的運動性能。因此，ADAMS已被全世界各行各業(yè)的制造商廣泛采用。

ADAMS軟件由基本模塊、擴(kuò)展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類模塊組成。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格郎日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)，運動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移，速度，加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷及計算有限元的輸入載荷等。

ADAMS一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可運用該軟件非常方便地對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析。另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺。同時，ADAMS軟件有兩種操作系統(tǒng)的版本：UNIX版和Windows NT/2000版。

二、假設(shè)與簡化

在建立某種七噸模型時做了如下假設(shè)與簡化：①認(rèn)為左右懸架以汽車的縱向中軸線對稱（包括轉(zhuǎn)向梯形）；②懸架零部件中，除了彈性元件、橡膠元件外，剩余零部件全部認(rèn)為是剛體；③懸架彈性元件為鋼板彈簧，ADAMS軟件中用于建立鋼板彈簧的專有模塊ADAMS/Leaftool建立模型的；④后懸架輔助鋼板彈簧與車架連接，簡化為理想形狀的圓弧接觸，在ADAMS中用Contact Force力單元來描述；⑤彈性輪胎在懸架特性分析中考慮成僅有徑向剛度的線性模型，在整車操穩(wěn)仿真分析中為Fia-la輪胎模型；⑥對理想鉸鏈，均沒有考慮其內(nèi)摩擦和阻尼。

三、各模板的建立

1、前懸架及轉(zhuǎn)向系模板的建立。該種七噸載貨車前懸架各零部件包括：車軸、鋼板彈簧、減振器、轉(zhuǎn)向垂臂、轉(zhuǎn)向直拉桿、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向橫拉桿等。為了方便建模，將前懸架系統(tǒng)分為三個子系統(tǒng)：鋼板彈簧子系統(tǒng)、懸架子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系子系統(tǒng)。根據(jù)二維圖紙分別建立了三個子系統(tǒng)，最后將某種七噸載貨車前懸架參數(shù)輸入子系統(tǒng)模板中，通過ADAMS/Car中專有的連接器（Communica-tors）將三個子系統(tǒng)模板連接起來。

2、后懸架模板的建立。該種七噸載貨車后懸架系統(tǒng)各零部件包括：驅(qū)動車橋、鋼板彈簧、輔助鋼板彈簧等。后懸架系統(tǒng)模型也分三個子系統(tǒng)模板創(chuàng)建：主鋼板彈簧子系統(tǒng)（Lower_leaf_spring）、輔助鋼板彈簧子系統(tǒng)（Upper_leaf_spring）、驅(qū)動懸架子系統(tǒng)（Drive_rear_suspen-sion）。同樣，根據(jù)二維圖紙分別建立了三個子系統(tǒng)，最后將某種七噸載貨車后懸架參數(shù)輸入子系統(tǒng)模板中，通過ADAMS/Car中專有的連接器（Commun-icators）將三個子系統(tǒng)模板連接起來。

3、其它子系統(tǒng)模板的建立。該種七噸載貨車各子系統(tǒng)模板，還包括駕駛室懸置模板、動力總成模板、前轉(zhuǎn)向橋輪胎模板、后驅(qū)動橋輪胎模板及車架模板。其中，車架子系統(tǒng)模板中連接器的設(shè)定比較重要，因為很多模板都是要與車架模板連接，才能成為一個完整的整車系統(tǒng)模型。

4、整車模型的建立。把前后懸架系統(tǒng)和其他子系統(tǒng)裝配起來，就構(gòu)成了整車模型。裝配連接工作由ADAMS/Car自動完成，各個子系統(tǒng)模型之間的連接，是通過建立模板時設(shè)定的連接器（Communicators）來實現(xiàn)。

四、整車仿真分析和試驗驗證

1、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入仿真與驗證。汽車的操縱穩(wěn)定性同汽車行駛時的瞬態(tài)響應(yīng)有密切關(guān)系，常用轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)來表征汽車的操縱穩(wěn)定性。

參照國標(biāo)GB/T6323.6-94汽車操縱穩(wěn)定性試驗方法：轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗（轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入）的有關(guān)規(guī)定，對該種七噸載貨車進(jìn)行了車速70km/h下的汽車轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)的試驗仿真。按照1個g的穩(wěn)態(tài)側(cè)向加速度，調(diào)整好轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角；在時間為2s時開始階躍轉(zhuǎn)向，在0.2s內(nèi)完成階躍轉(zhuǎn)向，仿真時間為6秒，計算120步。在仿真過程中，需要測量的基本參數(shù)為：前輪轉(zhuǎn)向角、橫擺角速度、車身側(cè)向加速度和車身側(cè)傾角。另外，在后處理中進(jìn)行仿真結(jié)果的輸出，并將仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行比較。由其仿真結(jié)果可知，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，說明在ADAMS/Car環(huán)境下，開發(fā)的卡車模板基本是正確的，而且基本滿足精度要求。

2、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗仿真與驗證。對該種七噸載貨車進(jìn)行穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗仿真，同時，在仿真分析過程中，同樣要測量評價操縱穩(wěn)定性的幾個基本參量：前進(jìn)車速、橫擺角速度、側(cè)向加速度和車身側(cè)傾角。參照國標(biāo)GB/T6323.6-94穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗方法，對穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)結(jié)果，進(jìn)行分析處理，并將處理后的結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果如圖1和2所示，由圖中可知，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，這進(jìn)一步說明，在ADAMS/Car環(huán)境下，開發(fā)的卡車模板是正確的，而且滿足精度要求。

五、結(jié)語

本文在ADAMS/Car中建立了整車卡車虛擬樣機(jī)模版，然后根據(jù)某種七噸載貨車進(jìn)行了轉(zhuǎn)向盤角階躍輸入和穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真和試驗驗證，證實了所建模型的正確性.為完善卡車模板的開發(fā)，還需要進(jìn)一步建立其他子系統(tǒng)模板，諸如雙前橋轉(zhuǎn)向系模板、平衡懸架模板、空氣彈簧懸架模板等，以便能對其他類型載貨車進(jìn)行仿真分析。

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