基于Adams/Car的四輪定位不良分析方法的建立

蘇德雄，王路，邵洋

(廣汽本田汽車有限公司，廣東廣州 510700)

0 引言

汽車操縱穩(wěn)定性是汽車行駛的重要性能之一，其優(yōu)劣不僅影響到駕駛的直觀感受，甚至還涉及車輛行駛及人員的安全性。四輪定位是影響汽車操縱穩(wěn)定性最直接的參數(shù)，四輪定位的內(nèi)容(圖1)包括：主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角，前輪前束。正確的定位角度可以獲得安全的操縱性、乘坐舒適性和最長(zhǎng)的輪胎使用壽命。

車輛在行駛過(guò)程中，車輛會(huì)隨著路面不平上下跳動(dòng)，在車輪跳動(dòng)過(guò)程中測(cè)量四輪定位的變化曲線，稱為動(dòng)態(tài)四輪定位測(cè)試。

虛擬樣機(jī)技術(shù)是近些年發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)品正向開(kāi)發(fā)技術(shù)，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以取代物理樣機(jī)來(lái)完成產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、評(píng)估和測(cè)試，隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)的不斷應(yīng)用，汽車產(chǎn)品無(wú)論是在設(shè)計(jì)周期還是生產(chǎn)成本方面都得到了極大改善[1]。

本文作者將基于新導(dǎo)入某車型的多連桿懸架采用Adams進(jìn)行操縱穩(wěn)定性仿真分析。建立了后懸架系統(tǒng)模型，對(duì)后懸系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)改變前后懸參數(shù)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

圖1 四輪定位角度

1 問(wèn)題說(shuō)明

在某新車型導(dǎo)入過(guò)程中，開(kāi)展動(dòng)態(tài)四輪定位測(cè)量，分析該車型動(dòng)態(tài)四輪定位數(shù)據(jù)波動(dòng)超過(guò)基準(zhǔn)車，如圖2所示，曲線1為設(shè)計(jì)目標(biāo)值，曲線2為新車型測(cè)試數(shù)據(jù)，從測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，新車型測(cè)試數(shù)據(jù)在同等車輪跳動(dòng)值時(shí)，前束波動(dòng)量大，不符合設(shè)計(jì)要求。

圖2 動(dòng)態(tài)四輪定位測(cè)量數(shù)據(jù)

2 基本理論和軟件概述

Adams多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)采用拉格朗日建模方法，是多剛體運(yùn)動(dòng)仿真軟件的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，其動(dòng)力需方程是拉格朗日坐標(biāo)矩陣的二階微分方程組[2]：

(1)

建立系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，假設(shè)運(yùn)動(dòng)副存在nh個(gè)約束方程，則可采用系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)矢量來(lái)表示約束方程組和驅(qū)動(dòng)約束：

φD(q,t)=0

(2)

通過(guò)求解多體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程可獲得：約束h形成的反作用力和力矩：

(3)

(4)

多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)建模與求解如圖3所示。

圖3 多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)建模與求解

3 后懸架系統(tǒng)模型建立

懸架系統(tǒng)可以用來(lái)傳遞車輪和副車架支架的力和力矩，其運(yùn)動(dòng)特性影響汽車操縱穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向輕便性和輪胎磨損[3]。故對(duì)懸架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析的目的是考察隨著車輪跳動(dòng)，車輪定位參數(shù)角的變化是否在規(guī)格范圍內(nèi)。

前束角指的是車輪對(duì)著行駛正方向的角度，對(duì)著內(nèi)側(cè)則前束角為正值(內(nèi)八字)，對(duì)著外側(cè)則為負(fù)值(外八字)。前束角主要能保證汽車行駛性，減少輪胎磨損[4]。

圖4 懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

前束角與懸架系統(tǒng)的硬點(diǎn)坐標(biāo)關(guān)系為：

(5)

式中：XP,XG,YP,YG分別是圖4中所示的P、G點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)。

在Adams/Car中建模需要分3個(gè)層次，分別是Template、Subsystem、Assembly。其中Template定義懸架子系統(tǒng)的拓?fù)潢P(guān)系，如連接副與部件的安裝、數(shù)據(jù)傳輸鏈；Subsystem引用Template并且根據(jù)提供的參數(shù)進(jìn)行修改，定義彈簧剛度、定義部件的位置；Assembly將一系列Subsystem與試驗(yàn)臺(tái)連接，組成一個(gè)完整的分析模型[5]。

根據(jù)某車型三維模型采集其懸架結(jié)構(gòu)的硬點(diǎn)數(shù)據(jù)(圖5)，采用車身坐標(biāo)系，建立多連桿懸架模型，由于該懸架是后懸，無(wú)需添加轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

圖5 懸架硬點(diǎn)數(shù)據(jù)

建立Adams模型，如圖6所示，調(diào)用測(cè)試臺(tái)文件(MDI_SUSPENTION_TESTRIG)開(kāi)展懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。

圖6 多連桿懸架Adams和3D模型

4 后懸架模型仿真數(shù)據(jù)分析

在PostProcessing中導(dǎo)出懸架系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)，在車輪上下跳動(dòng)50 mm過(guò)程中，其前束角變化曲線如圖7所示。

圖7 前束角變化

可以看出，前束角變化范圍是[-0.05°，0.6°]，設(shè)計(jì)目標(biāo)范圍是[-0.19°，0.33°]，仿真結(jié)果顯示在車輪行程大于40 mm以后前束發(fā)生較大的變化，導(dǎo)致前束角過(guò)大，這種情況易造成輪胎偏磨，乘坐舒適性變差。

5 結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整

在車型試做階段，對(duì)四輪定位關(guān)聯(lián)單品數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中序號(hào)1產(chǎn)生了不利影響，其他的都沒(méi)問(wèn)題。詳細(xì)分析見(jiàn)表1。

表1 關(guān)聯(lián)單品數(shù)據(jù)分析

改善方向?yàn)楦避嚰軉纹飞线B接下臂的PointF向內(nèi)側(cè)方向調(diào)整0.9 mm，如圖8所示。

圖8 副車架Point F調(diào)整方向

調(diào)整Adams/Car中的副車架結(jié)構(gòu)，重新仿真獲取前束角值變化曲線，與調(diào)整前的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖9所示。

圖9 調(diào)整前后前束角值變化對(duì)比

調(diào)整后在車輪跳動(dòng)大于40 mm時(shí)，前束角值沒(méi)有較大波動(dòng)，范圍是[-0.18°，0.06°]，在規(guī)格范圍內(nèi)，前束角波動(dòng)達(dá)成預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

6 結(jié)論

文中應(yīng)用Adams/Car模塊建立某車型的后多連桿懸架系統(tǒng)，對(duì)裝配好的懸架模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，通過(guò)Adams后處理分析，找到前束變化的問(wèn)題所在。

分析該車型在試做過(guò)程中的副車架單品數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)單品數(shù)據(jù)中存在不利影響，通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行修改，驗(yàn)證修改后前束值參數(shù)變化規(guī)律，動(dòng)態(tài)四輪定位測(cè)量值達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

以往主機(jī)廠技術(shù)人員解析四輪定位問(wèn)題，多憑借工作經(jīng)驗(yàn)判斷懸架系統(tǒng)中可能存在的問(wèn)題點(diǎn)，針對(duì)可能的因素一一進(jìn)行排查，在新車型逐漸密集的要求下，需要對(duì)四輪定位不良解析方法提出改進(jìn)，以便提高解析效率。

文中提出的利用Adams/Car模塊對(duì)四輪定位分析的方法，能夠大幅度提高四輪定位不良解析效率，在零件修模之前，利用CAE方法對(duì)對(duì)策的可行性和合理性進(jìn)行判斷。