基于ADAMS的整车建模和操纵稳定性仿真评价

基于ADAMS的整车建模和操纵稳定性仿真评价（共6篇）

篇1：基于ADAMS的整车建模和操纵稳定性仿真评价

基于Pro-E/ADAMS的路面铣刨机集料输送机构的三维建模与仿真分析

路面铣刨机是一种高效的沥青混凝土路面维修养护机械,其原理是利用滚动铣削的`方法把路面局部或全部破碎.为了减轻劳动强度,机器设计有回收装置,使铣削下来的铣削物直接输送到运载卡车上.本文运用Pro-E和ADAMS软件对其集料输送机构二级皮带支撑机构进行三维建模和仿真分析.

作 者：赵月罗 刘宏哲 ZHAO Yue-luo LIU Hong-zhe  作者单位：赵月罗,ZHAO Yue-luo(河北工程大学,河北,邯郸,057000)

刘宏哲,LIU Hong-zhe(陕西建设机械股份公司,陕西,西安,710000)

刊 名：廊坊师范学院学报（自然科学版） 英文刊名：JOURNAL OF LANGFANG TEACHERS COLLEGE 年，卷(期)：2009 9(3) 分类号：U415.52 关键词：路面铣刨机   集料输送机构   三维建模   仿真分析  

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篇2：基于ADAMS的整车建模和操纵稳定性仿真评价

以往主要采用线性轮胎模型研究汽车操纵稳定性,线性轮胎模型仅能在较小轮胎侧偏角内使用,存在局限性。因此,有必要使用精度更高的非线性轮胎模型。

Uni Ttire模型,是由我国郭孔辉院士提出可全面表达轮胎在各种工况下的轮胎特性的模型,具有很好的实用性和很高的精度[4,5,6]。

现从理论上将Uni Ttire侧向力模型和汽车操纵稳定性二自由度模型相结合,研究基于Uni Ttire侧向力模型的汽车操纵稳定性的建模和仿真方法,实现从轮胎模型到操纵稳定性的转变。

1 Uni Ttire侧向力模型

1.1 非线性Uni Ttire侧向力模型

Uni Ttire侧向力模型表达式为

式中,Fyi为轮胎侧偏力;为无量纲轮胎侧偏力;μyi为侧向摩擦系数;Fzi为轮胎垂直载荷;Фi为无量纲侧向滑移率;kyi为轮胎侧偏刚度;αi为轮胎侧偏角;Fzni为无量纲垂直载荷;Fz0为轮胎额定载荷;s1~s8为纯工况Uni Ttire模型侧向特性参数;mi和ni为中间参数。

1.2 线性Uni Ttire侧向力模型

Uni Tire侧向力模型,是非线性模型,其退化为线性模型时,表达式为

2 汽车操纵稳定性二自由度模型

2.1 力学模型

为了便于掌握汽车操纵稳定性的基本特征,引入如下假设:

(1)忽略转向系统的影响,直接以前轮转角作为输入。

(2)忽略悬架的作用,认为汽车只作平行于路面的平面运动,即汽车沿z轴的位移,绕y轴的俯仰角与绕x轴的侧倾角均为零。

(3)汽车沿x轴的前进速度u视为不变。

(4)驱动力不大,不考虑路面切向力对轮胎侧偏特性的影响,没有空气动力学的作用。

(5)车辆坐标系的原点与质心重合。

(6)汽车在平坦路面行驶。

基于以上假设,实际汽车简化为由前后两个有侧向弹性的轮胎支撑于地面、具有侧向和横摆运动的二自由度力学模型,如图1所示。该力学模型的参数,如表1所示。

2.2 数学模型的一般描述

对图1所示的模型,采用车辆坐标系,应用牛顿第二定律,有

汽车质心侧向加速度为

将式(12)代入式(10),得

对式(13)和式(11)进行变换,有

取状态变量x={β,ωr}T,将式(14)和式(15)表示成状态方程形式,得

确定轮胎侧偏力,需要轮胎侧偏角。前、后轮侧偏角与汽车质心侧偏角和横摆角速度的关系表示为

式(19)表示成矩阵形式,有

汽车在平坦路面行驶时,前、后轴载荷Fz1、Fz2等于相应的车轴静载,即

2.3 数学模型的线性描述

采用线性轮胎模型时,轮胎所受侧偏力为侧偏刚度和侧偏角的乘积,即

于是,有

将式(20)代入式(23),有

将式(24)代入式(16),得

进一步简化式(25)右端的两个矩阵,有

将式(26)和式(27)的最后结果取为c和d,即

式(25)最后表示为

3 汽车操纵稳定性二自由度模型仿真实现

3.1 基于线性Uni Tire侧向力模型的仿真算法

基于线性Uni Tire侧向力模型的汽车操纵稳定性仿真,是对式(30)结合线性Uni Tire侧向力模型在时域内应用4阶龙格-库塔方法进行求解,获得汽车质心侧偏角、横摆角速度和侧向加速度等序列。具体的仿真算法如下。

(1)总的模拟时间取T,采样时间取Δt,计算时间T内离散时间点的个数N=T/Δt+1,各离散时间点ti=i×Δt,i=0,1,2,…,N。

(2)由式(21)计算前后轮胎载荷Fz1和Fz2。

(3)由式(9)计算前后轮胎的线性Uni Tire模型侧偏刚度ky1和ky2。

(4)由式(28)和式(29)计算矩阵c和d。

(5)给定前轮转角δ,应用4阶龙格-库塔方法求解式(30),得到质心侧偏角和横摆角速度的序列β(i)和ωr(i),i=0,1,2,…,N。

(6)通过差分运算,得到质心侧偏角导数序列

(7)由式(12)计算侧向加速度序列ay(i),i=0,1,2,…,N。

(8)绘制质心侧偏角β、横摆角速度ωr和侧向加速度ay随时间变化的历程曲线。

3.2 基于非线性Uni Tire侧向力模型的仿真算法

基于非线性Uni Tire侧向力模型的汽车操纵稳定性仿真,是对式(16)结合非线性Uni Tire侧向力模型在时域内应用4阶龙格-库塔方法进行求解,获得汽车质心侧偏角、横摆角速度和侧向加速度等序列。具体的仿真算法如下。

(1)总的模拟时间取T,采样时间取Δt,计算时间T内离散时间点的个数N=T/Δt+1,各离散时间点ti=i×Δt,i=0,1,2,…,N。

(2)由式(21)计算前后轮胎载荷Fz1和Fz2。

(3)由式(17)计算矩阵C和D。

(4)由式(7)、式(6)、式(5)和式(4)计算前后轮胎非线性Uni Tire模型的无量纲垂直载荷Fzn1和Fzn2、曲率因子E11和E12、侧偏刚度ky1和ky2、侧向摩擦系数μy1和μy2、中间参数m1和m2、中间参数n1和n2。

(5)给定前轮转角δ,由式(19)将前后轮胎侧偏角α1和α2表示成β=x(1)和ωr=x(2)的函数,由式(3)将无量纲前后轮胎侧向滑移率Ф1和Ф2表示成α1和α2的函数,由式(2)将无量纲前后轮胎侧偏力表示成Ф1和Ф2的函数,由式(1)获得前后轮胎侧偏力Fy1和Fy2,最后集成为随β=x(1)和ωr=x(2)变化的Fy=[Fy1,Fy2]T。

(6)应用4阶龙格-库塔方法求解式(16),得到质心侧偏角和横摆角速度的序列β(i)和ωr(i),i=0,1,2,…,N。

(7)通过差分运算,得到质心侧偏角导数序列

(8)由式(12)计算侧向加速度序列ay(i),i=0,1,2,…,N。

(9)绘制质心侧偏角β、横摆角速度ωr和侧向加速度ay随时间变化的历程曲线。

3.3 汽车操纵稳定性仿真结果

根据前面的算法,分别基于线性和非线性Uni Tire侧向力模型进行汽车操纵稳定性仿真。采用某轿车参数,取前轮转角δ=0.1 rad,车速u=60 km/h,采用Matlab开发仿真程序,得到汽车操纵稳定性响应量,如图2所示。

由图2可以看出,理想的平坦路面上,汽车在方向盘转角阶跃作用下,线性Uni Tire侧向力模型的稳定时间小于非线性Uni Tire侧向力模型,各响应量在汽车稳定状态中保持不变。

由图2还可以看出,进入稳定状态后,各响应量稳态值,线性Uni Tire侧向力模型的各响应量均大于非线性Uni Tire侧向力模型。

4 结论

从应用出发,总结了非线性和线性Uni Tire侧向力模型。基于平面假设,建立了汽车操纵稳定性二自由度的力学模型和一般数学模型,在线性轮胎模型假设下,基于矩阵推导了汽车操纵稳定性二自由度的线性数学模型。基于线性和非线性Uni Tire侧向力模型,建立了相应的操纵稳定性仿真算法,开发了相应的Matlab仿真程序,实现了平坦路面下某轿车操纵稳定性的仿真,对比了基于线性和非线性Uni Tire侧向力模型的汽车操纵稳定性仿真结果,线性Uni Tire侧向力模型的稳定时间小于非线性Uni Tire侧向力模型,各响应量稳定值均大于非线性Uni Tire侧向力模型。

摘要：为了进行汽车操纵稳定性建模和仿真,总结了非线性和线性Uni Ttire侧向力模型。基于平面假设,建立了考虑轮胎非线性和线性的汽车操纵稳定性二自由度模型,提出了基于线性和非线性Uni Ttire侧向力模型的操纵稳定性仿真算法。在常用车速60 km/h下,对某轿车操纵稳定性进行了仿真,获得了横摆角速度、质心侧偏角和侧向加速度的时间历程。研究结果表明,基于线性和非线性Uni Ttire侧向力模型仿真的横摆角速度、质心侧偏角和侧向加速度是不同的,研究汽车操纵稳定性应关注轮胎的非线性。

关键词：操纵稳定性,轮胎,UniTtire模型,建模,仿真

参考文献

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[3] 李杰,李晓娜,崔永刚.两种基本阵风构型与组合对多轴汽车操纵稳定性的影响.科学技术与工程,2013;13(27):149—154Li J,Li X N,Cui Y G.Handling and stability for multi-axle automobile under two basic gust configurations and their combination.Science Technology and Engineering,2013;13(27):149—154

[4] 郭孔辉.汽车操纵动力学原理.南京:江苏科学技术出版社,2011Guo K H.Principle of automotive handing dynamics.Nanjing:Jiangshu Science and Technology Press,2011

[5] 郭孔辉,吴海东,芦荡.轮胎垂直方向刚性环模型.科学技术与工程,2007;7(4):556—559Guo K H,Wu H D,Lu D.Tire vertical rigid-ring model.Science Technology and Engineering,2007;7(4):556—559

篇3：基于ADAMS的整车建模和操纵稳定性仿真评价

（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥 230009）

随着汽车工业的不断发展，改善汽车操纵稳定性、使驾乘更加舒适和安全是现今汽车技术的一个非常重要的发展方向。作为提高汽车操纵稳定性、主动安全性的四轮转向技术在这种背景下应运而生，并得到很大的发展。四轮转向（4WS）是汽车的主动控制形式之一，它首先是由后轮与前轮逆向转向使汽车得到较小的转弯直径而展开研究的。这样的汽车在高速转弯时横摆角速度过大而影响其安全性，从而产生了低速大转角时前后轮逆向、高速时前后轮同向的转向型式。本文全面考虑轮胎载荷、转向系等对整车操纵稳定性的影响，建立四轮转向汽车整车操纵稳定性模型。并采用后轮转角比例控制方式，在Mtalab/simlink模块中进行模拟仿真。仿真结果与参考文献［7］［9］及理论研究结论一致。

本仿真模型对4WS汽车研究改进优化具有很好的指导意义，为4WS汽车设计研究和试验校核提供一种方法和手段，为采取合适的控制方法策略提供较好的依据和评价手段。

1 4WS整车模型的建立

1.1 四轮转向汽车的理论基础

4WS汽车是依靠后轮和前轮共同完成转向任务的。四轮转向的目的在于低速行驶时依靠逆向转向（前轮与后轮转角方向相反）改善汽车的操作性，获得较小的转向半径，在中高速行驶时依靠同向转向（前轮与后轮的转角方向相同），减小汽车的横摆运动，提高车道变更和曲线行驶的操纵稳定性。

1.2 轮胎垂直载荷模型

汽车直线行驶时，左右轮胎的垂直载荷大体相等。但转向时，由于侧倾力矩的作用，垂直载荷在左右轮胎上重新分配，这将影响轮胎的侧偏特性，导致汽车稳态响应发生变化。因此必须建立准确的轮胎垂直载荷变化模型，才能更真实的模拟实际情况。基于此，受侧倾影响的轮胎垂直载荷模型如下［2］：

1.3 轮胎模型

轮胎模型采用1968年日本桥石轮胎公司对Fiala理论模型进行试验修正后得到的“Fiala－桥石”表达式［3］，以计算整车动力学模型所需要的侧向力和回正力矩。

式中：φ=Kα/μPz，Pz为轮胎载荷，Ly为轮胎拖距，Fy为侧向力，Mz为回正力矩。

轮胎侧偏角模型：

1.4 转向系模型

方向盘转角与前轮转角之间存在如下关系［4］：

1.5 整车动力学模型

简化时建立模型的条件为：x在汽车纵向对称平面内并指向汽车前进方向；y指向汽车的左侧；z为汽车竖直向上方。汽车由簧上质量和簧下质量两部分质量系统构成，忽略空气阻力、滚动阻力及轮胎侧倾效应，车辆对称部分具有相同的特性，再结合参考文献［1］［2］［12］的假设，对整车操纵稳定性进行分析，建立4WS两轴汽车整车动力学模型如下（示意图见图1）：

纵向运动：

侧倾运动：

横摆运动：

横向运动：

取状态向量 X=［v ωγp φ］， 控制向量 u=［δfδr］，上述分析可以表示为：

式中：A=A1-1A2；B=A1-1B1；

式中：m为整车整备质量；ms为簧上质量；hs为质心到簧载质量侧倾中心的高度；h为侧倾力臂；φ为侧倾角；p为侧倾角速度；ωγ为横摆角速度；Cφ为悬架侧倾角刚度；u为纵向速度；Bφ为悬架侧倾角阻尼；v为横向速度；a、b 为前、后轴到质心的距离；k1、k2为前、后轮侧偏刚度；δf、δr为前轮、后轮转角；Fyf、Fyr为前、后轴车轮侧向力；Ef、Fr为前、后轮侧倾转向系数；Iz为绕 z轴惯性矩；Ix为绕x轴惯性矩；Ixz为xz面惯性矩；g为重力加速度。

2 计算机仿真模型的建立

2.1 Matlab/simulink仿真模型

4WS 汽车控制方式［8］［10］主要有：（1）前轮转角比例控制方式：δ2=kδ1；（2）前轮侧偏力比例控制方式：δ2=kF1；（3）横摆角速度比例控制方式：δ2=kωγ。式中：k为比例常数；Fy1为前轮的侧偏力。本仿真模型简单而又不失一般性，采取前轮转角比例控制方式。结合前述轮胎模型、轮胎侧偏角模型、转向系模型，建立整车模型，见图2。

2.2 仿真结果比较分析

（1）低速行驶（v=5 m/s）汽车的操纵稳定性：分别取k为－0.1和0.3时即前后轮采用反向和同向控制方式，通过运行上述程序可以得到结果如图3～图6，仿真结果显示，横向和侧倾方向的变化量都很小，因此，此时操纵稳定性变化较小，可以说明汽车在此速度下是比较安全的。但是需要注意的是，由于此时前后轮反向转向，减小了汽车的最小转弯半径，提高了汽车的机动性［7］。

（2）高速行驶（v=25 m/s）车辆的操纵稳定性：分别取k为－0.1和0.3时即前后轮采用反向和同向控制方式，通过运行上述程序可以得到结果如图7～图10。仿真结果显示前后轮采用反向控制方式 （k=－0.1）时，其操纵稳定性较前后轮采用同向控制方式（k=0.3）时有明显下降，此时操纵稳定性成为主要问题，考虑到4WS汽车的特点，在高速时采用同向控制方式时能减小汽车的横摆运动，提高了汽车的操纵稳定性。

3 结束语

（1）此仿真模型简单精确，仿真结果满意。对4WS汽车的后续研究具有指导意义。

（2）将模糊控制、遗传算法、神经网络等控制方法与该模型结合，检验控制方法的有效性，实现提高4WS汽车操纵稳定性的目的。

［1］S.－S.You，Y.－H Chai.Multi－objective Control Synthesis:An Application to 4WS Passenger Vehicles.Mechatronics，1999 ：363－390.

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［3］郭孔辉.汽车操纵动力学［M］.长春：吉林科学技术出版社.1991.

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［6］Bongchoon Jang，Dean Karnopp.Simulation of Vehicle and Power Steering Dynamics Using Tire Model Pa rameters Matched to Whole Vehicle Experimental Results ［J］.Vehicle System Dynamics，2000，33:121－133.

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篇4：基于ADAMS的整车建模和操纵稳定性仿真评价

本文对拟开发的某款混联式电动客车进行研究, 将传统能源客车通过对底盘系统的改进, 加装电机与控制器、主驱动电机、动力电池等部分, 混合动力客车由于底盘的重新布置引起质心位置的改变, 从而在整车的操作稳定方面引起了很大的改变。为了避免保证车辆的操纵稳定性引起加大的变化, 对于加装电动部分装置, 要尽可能按照原车的前后轴负荷比例分配, 使整车质心位置变化尽可能小, 同时为保证部件的安装稳定性在底盘布置上应使靠近车辆纵向中心线两侧的车架, 使车辆的质心位置与原车接近, 以保证操纵稳定性能。

利用动力学软件ADAMS建立模型前, 为使模型仿真变得更为直观, 要对某些不必要的部件进行简化处理。首先把刚体间的柔性连接作适当的简化, 把实际工况状态下的动力学特性用非线性或者线性属性文件代替, 将簧载质量看作刚体并忽略各运动副之间的摩擦力。除阻尼元件、弹性元件、轮胎外, 其余部件简化为刚体, 进行多体动力学模型仿真的时候一般不考虑它们的变化, 通过该步骤的简化处理, 是整车模型主要包含前后悬架系统、动力系统、转向系统以及车身系统[1]。

1 模型的建立

1.1 前后悬架的建立

前后悬架参数选用原型车辆的硬点参数信息, 为获得更为准确的悬架参数, 前后悬架动力学模型是通过原款车型厂家提供的三维模型导入而来。本文采用的是安装有新型弹簧的空气悬架, 空气弹簧数目为前二后四, 前悬架采用独立形式, 参考原车的实际尺寸, 在ADAMS下建立的前悬架仿真模型总成系统包括:空气弹簧、减振器、转向横拉杆、加强杆纵臂和前桥。

根据同样的建模方式建立后悬架仿真模型, 后悬架采用非独立形式。根据实车相关数据, 对模型的运动学参数、质量参数、力学特性参数进行重新调整和定义, 建立出非独立纵置单摆臂桥式悬架虚拟样机模型。

1.2 整车模型的建立

利用动力学软件ADAMS/Car模块建立的整车模型包括转向系统、轮胎、前悬架、后悬架动力系统和车身等, 通过模块提供的模板的子系统, 修改参数关键点坐标即可得到整车模型尺寸。

该模型客车采用的是机械式转向系, 主要包括方向盘, 转向轴, 转向传动轴, 转向摇臂, 转向直拉杆等, 在ADAMS中选取UA轮胎模型, 并对特性文件中的参数进行设置。混合动力客车采用大型客车的车身和底盘, 相对于原型车而言, 由于电动驱动系统的加入, 使总体布置发生了改变, 从而引起车辆质心位置的变化, 仿真模型中的质心位置用一质量圆球代替, 通过对样车的计算合理安排圆球的位置。通过以上各个模型的建立, 整车模型的结构基本上完成, 建立的整车模型如图1所示。

2 操纵稳定性仿真

根据《GB/T6323.2—1994汽车操纵稳定性试验方法转向瞬态响应试验》进行操纵稳定性仿真分析[2], 根据国标要求完成操纵稳定性试验要对车型进行稳态回转实验、方向盘脉冲实验、方向盘转角阶跃实验、蛇行绕桩试验等来分析与评价其操纵稳定性。由于本文篇幅所限, 主要选取最具有代表性的稳态回转实验就行仿真分析。

本次整车模型稳态回转试验仿真以最低稳定车速 (经过计算分析, 取初速度15km/h) 沿圆弧行驶, 逐渐增加车速, 但车身纵向加速度值0.25m/s2, 直到侧向加速度达到6.5m/s2 (经计算和分析, 在车速为50km/h的时候, 侧向加速度满足要求) 或者汽车出现不稳定状态[3]) 。

根据《GB/T6323.6-1994汽车操纵稳定性试验方法稳态回转试验附录》定转弯半径法规定, 结合本实验参数选取, 测量本次稳态回转试验中的参数有:转向盘转角变化曲线, 汽车质心侧倾角变化曲线、车身侧倾角与侧向加速度关系响应变化曲线如图2~4所示。

以上各稳态回转特性曲线由仿真试验直接得出, 为了更好的说明该混合动力客车的稳态回转特性, 还需计算出转弯半径比与侧向加速度的关系曲线, 如图5所示。由汽车转向特性可知, 在R/R0=1或 (δ1-δ2) =0为中性转向;R/R0>1或 (δ1-δ2) >0为不足转向;R/R0<1或 (δ1-δ2) <0为过多转向, 由图5转向半径比与R/R0侧向加速度ayi的关系曲线以可以得出, 该混合动力客车具有明显的不足转向, 对汽车的操纵稳定性的提高有一定的好处。

3 仿真结果分析

由《QC/T 48-1999汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》可知, 对汽车稳态回转仿真结果采取计分评价[4]。选取汽车中性转向点侧向加速度an、不足转向度U、车身侧倾度Kφ三项指标对稳态回转仿真进行评价计分, 得出Nan (中性转向点侧向加速度的评价计分值) 、Nu (不足转向度的评价计分值) 、N准 (车身侧倾度的评价计分值) 。

稳态回转试验的综合评价计分值NW, 按式计算。将相应曲线图中的试验和仿真数据带入评定公式, 计算仿真情况下各项评价计分值, 如下:, 有此可知该混合动力客车满足稳态回转特性评价要求, 具有优良的稳态回转特性 (汽车操纵稳定性的优劣, 按总评价计分值大小衡量, 总评价计分值<60分者为不合格[5]) 。

从以上计算分析结果能够看出, 该客车具有一定的不足转向特性;车辆行驶过程中, 车身的侧倾角稍微偏大, 在一定程度上影响到了整车的操纵稳定性, 但是从总体情况分析, 该客车模型的稳态回转性能良好, 操纵稳定性满足设计要求。

4 结论

本文通过动力学软件ADAMS搭建某新型混合动力客车的动力学模型, 并对建立的整车模型进行操纵稳定性的稳态回转虚拟仿真试验, 通过计算整理仿真结果, 结合《汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》对应的评分标准, 可看出该车型在中性转向点位置计分结果整体优良, 只不过是在车辆行驶过程车身的侧倾角稍微偏大, 在一定程度上也影响到了整车的操纵稳定性, 这是在以后整车开发中需要改进的地方。通过利用ADAMS仿真软件在汽车设计初期的仿真分析, 可以减少研发阶段成本, 缩短整车开发周期, 在一定程度上提高了车企设计水平和设计效率, 增强企业市场竞争力。

参考文献

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[3]王继先, 冯能莲等.基于ADAMS的电动客车平顺性仿真分析[J].机械工程师, 2008 (12) :76-78.

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篇5：基于ADAMS的整车建模和操纵稳定性仿真评价

汽车操纵稳定性是指驾驶员轻松地操纵汽车, 使汽车可以随着自己转向输入的方向稳定地行驶, 并且汽车应具有在车轮受到凹凸道路冲击时能够保持直线行驶的性能。对汽车操纵稳定性的研究就是使汽车行驶在不同工况路面下对其进行转弯、制动、加速等试验的研究[1]。电动汽车作为一个汽车工业未来发展的主方向, 目前还处于初级设计和研发阶段。国内所研发的电动汽车大部分是对传统内燃机汽车进行零部件的置换或采用原燃油汽车的零部件进行装配成的。电动汽车和内燃机汽车底盘系统具有很大的区别, 相对于技术成熟的内燃机汽车来说, 上述方法研制的电动汽车不能很好地满足汽车操纵稳定性。要快速准确地改善电动汽车各方面性能就需要对其进行虚拟样机建模和仿真分析, 通过仿真数据进一步改善电动汽车性能。本文以唐山市电动汽车重点实验室前期研制的微型观光旅游电动汽车为基础, 利用ADAMS中汽车专用Car模块建立了整车模型, 通过各种不同路面工况和车速的参数配置对其进行操纵稳定性仿真分析, 为对其进行进一步性能优化做铺垫。

2 整车ADAMS模型的建立

通过实体测量得出微型观光旅游电动汽车各系统空间硬点坐标, 并结合厂家所提供的各零部件参数, 在ADAMS/Car中建立了简化的整车动力学模型如图1所示。

3 操纵稳定性仿真

考虑到我国的实际情况, 对此电动汽车进行方向盘脉冲实验、蛇行试验、方向盘转角阶跃输入实验[2,3]等试验来分析与评价其操纵稳定性。

3.1 稳态回转仿真

稳态回转实验[5]是评价汽车操纵稳定性中一项最为主要的实验, 它主要使汽车以固定的转向盘角度输入来研究汽车车身横摆角速度的相应特性。汽车良好的操纵稳定性表现在固定转向时应具有一定的不足转向特性。定转向盘转角实验方法是我国主要用来评价汽车操纵稳定性的一种方法。此仿真需先固定汽车方向盘在一定的角度, 然后从静止以低于0.25m/s2的加速度使汽车加速行驶直到汽车的侧向加速度达到6.5m/s2的上限值为止。根据实验要求在ADAMS/Car中依次点击Simulate/Full-VehicleAnalysis/Cornering-Events/Constant-Radius-Cornering进入稳态回转实验参数设置界面, 输入相应的参数, 进行汽车稳态回转仿真。仿真结束后利用ADAMS/Postprocessor绘制仿真输出稳态回转侧偏角变化曲线、汽车质心侧倾角变化曲线、方向盘转角变化曲线、侧向加速度变化曲线、横摆角速度变化曲线、侧倾角随侧向加速度变化曲线、侧偏角随侧向加速度变化曲线、前后轴侧偏角之差随侧向加速度变化曲线如图2~图7所示。

3.2 稳态回转仿真评价

根据中华人民共和国汽车行业标准QC/T480-1999规定《汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》[5]对汽车稳态回转实验的要求, 通过以下三个侧重点不同的标准来综合对汽车性能进行计分, 它们分别为:评价汽车中性转向点位置侧向加速度大小的指标an、评价汽车应具有不足转向度的指标U、评价汽车侧倾大小的指标Kφ。其中, 此三种评价指标的下限参数为an60、U60、Kφ60, 上限参数为an100、U100、Kφ100, 以上参数值见表1。

根据所研究的微型观光旅游电动汽车车型, 采用上表1车型为轿车、客车和货车载重量不大于2.5t的评价指标, 其中汽车中性转向点位置侧向加速度下限评价值an60=5.0m/s2, 上限评价值an100=9.8m/s2;汽车应具有不足转向度的评价指标下限值U60=0.60°/ (m/s2) , 上限评价值U100=0.24°/ (m/s2) ;汽车侧倾大小的评价指标下限值Kφ60=1.2°/ (m/s2) , 上限评价值Kφ100=0.70°/ (m/s2) 。

(1) 根据标准QC/T480-1999规定, 评价稳态回转实验中汽车中性转向点位置侧向加速度计分计算式为:

式中, Nan-汽车侧向加速度特性的评价计分值;an-实验仿真中汽车侧向加速度大小, m/s2;an60-汽车侧向加速度下限评价值, m/s2;an100-汽车侧向加速度上限评价值, m/s2。

当式 (1) 中所得的计分值超过100时, 应按照Nan为100分来评价。

根据以上标准, 汽车中性转向点的侧向加速度的大小可以取侧偏角差值随侧向加速度变化曲线上斜率为零的侧向加速度值。由图6可以观察到前后轴侧偏角之差随着侧向加速度增加而逐渐增大, 并且恒为正值。由上曲线可以看出侧向加速度不断增大直至其峰值6.5m/s2, 在加速度为6.25m/s2出现斜率为零的点, 故把此加速度值代入式 (1) 中得出评价汽车侧向加速度特性Nan为70.42分。

(2) 根据标准QC/T480-1999规定, 评价稳态回转实验中汽车不足转向度计分计算式为:

式中, NU-评价汽车不足转向度特性的计分值;U-实验中所测得的不足转向度值;由不足转向度的下限值与上限值经过计算所得系数;U60-汽车应具有不足转向度的评价指标下限值, (°) / (m/s2) ;U100-汽车应具有不足转向度的评价指标上限值, (°) / (m/s2) 。

汽车不足转向度的计算根据前后轴侧偏角之差随侧向加速度变化曲线上的侧向加速度an=2m/s2处的Y轴坐标与X轴坐标的商得出。由图6曲线可以得出, 当侧向加速度an=2m/s2时, 不足转向度的实验值U=0.69°/ (m/s2) 。把此实验值代入式 (2) 中可以计算得出汽车侧倾度的评价NU=37.24分。

(3) 根据标准QC/T480-1999规定, 评价稳态回转实验中汽车车身侧倾度计分计算式为:

式中, Nφ-汽车车身侧倾度特性的计分值;Kφ60-汽车侧倾大小的评价指标下限值, (°) / (m/s2) ;Kφ100-汽车侧倾大小的评价指标上限值, (°) / (m/s2) ;Kφ-实验中所测得的车身侧倾度特性值, (°) / (m/s2) 。

车身侧倾度Kφ的计算根据车身侧倾角随侧向加速度变化曲线上侧向加速度值an=2m/s2处的Y轴坐标与X轴坐标的商得出。以图3中侧倾角为纵坐标, 图4中侧向加速度为横坐标, 在ADAMS/Postprocessor中绘制出侧倾角随侧向加速度变化的特性曲线如图7所示。由图7可得整车仿真中车身侧倾度的实验值Kφ=0.31°/ (m/s2) 。

把上述实验测得的车身侧倾度Kφ=0.31°/ (m/s2) 代入式 (3) 中进行对整车稳态回转实验车身侧倾度的评价, 得出汽车车身侧倾度特性的评价Nφ=100分。

(4) 根据标准QC/T480-1999规定, 对式 (1) 、 (2) 、 (3) 所得汽车侧向加速度计分、不足转向度计分、车身侧倾度计分进行均值计算, 得出综合评价稳态回转实验汽车操纵稳定性得分评价公式:NW= (Nan+NU+Nφ) /3 (4) 式中:NW-综合三项指标的均值评价。

把以上公式所得计分值代入式 (4) 中, 最终得到汽车稳态回转实验综合评价NW=69.22分。

4 结语

(1) 通过对微型观光旅游电动汽车建立ADAMS整车模型, 进行稳态回转虚拟仿真分析, 可以看出此电动汽车中性转向点位置侧向加速度计分值基本合格, 但仍较低;汽车不足转向度远远低于正常标准水平, 汽车的不足转向特性低, 需要进一步优化;汽车车身侧倾度计分评价最好, 满足设计要求。由于汽车稳态回转试验的综合评价计分为69.22分, 总体基本上满足操纵稳定性, 但仍有很大的优化空间。为进一步对操纵稳定性的优化提供了必要前提。

(2) 采用ADAMS软件建立虚拟样机模型来分析微型观光旅游电动汽车操纵稳定性, 可以大大减少制造实体车所投资的费用、提高设计水平和设计效率, 增强企业市场竞争力。

摘要：针对唐山市电动汽车重点实验室前期研制的微型观光旅游电动汽车转弯行驶时产生较严重侧倾、较大幅度摆动等问题, 以多体动力学理论为基础, 在虚拟样机软件ADAMS中建立电动汽车整车模型。在Car模块中设置汽车稳态回转试验参数界面, 进行定转向盘转角仿真。在ADAMS/Postprocessor中绘制汽车侧倾角、侧向加速度等参数变化曲线并进行分析和评价, 得出此微型观光旅游电动汽车操纵稳定性能。基于以上仿真分析, 为进一步对此电动汽车进行操纵稳定性优化提供一定理论依据和方向。

关键词：微型观光旅游电动汽车,操纵稳定性,稳态回转,ADAMS

参考文献

[1]余志生.汽车理论[M].第4版.北京:机械工业出版社, 2006.

[2]喻凡, 林逸.汽车系统动力学[M].北京:机械工业出版社, 2011.

[3]陈家瑞.汽车构造[M].北京:机械工业出版社, 2008.

[4]陈军.MSC.ADAMS技术与工程仿真实例[M].北京:中国水利水电出版社, 2008.

篇6：基于ADAMS的整车建模和操纵稳定性仿真评价

1 整车质心位置和转动惯量的确定

本文中采用CAD软件Pro/E进行三维实体建模分析得到整车质心位置和转动惯量等参数。具体方法是以1∶1的比例根据整车的测量尺寸绘制实体模型并按照实际材料赋予其密度属性,然后依据整车构造特点在相应位置处装配质量块,以代表例如动力电池组、电动机、传动机构等主要部件的质量。货车底盘模型绘制完之后装配液压升降平台,在非作业工况时该平台的护栏可以放下,因此整车三维实体模型如图1所示。

在Pro/E中,根据液压升降平台装配前和装配后的两个模型,均以前轮轮心连线中点为基准坐标原点,分别执行“分析”菜单下“模型”中的“质量属性”命令,得出两种状态下整车不同的质心位置和转动惯量,如表1所示。

2 建立整车模型

考虑到汽车基本上是一个纵向对称系统,因此ADAMS/Car已预先对建模过程进行了处理,一般只需建立左边或右边的1/2模型,另一半将会根据对称原则自动生成。本文研究的高空作业车,其货车底盘采用的是麦弗逊式前悬架和纵置板簧式非独立后悬架,均为左右对称的模型。下面就对前后悬架分别建模,然后加装轮胎和转向系从而装配出整车模型。

2.1 前悬架建模

根据零部件装配图可以得到前悬架模型关键硬点的空间位置坐标,计算或测量整合零件的质量、质心位置及绕质心坐标系三个坐标轴的转动惯量,将这些动力学参数填写到对应的对话框中。然后在硬点的基础上创建零件的几何模型,并定义各零件间的运动关系确定约束类型,通过约束将各零件连接起来,得到前悬架模型。

2.2 后悬架建模

由于后悬架只考虑垂向的刚度,不考虑转向机构的问题,所以可将钢板弹簧简化为螺旋弹簧加阻尼器的结构,并通过建立无质量的梁来传递车架和车轮间的运动关系。通过修改螺旋弹簧刚度系数和阻尼器的阻尼系数来使简化后的模型与原钢板弹簧在垂直方向受力时变形保持一致,这就实现了近似等效[1]。

2.3 整车模型

本文中所建立的高空作业车整车模型,其液压升降平台将不会直接在模型中表现出来,而是如前文所述通过质心位置和转动惯量来反映。该车的转向系采用齿轮齿条式转向机构。轮胎模型则应充分考虑其侧偏特性,它是汽车操纵稳定性的一个重要参数,前后轮胎侧偏刚度的匹配,直接决定汽车稳定性因数的大小,能表征汽车是具有不足转向、中性转向还是过度转向。本文采用被人们普遍认同的Magic Formula轮胎模型[2,3],装配完成的整车模型如图2所示。

3 操纵稳定性仿真

仿真模型中将质量集中于质心,这样有利于根据表1来调整模型的质量属性。选用MDI DRIVER TESTING作开环分析,参照GBT6323.2-1994[4]的相关标准,以方向盘角阶跃输入为试验方法,分析研究举升平台加装前后整车操纵稳定性的变化,进而提出相应的改进建议。

3.1 加装举升平台对整车操纵稳定性的影响

按照表1内容分别设定模型质量属性,并均以80km/h的车速均速行驶,仿真开始1s后转向,转角为30°,起跃时间0.1s。图3~图5为加装举升平台前后的仿真曲线。图中,Empty:加装举升平台前;Installtion:加装举升平台后。

从图3~图5中可以看出,加装举升平台对原车的操纵稳定性产生了显著的影响。侧向加速度、横摆角速度和车身侧倾角的最大超调量均明显增大,反应时间和达到第一峰值的时间也都有所延长;就稳态值而言,侧向加速度与横摆角速度的变化不大,而车身侧倾角却有了较大的增长。

3.2 加装举升平台后改善整车操纵稳定性的方法

如前文所述,液压举升平台的安装破坏了原车的操纵稳定性能,下面就来分析研究在不改动高空作业车货车底盘的前提下,如何减轻这种影响。在上文“Installtion:加装举升平台后”的仿真基础上,将质心位置单独在水平方向前移150mm和在竖直方向下沉150mm,并分别进行角阶跃输入仿真[5]。图6~图8为质心变化前后的仿真曲线。图中,Original:原质心位置;Front:质心前移150mm;Below:质心下沉150mm。

从图6~图8中可以看出,将质心前移或者下沉都有利于改善整车的操纵稳定性能,其中又以降低质心带来的效果更为显著一些。在本次仿真中设置的质心移动距离较大,这是为了在响应曲线图中可以清晰地看出变化趋势,从而为改进举升平台的加装方法提供参考。例如:

(1)该高空作业车的举升平台安装位置距车厢前部为335mm,其间装设了举升平台的配电箱,但还余留有一些空间,可以考虑将举升平台安装位置前移一些以使整车质心前移;

(2)举升平台的设计可进一步优化以使其更好地与货车底盘匹配,在不影响作业工况稳定性的前提下,增加举升平台的桅杆数量,缩短其长度,从而在不改变最大举升高度的前提下,降低了举升平台的落座高度,这样既降低了整车质心高度,又减小了行驶时的空气阻力。

4 结论与展望

通过在一台轻型货车底盘上加装升降平台而制成的高空作业车,货车原本的操纵稳定性能势必受到影响。本文利用ADAMS/Car建立整车模型并进行操纵稳定性仿真,用相关曲线图表征这种影响的程度,得出以下结论:(1)加装举升平台后,侧向加速度、横摆角速度和车身侧倾角的最大超调量均明显增大,反应时间和达到第一峰值的时间也都有所延长;(2)降低质心高度以及水平方向使质心前移可以改善整车的瞬态响应性能,提升系统响应的快速性和稳定性。

下一步的研究方向是充分利用纯电动汽车结构布置灵活的优势,对加装升降平台后的货车底盘进行优化设计,调整动力电池组等部件的安装位置,从而使作为整体的纯电动高空作业车具有最优的操纵稳定性。

参考文献

[1]石月奎,杜发荣.纵置板簧式悬架运动学研究与仿真分析[J].机械研究与应用,2006,19(6):39-40.

[2]庄继德.汽车轮胎学[M].北京:北京理工大学出版社,1997:52-55.

[3]车轮标准手册-车轮和轮胎国际标准[M].北京:中国农机工业协会车轮行业协会,1994.

[4]GB/T6323.2-1994,汽车操纵稳定性试验方法转向瞬态响应试验(转向盘转角阶跃输入)[S].