一、引言
數(shù)字化虛擬樣機(jī)技術(shù)是縮短車輛研發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量的重要途徑。隨著虛擬產(chǎn)品開發(fā)、虛擬制造技術(shù)的逐漸成熟，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)得到大量應(yīng)用。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真是數(shù)字化虛擬樣機(jī)的核心、關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)汽車而言，車輛動(dòng)力學(xué)性能尤為重要。為了降低產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，在樣車制造出之前，利用數(shù)字化樣機(jī)對(duì)車輛的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，并優(yōu)化其參數(shù)就顯得十分必要了。對(duì)操縱穩(wěn)定性的研究常采用仿真分析方法和試驗(yàn)方法來進(jìn)行。仿真分析是在計(jì)算機(jī)上建立簡(jiǎn)化到一定程度的模型，輸入駕駛員對(duì)汽車的各種操縱信號(hào)，解算出系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)和頻域響應(yīng)，以此來表征汽車的操縱穩(wěn)定性能。因?yàn)榉抡娣治龌ㄙM(fèi)時(shí)間短，可在計(jì)算機(jī)上重復(fù)進(jìn)行，對(duì)各種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行快速優(yōu)化對(duì)比，并且可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)條件下不能進(jìn)行的嚴(yán)酷工況分析，因此該方法日益被人們采用。
建立整車仿真模型常有多種方法，筆者應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS，來建立仿真模型，并對(duì)不同方向盤轉(zhuǎn)角下的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。
二、數(shù)字化分析模型的準(zhǔn)備
（一）仿真分析模型所需要的參數(shù)類型
建立多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模型，參數(shù)需要量大，精度要求高，參數(shù)準(zhǔn)備工作量大。所需的參數(shù)主要可劃分為四類：尺寸（幾何定位）參數(shù)、質(zhì)量特性參數(shù)（質(zhì)量、質(zhì)心與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等）、力學(xué)特性參數(shù)（剛度、阻尼等特性）與外界參數(shù)（道路譜等）。
其中的尺寸參數(shù)和大部分的質(zhì)量特性參數(shù)可以通過建立三維數(shù)字模型得到，其他參數(shù)尚需要?jiǎng)e的參數(shù)獲得手段來獲取?？偟膩碚f，參數(shù)的獲得方法主要有以下幾種：圖紙查閱法、試驗(yàn)法、計(jì)算法、CAD建模法等?？筛鶕?jù)具體實(shí)際情況采用。
（二）數(shù)字模型間的數(shù)據(jù)傳遞
基于CAD/CAM軟件建立三維數(shù)字模型是建立數(shù)字化分析模型的基礎(chǔ)。使用CAD/CAM軟件建立系統(tǒng)的三維實(shí)體數(shù)字模型，并以各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的形式先將零部件合并，裝配好；將模型存為ADAMS軟件可調(diào)用的特定格式的數(shù)據(jù)文件；然后利用CAD/CAM軟件與ADAMS軟件之間的數(shù)據(jù)接口文件將三維模型傳遞到ADAMS軟件中去；之后輸入各運(yùn)動(dòng)部件的密度等必要參數(shù)，就可以直接得到各運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量、質(zhì)心與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等質(zhì)量參數(shù)。將三維數(shù)字模型傳遞到ADAMS軟件中后，通過添加適宜的約束和力元素等建模元素就可以得到初步的多體系統(tǒng)分析模型，也就是我們的基本化模型。
三、整車模型的創(chuàng)建
（一）雙橫臂式前懸架多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型
C型車前懸架采用雙橫臂式獨(dú)立懸架。前懸架主要零部件，對(duì)整車操縱穩(wěn)定性能分析有重要影響的有：上橫臂（兩個(gè)）、下橫臂（兩個(gè)）、轉(zhuǎn)向節(jié)（兩個(gè)）、轉(zhuǎn)向橫拉桿（兩個(gè)）、轉(zhuǎn)向主拉桿（一個(gè)）、轉(zhuǎn)向搖臂（兩個(gè)）、車身（一個(gè)）、橫向穩(wěn)定桿（一個(gè)）、縱置扭桿彈簧（兩個(gè)）、減振器（兩個(gè)）。上橫臂一端通過球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)相連，另一端通過轉(zhuǎn)動(dòng)鉸與車身相連，使其可相對(duì)車身上下擺動(dòng)。下橫臂一端通過球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)相連，另一端通過轉(zhuǎn)動(dòng)鉸與車身相連。轉(zhuǎn)向橫拉桿一端通過球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)拉臂相連、另一端通過球鉸與轉(zhuǎn)向主拉桿相連，縱置扭桿彈簧一端通過固定鉸與下橫臂相連，另一端通過固定鉸與車身相連。車輪（即hub構(gòu)件）通過轉(zhuǎn)動(dòng)鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)相連。穩(wěn)定桿中部自由地支承在兩個(gè)固定在車架上的橡膠套筒內(nèi)。穩(wěn)定桿連桿一端通過等速萬向節(jié)與穩(wěn)定桿連接，另一端通過球鉸與下控制臂連接。具體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1所示：
（二）后鋼板彈簧多體動(dòng)力學(xué)模型
由于鋼板彈簧由多片長(zhǎng)短不一的簧片疊加組成，力學(xué)特性較為復(fù)雜，既是彈性元件，又是傳遞縱向、側(cè)向地面作用力的傳力元件，因此建立鋼板彈簧懸架模型是構(gòu)造車輛多體模型的一大難點(diǎn)。這里利用等效中性面法建立了C型車用鋼板彈簧懸架模型并驗(yàn)證了模型的正確性。其原理是：所有主簧可以簡(jiǎn)化為在某個(gè)等效中性面的單片主簧，即沿板簧厚度方向中間層組成的近似曲面，再將中性面按厚度基本相似原則分成若干等強(qiáng)度直線段，利用ADAMS中的BEAM單元模擬這些等強(qiáng)度直線段，每段間以Flexible（柔性）方式連接小剛體過渡;按板簧中性面上各段真實(shí)質(zhì)量特性設(shè)定對(duì)應(yīng)BEAM單元質(zhì)量參數(shù)。副簧的建?？梢詥为?dú)劃分若干段，每段的長(zhǎng)度應(yīng)和其對(duì)應(yīng)的主簧分段長(zhǎng)度接近。主副簧之間的約束問題通過在接觸位置加IMPACT力來實(shí)現(xiàn)。
完成后的鋼板彈簧自由狀態(tài)時(shí)多體模型見圖2所示：
（三）扭桿彈簧參數(shù)及模型
扭桿彈簧一端與下控制臂相連，另一端與車身相連。根據(jù)實(shí)際問題的需要，在ADAMS軟件中采用力約束rotational—spring—damping來模擬扭桿彈簧的作用。
（四）橫向穩(wěn)定桿模型
橫向穩(wěn)定桿對(duì)汽車的操縱穩(wěn)定性有重要影響。在ADAMS中，建立簡(jiǎn)化的橫向穩(wěn)定桿的模型：方法是將穩(wěn)定桿中間斷開，聯(lián)以扭桿彈簧，其扭轉(zhuǎn)剛度由中間處的扭轉(zhuǎn)彈簧表示。
（五）減振器模型
減振器是懸架系統(tǒng)的主要元件，與彈性元件并聯(lián)安裝，車輪與車身的相對(duì)振動(dòng)，主要是通過減振器衰減的，即由于懸架匹配了適當(dāng)?shù)淖枘?，車身的自由振?dòng)被迅速衰減，車身的強(qiáng)迫振動(dòng)也會(huì)受到抑制。根據(jù)前、后減振器的速度—阻尼力特性曲線，在ADAMS中，可以在Data—element下，創(chuàng)建Spline二次樣條插值函數(shù)。利用這個(gè)命令，使模型更接近于汽車的實(shí)際工況。
（六）輪胎與路面模型
ADAMS/View提供了5種輪胎模型，它們是：Delft輪胎模型、Fiala輪胎模型、Smithers輪胎模型、UA輪胎模型和UserDefined（用戶自定義）輪胎模型。這里選用UA輪胎模型。UA輪胎模型所需要的輪胎特性參數(shù)為：輪胎自由半徑R1（mm）；輪胎胎冠半徑R2（mm）；輪胎垂直變形量為零時(shí)的垂直剛度CN（N/mm）；輪胎側(cè)偏角為零時(shí)的側(cè)傾剛度CALPHA（N/deg）；輪胎外傾角為零時(shí)的外傾剛度CGAMMA（N/deg）；縱向滑移剛度CSLIP（N/slip）；輪胎滾動(dòng)阻力矩系數(shù)CRR（mm）；徑向相對(duì)阻尼系數(shù)RDR；靜摩擦系數(shù)U0；動(dòng)摩擦系數(shù)U1。根據(jù)輪胎的特性參數(shù)，可以編制ADAMS/View中的輪胎特性文件（.tpf）。
（七）車身系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型所用參數(shù)
車身模型的合理可行，取決于車身的慣性參數(shù)及車身與懸架的連接位置和方式的正確性。對(duì)于車身的慣性參數(shù)（車身質(zhì)量及其繞質(zhì)心三根軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）原則上應(yīng)依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來確定。
（八）傳動(dòng)系簡(jiǎn)化模型
考慮到所研究的問題與傳動(dòng)系無關(guān)，傳動(dòng)系不作為重點(diǎn)考慮。在整車動(dòng)力學(xué)性能仿真分析中，傳動(dòng)系模型簡(jiǎn)化為各輪上的力矩輸入，其中左右輪按等力矩輸入。在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性分析中，采用連續(xù)加速法，驅(qū)動(dòng)輪輸入常力矩。
（九）整車多體系統(tǒng)的開環(huán)模型
將前懸架系統(tǒng)模型、前穩(wěn)定桿系統(tǒng)模型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、前輪胎系統(tǒng)模型裝配可建立前懸掛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型;將后懸架系統(tǒng)模型、后穩(wěn)定桿系統(tǒng)模型、后輪胎系統(tǒng)模型裝配可建立后懸掛系統(tǒng)模型。將所有子系統(tǒng)進(jìn)行裝配可建立一個(gè)十分精確的整車模型。
四、操縱穩(wěn)定性主要仿真結(jié)果
（一）轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入仿真分析
整車模型以一定速度（本例為42km/h）行駛中，突然加方向盤階躍輸入，以盡快的速度（起階時(shí)間不大于0.2s）轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤到150°，分別將整車質(zhì)心位置前移和后移100mm時(shí)橫擺角速度、側(cè)向加速度隨時(shí)間變化曲線。
由圖4、圖5可知，當(dāng)整車質(zhì)心位置前移時(shí)，橫擺角速度峰值及穩(wěn)態(tài)值降低，達(dá)到第一峰值的反應(yīng)時(shí)間短，反應(yīng)快。
（二）轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入仿真分析
汽車以42km/h的車速直線行駛，方向盤在中間位置時(shí)，突然給方向盤加一脈寬為0.5一個(gè)三角脈沖，轉(zhuǎn)角分別為80°、160°、250°、320°輸入。輸入脈沖激勵(lì)后，使方向盤恢復(fù)到中間位置。
（三）穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真分析
在整車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)的仿真分析中，將汽車的傳動(dòng)系模型簡(jiǎn)化為各輪上的力矩輸入，其中左右輪按相等的力矩輸入。采用連續(xù)加速法，驅(qū)動(dòng)輪輸入力矩。
由圖8可知，轉(zhuǎn)彎半徑隨著汽車行駛速度的增加而增加。
下圖9為汽車底盤質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡，它直觀地表現(xiàn)了汽車的不足轉(zhuǎn)向特性。
五、結(jié)束語
利用ADAMS軟件把分散的零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)揉合在一起，以提供一個(gè)全面了解產(chǎn)品性能的方法，并通過仿真分析中的反饋信息指導(dǎo)設(shè)計(jì)，建立了C型車的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)整車模型，并進(jìn)行了不同方向盤轉(zhuǎn)角及整車質(zhì)心位置前后改變下的操縱穩(wěn)定性仿真，從設(shè)計(jì)—試驗(yàn)—改進(jìn)設(shè)計(jì)—再試驗(yàn)—再設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)為設(shè)計(jì)—仿真—試驗(yàn)，使設(shè)計(jì)中的主要問題利用數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)在設(shè)計(jì)初期得以解決。尤其在今后考慮ABS、TCS等動(dòng)力學(xué)與控制集成問題多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方面必將顯示更大的作用。
（轉(zhuǎn)載）
