汽车动力学仿真模型建立及其验证

陈鹏 赫圣杰

（天津一汽夏利汽车股份有限公司产品开发中心）

在汽车的开发过程中，为减少试验的迭代次数和缩短整车的开发周期，汽车生产厂商往往以试验场耐久性试验为基础，采用CAE 的方法进行数字化耐久性分析。为准确真实地反映汽车的耐久性能，需要建立贴合实际的汽车动力学仿真模型。文章利用ADAMS 基于结构的建模方法，建立了目标车多体动力学模型，主要包括前悬架模型、后悬架模型、转向系模型和轮胎模型等。利用目标车的实车平顺性和操纵稳定性试验数据对建立的汽车模型进行了验证。

1 整车仿真模型

1.1 前悬架

前悬架采用的是麦弗逊式独立悬架，主要由转向节、下摆臂、螺旋弹簧、转向横拉杆、减震器、横向稳定杆、橡胶衬套、限位块和车轮等组成。对各运动副进行简化，完成拓扑结构关系图，如图1 所示。

1.2 后悬架

后悬架采用的是变形麦弗逊式独立悬架，主要包括:转向节、1 个纵向控制臂、2 个平行布置的横向控制臂、螺旋弹簧、减震器、横向稳定杆、橡胶衬套、限位块和车轮等。图2 示出变形麦弗逊式后悬架的拓扑结构关系图。

1.3 橡胶衬套刚度获取

一个精确的汽车模型中，弹性元件，特别是橡胶衬套准确的刚度特性是必不可少的。橡胶衬套刚度试验包括:轴向刚度试验、径向刚度试验、扭转刚度试验和弯曲刚度试验。试验前需先将前后悬架的所有橡胶衬套进行编号，以前悬架下摆臂前面的橡胶衬套F21 为例，图3 示出F21 衬套轴向刚度特性曲线。

1.4 转向系

该轿车转向系为具有液压助力的齿轮齿条式动力转向系统，转向梯形后置[1-2]。模型中对转向系进行了较合理的简化，转向系具体结构示意图，如图4 所示。

1.5 轮胎模型

轮胎模型是轮胎力学特性的数学描述，通常分为理论模型、半经验模型和经验模型，并在汽车动力学仿真中得到广泛的应用。对于汽车操纵稳定性动力学仿真来说，仿真的准确性在很大程度上取决于轮胎模型的准确性。因此，建立一个能够准确描述轮胎力学特性的轮胎模型是汽车动力学仿真研究的关键。文章选用UniTire 轮胎模型进行仿真分析[3]。

1.6 驾驶员模型

文章采用的驾驶员模型是在“预瞄-跟随”理论的基础上，通过在方向控制和速度控制上引入反馈，提出的一个简单有效的跟随任意道路路径和任意车速的方向与速度综合控制驾驶员模型[4-5]。该模型经过多次不同汽车模型的闭环仿真验证，能够很好地描述驾驶员的方向控制驾驶行为特性。

1.7 整车模型

将文章建立的汽车前悬架、后悬架、转向系及轮胎等子系统模型，在Adams/Car 中的MDI_SDI_TESTRIG试验平台上进行装配，建立整车模型，如图5 所示。

2 汽车动力学模型仿真与验证

对建立的汽车动力学模型进行平顺性和操纵稳定性的仿真与试验，来验证汽车动力学模型的准确性。

2.1 目标车参数

文章研究的目标车为国产A0 级轿车，前置前驱和制动器为前盘后鼓，5 挡手动变速，汽车试验时载荷状态参数，如表1 所示。仿真前，先在模型中调节簧载质量的位置和转动惯量来满足整车的载荷状态。

表1 国产A0 级轿车主要参数

2.2 平顺性仿真模型验证

通过道路试验获得的平顺性评价指标（客观指标）通常被划分为2 个不同方面:在试验场路段上汽车对单一激励的响应和对连续激励的响应。

文章依据GB 5902—86《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》采用单一激励的响应作为平顺性仿真的典型工况。图6 和图7 分别示出左前轮簧下加速度和左后轮簧下加速度仿真与试验对比图，从图6b 和图7b中可以看出，仿真结果与试验结果具有较好的符合性。

2.3 操纵稳定性仿真模型验证

汽车操纵稳定性通常被认为包含互相联系的2 个部分:操纵性和稳定性。文章将在前面建立的整车多体动力学模型的基础上，按照GB/T 6323 和ISO 13674—1:2003，对以上操纵稳定性试验进行仿真与试验结果的对比，来验证整车多体动力学模型的准确性。实车操纵稳定性试验数据来自2007年6月在某试验场完成的整车操纵稳定性试验。

2.3.1 稳态回转试验

稳态回转试验可以验证整车在不同侧向加速度下的稳态转向特性和稳态侧倾特性。稳态转向特性采用前后轴侧偏角之差和侧向加速度关系曲线来描述，是对汽车不足转向度的一种描述方式，它决定了汽车最基本的转向性能。前后轮侧偏角之差与侧向加速度以及车身侧倾角与侧向加速度试验与仿真特性对比图，如图8 和图9 所示，可以看出，仿真结果与试验结果吻合较好。

2.3.2 方向盘角瞬态响应试验

方向盘角瞬态响应试验包括脉冲试验和阶跃试验，两者分别从频域和时域对汽车的瞬态转向进行评估。将脉冲试验数据和仿真结果经过傅里叶变换和处理后，得到该试验汽车横摆角速度对方向盘转角响应的幅频和相频特性，如图10 和图11 所示。

阶跃试验方向盘横摆角速度与侧向加速度仿真与试验特性对比，如图12 和图13 所示。

2.3.3 转向回正试验

转向回正性主要考察汽车在撒手回正时的汽车响应特性，反映了方向盘力阶跃输入特性。转向回正性试验包括低速转向回正试验和高速转向回正试验。图14和图15 分别示出仿真与试验低速转向回正和高速转向回正横摆角速度对比图。可以看出，仿真结果与试验结果吻合较好。

从图8～15 可以看出，操纵稳定性试验工况的试验与仿真结果具有较好的符合性，说明文章所建的汽车动力学模型基本正确，可以用来描述汽车在线性区和非线性区的动力学特性。

3 结论

利用平顺性脉冲行驶输入试验和操纵稳定性试验的实车试验数据，对所建立的整车多体动力学模型进行了验证。验证结果表明:仿真结果和试验结果吻合较好，整车多体动力学模型基本正确，可以用来描述汽车在线性区和非线性区的动力学特性，为汽车试验场耐久性试验研究提供了良好的模型，也为后续研究奠定了基础。