ADAMS/Car模块在汽车操纵稳定性中的应用

王凯峰

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

ADAMS/Car模块在汽车操纵稳定性中的应用

王凯峰

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文中简单介绍了ADAMS/Car模块，利用其建立了包括车身、悬架、转向系统和轮胎等在内的整车多体动力学模型。进行了操纵稳定性的仿真，并将仿真结果与实车试验结果进行对比，验证了所建整车动力学模型的正确性。

ADAMS/Car；整车多体动力学模型；操纵稳定性；仿真

CLC NO.: U461.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-51-05

引言

在汽车的设计开发过程中，对操纵稳定性能的评价主要采用试验评价方法，需经过多次样车试制和反复试验，花费的人力、物力、财力较大，且设计周期较长。采用ADAMS软件建立的参数化车辆模型，在产品开发阶段，可利用仿真分析结果对设计参数不断进行修改，优化产品设计方案，降低成本、缩短设计周期。利用ADAMS/Car可以建立精确的整车虚拟样机，从而准确地模拟汽车操纵稳定性、乘坐舒适性、安全性及其他各项性能试验，同时可以比较容易地创建仿真试验过程，或者根据数据再现试验事件。

1、ADAMS/Car简介[]1

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），即机械系统动力学自动分析，该软件是美国MDI公司（Mechanical Dynamics Inc.）开发的虚拟样机分析软件。其中轿车模块（ADAMS/Car）是MDI公司与Audi、BMW、Renault和Volvo等公司合作开发的整车设计软件包，集成了他们在汽车设计、开发方面的专家经验，能够帮助工程师快速建造高精度的整车虚拟样机，其中包括车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等，用户可以通过高速动画直观地再现在各种试验工况下整车的动力学响应，并输出标志操作稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性的特征参数，从而减少对物理样机的依赖。其仿真工况包括：方向盘角阶跃、斜坡和脉冲输入、蛇行穿越试验、漂移试验、加速试验、制动试验和稳态转向试验等，同时还可以设定试验过程中的节气门开度、变速器档位等。

2、整车多体动力学模型建立[2−3]

2.1 模型参数的获取

建立车辆仿真模型所需的参数，可以归纳为四类：运动学（几何定位）参数、质量参数（质量、质心与转动惯量等）、力学特性参数（刚度、阻尼等特性）与外界参数（道路谱、风力等）。获取模型参数有数种方法：查阅图纸法、试验法、计算法、CAD建模法等。以某商务车为例，为了方便在ADAMS/Car中建模，采用了如图1所示的坐标系，该坐标系的原点是两个前轮轮心连线的中点。

2.2 整车模型的建立[4]

首先将整车模型分割成悬架、车身、转向系、制动系、轮胎、发动机等子系统分别建立；然后建立各子系统之间以及子系统与ADAMS/Car提供的试验台之间相互交换信息的输入、输出信号器“Communicator”；最后按系统组装成整车多体动力学模型（如图2所示）。下面介绍一下几个主要子系统的建立：

A.前悬架系统

前悬架采用双横臂式独立悬架，纵置扭杆弹簧，带横向稳定杆，该悬架上摆臂采用叉形结构，而下摆臂采用U形梁式结构，其各个零件的连接点坐标值如表1所示。

表1 前悬架各零件连接点处的坐标值

将悬架分为八个部件，他们分别如图3所示。因为转向节臂与主销的相对位置固定，所以建模时将他们简化成一个零件。这里重点要讲到的是各个零件之间的连接，它们的位置在图中分别用大写字母表示了，表2列出了各处所用的连接方法。

表2 前悬架各处连接的方法及被连零件

其中，减震器（Damper）建立的时候需要用到一个减震器属性文件（*.dpr），这种文件可以通过曲线工具或文本文件编辑器来编辑。这里的减震器是用记事本方式按照表3所编辑的，其特性曲线如图4。

表3 前悬架减震器特性参数

模型的几何部分建好之后，再添加一些今后组装时必要的信号器（Communicator），为以后发动机、车轮、转向系等子系统的组装提供装配信息和位置信息。建好够的前悬架模型如图5所示。

B.后悬架系统

后悬架为双纵臂式非独立悬架，弹簧采用变节距螺旋弹簧，以获得其变刚度的效果。上、下纵摆臂以衬套分别与车身和后桥联接，变刚度螺旋弹簧安装在下纵摆臂和车身之间，减振器联接车身与后桥，建模时阻尼特性与前悬架减振器一样处理。横向稳定杆两端与车身以橡胶球铰相连，中部又与后桥以橡胶衬套相连。

按其各连接处的坐标建模，各点的坐标值如表4。

表4 后悬架各零件连接点处的坐标值

后悬架的建模过程中，其它的都和前悬架类似，这里就不予复述，重点讲一下后悬架特有的变节距螺旋弹簧的建模。这里采用Spline：F=f(defo)（载荷—变形曲线）来解决变刚度建模，具体操作为：在弹簧Stiffness Coefficient栏的下拉菜单中选择Spline：F=f(defo) ，然后鼠标放在对应处，右键单击弹出菜单条Spline，选择Create ，弹出Spline编辑栏，根据实验数据绘制载荷——变形曲线。绘制过程中要注意曲线之间的圆滑过渡。以下是实验数据（表5）与模型仿真结果（图6）的验证，对两者进行比较可以看出，模型的刚度与实验数据吻合，所用方法可以解决变节距弹簧的建模问题。

表5 变节距螺旋弹簧实验数据

建好各零件、连接、输入输出信息传输器之后，创建减震器特性文件并导入到后悬减震器，将弹簧特性文件也导入后悬弹簧，建成的模型如图7。

C.前后轮胎

轮胎是汽车的重要组成部件，它不仅支撑整个汽车的重量，保证汽车与路面有良好的附着性能，传递驱动力矩和制动力矩，确定汽车的行驶方向，而且还和悬架系统共同缓和汽车在行驶过程中由于路面不平所受到的冲击，衰减由此产生的振动。另外，在汽车行驶过程中由于轮胎的不均匀和不平衡还将产生振动。轮胎类型及参数的选取对汽车有很重要的影响。在

表6 轮胎特性参数

ADAMS中提供五种用于动力学仿真的轮胎模型：UA模型、

Fialia模型、Smithers模型、DELFT模型和用户自定义模型，这里采用的是使用最广泛的UA模型，其特性参数如表6。在ADAMS中，轮胎的特性是用文件表示的，对轮胎的建模可以用编辑文本文件的方法。

最后将各个建好的子系统模型组装起来，形成整车模型。用

ADAMS/Car创建的整车动力学仿真分析模型如图8所示。

3、操纵稳定性仿真[5]

整车建模完成后，即可进行汽车操纵稳定性仿真试验。

(1)时域响应

A．方向盘角阶跃试验

将车速保持在80km/h，方向盘转角为50°，起跃时间为0.4s，进行仿真。方向盘转角、横摆角速度仿真结果依次如图9、10。

B．方向盘角脉冲试验

将车速保持在60km/h，方向盘转角为30°，脉冲时间为0.6s，进行仿真。方向盘转角、横摆角速度仿真结果依次如图11、12。

C．回正能力试验

仿真中汽车初始车速为40km/h，转动方向盘使其圆周行驶并且使侧向加速度达到0.4g，稳定后松开方向盘。具体仿真结果如图13、14所示：

D．转向盘单周正弦角输入试验

仿真中汽车以100km/h车速直线行驶，然后施加一个完整的正弦转向输入。具体仿真结果如图15、16所示：

(2)频域响应

转向盘角正弦扫描输入试验是研究汽车频域响应特性的一种重要方法。仿真中给方向盘正弦输入，频率从0.01Hz-4Hz连续变化，车速为60Km/h。具体仿真结果如图17、18所示：

4、结束语

从以上所做工作可以看出，ADAMS/Car作为专门应用于汽车动力学的分析的模块，由于从力学建模到动力学仿真分析的每一个过程都是参数化过程，能够方便快捷的确定物理样机的研制方案。因此ADAMS/Car在汽车动力学分析和仿真上应用很广泛。

[1] 陈立平，张云清，任卫群，覃刚，等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程.北京：清华大学出版社，2005.

[2] MDI公司.Using ADAMS/Car.

[3] Shabana. Dynamics of Multibody Systems. Cambridge University Press. 1998.

[4] 时培成.基于虚拟样机技术的汽车整车操纵稳定性研究:[硕士学位论文]. 合肥：合肥工业大学, 2005.

[5] 余志生.汽车理论(第三版).北京：机械工业出版社，2000.

3.5.4 改变E点Z坐标曲线变化趋势：E点是平衡块旋转轴左端点，修改其Z坐标曲线剧烈变化。Z值越大，越不利于本侧门碰撞，但有利于对侧门碰撞。外把手开启力也会减小。

3.5.5 改变加速度值曲线变化趋势：将加速度从0逐渐升到130，加速度越大，不管是来自本侧门的碰撞还是来自对侧门的碰撞，都不利。

3.5.6 改变扭簧力矩值曲线变化趋势：改变扭簧力矩值，曲线有明显变化，扭簧力矩值增加，不管是来自本侧门的碰撞还是来自对侧门的碰撞，都有利，但外把手开启力将会增大。

4、结论

本优化过程：先优化确定AB轴和EF轴各自坐标位置，后优化确定碰撞加速度为±65g的前提下，搜索：“不会导致主动开启侧门，且正常情况下外把手在开启过程的开启力范围为35±15N”的扭簧扭矩值的范围。通过优化计算，搜索到开启扭簧的扭矩为0.251N·m，工作过程最大扭矩为0.501N·m。按优化结果输出所有的设计参数，就是需要的最优设计方案，设计者可以在原布置的数据上重新输入优化后的参数，实现优化方案设计应用。

参考文献

[1] 李卓森．现代汽车造型[M]．北京：人民交通出版社．

[2] GB 15086 汽车门锁及车门保持件的性能要求和试验方法．

[3] 钟志华.汽车碰撞安全技术.机械工业出版社.2006.

[4] 江淮汽车公司.QJQ 6118—车门外把手技术要求[S].合肥：江淮汽车公司.

Application of ADAMS/Car Module in Vehicle's Handling Stability

Wang Kaifeng
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

ADAMS/Car module is introduced simply in this paper, using ADAMS/Car to build a multi-body dynamics vehicle model that contains body、suspension、steering-system and tires etc. The simulations of handling stability had been carried out. In order to validate the vehicle model, the simulation results were compared with physical experiments.

ADAMS/Car; Multi-body Dynamics Vehicle Model; Handling Stability; Simulation

U461.6

A

1671-7988(2015)02-51-05

王凯峰，就职于就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，主要从事底盘系统设计开发工作。