基于ADAMS/car的汽车操作稳定性建模与仿真

孟杰，张凯，杨保成

（常熟理工学院机械工程学院，江苏常熟 215500）

基于ADAMS/car的汽车操作稳定性建模与仿真

孟杰，张凯，杨保成

（常熟理工学院机械工程学院，江苏常熟 215500）

利用多体动力学仿真软件ADAMS建立了车辆的模型，并对汽车进行了稳态回转试验和双移线试验的设计和仿真分析.依据仿真结果，对汽车的操纵稳定性做出了评价.结果表明，利用ADAMS软件可以对汽车的操纵稳定性进行精确的仿真试验，进而达到优化产品设计方案的目的.

多体动力学；ADAMS/Car；操纵稳定性

1 引言

汽车操纵稳定性是汽车的重要性能之一，是指汽车在驾驶员不感到过分紧张、疲劳的条件下，能够遵循驾驶员操作规程，而且能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力[1].由于道路条件逐步改善，汽车设计车速不断提高，汽车操作稳定性更加受到重视.

本文在完成悬架、转向系统等子系统的动力学模型基础上，建立了某轿车整车的动力学模型；并依据GB/T6323294规定的汽车操纵稳定性试验方法进行了稳态回转以及蛇形穿越的操纵稳定性仿真试验，获得了该轿车的操纵稳定性性能.

2 整车仿真模型的建立

本文运用美国MSC公司开发的ADAMS/Car软件为仿真平台，并根据国产某品牌汽车数据，在创建悬架子系统、转向、前后车轮及前后横向稳定杆等子系统虚拟样机模型的基础上，实现整车的组装与仿真.

2.1 悬架模型

该车的前悬架是典型的双横臂式前悬架，其结构包括转向节、衬套、上下横臂、减震器以及弹簧等.上下横臂一端由两个橡胶衬套与副车架连接，另一端通过球铰与转向节连接.减震器上端与车身由万向节铰链连接，横拉杆与转向节之间以球形副连接.后悬架与前悬架类似.如图1所示.

2.2 转向系统模型

该车模型的转向系统为齿轮-齿条式转向系统，包括转向盘、转向轴、转向传动轴、转向齿条以及转向横拉杆等部件.如图2所示.

方向盘与转向轴间的连接为固定铰链.转向横拉杆与转向节之间为球铰链，而转向轴与转向传动轴间为万向节铰链.转向轴与车身之间连接方式为转动铰链；转向横拉杆与齿条之间为万向节铰链，齿条与车身之间为移动铰链.

图1 车辆的双横臂式前悬架模型

图2 车辆的转向系统模型

2.3 轮胎模型

轮胎是车辆至关重要的部分，特别是轮胎的侧偏特性，显著影响汽车的操纵稳定性，轮胎的侧偏特性包括侧偏力、回正力矩与侧偏角间的特殊关系.

轮胎构成较为复杂，包括橡胶、帘布层等合成材料和充气结构，这使得轮胎具有高度非线性、可压缩性、各向异性和粘弹性，导致其物理模型复杂、特殊[2].此外轮胎的建模精度直接影响整车动力学建模精度，所以轮胎模型的选择必须与仿真的要求相一致.

本文选取UA轮胎模型，UA轮胎模型的特点是包含轮胎的纵向、侧向松弛效应.该模型考虑了纵向和横向联合滑移的情况，因而比较精确、全面.

2.4 整车模型

将上述子系统进行装配之后，得到虚拟整车模型.如图3所示.该车主要参数如表1所示.

图3 整车仿真模型

表1 整车主要参数

3 整车操纵性仿真试验设计与分析

3.1 稳态回转试验方法（Constant radius Cornering）

稳态回转试验是研究汽车响应特性的一种常用试验方法.汽车稳态转向特性对汽车的方向控制有非常重要的影响[3].过度转向或转向不足都会使汽车难以控制.汽车稳态转向特性是汽车操纵稳定性研究的重要内容.

本文依据GB/T6323.6-94关于固定转向盘转角稳态回转试验的规定，仿真过程中，设置汽车以最低车速开始沿初始转向半径50 m的圆周行驶，方向盘转角为150°.然后加速（加速度为250 mm/s2），并固定转向盘转角.仿真试验分析结果如下：

车身在侧向力的作用下绕侧倾轴线的转角称为车身侧倾角，且车身侧倾角与侧向加速度方向一致.车身侧倾角是和汽车操纵稳定性和平顺性有关的一个重要参数.侧倾角的数值影响到汽车的横摆角速度瞬态响应.侧倾角如果过大，会使驾驶员感到不稳定、不安全.从图4可以看到该车在较大的侧向加速度下，车身质心处的侧倾角相对较小（直线斜率较低），不容易引起侧倾转向.因此操作稳定性较好，但平顺性较差.

图5为前后车轮侧偏角差值与侧向加速度关系曲线.由图可知，当侧向加速度大于0.02 m/s2时，前后侧偏角差值与侧向加速度不再存在线性关系.随着侧向加速度的增加，图中曲线趋于平缓，即随着侧向加速度的增加，转向半径也同时增加，说明了该车有明显的转向不足特性.

3.2 双移线试验仿真分析[4]

双移线试验是研究汽车躲避障碍时的瞬态闭环响应特性的重要试验之一，是评价汽车操纵稳定性的重要试验.本仿真中的车辆是按照ISO3888规定的路径进行仿真的，即汽车在紧急避让时，侧翻的可能路径控制通过驱动样机来实现.仿真结果如图6所示.

在IS0/3888标准文件中规定了该试验的行驶路线.只需要选择合适的档位和车速，就可以进行试验.仿真分析设置在运行250 m后自动停止.在仿真试验中主要记录汽车的横摆角速度以及侧向加速度等参数，以评价该试验性能.由图6可知，在仿真时间2 s-6 s内，该车迅速恢复原有行驶状态，横摆加速度趋于零.说明该车辆具有较好的躲避障碍物的性能，操纵稳定性较好.

图4 车辆侧倾角与侧向加速度的关系曲线

图5 车辆前后侧偏角差值（δ1-δ2）与侧向加速度的关系曲线

图6 双移线仿真试验曲线

4 结论

本文利用ADAMS/Car模块建立了汽车整车仿真模型.对汽车稳态回转性能和双移线性能等主要的整车操纵稳定性能进行了仿真.仿真结果表明，该车的稳态回转性能和躲避障碍物性能良好.另外，仿真曲线表明ADAMS/Car具有精确仿真试验的能力，因此可利用采用ADAMS/Car软件建立的参数化车辆模型，对各种设计参数不断进行修改或优化设计，达到改进产品设计方案的目的.

[1]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]陈军.MSC.ADAMS技术与工程分析实例[M].北京：中国水利水电出版社，2008：10.

[3]郭孔辉.汽车操作动力学原理[M].南京：江苏科学技术出版社，2011：2.

[4]范成建，熊光明.虚拟样机软件MSC.ADAMS应用与提高[M].北京：机械工业出版社，2006.

Model Establishment and Simulation of Vehicle Handling Stability Using ADAMS/Car

MENG Jie,ZHANG Kai,YANG Bao-cheng
(School of Mechanical Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

A vehicle model is built using the multi body dynamics software-ADAMS/Car first.And then the ve⁃hicle's performance of the constant radius cornering and ISO lane change is simulated.According to the simula⁃tion results,the handling stability is evaluated.The result shows that the ADAMS software can provide an accu⁃rate simulation experiment and optimize the design plan of vehicle product.

multi body dynamics;ADAMS/Car;handling stability

TP/391.9

A

1008-2794（2013）04-0061-04

2012--02-01

苏州市科技计划项目“汽车半主动电磁悬架应用研究”（SYG201102）

孟杰，讲师，硕士，研究方向：汽车安全，E-mail：122603289@qq.com．