整车多体动力学模型的建立、验证及仿真分析

张宇

摘 要：随着车速的不断提升，整车的稳定性能备受瞩目。作为复杂的机械系统，人、车、外界载荷环境等相互作用下，一直是汽车动力学模型建立、分析的难题。本文以某轿车的整车非线性动力学模型建立为理论主体，考虑转向系统及前后悬架的几何参数，以及阻尼器与橡胶衬套等非线性特征，对所建模型进行多元化实验，分析样车的稳定性能及可操控性等相关特点，结果表明所建模型就较高的精度，在动力学研究中起到了关键作用。

关键词：多体动力学;车辆动力学;模型建立;仿真实验

前言

随着车速的提高，汽车的平顺性、稳定性以及制动性能逐渐变得重要起来。本文以ADAMS软件建立轿车非线性多体动力模型并进行有效实验验证。建模过程以实际汽车运行情况为主，考虑转向系统、悬架的运动学约束，来用非曲线衬套模拟实际力学特征。同时考虑转向系统及前后悬架的几何参数，以及阻尼器与橡胶衬套等非线性特征，对所建模型进行多元化实验，分析样车的稳定性能及可操控性等相关特点，对仿真模型进行瞬态脉冲实验以及转向性实验等进行一系列的仿真分析。

1.整车多体模型建立

1.1 多体系统动力学定义

ADAM利用连体坐标多惯性坐标姿态和位置为广义坐标，利用拉格朗日乘子法建立动力学方程式：。其中系统动能为T，广义坐标量为q，广义力为Q。拉氏乘子列为。通过上述公式形成指标微分后利用BDF求解。

1.2 非线性力元模型

多体模型中存在多种非线性力元，如非线性弹簧、非线性阻尼器以及非线性衬套等。这些力元自身结构复杂制约模型建立。因此，建立力学模型的基础是ADAMS实验结果。同时，在实验模型的基础上加大仿真精度。

橡胶衬套的数学模型为：

阻尼器阻力对非线性关系，在ADAMS中定义模型为：Fd=fd（v）。

1.3 轮胎模型制动力及动力总成模型

在操作稳定性能中，轮胎模型稳定性十分重要。本文以侧偏实验数据为建模参数，并通过三角函数表达轮胎侧偏纵滑率、纵侧向力以及侧偏角等。其中，纵向力与侧向力表达式为：;回正力矩表达式为：。动力总成则通过与车身相连的橡胶衬套作为输出传递，根据车速进行动力输出和PID（调节器控制器）控制。

1.4 整车多体模型

将前后悬架系统模型、转向系统模型以及动力总成等模型与车身集成，建立多体精确模型中，根据前后悬架调整整车质心位置，根据实验数据调整各部件质心位置。根据实验调整车轮参数定位。自由度公式为：。整车模型包括44个刚体，其中各种类型约束个数如下表1所示。其中，整车模型自由度利用自由度公式进行计算，整车自由度系数为102。同时，外接力元如下：4个悬架弹簧;40个橡胶衬套;4个阻尼器;两个稳定杆扭簧及制动力和轮胎力元各4个等。

表1：类型约束个数

类型

圆柱铰

等速铰

转动铰

移动铰

齿轮条铰

胡克铰

个数

3

10

8

5

1

2

2.模型验证

2.1 转角脉冲瞬态实验验证

在实车实验过程中，转向盘转角为仿真输入对象，测量转角间隙并在实验转向盘数据减去间隙数据，将处理后的数据作为仿真数据。测试结果显示，仿真曲线较为平滑且试验曲有高频信号反应，实验与仿真结果有一定的重合度。这说明仿真模型表达了该车动特性及精度，满足实际需求。

3.仿真分析

3.1 平顺性随机路面输入仿真

B级路面上对整车模型进行随机输入仿真，并以六种车速进行平顺性仿真实验。

仿真后得到不同车速下三个轴向加速时间，由于篇幅有限，只列出座椅各向及总的加权加速度均方根。根据测得的数据显示，当垂向加速低于31m/s2时，不会危害健康，在高于31m/s2并达到44m/s2时会有一定的危害性，大于44m/s2对健康不利。本次试验中，最大车身垂向加速为7.8m/s2，低于危害值且在脉冲输入下平顺性较好。

3.2 平顺性脉冲输入仿真

平顺脉冲仿真是平顺实验一种。本次研究在ADAMS软件中，建立三维立体三角形路面，高60mm长40mm，仿真过程中车速从20Km/h逐步升至60Km/h，得到不同速度下车身垂向数据。下表1为平顺路面仿真数据。

表1：不同车速下最大车身垂向

车速/Km·h-1

20

30

40

50

60

a max/m·s-2

5.09

6.19

7.30

7.69

7.67

3.3 汽车操纵稳定性仿真分析

3.3.1 稳态回转仿真

作为车辆稳定相应实验，稳态回转是在一定状态下，车辆转向角和前进速度定值，使得车辆转弯行驶半径固定。稳态回转仿真研究过程中车速从4.5m/s加速至6.5m/s为仿真过程。下图、图 为仿真后行驶轨迹。

图 ：转向半径与侧向加速关系  图 ：前后侧偏角差与侧向加速关系

3.3.2 转向盘角阶跃输入

转向盘角阶跃输入用来评价该车瞬态响应性能。根据GB/T6323.2-1994，仿真过程中时间为10s，车速为60Km/h，在1s后持续输入时间0.2s，方向盘最大转角为30°。随后油门不变转角不变。下图为横摆角速度及侧向加速瞬态响应过程。从图片中可以看出车辆瞬态响应性能良好。

图 ：横摆角响应数据           图 ：侧向加速瞬态响应数据

3.3.3 蛇行试验

作为瞬态响应实验的一种，蛇形试验是评价车辆瞬态闭环的重要依据。往往使车辆在极限转弯状态下，反应车辆行驶的安全性、舒适性和稳定性。本次研究中，仿真车辆通过30m标桩区域速度为65Km/s.测试结果显示车辆在标准车速下，具有一定的操作性和稳定性。

3.4 结论评价

通过ADAMS软件建立包括转向器、动力总成、车身制动系统以及前后悬架的整体车模型，研究ADAMS软件如何作用于平顺性以及整车操纵稳定性，进行详细优化和运动学分析。同时，通过稳态回转工况仿真和蛇形试验等一系列仿真实验，结果表明该车具有一定的操控性且平顺性较好。ADAMS软件能对原始设计过程中，实现对原有设计参数的优化和改进，同时能进行一定的分析和预存。

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