基于ADAMS的汽车操纵稳定性的仿真

童 梅，宋攀琨，李天然

（长安大学汽车学院，陕西西安 710064）

作者简介：童 梅（1990－）女，长安大学汽车学院硕士研究生，车辆工程专业。

宋樊琨（1989－）男，长安大学汽车学院硕士研究生，车辆工程专业。

李天然（1992－）男，长安大学汽车学院硕士研究生，车辆工程专业。

摘 要：在设计汽车过程中，对操纵稳定性的评价主要采用试验评价的方法。采用ADAMS软件中的CAR模块进行仿真，运用虚拟样机技术在完成仿真建模并验证其有效性后，可对设计参数进行进一步的修改并重新进行仿真，对于难以进行的一些危险性试验，也可由ADAMS的仿真来替代。

ADAMS软件可以进行汽车的平顺性、操纵稳定性等的仿真。而且仿真结果、性能分析、指标评价、试验评价可直接反映到悬架、转向系统的零部件的设计参数上来，进行优化设计和改进。

关键词：ADAMS；操纵稳定性；仿真；虚拟样机；悬架

Abstract：In the process of a car，the steering stability evaluation mainly USES the test evaluation method．Taking CAR simu－lation module of ADAMS software，using virtual prototype technology，after fulfilling the simulation modeling and verify its effectiveness and can modify design parameters and simulation，some of the risk for difficult to test，also can be replace by AD－AMS simulation．

ADAMS software for automotive ride comfort and handling stability simulation．And the results of simulation and per－formance analysis，index evaluation directly reflected in the design parameters of suspension and steering components design and improvement．

Key words：ADAMS，Steering stability，The simulation，The virtual prototype，Suspension

1 绪论

1．1 汽车稳定性的概述

随着汽车工业技术的快速发展，人们对汽车整车的要求逐渐增加，尤其是乘坐舒适性。而汽车的操作稳定性对乘坐舒适性有很大的影响。

随着CAD／CAE／CAM在汽车工业技术上的发展，应用数字化汽车进行系统水平的设计，可以有效地将三维实体模型和有限元分析结合起来，预测系统在虚拟实验室、虚拟实验场地上的各种模拟实验的性能和结果。应用ADAMS软件即可以做到这一点。ADAMS软件在汽车性能仿真研究中应用非常广泛。

1．2 汽车操纵稳定性研究目的和意义

汽车操纵稳定性研究目的主要是解决汽车行驶过程中不稳定和安全性低的现象。操纵稳定性差的汽车，常常具有如下的特点：

（1）“发飘”——驾驶员在没有任何控制时，汽车自己做出的转向现象，方向不能稳定。左摇右晃，有发生危险的可能。

（2）“反应迟钝”——驾驶员驾驶汽车时，转动方向盘，汽车却没有转动或者转动非常慢。

（3）“晃”——驾驶员对汽车直线行驶控制时，汽车一直不能直线行驶。

（4）“路感差”——汽车转向时，车轮传给转向盘的力过小，使驾驶员不能正确对路况做出反应。

（5）“转向失控”——当车速超过某一值时，车速不再受驾驶员控制，出现危险情况。

汽车的操纵稳定性好应具有如下特点：

（1）驾驶员容易控制汽车（对驾驶员的驾驶控制要求无需过高，即使技术不熟练的驾驶员也可以很好的掌握）。

（2）在出现来自外界的轻微干扰时，汽车本身反应不能很剧烈，且驾驶员不会感到突然的抖动和意外，且在意外事故发生时汽车能很好的被控制。

1．3 本课题的主要研究内容

本课题主要研究的内容有：

（1）基于ADAMS－CAR模块的使用对汽车操纵稳定性进行仿真。

（2）汽车操纵稳定性的仿真的试验方法、结果分析和综合评价。

（3）对整车模型的操纵稳定性进行仿真分析，主要选取稳态转向特性试验、瞬态转向特性试验、相频特性等来考察汽车的操纵稳定性。

（4）本课题主要是对整车模型、悬架模型、轮胎模型等进行操纵稳定性的试验方法、结果分析、综合评价指标作出研究。

本课题主要解决的问题有：

（1）正确的进行整车建模、悬架建模、轮胎建模，以及进行合理地评价；

（2）汽车操纵稳定性试验方法确立，及建立综合评价体系；

（3）在ADAMS－CAR模块的平台下，进行汽车子系统（整车、前，后悬架、转向系和轮胎模型）动力学仿真模型的建立，正确引入参数，得到参数曲线；

（4）在ADAMS－CAR模块的平台下，对汽车整车系统、悬架系统、转向系统进行仿真，确定试验方法和评价指标，并且进行综合评价。

2 汽车操纵稳定性的理论方法和评价方法

对于操纵稳定性的研究主要从以下几个方面展开：

（1）基于“汽车——驾驶员——环境闭环系统”的汽车操纵稳定性的研究，汽车操纵稳定性的研究主要以开环研究为主。

（2）基于虚拟样机技术的汽车操纵稳定性研究，如果要进行虚拟实验首先要解决以下两个问题：一是由研究对象的设计信息建立符合要求的虚拟模型，二是建立虚拟实验环境。

（3）基于模糊神经论的汽车操纵稳定性的研究，模糊控制的重点在于它含有模糊性质的语言条件语句，它是由对被控制过程十分熟悉的专门人士给出，因此其又是专家控制，这种控制把人的智力无极限表现得淋漓尽致。

2．1 汽车操纵稳定性的稳态转向特性

（1）稳态横摆角速度增益

汽车以一定的速度行驶时，在前轮转角阶跃输入下进入到稳态时的响应就是等速圆周行驶。常常用稳态的横摆角速度值与前轮转角值之比来评价稳态响应。该比值被称为稳态的横摆角速度增益或者转向灵敏度。

2）当k＞0时，式（1）分母大于1，横摆角速度增益比中性转向时要小。

3）当k＜0时，式（1）中的分母小于1，横摆角速度增益比中性转向时的大。如图1所示：

图1 汽车稳态横摆角速度增益曲线

（2）稳态转向半径比值曲线

在前轮转角δ不变的条件下，若令车速极低、侧向加速度接近于零、轮胎侧偏角可忽略不计时，转向半径为R0。

故当k＝0时，R＝R0，为中性转向。k＞0时，，为过渡转向。参见图2所示。

2．2 汽车操纵稳定性的瞬态转向特性

给汽车的前轮一个角的阶跃输入时，汽车的橫摆角速度的瞬态响应为：

图2 R／R0与u2的关系

由初始条件得到，在t＝0时，ωr＝0。由上式可知，t＝∞时，ωr0，即橫摆角速度的值最后接近稳态橫摆角速度ωr0。当t在无穷大与零中间时，ωr（t）是衰减正弦函数，显然阻尼比值越大，衰减越快。如下图所示：

图3 橫摆角速度瞬态响应曲线

通常情况下也用瞬态的响应中的某个参数来体现响应特性的优劣，这些参数如下所述：

1）橫摆角速度ωr波动时的固有圆频率ω0

2）阻尼比ζ

3）反应时间t

4）达到第一峰值wr1的时间ε

2．3 汽车操纵稳定性的评价方法

汽车操纵稳定性的评价方法主要有：主观评价和客观评价。

（1）主观评价方法

所谓主观评价方法就是通过驾驶员本身的感观对汽车的性能进行评价。主观评价方法主要是对以下几个方面进行评价：直线稳定行驶特性，其主要包括转弯回正能力、侧向敏感性、路面不平度敏感性等，行车操纵稳定性，转向稳定性等。

（2）客观评价方法

所谓客观评价方法就是通过具体的试验，再通过这些数据与国际标准的数据进行对比研究。客观评价方法主要从以下几个方面进行评价：横摆角速度、侧向加速度、转向盘角速度、转向力、侧向力等。

3 汽车操纵稳定性基于ADAMS－CAR模块建模

3．1 建模关键技术

汽车操纵稳定性的仿真是基于ADAMS－CAR模块的建模，根据数据输出变化曲线，再对曲线进行分析。该软件可以用来建模、仿真、设计等，能够帮助建造整车虚拟样机，包括整车车身、悬架、转向系、传动系、制动系、发动机等。仿真结果可由动画、曲线等方式给出。

在ADAMS－CAR模块由模版、子系统、总成组成。ADAMS－CAR模块有两种模式：标准模式和模版建模模式。在标准模式下，用户可以根据汽车的构造来选择合适的模版，如悬架系统、转向系统、轮胎系统和制动系统等。在建模过程中模版是整个模型中最基本的模块。模版建立以后，接下来创建子系统。最后建立分析总成。根据分析的结果，使用后处理模块，可对其中的参数结果进行可视化分析，画出对应的变化曲线。

3．2 子系统的建立

本文课题需要建立的子系统如前述提到的一样，包括：前悬架子系统、后悬架子系统、转向系子系统、制动系子系统、轮胎子系统和车身子系统。3．3 整车参数的选取

下图列出了本课题研究的主要性能参数、尺寸参数等，因为ADAMS对刚体的惯性参数的确定有两种方式：

1）根据几何尺寸及密度自动计算得到；

2）根据用户的自定义数据。

对于车身的惯性参数采用的是第二种方法。参数：

通过手册查找宾悦汽车的相关参数，如表1、表2。

表1 汽车参数

表2 发动机主要参数

3．4 整车模型

整车模型是在ADAMS－CAR模块中直接导出

图4 整车模型

3．5 前、后悬架建模

前悬架为麦弗逊式悬架。

前悬架各部件硬点位置如图5所示。

前悬架模型如图6所示。

后悬架是由双向筒式减震器、螺旋弹簧、横梁组成。图8为后悬架的模型。

图9为后悬架各部件硬点值。

3．6 转向系的建模

齿轮－齿条式转向系统由转向盘、转向柱、转向齿条、转向横拉杆等构成。

图5 悬架硬点位置

图6 前悬架模型

图10为转向系统模型。

3．7 轮胎模型

由于ADAMS的Fiala轮胎模型的参数容易得到，故轮胎模型选用Fiala模型。图11为轮胎模型：

图7 悬架弹簧受力曲线

图8 后悬架模型

图9 后悬架硬点值

图10 转向系统模型

3．8 动力系模型

汽车在进行操纵稳定性仿真过程中，需要一定的车速、角速度、加速度等，因此，控制发动机的输出转矩相对就显得比较重要。本课题模型采用后轮驱动，使用后置发动机模块。动力系模型如图12所示。

图11 轮胎模型

图12 动力系模型

4 汽车操纵稳定性仿真实验

4．1 稳态转向特性仿真方法

通过ADAMS－CAR模块，打开导入整车模块，输入宾悦车相关参数，得到该车的稳态横摆角速度增益曲线（图13），侧向加速度曲线（图14），前轮转角变化曲线（图15）。

图13 横摆角速度增益曲线

图14 侧向加速度曲线

图15 前轮转角变化曲线

4．2 瞬态转向特性仿真方法

如图16所示：曲线1，2，3，4分别为汽车在车速为40km／h，60km／h，80km／h，100km／h匀速行驶的横摆角速度响应曲线。

图16 瞬态横摆角速度响应曲线

从图中可以清楚的看到随着车速的增加，横摆角速度的波动越来越大，在车速为40m／s时的波动已经相当明显了。各车速下汽车响应参数如表3所示。

表3 瞬态响应参数

从上面图表可以看出车速接近40km／h时，汽车的横摆的角速度迅速升高到稳定值接近没有变化，在车速为60km／h时横摆的角速度升高到最大值。随着车速的增加阻尼比逐渐减小，横摆的角速度的波动也随着变强，横摆的角速度的响应的时间很小，稳定性的因数波动很小，从上述分析可知，该车具有不足转向特性。

4．3 悬架模型的仿真

悬架模型不仅对汽车平顺性有重大影响，对汽车的主销内倾角、前轮前束、主销后倾角、车轮外倾角及轮距等前轮定位参数，对悬架的性能都有巨大影响，以下分别从车轮定位参数方面研究对悬架的影响及仿真结果。

（1）主销后倾角

主销后倾角的作用是起到回正的作用，它可以使汽车具有直线行驶的稳定性。

下图为主销后倾角变化曲线图。

（2）主销内倾角

图17 主销后倾角

图18 主销后倾角变化曲线

其作用和主销后倾相似也有自动回正的能力，对行驶方向更加容易控制，并且可以使转向轻便。

图19为主销内倾角变化示意图。

图19 主销内倾角

（3）前轮外倾角

其作用主要是当汽车正在行驶时，将轮毂向内压向轴承，这样就可以降低外轴承所承受的轴荷，同时避免了因前轴变形和主销孔与主销之间的间隙过大引起的前轮内倾，从而使汽车转向更轻便。

图22为前轮外倾角曲线变化示意图。

图20 主销内倾角变化示意图

图21 前轮外倾

图22 前轮外倾角曲线变化示意图

（4）前轮前束角

其作用是使车轮能够向内转向，这样能够减少轮胎的磨损。

5 汽车操纵稳定性仿真分析

结合摆角速度、侧向加速度、侧偏角等增大，通过标杆时间缩短。转向盘转角变化大，车速也跟着变化。而对于上述瞬态响应试验的仿真结果，从仿真结果本身来看车辆的瞬态响应是在合理范围之内的。

当车辆转弯时，在离心力作用下，车身向外倾斜，外轮悬架这时候处于压缩状态，车轮外倾角逐渐减小；反之，内轮悬架处于伸张状态，从而外倾减弱，提高了车轮抵抗侧向力的能力，使汽车转向时的能够获得良好的操纵稳定性。当前轮外倾角增大时，有利于减小前后轴侧偏角之差及前轮的转向侧向力，增强汽车的不足转向特性。在侧向加速度较低时，前轮外倾角的变化不是很大，当侧向加速度增大的情况下，前轮外倾角的影响就会有明显的增大。

图23 前轮前束示

图24为前轮前速度变化曲线图。

图24 前轮前速变化曲线

汽车的等速圆周行驶，即汽车在方向盘角阶跃输入下进入的稳态响应，ADAMS的数据后处理是在adams／postprocessor模块中进行的。依上述仿真图所示，车速逐渐增大，转弯半径平稳的缓慢越大，横摆角速度也逐渐增大。

参考文献

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