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硕士论文基于整车多体动力学模型的电动助力转向虚拟试验研究 摘要 电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，e p s ) 属于一种动力转向系统，比传 统动力转向系统具有更高的可控性，能较好地解决汽车转向“轻”和“灵 的矛盾， 是汽车电子化发展的成果之一，具有广泛的应用前景。 在对e p s 系统性能的仿真研究中，建模及控制策略是两大关键问题。由于整车 模型自由度过多和e p s 控制算法的复杂性的原因，使用一种软件进行基于整车的e p s 系统性能分析是比较困难的。本文以某轿车为对象，采用虚拟样机软件a d a m s c a r 建立整车多体动力学模型，通过转向盘角阶跃试验、角脉冲试验及转向轻便性等虚拟 试验进行整车操稳性仿真和评价，得出虚拟样机与实际车辆具有较好的一致性；依据 所建虚拟样机模型，确定了一种直线型助力特性曲线，在m a l a b 中建立起e p s 系 统的闭环p i d 控制系统模型；采用a d a m s c o n t r o l 模块使机械系统和控制系统之间 形成闭合回路，将e p s 控制系统与整车模型相结合，进行机电一体化联合仿真。 通过对装有和不装e p s 系统的整车虚拟试验的对比研究，分析了e p s 系统的控 制效果及其对整车操纵稳定性的影响。结果表明，闭环p i d 控制的e p s 系统在提高 汽车低速行驶转向轻便性和高速行驶转向平稳性方面具有明显作用。 关键词：多体系统动力学，虚拟试验，操纵稳定性，e p s ，闭环p i d 控制，联合仿 真 a d s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ( e p s ) i st h ei n e v i t a b l ed e v e l o p i n gt r e n df o ra u t o m o b i l e p o w e rs t e e r i n g ，w h i c hi sm u c hs u p e r i o rt oc o n v e n t i o n a lp o w e rs t e e r i n gs y s t e m i ti sa d y n a m i cs t e e r i n gc o n t r o ls y s t e mw h i c h c a l ls u p p l yr e a l - t i m ea s s i s tt o r q u ea c c o r d i n gt ot h e s t a t u so ft h ea u t o m o b i l em o v e m e n t sa n dd r i v e r sr e q u i r e m e n t s a si ti ss od i f f i c u l tt oa n a l y z ep e r f o r m a n c eo ft h ee p su s i n gs i n g l es o f t w a r e ，t h e m e t h o do fc o s i m u l a t i o np r o v i d e sad i f f e r e n tw a yt or e s e a r c ht h ep e r f o r m a n c e so fe p s i n t h i sp a p e r ，b a s e do nt h etv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ，am u l t i - b o d ys y s t e md y n a m i c s m o d e lo ff u l lv e h i c l ea r eb u i l ti nt h em e c h a n i c a ls y s t e ms i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a d a m s c a r u s i n ga d a m s c o n t r o lm o d u l e ，c o s i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e dt o l i n kt h ec o n t r o l m o d e le s t a b l i s h e di nm a t l a bt om u l t i b o d ys y s t e md y n a m i c sm o d e lo ff u l lv e h i c l ei n a d a m s c a r a n dc o s i m u l a t i o no ff u l lv e h i c l ee q u i p p e dw i t he p ss y s t e mw e r e p e r f o r m e di no r d e rt os t u d yt h e e v a l u a t i o na n dc o n t r o ls t r a t e g yo fe p s t h es i m u l a t i o ni st h e nc a r r i e do u tu s i n gt h ee s t a b l i s h e dc o s i m u l a t i o nm o d e l ，t h e o u t c o m e so ft h es t u d ys h o wt h a t ，a u t o m o b i l ee q u i p p e dw i t he p sc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t s o ft h em a n e u v e r a b i l i t yf o rl o ws p e e dd r i v i n ga n dt h es t a b i l i t yf o rh i g hs p e e dd r i v i n g k e yw o r d ：m u l t i _ b o d ys y s t e md y n a m i c s ，v i r t u a lt e s t ，m a n e u v e r a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，p i dc o n t r o l ，c o s i m u l a t i o n i l 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：曼墨叁劢铂年月彤日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：强 矽彦年钥瑶日 硕士论文基于整车多体动力学模型的电动助力转向虚拟试验研究 1 绪论 1 1 论文背景及研究目的 转向系统是影响汽车操纵稳定性、舒适性和行驶安全性的关键系统之一，在转向 系统的设计当中，存在着转向轻便性和转向灵敏性之间的矛盾，最初为解决这个矛盾， 采用变传动比的机械转向系统或常规液压动力转向系统，采用变传动比的机械转向系 统从有效地减小转向力来看，效果并不是很理想，而且变传动比的机械转向系统加工 较复杂且机械效率比定传动比低，故大多数商用汽车及5 0 的轿车都采用动力转向系 统。从上世纪5 0 年代以来，动力转向系统经过了常规液压动力转向系统、电子控制 液压动力转向系统、电动助力转向系统三个发展阶段，并有继续向电子化和智能化发 展的趋势，由此，电动助力转向系统成为近年来研究的热点，目前很多高校及汽车企 业都开展了电动助力转向系统的研究和开发工作【4 】。 本课题来源于南京理工大学与南京天擎汽车电子有限公司合作项目“电动助力转 向器控制器开发 ，研究目的是通过建立整车虚拟样机模型以及e p s 控制系统的仿真 模型，实施联合仿真，分析研究e p s 系统控制效果以及其对整车操纵性能的影响。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 虚拟样机技术发展概述【5 1 1 6 l 从上世纪8 0 年代开始，“虚拟开发 逐渐变革传统的轿车开发程序，在轿车开发 的整个过程中，全面采用计算机辅助技术，使得轿车开发中的造型、设计、计算、试 验直至制模、冲压、焊接、总装等各个环节中的计算机模拟技术联为一体，使得汽车 的开发、制造都置于计算机技术所构造的严格的数据环境中。计算机辅助技术在整个 汽车开发过程中至少能节约3 0 的开发成本，极大地缩短了汽车的开发周期，因此， 全球各大汽车公司都在积极推广虚拟开发技术。德国大众汽车公司推广基于3 d 的工 作过程，深化虚拟产品开发的重要性；福特汽车公司选择e d s 公司作其为软件供应 商和集成商，并将e d s 最先进的产品一全生命周期管理( p l m ) 技术，集成到福特 公司的新一代全球c 3 p 系统环境中；德国奥迪汽车公司在虚拟开发技术上走在行业 的前列，奥迪汽车公司在9 0 年代初坚持开发a u d ia 6 、a 8 等车型的虚拟碰撞仿真计 算方法，目前奥迪汽车的品种由过去的三大车型十几种变型车增3 0 l i n 六大车型四、五 十种变型车。从而可以看出，虚拟仿真技术的运用，大大节约了开发成本，缩短了开 发周期。 以虚拟碰撞模拟为例，开发更安全、更坚固的车型需要进行反复严格的碰撞测试， l 绪论硕士论文 但在真正实施这些物理测试以前，需要大量时间进行精心准备，并且成本昂贵，而在 制造出第一个真实物理样机之前，模拟碰撞是分析汽车结构的唯一方法，甚至在后期 的研发改进过程中，模拟碰撞试验也可以减少实际资产的使用，此外，还可以用它来 模拟研究真实车辆所无法测试的潜在情况。 虚拟样机技术的研究和发展大致可以归纳为以下两个方面：新型计算方法与软件 的开发，虚拟样机技术与其他虚拟技术相互融合的趋势。在计算方法和软件开发方面， 国内的高校己经取得了长足的进步。同济大学在a d a m s v i e w 的基础上成功开发了 用户化车辆仿真分析模块( c a a m ) ；上海交通大学根据柔性多体系统动力学单向递 推组集建模理论和计算方法开发了柔性多体系统动力学软件c a d a m b ；中国农业大 学开发了机械系统虚拟样机仿真分析软件的原型m s v p 。国外虚拟样机软件的商品化 走在前列，有影响力的产品包括美国m s c 公司的a d a m s ，比利时l m s 公司的 d a d s ，以及德国航天局的s 脚c k 动力学仿真软件。 虚拟样机技术在融合于轿车开发的整个过程中，有同其他虚拟技术不断整合的趋 势，使得轿车开发的造型、设计、计算、试验直至制模、冲压、焊接、总装等各个环 节中的计算机模拟技术联为一体。例如，多体系统动力学软件a d a m s 与p r o e 、 c a t i a 、u g 等c a d 软件或者a n s y s 、n a s t r a n 等有限元软件或者m a t l a b 、 m a t r i x 、e a s y 5 等控制系统软件相结合，这些软件之间的协同工作，可以充分利 用c a d 软件强大的造型功能、多体动力学软件的动力学计算功能、有限元分析软件 的柔性体计算的功能、控制系统软件出众的控制系统设计分析的功能，可以达到提高 计算可靠性和精度要求，拓展了汽车虚拟开发技术。例如直接使用c a d 数据作为 a d a m s 输入参数的前处理，如部件材料定义、转动惯量分析、关键点位置的测量、 运动装配干涉分析等；直接使用有限元软件a n s y s 模态分析的结果，精确考虑车辆 弹性元件对动力学仿真分析的影响，如麦弗逊悬架下摆臂和复合式悬架扭转梁弹性对 汽车动力学分析的影响；联合使用计算控制工具m a t l a b ，为a b s a s r f e s p 等整车 闭环控制的仿真研究服务等。 1 2 2 转向系统发展概述1 4 】1 9 】 汽车转向系统是控制其行驶路线和方向的重要装置，它直接影响汽车的操纵性和 稳定性。对于汽车转向系统，除了要求其工作安全可靠、操纵轻便、机动性好、高效 节能外，还要求它能够在各种工况( 包括直线行驶、正常转向、快速转向、原地转向 等) 下，根据不同的行驶速度和路面状况，提供最佳的路感【4 】【5 1 。 汽车转向系统根据动力源的不同可以分为机械转向和动力转向两大类。机械转向 系统所有的传动部件都是机械的，其可靠性较高，受外界干扰较小，但由于驾驶员自 身力量的限制，机械转向系统输出的转向力矩较小，应用范围受限制。动力转向系统 2 硕士论文 基于整车多体动力学模型的电动助力转向虚拟试验研究 是兼用驾驶员体力和发动机动力为转向能源的转向系统，正常情况下汽车转向所需能 量只有小部分由驾驶员提供。动力转向系统可较好地解决转向轻便性与转向灵敏性之 间的矛盾，提高行驶的安全性和舒适性。所以大多数载重汽车及轿车都采用动力转向 系统，部分微型轿车也开始安装动力转向装置。 动力转向系统按照提供动力方式的不同又可分为以下三类：气压式、液压式( 又 可进一步分为机械液压式和电控液压式) 和机电式( 简称为电动助力转向系统) ，气 压式动力转向系统主要应用于一部分载重量为3 7 吨，并采用气压制动系统的客车和 货车，因为气压系统的工作压力较低，载货量大的货车不宜采用此种转向系统。液压 式动力转向系统采用液压作为动力，利用油泵建立一定的压力，再经过控制阀来调整 压力油的流量，根据汽车的行驶状态，控制转向系统。液压式动力转向系统控制方式 有机械液压式和电子控制式两种，其中电子控制式液压动力转向系统通过电控单元 e c u 自动调整转向盘的操作力，提高了操纵舒适性和转向灵敏度，保证了高速行驶 的稳定性。液压式动力转向系统是目前汽车上主要采用的转向助力方式，国内桑塔纳、 富康和奥迪等几种主流轿车也采用了液压式动力转向系统。 机电式动力转向系统也就是电动助力转向系统( e p s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g s y s t e m ) ，是近些年研究的热点，它采用电动机的动力帮助驾驶员进行转向。依据助 力电机助力位置不同可分为转向轴式电动助力转向系统( c e p s ：c o l u m n e p s ) ；齿轮 轴式电动助力转向系统( p e p s ：p i n i o n e p s ) 以及齿条轴式电动助力转向系统佩e p s ： r a c k f p s ) 。该系统采用了最新的电力电子技术和高性能的电机控制技术应用于汽车 转向系统，它的研究领域涉及微电子控制、电力传动控制技术、计算机控制技术、经 典控制理论、现代控制理论以及智能控制理论、汽车工程学等，它是多学科技术的综 合应用。电动助力转向系统与传统液压助力转向系统相比具有以下优点【1 6 】【1 7 】： 1 ) 提供可变的转向助力。通过软件编程和硬件控制，得到覆盖整个车速范围的 可变转向力，提高转向舒适性、安全性； 2 ) 提高操纵稳定性。控制方式在汽车高速行驶时进行阻尼控制，使得汽车其有 更高稳定性； 3 ) 系统结构简单，生产线装配性好。该系统占用空间小，布置方便，没有液压 系统所需要的油泵、油管、流量控制阀、储油罐等暂辱，减小了装配的工作量； 4 ) 采用“绿色能源 ，适应现代汽车的要求，采用电力作为能源完全取代了液压 装置，不存在液压系统中液态油的泄露问题，顺应“绿色化 的时代趋势。 对电动转向器的研究，一些发达国家比较成熟，已经在一些高、中档轻型车使用 电动助力转向系统。e p s 系统最先应用在日本微型轿车上，1 9 8 8 年3 月日本铃木公 司首先在c e r v o 车上装备e p s ，随后还用于a l t o 车上，使转向系统的研究摆脱了液 压动力转向系统的束缚，也使汽车的电子化向前迈进了一步。在此之后，e p s 系统得 3 绪论硕士论文 到迅速发展。日本的三菱汽车公司、本田汽车公司、美国的德尔福汽车系统公司、t r w 公司、德国的z f 公司部相继研究出自己的e p s ，如：大发汽车公司在m i r a 车上装备 了e p s 德尔福公司为大众的p o l o 、欧宝的3 1 8 1 开发出e p s ，t r w 公司从1 9 9 8 年 开始，投入大量人力、物力和财力用于e p s 的开发。这两家公司还计划开发出适用 于汽车前桥负荷超过1 2 0 0 k g 的e p s ，因此货车也将可能成为e p s 的装备目标。目前 我国电动转向系统的研究还处于研发阶段，但己经引起足够的关注，2 0 0 0 年我国科 技部、财政部和国家税务总局联合公布，将e p s 列为汽车零部件“高新技术产品” 之一，目前已有很多高校及科研单位投入到e p s 系统的研究和开发中。 i 2 3 电动助力转向技术开发难点 图1231 是典型的转向柱式电动转向器的结构示意图。助力电机仅在需要转向 助力的情况下工作。当驾驶员操纵方向盘进行转向时，转矩传感器根据转向转矩的太 小产生相应的电压信号，e c u 根据传感器检测到的转矩电压信号和车速信号，给出 指令控制输入电机的电流，从而产生所需的转向助力转矩。 图1 231 转向柱式电动转向器的结构示意图 e p s 开发的主要难点包括： 1 ) 电子控制单；元( e l e c t r i cc o n t z o iu n i t ，简称e c u l e c u 是由微电脑，a d 变换器，i o 装置等组成。它的功能不仅含有控制辅助转 向力矩的大小和方向的主要功能，还有自我诊断功能和安全防护的功能。 2 ) 控制策略和算法 根据方向盘转向的转矩和方向，按照不同的车速抉定提供给电机的助力电流的大 d 硕士论文 基于整车多体动力学模型的电动助力转向虚拟试验研究 小的计算机算法软件。 3 ) 转向传感器的研究 4 ) 带减速机构的转向柱的整体设计 5 ) 故障保护设计 1 3 本课题主要任务及关键技术 本课题是结合企业合作开发项目进行e p s 系统的仿真研究，首先建立某整车基 于a d a m s c a r 的虚拟样机模型，通过进行仿真试验来验证和提高虚拟样车的精确度， 进行整车操纵稳定性虚拟试验。构建e p s 系统基于m a t l a b s i m u l i n k 的闭环p i d 控 制模型，通过a d a m s c o n t r o l 模块实施a d a m s c a r 与s i m u l i n k 的联合仿真，进行 e p s 系统的控制效果及其对整车操稳性影响的分析研究。 本课题的主要任务包括以下几个方面： 1 ) 建立整车虚拟样机模型：通过适当简化，既要保证模型的精确程度，又要保 证数值计算的稳定性和可靠性，把整车抽象为多体系统模型，建立整车基于 a d a m s c a r 的虚拟样机模型； 2 ) 进行模型验证和整车操稳性分析：通过对虚拟样机模型进行仿真验证及结果 对比以确保整车模型的正确性，进行整车操纵稳定性仿真分析以提高虚拟样机应用水 平及验证整车模型的精确性和稳定程度； 3 ) 建立e p s 系统的闭环p i d 控制模型：通过对e p s 物理模型的分析，对常见的 助力特性进行分析，本文采用直线性助力特性，建立起e p s 系统的闭环p i d 控制模 型，为后续联合仿真作好准备； 4 ) 实施联合仿真：利用a d a m s c o n t r o l 模块，实施控制系统和机械系统模型的 联合仿真，对e p s 系统的控制效果及其对整车操稳性的影响进行仿真分析。 a d a m s 提供了a d a m s c o n t r o l 模块，可以将复杂的控制系统添加到机械系统 模型中，然后对机械和控制系统进行联合分析，提供了一种全新的分析和研究方法， 本文应用联合仿真方法，对整车及e p s 系统进行仿真研究。 2 整车多体动力学模型的建立硕士论文 2 整车多体动力学模型的建立 2 1 动力学建模方法概述1 1 9 l 【2 0 1 本课题采用当前国内各高校及科研机构应用较多的a d a m s 虚拟样机软件来建 立整车多体动力学模型，以使本课题的研究成果有更好的通用性和参考性。 a d a m s 作为一款虚拟样机技术专业软件其核心理论是多体系统动力学，多体系 统动力学包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学。它可以有效地将三维实体模型 及应用有限元f e a 软件描述的零部件模态有机地结合起来，准确地预测机械系统在 虚拟实验室、虚拟场地上进行的各种模拟试验的性能。 a d a m s c a r 采用参数化、模块化的建模方法，将整车虚拟样机划分为众多的子 系统，包含：车身、前悬架、后悬架、转向器、前轮、后轮、动力总成、制动器、横 向稳定杆及试验台等子系统。各子系统之间为相对独立的模块，相互之间通过信使 ( c o m m u n i c a t o r ) 进行通讯，调用这些子系统组装整车虚拟样机。其整个文件体系由 下列四个层次构成：特性文件( p r o p e r t yf i l e s ) 、模板文件( t e m p l a t e s ) 、子系统文件 ( s u b s y s t e m s ) 和装配文件( a s s e m b l i e s ) ，其结构体系如图2 1 1 所示： 图2 1 1a d a m s c a r 结构体系图 其中特性文件用于描述弹簧、减振器、弹性衬套、发动机万有特性等特性，特性 文件的格式为文本文件，存放在相应的目录下供用户调用。模板文件包含默认的几何 体的参数和构件的拓扑结构以及用于子系统之间通信的信使。假设模板文件相当于一 个函数，那么子系统文件就相当于调用这个函数、输入相应的参数，得到的结果为相 应的子系统。模板文件和子系统之间的关系如图2 1 2 所示： 6 碗论文基十整车多体动力学模型的电动助力转向虚拟试验研究 l j 圈2 12 子系统文件的生成 根据需要建好各子系统以后，在a d a m s ，c a r 的标准接口模式( s t a n d a r d i n t e r f a c e ) 下将各个子系统组装成装配体，此时将会对各个子系统之间的信使进行通讯检查，进 行子系统之间的信息传递，最后生成模型装配文件( a s s e m b l i e s ) ， 2 2a d a m s c a r 建模流程5 】 在a d a m s c a t 下建立一个典型的整车系统动力学模型，大致可以分为以下几个 步骤： 1 1 根据研究的重点和目的，对整车的各个子系统进行分解以及动力学和运动学的抽 象，构造各子系统的拓扑结构图，依据所建立样机模型的物理原形获取各子系统 的几何定位参数、物理参数和力学参数等； 2 ) 在专家模式( t e m p l a t e b u i l d e r ) 下建立各子系统的模板文件，在建立于系统的模 板时，正确建立零部件间的连接关系和信使是至关重要的，这些数据在以后的子 系统和总成阶段是无法修改的，而零部件的位置和特征参数在后续的过程中则可 以更改零部件之间的连接根据需要可以使用铰链连接，也可以使用橡胶衬套 ( b u s h i n g ) 或者弹簧( s 1 ) r i n g ) 连接； 3 ) 根据所建车型的具体物理参数，在标准模式( d a r di n t e r f a c e ) 下建立各子模板 ( t e m p l a t e ) 文件相应的子系统( s u b s y s t e m ) 文件，井代入子系统的参数特性； 4 ) 组装各子系统模型以建立整车系统模型，针对整车研究的不同方向，通过设置不 同的工况仿真文件进行整车的运动学和动力学仿真。 2 , 2 1 建立于系统的拓扑结构口l a d a m s c a r 为参数化建模方式模板文件需要正确建立子系统的拓扑关系，需 要定义构件以及构件之间的连接关系，正确定义构件之间的连接关系非常重要，构件 的质量和惯量由于可以在子系统文件中作为参数进行修改，相对次要一些。建立子系 广乙一 2 整车多体动力学模型的建立硕士论文 统的拓扑结构包括建立关键点、构件、构件之间的约束： 关键点( h a r d p o i n t ) ：关键点用于定义模型的关键位置，用户可以修改关键点的 坐标，实现参数化设计。例如，用关键点定义车身质心的位置；通过修改关键点的坐 标值就可以修改车身质心的位置； 构件( p a r t ) ：关键点定义好以后，就可以创建具有参数化意义的构件，包含质心 位置、质量和转动惯量。例如，假设不考虑车身弹性变形，可将车身简化为一个构件； 构件之间的连接( a t t a c h m e n t ) ：用于确定子系统中各构件之间的连接关系，根 据需要这些连接关系包括理想的约束副、弹性衬套等。 2 2 2 建立子系统之间及其与试验台之间的通信信使 在a d a m s c a r 环境下建模，与在a d a m s v i e w 环境下建模存在明显差别，在 a d a m s v i e w 环境下，只需要建立虚拟样机的拓扑结构。由于采用了模块化的建模 思想，在a d a m s c a r 环境下，如果要求子模块之间能够实现无缝连接，必然要求子 模块之间能够相互交换信息。因此，在a d a m s c a r 环境下，在建立子系统拓扑结构 之后，需要建立通信信使( c o m m u n i c a t o r ) ，实现子系统之间以及子系统与试验台之 间的通信要求。通信信使分为输入信使和输出信使两种： 1 ) 输入信使( i n p u tc o m m u n i c a t o r ) ：向其他子系统或者试验台( t e s t r i g ) 请求信 息，为该子系统服务； 2 ) 输出信使( o u t p u tc o m m u n i c a t o r ) ：向其他子系统或者试验台提供信息，向外 提供服务。 除此之外，信使还分为不同的类型( c l a s s ) ，用于交换不同类型的信息。常用信 使的类型如表2 2 2 1 所示： 表2 2 2 1 信使的类型 信使的类型交换的信息 m o u n t提供子系统之间相互连接的构件的名称 m a r k e r 提供坐标和方位信息 j o i n t 约束的信息 a r r a y 传递数列的信息 s o l v e rv a r i a b l e 传递状态变量的信息 l o c a t i o n 传递关键点的位置信息 定义通信信使还需要定义信使的作用( c o m m u n i c a t o r r o l e ) ，指定信使用于虚拟 样机前部、后部或者拖车的信息交换。信使的作用类型有：a n y 、f r o n t 、l e a r 、t r a i l e r 和i n h e r i t 。通常情况下，输入信使的作用设置为i n h e r i t 自动设置为配对的输出信使的 作用。子系统之间以及子系统与试验台之间交换信息通过通信信使进行。成功的进行 8 硕士论文 基于整车多体动力学模型的电动助力转向虚拟试验研究 信息交换需要满足以下条件【2 0 】： 1 ) 输入信使和输出信使成对出现、名称相同，对称性一致； 2 ) 输入信使和输出信使的类型一致，即要求交换同类型的信息，例如输入信使 和输出信使同属于m a r k e r 类型的信使； 3 ) 输入信使和输出信使的作用相匹配，例如输入信使的作用定义为f r o n t ，则输 出信使的作用必须被定义为f r o n t 、a n y 或者i n h e r i t ； 4 ) 同一个输入信使只允许有一个输出信使与之对应，同一个输出信使可以为众 多的输入信息提供信息服务。 2 3 整车动力学模型的建立 2 3 1 整车模型的参数准备 基于多体系统动力学理论建立整车仿真模型则对参数的获取尤其是动力学特性 参数的获取提出了新的要求，主要体现在： 1 ) 系统本身及其零部件的质量、质心、转动惯量等决定了系统本身及其零部件 的动力学特性，而在多体动力学中关注的只是运动部件的质量、质心和转动惯量。在 多体动力学中只要在运动过程中时刻具有相同运动轨迹，并具有特定的联系方法( 如 通过螺栓连接等) 固定在一起的零部件就是一个运动部件，一个运动部件应只有一个 共同的质心与转动惯量。 2 ) 质量特性参数的测量与测量时选取的参考坐标系有关，故必须方便的获取在 各指定参考坐标系中各运动部件的参数值。 3 ) c a d 技术的发展提供了基于多体系统动力学理论建立整车系统仿真模型相匹 配的参数提取方法。在目前三维实体建模c a d 软件中，c a t i a 、u g 和p r o e 软件都具 有在指定参考坐标系中测量及分析由系统各零部件及其总成组成的运动部件的质心 及转动惯量的功能。 为了提高仿真计算结果的精度，必须尽量准确地确定汽车仿真模型中的基本参 数，可将模型参数按类型分为运动学参数( 几何定位) 、质量参数( 质量和转动惯量 等) 、力学特性参数( 刚度、阻尼等) 、外界参数( 道路、风力等) 四类。本文在参 数的获取上采用了图纸查阅、理论推算、配套厂家提供与c a d 建模相结合的方法，主 要参数如表2 3 1 1 所示。 9 2 整车多体动力学模型的建立 硕士论文 表2 3 1 1 整车主要技术参数规格 总长( r a m ) 3 4 7 0 外型尺寸 总宽( m m ) 1 5 7 5 总高( m m ) 1 4 7 0 整车整备质量( 蚝) 1 0 5 0 总重( k g ) 1 2 5 0 5 0 质量参数 空载5 5 0 前轴轴荷( k g ) 满载6 5 0 轮距( m m )前轮：1 3 3 0后轮：1 3 2 0 轴距( m m )2 3 3 5 麦弗逊式，螺旋弹簧、双向一乍用筒式液力减振器 前悬架悬架弹簧刚度( n m )1 3 0 0 0 0 减振器阻尼系数( n r n s )1 0 0 0 单纵臂独立式，螺旋弹簧、双向作用筒式液力减振器 后悬架 悬架弹簧刚度( n m ) 1 2 5 0 0 0 减振器阻尼系数( n m s )1 2 0 0 主销内倾角( 。) 1 1 + 1 5 主销后倾角( 。)3 2 0 前轴 前束( m m ) 1 5 2 前轮外倾角 1 0 轮胎2 1 5 6 5r 1 6 子午胎 转向器齿轮齿条式带助力转向器 运动学参数 选取x 轴指向车辆前进的反方向，y 轴指向驾驶员右侧方向，z 轴为通过前轮轴 线中点指向上方，该坐标的选择满足右手定则，运动学参数一般可以在汽车的设计图 纸中查得。各部件的相对连接位置，应在统一的整车参考坐标系中测量和取得，这样 便可以推算得到每个部件相互连接点相对于统一坐标系的坐标值。 广义质量特性参数 运动部件的质心与转动惯量的参数，通过计算、实验等方法获得，由于三维c a d 软件( 女n c a t i a 、p r o e 等) 也提供了测量运动部件在特定参考坐标系中质心与转动惯 量的功能【2 6 1 。根据前后悬架、转向系统、车桥、动力装置、车身等部件的三维实体模 型，并按其原材料定义各实体模型的密度，即可获得各部件在其指定参考坐标系中的 质心和转动惯量值。 1 0 硕士论文基于整车多体动力学模型的电动助力转向虚拟试验研究 由于只要更改a d a m s 中构件( p a r t ) 的质量、质心位置、转动惯量，在仿真计算 时就可按照更改后的质量参数进行，而与根据构件几何形状默认生成的质量参数无 关，所以把在u g 中测量得到的质量参数输入到相应a d a m s 模型的构件中，可以得到与 实际构件完全相符的质量参数。 力学特性参数 力学特性参数指系统的刚度、阻尼等特性，主要通过试验法获得，有的力学特性 参数是由生产厂商提供的，悬架有关零部件的刚度阻尼等特性一般可在设计图纸中查 得，而轮胎、橡胶元件动态特性参数则一般需通过试验获得。 外界参数 汽车的使用环境是进行汽车动力学仿真的外界条件。外界参数中如道路谱主要通 过试验测量获得，而风力因数则在分析计算的基础上结合试验获得。 2 3 2 建模假设与简化 汽车是一个复杂的机械系统，如果按照车辆的真实构造进行建模，工作量非常之 大，也几乎是不可能的，因此根据研究的方向和目的，在建模时对车辆的机构进行适 当的抽象、简化是必要的，本文建立的整车动力学模型进行了以下的假设和简化： 1 ) 在建立动力学模型时尽量减少对重要部分的简化，在不影响系统精度的前提 下对次要部分进行简化，尽量减少自由度数，以提高求解速率； 2 ) 对于刚体之间的连接柔性作适当的简化，用线性( 非线性) 的弹性橡胶衬套 来模拟实际工况下的动力学特性，各运动副内的摩擦力忽略不计； 3 ) 除了轮胎、阻尼元件、弹性元件、橡胶元件之外，其余元件都认为是刚体， 在仿真分析过程中不考虑它们的变形影响； 4 ) 本文采用了a d a m s c a r 数据库中内置的发动机及制动系统模块，对动力传 递系统进行简化，只考虑半轴以后的动力传递，即驱动力矩直接加在驱动半轴上。 本文根据某轿车为对象，利用a d a m s c a r 分别建立了前悬架( f r o n ts u s p e n s i o n ) 、 后悬架( r e a r _ s u s p e n s i o n ) 、转向系( s t e e r i n gs y s ) 、动力总成( p o w e r t r a i n ) 、前轮 ( f r o n tt i r e ) 、后轮( r e a rt i r e ) 、车身( b o d y ) 、制动( b r a k es y s ) 等子系统，并最终 装配整车( f u l lv e h i c l e ) 仿真模型。 2 3 3 前悬架子系统模型 前悬架系统为双横臂式独立悬架，包含转向节、上横臂、下横臂、转向拉杆、悬 架弹簧、减振器、驱动轴等部件，并包含大量弹性连接衬套，模型中考虑了所有约束 以及相应的弹簧、阻尼器、衬套连接，抽象出的拓扑结构( 右侧) 如图2 3 2 1 所示： 2 整车多体a 力学摸型建立 囝2 32 1 前悬架( 右侧) 拓扑结构图 表2 321 前悬架主要设计点参数 前悬架模板中共使用活动构件2 5 个，圆柱约束副3 个，旋转约束副2 个，球铰 6 个，平移副2 个，等速万向节6 个，固定副1 0 个，具体列表2322 所示根据前 悬架结构及拓扑关系，建成的基于模板的前悬架子系统如图2322 所示 表2 322 前悬架构件之间的约束关系 约束类型受约束的构件1 受约柬的构件2 等速万向节差速器输出端驱动半轴 球链转向节下横臂 球铰上横臂转向节 铰链轮毅转向节 球铰转向拉杆转向节 硕论文 基f 镕车多体动力学模型的电动助力转向虚拟试驻研究 弹性衬套车身减振器活塞杆 圆柱铰减振器活塞杆 减振器套筒 等速万向节转向拉杆转向器齿条 等速万向节传动轴轮毂 表2 + 323 前悬架主要构件质量特性参数表 p a r t：l 口哪rc o l l i r e la r m h a 5 s：1 7 1 1 3 9 5 4 9 4 2k q ：1 5 帽10 3 5 1 8 8 e + 0 0 4k q m m * * 2 ：3 5 5 9 8 4 4 2 4 9 8 e + 0 0 4k 口_ n m + * 2 ：2 晰7 8 6 0 2 9 “1 e + 0 0 4k g 堋- o z ：l o 帅rs t r u ：1 9k g ：10 8 0k a n m * - 2 ：10 8 0k o - m m 2 ：10 b 0k q - n m 2 ：t i e r o d ：o 6 6 7 4 7 3 7 3 3 1k q ：9 3 2 0 9 5 5 0 6 1 2 9 9 8k g m m * - 2 ：9 3 2 0 9 5 s 0 0 1 2 9 8 8k g m n * * 2 ：2 4 2 5 们9 9 3 7 8k a m m * * 2 ：u p p e rc o n t r 0 1a r m ：1 0 3 1 8 7 1 0 3 6 2k q ：5 9 1 3 0 4 5 4 2 9 1 2 3 7k g m m * - 2 ：7 6 9 4 2 4 2 6 3 9 6 2 9 6k 咖惮2 ：1 8 9 6 4 1 1 1 4 | 7 3 3 9k g m m * - 2 ：f a l s e ：4 2 1 7 8 5 2 9 “8 6k q ：1 6 5 9 8 9 0 6 5 6 2 e + 0 9 5k 9 一n m + * 2 ：1 6 5 9 9 9 0 6 5 6 2 e + 9 6 5k g m m * 2 ：6 9 2 9 2 5 8 5 3 6 5 2 7k u m m - * 2 图2 322 前悬架于系统模型 2 整车多体动力学模型的建立硕士论文 2 3 4 后悬架子系统模型 后悬架采用独力式单纵臂后悬架，由a d a m s c a r 提供的模板文件创建后悬架模 型，其中包含连接的类型和数量如表2 3 4 1 所示： 表2 3 4 1 后悬架约束连接种类及数量 对象数量 活动构件 1 6 圆柱铰2 旋转铰 2 球铰 6 悬架弹簧 2 弹性衬套8 表2 3 4 2 后悬架主要设计点参数 | o c ? 。k 一 l o c j i l o cz h p l d f i v e _ # h a f l i n i2 8 7 5 d 1 2 5 口3 5 0 0 h p l i c a _ f r o n t 2 6 2 7 04 0 0 02 4 0 0 h p l i c a o u t e r 2 8 2 7 07 5 0 01 9 0 0 h p l i c a _ r e e r 3 0 2 7 。04 5 0 02 4 5 0 h p l l w r _ s t r u l m o u n t2 8 2 7 0 - 6 0 0 0 2 0 0 0 h p l s u b f r a m e _ f r o n t 2 4 2 7 04 5 0 02 3 5 0 h p l s u b f l a m e _ r e a r 3 2 2 7 04 5 0 02 5 0 口 h p l t i e r o d _ i n n e r 3 0 2 7 04 0 0 03 5 0 0 h p l t i e r o d _ o u t e r 2 9 7 7 07 5 0 03 5 0 ，0 h p l t o p _ m o u n t 2 8 6 7 05 0 0 07 0 0 0 h p l u c a _ f l o n t 2 9 2 7 04 5 0 05 7 5 0 h p l u c a _ o u t e r 2 8 6 7 8- 8 7 5 05 7 5 0 h p l u c a _ r e a r 3 0 7 7 04 9 0 05 8 0 0 h p l w h e e l c e n i e r 2 8 2 7 07 9 7 03 5 0 ，0 根据a d a m s c a r 提供的模板文件，根据表2 3 4 2 所列关键点坐标来调节硬点 ( h a r d p o i n t s ) 坐标，创建后的后悬架子系统模型如图2 3 4 1 示： 1 4 日论文 f 整车多体动力学模型的电动助力转向虚拟试 究 表2 343 后悬架主要构什质量特性参数表 ：1 3 2 9 1 1 5 1 9 5 0 9k g ：1 1 5 3 9 1 1 3 7 g e + 0 0 kk 9 堋- 2 ：1 1 8 0 3 7 5 9 5 9 8 e + 0 0 1 1k 一m n * * 2 ：3 2 7 0 9 8 3 6 7 5 7 7 5k 口l a p l = * 2 p a r t ：u p p e rs t r u t ：5 ok q ：1 0k q m m * * 2 ：1 0k a m l 肚* 2 ：1 0k 州* 2 p a r t ：s p i n a l e ：1 10 2 8 j 1 0 3 9 3 1k n ：b 7 7 8 9 7 5 0 3 6 g 7 8k g n 附2 ：k 7 7 8 9 7 5 0 3 6 6 7 1 8k q i t p t 2 ：4 9 6 2 7 8 1 7 6 8 8 5 7k 0 堋* * 2 i 2 3 5 转向系统子系统模型 图2 34 1 后悬架子系统模型 模型中采用的是齿轮齿条转向系，小齿轮( p m o ng e a r ) 上输入方向盘( s t e c r j n g w h c d ) 的回转运动通过齿条( r a c k ) 转化为直线运动；齿条带动横拉杆( t i c r o d ) 往 复运动和转向节回转实现汽车的转向。在齿轮齿条转向系中，一个比较特殊的部件就 是位于转向轴和小齿轮之间的轴套，作为a d a m s 部件，它是一个轴套( b u s h i n g ) ， 位于共享数据库中的轴套文件夹b u s n n g s 叫中，但它实际起的作用则是汽车动力转 向器中的扭力杆( t b a r ) 功能，应注意与常规橡胶轴套的区别。根据齿轮齿条转向系 模板创建转向子系统模型如图235 1 所示，表