（车辆工程专业论文）商用车辆eps系统三维动力学仿真研究.pdf

摘要 汽车电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，简称e p s ) 是近年来发展起 来的一种新型转向系统，具有节约燃料、减轻自重、提高主动安全性、有利于环保等一 系列优点，正逐步取代传统的液压动力转向，成为世界汽车技术发展的研究热点。 论文以多体系统动力学理论方法为基础，利用机械系统动力学仿真分析软件 a d a m s c a r 在虚拟样机环境中建立了某商用车辆的整车三维动力学模型，包括：前后 桥模型、转向系统模型、前后轮胎模型。建立了e p s 的助力模型。针对在建立钢板弹 簧动力学模型时的技术难点，在a d a m s c h a s s i s 中利用s a e 三段梁法建立了前后悬架 的钢板弹簧的柔性体模型。分析了电动助力转向系统助力特性的特征形式，结合建立的 商用车辆三维动力学模型，确定了车速感应直线型助力特性，并在虚拟样机中实现了 e p s 的助力控制。在虚拟样机环境中对装备有e p s 系统的商用车辆进行了操纵稳定性仿 真试验，仿真结果表明e p s 系统在提高汽车行驶时的转向轻便性和路感方面有显著作 用。 关键词：商用车辆，e p s ，三维动力学，仿真 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 san e wt y p eo fa u t o m o b i l es t e e r i n gs y s t e m d e v e l o p e dr e c e n t l y , w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fs a v i n gf u e l ，r e d u c i n go v e r f l lw e i g h t ， i m p r o v i n gd r i v i n gs e c u r i t ya n dp r o d u c i n gl e s sp o l l u t i o n s e p si st a k i n gt h ep l a c eo fh p s g r a d u a l l ya n db e c o m i n go n eo ft h eh o t s p o t si nt h er e s e a r c ho fa u t o m o b i l et e c h n o l o g yi nt h e w o r l d i nt h i st h e s i s ，b a s e do nt h ec l a s s i ct h e o r yo fm u l t i - b o d ys y s t e md y n a m i c s ，a3 一dd y n a m i c m o d e lo fac o m m e r c i a lv e h i c l e si se s t a b l i s h e du n d e rt h ea d a m s c a r - t h em o s ta d v a n c e d m 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 w h i c hi n c l u d e st h ef r o n t r e a rs u s p e n s i o n , s t e e r i n g s y s t e ma n df r o n t r e a rw h e e l ae p ss i m u l a t i o ni sa l s ol a u n c h e d a n du s es a e 3b e a m sm o d e l s t h el e a fs p r i n ga sm o d e l - - f l e x - b o d y t h eb a s i cp a r a m e t e r so fe p sa s s i s tc h a r a c t e r i s t i ca r e a n a l y z e d c o m b i n e d 晰t l lt h e v i r t u a l p r o t o t y p e ，at y p eo fa u t o m o b i l ea s s i s tc u r v e s i s p o s e d s i m u l a t e da n da n a l y z e dv e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h e n o t a b l ee f f e c to fe p si ni m p r o v i n gt h es t e e r i n gp o r t a b i l i t ya n dr o a df e e l i n g k e yw o r d s ：c o m m e r c i a lv e h i c l e ；e p s ；3 - dd y n a m i c ；s i m u l a t i o n 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 转向系统作为汽车重要的总成之一，其性能直接关系到车辆的操纵稳定性和舒适安 全性。转向轻便和转向灵活这一矛盾始终困扰着转向系统的设计者。回正力矩虽然保证 了汽车的操纵稳定性，同时却增加了转向盘力，特别是大型车辆在低速转向时，驾驶员 的工作强度较高，降低了驾驶舒适性。在设计转向系统时单纯的增大转向系的减速比并 不能彻底的解决这一矛盾。为此通过在车辆传统的转向系统中装备动力转向系统，以借 助外力的方式来减轻驾驶员工作强度并提高车辆的机动性【l 】【2 】。动力转向系统不但能较 好的解决转向灵活和转向轻便这一矛盾，而且在汽车的设计过程中可以更灵活的选择转 向器结构形式，因此已在各国的汽车制造业中得到广泛应用。 经过了多年的理论研究和实践之后，动力转向系统依次从液压助力转向系统( 简称 h p s ，h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) 发展为电控液压助力转向系统( 简称e h p s ，e l e c t r o n i c h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ) ，再到目前的电动助力转向系统( 简称e p s ，e l e c t r i cp o w e r a s s i s t e ds t e e r i n g ) 。由于e p s 集舒适、安全、节能、环保于一身，而且随着电子技术的 不断发展，控制元件成本的大幅度降低，人们对整车性能，尤其是对操纵稳定性及舒适 安全性的要求不断提高，对环境保护的意识不断增强，e p s 势必将成为主流的动力转向 系统。 目前，e p s 系统的主要应用在微型车和乘用车上，而基于广阔的市场前景，e p s 系 统的应用将超越车辆类型的界限，在商用车甚至重型汽车上得到广泛的应用。同时，利 用先进的的虚拟样机技术软件a d a m s c a r 进行整车的建模与仿真也集中应用在微型车 和乘用车的研发上。这主要是由于在a d a m s c a r 模块中系统向用户提供了大量在轿车 上常用组件的模板，如双叉臂悬挂、麦弗逊悬挂和齿轮齿条转向系统等，用户可以方便、 快速地在其标准模式下创建乘用车的悬挂组合和整车装配。而a d a m s c a r 并未提供商 用车辆常用组件的模板，建立商用车辆各组件的模板通常需要利用模板建模器模式建立 自定义模板，技术水平要求较高。加之商用车辆的某些组件由于其自身的结构使其在进 行自定义模板建立时也较为困难，如钢板弹簧因为其由多片长短不一的簧片叠加而组成 的结构特点，使其自由度较多，力学特性复杂，使得建立钢板弹簧模型成为难点。因此， 在a d a m s c a r 中进行整车的建模与仿真在商用车辆的设计研发过程中应用较少。 第一章绪论 论文以e p s 系统对整车操纵稳定的影响研究为目的，采用a d a m s c a r 在虚拟样机环 境中建立某商用车辆的整车三维动力学模型，并仿真分析装备e p s 系统对整车操纵稳定 性的影响，以期能为e p s 的研究开发提供有意义的参考。 1 2 各种动力转向系统的特点 1 2 1 传统液压助力转向系统( h p s ) 传统液压助力转向系统增大了驾驶员操纵前轮转向的力矩，使驾驶员可以轻便、灵 活地操纵汽车转向，减轻了工作强度，提高了驾驶安全性。但传统的液压转向系统存在 许多不足。首先，助力特性不能随车速的改变适时的进行调节与控制。如果所设计的动 力转向系统是为了减小汽车在停车或低速行驶状态下转动转向盘的力，则当汽车以高速 行驶时，转动转向盘的力显得太小而表现的过轻、路感较差，甚至让驾驶员有汽车要“飘 起来的感觉，不利于对高速行驶的汽车进行方向控制；反之，如果所设计的动力转向系 统是为了增加汽车在高速行驶时的转向力，则当汽车停驶或低速行驶时，转动转向盘就 会显得非常吃力。其次，能量消耗严重。转向油泵由发动机持续驱动，即使不转向时， 只要发动机工作，油泵也一直运转，增加了能量消耗，据统计，整车燃油消耗量中约3 0 的燃油消耗量是液压助力转向系统所引起的。 1 2 2 电控液压助力转向系统( e h p s ) 电控液压助力转向系统是在液压助力转向系统中增加电子控制和执行元件，同时将 车速作为控制信息引入到系统中来，可根据车速和行驶条件的不同适时的改变动力转向 的助力特性，驾驶员在汽车低速行驶时能以很小的操纵力转动转向盘，同时在高速行驶 时能以稍重的力度对转向盘进行操作，使轻便性实现的同时又了提高路感。电控液压助 力转向系统较好的解决了液压助力转向系统助力特性不能随车速的改变适时进行调节 与控制的缺点，但由于液压装置的存在，使其仍然具有难以克服的缺点：液压助力转向 系统的渗油问题仍然存在；结构复杂，管路增多，维护工作困难，成本增加。 1 2 3 电动助力转向系统( e p s ) 如图1 1 所示为电动助力转向系统( e p s ) 的基本结构，主要的部件有：扭矩传感 器、车速传感器、电动机、减速机构以及电子控制制单元( 简称e c u ，e l e c t r o n i cc o n t r o l u n i t ) 等。e p s 的工作原理为【3 】【4 】：当方向盘转动时，扭矩传感器可以根据在扭杆作用下 产生的输入轴和输出轴相对转动角位移测出转向阻力矩的大小，并把它转换成电信号传 2 长安大学硕士学位论文 给e c u ，与此同时e c u 也会接收到车速传感器测出的汽车车速信号。e c u 根据车速信 号和转矩信号，经过运算处理后，向助力电机发出控制信号使电机转动产生助力扭矩， 该扭矩经减速机构减速速增扭后，施加在转向轴上，从而完成实时控制助力转向。 、t 图1 1e p s 系统基本结构图 依据助力电机安装位置的不同，e p s 有三种形式3 1 1 4 1 5 】【6 】【7 】【8 】【9 】： ( 1 ) 转向轴助力式：如图1 2a ) 。特征是转矩传感器、电动机、离合器和转向助力 机构等部件都被安装在转向轴上。 ( 2 ) 转向器小齿轮助力式：如图1 2b ) 。转矩直接作用在小齿轮上，可获得比前一 种方式较大的转向力。 ( 3 ) 齿条助力式：如图1 2c ) 。助力电机与减速机构安装在齿条的位置，直接驱 动齿条进行助力，可给系统较大的助力。 - ) 转向轴助力式b ) 齿轮助力式c ) 齿条助力式 图1 2e p s 系统类型 由于转向轴助力式e p s 系统具有布置方便、结构紧凑、价格低廉、容易进行拆装与 维修工作等方面的优点，在商用车上应用较为广泛。论文商用车的转向机构采用转向轴 助力式电动助力转向系机构。 3 第一章绪论 相对于传统的动力转向系统，e p s 系统具有以下优点【5 】【6 1 1 7 1 1 1 0 】： 首先，能提供最佳助力以适应手不同的行驶工况。转向性能可动态地适应汽车行驶 状态的变化，可以比较容易地按照汽车性能的需要设置、修改转向助力特性。在汽车低 速行驶时可使转向轻便、灵活；当汽车在中高速区域转向时，又能保证提供最佳的助力 和稳定的转向手感，从而提高了高速行驶的操纵稳定性。 其次，更加安全、节能和环保。由于电动机由蓄电池供电，能否助力与发动机是否 启动无关，即使是发动机熄火或者出现故障的时候也能助力。没有液压动力转向系统所 必须的常运转转向油泵，电动机只是在需要转向时才接通电源，所以动力消耗和燃油消 耗均可降到最低。燃油经济性可以提高5 5 左右。彻底取消了油压系统，所以不需要 给转向油泵补充油，也不必担心漏油。减小对环境的污染。 最后，将电动机、离合器、减速装置等各部件装配成一个整体，这样既无管道也无 控制阀，使其结构紧凑、质量减轻、易于整车布置，噪音低。e p s 的质量比液压助力转 向系统质量轻2 5 左右。 基于上述的多项优势，近些年来电动助力转向系统获得了越来越广泛的应用。 1 3 国内外研究现状 1 3 1e p s 的国内外研究现状 电动助力转向系统于1 9 8 8 年最先被装备在了日本铃木公司的c e r v o 车上，标志着 e p s 系统从构想变为了现实，从实验室走向了市场。随后日本、德国、美国的多家汽车 制造商都相继开发出了其各自的e p s 系统 3 1 。随后的3 0 年里，装备e p s 的目标车型超 越了最初的主要以微型轿车为对象的界限，在大型轿车和中小型商用车上得到了应用。 如菲亚特汽车公司的帮托p u n t o 和本田汽车公司的雅阁a c c o r d 等中型轿车已经安装e p s 系统。在e p s 的性能方面，首先，突破了低速范围助力型的助力方式，向全速范围助力 型迈进；既能在低速和停车工况时提供助力，还能在汽车高速时提高其操纵稳定性，如 d e l p h i 为p u n t o 车开发的e p s 属全速助力型，能保证汽车在高速时有合适的路感。其次， e p s 的控制形式与功能也得到了进一步的加强。 国内e p s 研究于起步于2 0 世纪9 0 年代，主要是一些高校作为主要研究群体，在电 动助力转向系统的建模、控制策略及动力学分析等方面进行了探索，取得了一定的成果。 如杨孝剑等人在e p s 系统的多刚体模型方面做了研究【1 1 】。林逸、施国标等人对助力特 性进行了研究，讨论了确定助力特性的一般过程，并设计了其控制策略【l2 1 。唐新蓬、杨 4 长安大学硕士学位论文 树提出并验证了将e p s 系统比例控制系数设计成随车速和侧向加速度递减的函数来改 善转向盘力特性的方法【1 3 】。赵君卿、王其东等对p d 控制的e p s 最优控制下悬架和集成 控制的系统进行了仿真计算【1 4 】。 国内汽车厂商开发e p s 起步较晚，但速度很快。2 0 0 0 年昌河汽车的北斗星厢式车 首次装备n s k 的e p s 系统；南摩股份有限公司( 生产转向柱式的e p s 产品) 在2 0 0 3 年开 始进入小批量生产阶段；吉利豪情装备了具有自主知识产权的e p s 系统。但是，由于汽 车供电系统的因素，助力电机往往很难提供较大的功率，因此e p s 主要是以轻型车和乘 用车为应用对象，商用车e p s 系统研究的发展和商业化进程相对比较缓慢。随着蓄电池 技术的不断发展以及4 2 v 电子设备在汽车上的应用，e p s 系统将应用到中型和重型商用 车上。如东风商用车公司进行了d f 3 型商用车辆e p s 系统的研究，并己进入整车试验 阶段。而真正实用化、市场化的商用车辆e p s 系统目前还没有出现。但是，基于广阔的 市场前景，加大对商用车电动助力转向系统的开发力度势在必行。 1 3 2 虚拟样机技术在汽车领域的应用现状 汽车一直都是虚拟样机技术( 简称v p ，v i r t u a lp r o t o t y p i n g ) 发展过程中主要的研究对 象。虚拟样机技术软件a d a m s 便是在多体动力学理论基础上开发的【1 5 1 ，并将汽车动力 学仿真作为其重要功能领域的一种机械系统动力学仿真分析软件。软件中包括汽车模块 和轮胎，使得机械系统及汽车动态模拟与仿真更加容易。 国外许多汽车制造商都已大规模使用多体分析程序进行车辆动力学仿真【1 6 1 ，并利用 系统仿真的概念，将设计一试验一改进设计一再试验一再设计的理念转变为设计一仿真 一试验，使设计中的主要问题利用数字化样机技术在设计初期得以解决。近年在汽车上 的应用己经可以集机械、弹性体、液压、控制于一体进行动力学仿真。许多企业为了能 够实现真正的并行工程，已拥有自己的多体车辆动力学仿真专用系统，如a d a m s c a r 、 a d a m s p r e 。使建模自动化，大大的缩短了建模、仿真时间。 与国外发达国家相比，我国虚拟样机技术在机械制造业特别是在汽车工业上的应用 还处于起步阶段。目前，主要有清华大学、吉林工业大学、北京理工大学、上海交通大 学等院校运用虚拟样机技术开展汽车动力学的研究工作【17 】【1 8 】。而且虚拟样机技术主要将 轿车等轻型、微型车辆作为其研究开发对象，而在商用车辆设计中的应用还较少【1 9 1 ，也 很少有这方面的研究和应用资料，因此，更进一步的探讨和研究工作呼之欲出。 5 第一章绪论 1 4 研究目的与内容 1 4 1 论文研究目的 如前文所述，e p s 系统以其优越的性能，将会成为主流的动力转向系统。而e p s 系 统与虚拟样机技术均局限于以微型车和乘用车为其应用的对象车型1 2 0 l ，然而利用虚拟样 机技术建立装备有e p s 系统的商用车辆三维动力学模型，进行整车e p s 助力控制仿真 研究有利于在虚拟环境下控制e p s 的性能，提高研发质量和缩短研发周期。论文则在这 一背景下，探讨和研究在虚拟样机环境中建立商用车辆三维动力学模型，并进行e p s 助力控制的仿真试验，分析装备有e p s 系统的商用车辆的操纵稳定性，为商用车e p s 系统的设计和开发提供有意义参考。 1 4 2 论文研究内容 论文以多体系统动力学的理论方法为基础，以某商用车辆为研究对象，利用机械系 统动力学仿真分析软件a d a m s c a r 在虚拟样机环境中建立了整车三维动力学模型，并 针对e p s 的助力控制过程，进行了相关的整车操纵稳定性的仿真试验，主要研究内容如 下： ( 1 ) 分析目前国际上比较影响力的虚拟样机技术软件的功能特点，确定e p s 系统 虚拟样机技术的开发环境。 ( 2 ) 通过对整车系统的分析、简化，应用多体动力学仿真软件a d a m s c a r 建立 整车三维动力学模型。模型包括：前后桥、转向系统、前后轮胎。 ( 3 ) 在综合比较国内外关于钢板弹簧动力学模型建立方法的基础上，考虑模型精 度和计算强度，建立所研究商用车辆的前后钢板弹簧动力学模型。 ( 4 ) 分析在a d a m s c a r 中实现e p s 基本控制过程的原理。对助力特性进行理论 分析，通过确定助力特性的特征参数选定论文e p s 系统的助力特性。进行整车的稳态回 转、转向回正性能和转向轻便性能等操纵稳定性仿真试验。研究e p s 系统在提高汽车行 驶时的转向轻便性和路感方面的作用。 6 长安大学硕士学位论文 第二章e p s 虚拟样机技术开发环境的确定 2 1 虚拟样机技术的理论基础 在绪论中较为详细介绍了虚拟样机技术及其在汽车领域的应用现状。而虚拟样机技 术的核心理论基础则是多体系统动力学。多体系统动力学是研究多体系统运动规律的科 学，而多体系统则是由若干个刚性体和柔性体组成，相应的多体系统动力学则相应的分 为多刚体系统动力学与多柔体系统动力学，它是以经典力学为基础发展而成的，其在航 空航天，工程机械、车辆设计等领域有着广泛应用，是一个新的力学分支【2 。 汽车自身结构非常复杂，汽车的各种动力学模型本身也是繁复的多体系统，汽车在 行驶中的受力较多，路面实际反馈作用力与驾驶员和汽车也构成相互作用的复杂系统， 因此对汽车的动力学建模和仿真分析一直以来是以个难题和关键点，传统的理论方法和 目前计算机的计算水平仍然无法达到对汽车动力学模型的完善求解要求，在许多情况下 为了使问题能够用古典力学的方法进行人工求解，而不得不把模型进行较多的简化。这 些都给对汽车多项关键特性的准确和定量研究带来了很大的困难。 计算机硬件的飞跃式发展带引发了各种应用软件的产生、成熟和专业化、通用化。 至上世纪8 0 年代初期，已经出现了很多针对汽车系统的仿真分析软件，它们或联合仿 真分析，或直接对汽车系统的单个特性进行研究，从传动系、制动系等局部范围到整车 动力学模型，涵盖了所有车辆动力学研究范围。9 0 年代初期，柔体系统动力学理论的完 善与其在汽车模型特性仿真分析领域的应用和推广将多体系统动力学在汽车领域的应 用提升至新的发展层面。其核心思想是将柔性体的力学效应并入多体动力学方程中进行 分析和求解。 一般可通过以下几种途径来采用现有的多刚体系统动力学软件近似地对多柔体系 统进行分析：1 、用多刚体系统加弹簧和阻尼来近似模拟多柔体系统；2 、以有限元分析 方法为基础对关键柔性部分进行分析计算，推导出描述合适的近似的描述其等效刚度特 性的表达式，然后将原系统看作多体系统来求解。3 、暂时忽略对象单元位移与弹性变 形过程的动力耦合，对刚体系统动力学方程和其他关系式进行求解，之后再依照结构力 学思想建立边界条件，以此求解柔性单元，最后将刚性单元和柔性单元的求解联立。目 前很多国外的大型汽车企业及其研发机构采用的方式是将多体系统仿真分析和有限元 计算等多种求解方法集成在已有的c a d 设计软件中形成对多刚体系统的仿真分析平 7 第二章e p s 虚拟样机技术开发环境的确定 台。2 0 世纪8 0 年代末，我国才开始对汽车多刚体系统动力学软件进行研发，成功将其 应用在悬架分析和整车性能分析当中。此方法首先利用r w 法分析目标车辆模型的悬 架空间运动，然后把模型系统各部件的连接状态和约束关系以及总体结构以关联矩阵及 通路矩阵的形式表达出来，之后以矢量和矩阵等数学语言将原系统模型的运动学和动力 学关系用数学模型中的等量关系式予以描述。 在汽车系统动力学模型仿真分析研究中引入多体系统动力学的主要流程为：首先对 目标机械系统进行多刚体模型简化和整理，然后由软件生成相应的动力学表达式及方程 组，最后进行约束条件下的精确求解。从整个汽车c a e 分析出发，对系统模型进行静 态分析或准静态分析，运动分析及动态分析等多项分析，从而实现对所设计的机械系统 或汽车局部动力学模型性能做出预测：通过分析现有模型对系统性能进行多方面评估； 为系统改善提供参考。 2 2 虚拟样机技术开发环境的确定 2 2 1 虚拟样机技术软件 虚拟样机软件是虚拟样机技术在工程实践中应用的载体。虚拟样机软件具有友好的 界面、强大的功能和稳定的性能，而且已经商业化。目前国际上已有二十多家软件公司 和研发机构主要从事虚拟样机技术软件的设计研发工作，其开发的虚拟样机技术软件中 比较有影响有： ( 1 ) d a d s d a d s ( d y n a m i ca n a l y s i s a n dd e s i g ns y s t e m ) 软件是比利时l m s 公司推出的机械系 统动力学、运动学分析专业软件口2 1 ，能对机械系统整体的机械特性进行仿真。在进行机 械系统物理试验前，通过在虚拟样机环境中建立、分析、优化机械系统真实的物理行为， 对系统的运行是否正常可靠进行验证。 d a d s 的主要功能包括：运动学和动力学方程有软件根据系统的多体造型自动生成 并求解；微分代数方程是由先进的隐式或显式求解器来进行求解；计算载荷、位置、速 度和加速度；装配、运动学、动力学、逆动力学、静力和预加载分析；分析和求解如接 触、摩擦、柔性部件等复杂系统行为；对进入干涉的部件进行可视化高亮显示；基于位 置和仿真结果的照片真实感动画：在时域和频域内对仿真结果与测试数据进行相关分 析；通过与其它仿真工具如控制、有限元、疲劳等相连接，完成更复杂的设计。矢量显 示力、速度、加速度，矢量长度表示其值的大小。多年来d a d s 主要应用于高端领域， 8 长安大学硕上学位论文 被认为是动力学和运动仿真方面的权威软件。典型的应用包括：航天器飞行控制及交会 对接、卫星天线伺服控制等。 ( 2 ) s i m p a c k s i m p a c k 是德国航天局开发的机械机电系统运动学动力学仿真分析的多体动力 学软件【2 3 】【2 4 1 。利用s i m p a c k 软件，工程师可以像构筑c a d 模型一样，快速建立机械 系统和机电系统的动力学模型，包含关节、约束、各种外力或相互作用力，并自动生成 其动力学方程，然后利用各种求解方式，如时域积分，得到系统的动态特性或频域分析， 得到系统的固有模态及频率以及快速预测复杂机械系统整机的运动学动力学性能和系 统中各零部件所受载荷。 不论是简单的少数自由度系统，还是高度复杂的机械、机电系统( 如链条、列车等) ， s i m p a c k 都可以在虚拟样机环境中建立其动力学仿真模型。速度、精度和稳定性是力 学方程求解的三项重要指标。s i m p a c k 软件在高速计算的同时，仍能保持很高的计算 精度和稳定性，这是由于其应用的最新数学力学方法所保证的，而其它的同类产品在这 一点上是无法与s i m p a c k 软件相比的。s i m p a c k 主要应用在航天航空、造船、工程 机械、兵器制造、铁道建设、汽车设计等领域。这汽车设计方面，应用s i m p a c k 软件 进行整车动力学分析，可以进行常规、极限驾驶操纵仿真、牵引、制动设计、轮胎一地 面相互作用仿真、寿命预测、台架实验仿真、空气动力学仿真分析等。 ( 3 ) a d a m s a d a m s ，即机械系统动力学自动分析( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a l s y s t e m s ) ，通过直观的人机交互的图形界面和建模环境，利用内部的各种零件集合、不 同的约束条件集合、各种大小方向固定的力的集合等资源，实现机械系统数字模型的构 建，其表达方式为参数式，即系统模型均由所选构建的参数在各种约束条件下组成模型。 模型求解器的核心算法是以拉格郎日方程为基础完成对系统的动力学方程的建立，其中 基础方程的应用主要见于多刚体的系统动力学领域。建立机械系统的参数化模型后可通 过软件实施各种力学分析，其输出曲线形式可以是位移，也可以是速度或者加速度以及 反作用力。作为虚拟样机分析软件，a d a m s 提供了便于用户对参数化机械系统模型的 静力学、动力学和运动学仿真分析，作为虚拟样机开发工具，a d a m s 提供了开放的源 程序和丰富接口，便于某些行业用户针对特殊虚拟样机的二次开发和仿真分析。此外， 软件还包含有建模用、集成用、显示用等多个扩展模块2 8 】【2 9 】【3 们。作为被各大制造厂商 广泛使用的针对机械系统的仿真分析( m s s ) 软件，a d a m s 使机械工程师和系统结构 9 第二章e p s 虚拟样机技术开发环境的确定 设计工作人员得以在完成物理样机的建造之前先通过构建的模拟样机对其工作性能进 行与估计和判断，这给机械系统的设计与优化带来了极大便利。 a d a m s 软件功能特点如下： ( 1 ) 界面友好，操作简便，易学易用； ( 2 ) 三维实体碰撞和冲击分析功能； ( 3 ) 独特的摩擦、间隙分析功能； ( 4 ) 大型、超大型工程问题的求解能力； ( 5 ) 极好的解算稳定性，支持并行计算的机械系统动力学软件； ( 6 ) 支持系统参数化试验研究、优化分析的动力学软件； ( 7 ) 独特的振动分析功能，能分析机构任意运动状态下系统振动性能的机械系统 动力学软件； ( 8 ) 提供多学科接口的机械系统动力学软件，包括与c a d f e a 、控制仿真软件之 间的接口； ( 9 ) 聚积了丰富行业应用经验的专业模块； ( 1 0 ) 经过大量的实际工程问题考验的动力学软件。 基于a d a m s 以上功能特点，尤其是整车建模的强大功能和本课题研究的实际情 况，确定a d a m s2 0 0 5 软件作为e p s 虚拟样机技术开发环境。 2 2 2a d a m s 软件的模块 a d a m s 主要由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱等组成【2 5 1 。 用户既可以使用预设专用模块进行建模仿真对特定领域问题进行高效快速的仿真分析， 也可以通用模块为基础对一般机械系统建模分析【2 6 】【2 7 1 。其主要应用模块包括：求解器模 块a d a m s s o l v e r 2 8 1 、后处理模块a d a m s p o s t p r o c e s s o 、液压系统模块 a d a m s h y d r a u l i c s 、振动分析模块a d a m s v i b r a t i o n 、试验设计与分析模块 a d a m s i n s i g h t 、数字化装配回放模块a d a m s d m u r e p l a y 、控制模块 a d a m s c o n t r o l s 、p r o e 接口模块m e c h a n i c a l p r o 、悬架设计软件包s u s p e n s i o nd e s i g n 、 动力传动系统模块a d a m s d r i v e l i n e 、轮胎模块a d a m s t i r e 、柔性体生成器模块 a d a m s f b g 、软件开发工具包a d a m s s d k 以及虚拟试验工具箱v i r t u a lt e s tl a b 等。 主要功能有：线性及非线性动力学分析、2 d 和3 d 建模、包括含多种连接副、力合运动 发生器的预设方案库，可显示多模型或者相同模型在设定情况的变化历程，力和运动发 1 0 长安大学硕士学位论文 生器可通过函数自行设置，允许集成各用户子函数，强大的数值分析内核和精确求解模 块，通过c a d 、f e a 等接口实现与系统建模软件之间的灵活通信和数据分析1 2 9 1 。 论文则选用a d a m s c a r 模块建立某商用车的三维动力学模型。采用 a d a m s c h a s s i s 模块下s a e 三段梁法创建柔性体前后钢板弹簧动力学模型。 2 2 3a d a m s 软件的计算方法 a d a m s s o l v e r 拥有快速计算精确求解的求解器【2 引，可针对参数模型实施运动学、 静力学、动力学等分析，下面通过求解过程的简介来进一步说明a d a m s 的理论基础和 求解方法【3 0 l 。 l 、广义坐标选择 广义坐标的选择在很大程度上决定了动力方程的求解速度。a d a m s 用刚体f i 的质 心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标q i = 【x ，y ，z ，妒，0 ，妒】；， q = e q r ，人，g 二t ，即每个刚体用六个广义坐标描述。由于采用了不独立的广义坐标，系 统动力学方程是最大数量但却高度稀疏耦合的微分代数方程，适于用稀疏矩阵的方法高 效求解【1 8 】田】。 2 、动力学方程的建立 a d a m s 程序采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程： 丢c 等r 一争w 吣r t t - 卿 驴( g ，f ) = o o ( q ，口，f ) = 0 ( 2 - 1 ) 式中：丁一系统动能；g 广义坐标列阵；口， ，一广义速度列阵；a 一约束反力及 作用力列阵；f 一系统动力学微分方程及用户定义的微分方程；描述完整约束的代 数方程列阵；g 描述非完整约束的方程列阵。 3 、运动学分析 运动学分析研究零自由度系统位置、速度、加速度和约束反力，因此只需求解系统 约束方程：砂( g ，f ) = 0 用吉尔( g e a r ) 预估一校正算法可以有效地求解上式。根据当前时刻的系统状态矢 量值，用t a y l o r 级数预估下一个时刻系统的状态矢量值 y 州= 以+ 警办+ 刍争肌人( 2 - 2 ) 式中：时间步长h = 乙+ 。一乙 这种预估算法得到的新时刻的系统状态矢量值通常不准确，公式( 2 2 ) 右边项不等于 零，可由吉尔k + i 阶积分求解程序( 或其它向后差分积分程序) 来校正。 七 以+ 一h b o l + 。+ q 虬讲。 ，= ， 式中：以+ 一y ( f ) 在f = 乙+ 时的近似值 风，q g e a r 的积分程序的系数值 ( 2 3 ) 重写公式( 2 - 3 ) 得： 蝙= 云卜缸讲。 倍4 ， 将公式( 2 2 ) 在f = + l 时刻展开，得： o ( q 槲，乙+ 。) = o ( 2 - 5 ) 任一时刻乙位置的确定，可由约束方程的牛顿一拉夫森( n e w t o n - r a p h s o n ) 迭代方 法求得： 甜蚬2 ( ”乙) ( 2 - 6 ) 式中：卸= q ，+ 。一g ，j 表示第，次迭代 乙时刻速度、加速度的确定，可由约束方程求一阶、二阶时间导数得到： f 锄1 锄 l 百尸。百 ( 等弘= 一 警+ 喜喜象商+ 昙( 詈弘+ 苦( 詈) 圣) c 2 - 乃 乙时刻约束反力的确定，可由带乘子拉格朗日方程得到： 1 2 长安大学硕士学位论文 ( - 筹- q r ；t = h 孙r + q 4 、动力学分析 应用a d a m s 软件建立的多体模型，其动力学方程一般为隐式、非线形的微分一代 数混合方程( d i f f e r e n t i a la n da l g e b r a i ce q u a t i o n s ，d a e s ) 。a d a m s 软件采用如图2 1 所示的求解方法。 心 致 疗 陧 狙 图2 1a d a m s 软件求解方法及过程 进行动力学分析时，a d a m s 软件的积分器可以分为两种：刚性和非刚性的积分器。 5 、静力学分析 对应上面的动力学分析过程，在进行静力学、准静力学分析时，分别设速度、加速 度为零，得到如公式( 2 9 ) 所示的静力学方程： a f 向 锄 向 2 4 本章小结 阱鼢 ( 2 9 ) 分析了目前国际上比较影响力的虚拟样机技术软件，确定a d a m s2 0 0 5 软件作为 e p s 虚拟样机技术开发环境。 1 3 vl一、 丝却o ，。一 第三章整车仿真模型的建立 第三章整车仿真模型的建立 以往关于e p s 系统的研究，对e p s 系统本身对整车的影响评价分析相对较少，通 常只局限于研究转向系统，或是通过建立汽车二自由度模型进行分析，主要的原因是整 车模型的建立较为复杂，需要考虑的因素也比较多，另外，在许多仿真软件中，抽象出 整车的模型就是一件相当复杂和困难的工作。但是，由于转向系统最终还是安装在整车 上，而且是对整车进行控制和影响着的，因此进行e p s 系统对整车的影响评价分析是十 分必要的。a d a m s 具有整车建模的强大功能，并且能够十分逼真的仿真整车运动，因 此本文以e p s 系统对整车操纵稳定性的影响研究为目的，建立某商用车多体动力学整车 模型。 3 1 建模参数的准备 参数准备是多体系统动力学模型的建立前期的一项重要工作，建模所需的参数数量 大、精度高。参数的精度对虚拟样机仿真结果的可靠性有明显的影响。建模参数一般可 在建模者能力范围内通过图纸查阅法、试验法、计算法、c a d 建模法等方法进行获取。 本论文所建模型的整车主要参数如表3 1 所示。 表3 1 整车主要技术参数表 发动机排量： 4 5 0 0发动机功率( k w ) ：1 3 2 外型尺寸( 长宽高) 9 0 0 0 2 4 7 0 3 3 9 0 货厢( 长宽高) ( m m ) ： 6 0 5 0 2 2 9 4 5 5 0 ( m m ) ： 总质量( k g ) ： 1 2 2 5 0 最高车速( k m h ) - 8 0 整备质量( k 曲： 6 7 5 0 额定载质量( k 曲： 5 5 0 0 额定载客( 人) ： 3 前排乘客( 人) ： 3 接近角离去角( o ) 3 0 1 3 前悬后悬( m m ) ： l2 5 0 2 6 5 0 轴匝( m m ) - 5 2 0 0 轴荷( k 曲： 4 9 5 0 7 3 0 0 轴数： 2 弹簧片数：8 1 0 + 8 轮胎数：6 轮胎规格： 2 6 5 i 匕o 前轮距( m m ) ： 1 8 6 0 后轮距( m m ) ： 1 6 8 0 转向形式：方向盘燃料种类：柴油 前束( r a m ) - 2 - 4 前轮外倾角( 。) ： 1 0 主销内倾角( 。) ： 6 5 0 主销后倾角( 。) ： 2 5 1 4 长安大学硕士学位论文 3 2 建立整车模型的思路和步骤 本文选用在a d a m s c a r 模块中建立商用车辆三维动力学模型。采用自下而上的的 建模顺序，即包括整车在内的装配组合模型建立在子系统模型基础上，而子系统则需要 在模板中建立【3 1 1 ，如上图3 1 所示。 丑玎后转轮模 悬恳 向板 架架系胎 工工ll 后转 子 | | l j h u 系 悬悬向 露 架架系 轮 统 总总总 胎 成成成 lllf 通讯器 l ( 、| 1 y 整车模型 图3 1 整车系统的建模过程 模板作为整个建模过程的基础，其重要性不言而喻。但模板的建立是一个细致、繁 琐的工作，所以a d a m s c a r 提供了若干示范模板供建模者使用，但由于结构的变化， 使示范模板往往不敷使用，所以自建模板也是必需的。 论文在建立模板时的主要工作包括以下几点1 3 l 】： ( 1 ) 对物理模型进行简化。根据实际车辆子系统中各个部件的相对运动关系，定 义各部件的拓扑结构( t o p o l o g i c a ls 仃u c t l 玳) ，整合各部件，把没有相对运动关系的部件 定义为一个一般部件( g e n e r a lp a r t ) ，也可在建立约束时将这样的零部件锁定为一体。 ( 2 ) 硬点的确定。硬点( h a r dp o i n t ) 是指各部件间布置、连接的关键几何定位点 ( 相对于全局坐标系原点) 。 ( 3 ) 部件的动力学参数的确定。计算或测量部件的质量、质心位置以及绕质心坐 标系3 个坐标轴的转动惯量。需要说明的是，这3 个坐标轴分别与全局坐标系的3 个坐 标轴平行。 1 5 第三章整车仿真模型的建立 ( 4 ) 部件几何模型( g e o m e t r y ) 的创建。在硬点的基础上建立部件的几何模型。 由于部件的动力学参数已经确定，因此几何模型的形状对动力学仿真结果实际上毫无影 响。但在运动学分析中，零件的外轮廓直接关系到机构运动校核，而且考虑到模型的直 观性，部件的几何形状还是尽可能地贴近实际结构。 ( 5 ) 对约束( c o n s t r a i n ) 进行定义。按照各部件间的运动关系确定约束的类型， 通过约束将各个部件连接起来，从而构成子系统结构模型。 ( 6 ) 定义模板的参数变量( p a r a m e t e r sv a r i a b l e ) 、制动器( a c u a t o r s ) 。对于子系统 中常见的修改，包括运动、几何尺寸、位置都可以通过参数变量定义，便于在标准界面 对其进行调整。制动器用于定义子系统中部件之间力与运动传递复杂的表现形式( 如扭 力杆传力等) 。 ( 7 ) 对通讯器( c o m m u n i c a t o r ) 进行定义和测试。创建、核对与外部连接的通讯 器的类型、名称和对称性。 最后，当若干个子系统组装成装配组合后，在标准模式下对包括整车在内的装配组 合进行各种形式的仿真分析。 3 3 仿真模型的建立 汽车的运动是借固结于运动着的汽车上的动坐标系一车辆坐标系来描述的【3 2 1 。以此 建立了整车模型的坐标系如图3 2 所示。 3 3 1 模型假设与简化 汽车是一个复杂的机械系统，在建立整车仿真模型时，假如按照真实车辆的实际结 构，过分追求几何形体的细节部分与实际构件较高的一致性，耗费大量计算机资源同时， 工作量也是巨大的【3 3 1 。而从程序的求解原理上看，只要部件的动力学参数如质心、质量、 转动惯量等已经确定，几何模型的形状对动力学仿真结果实际上毫无影响，就能保证仿 真结果的等价性。于是，建立整车模型时在保证了模型的精度和数值计算的稳定可靠性 的前提下，有必要对整车的结构进行适当地假设和简化，本文对建立的整车动力学模型 作了如下地假设和简化： 1 6 长安大学硕士学位论文 张鼽 图3 2 整车模型坐标系 ( 1 ) 对动力传动系进行了简化，这是由于将驱动及力矩直接施加在底盘上以及转 向盘上； ( 2 ) 在仿真分析过程中忽略了除轮胎、阻尼元件、弹性元件、橡胶元件外其余刚 形体部件的变形； ( 3 ) 忽略各运动副之间的摩擦及内部的间隙； ( 4 ) 假设车辆行驶于平坦路面，因而可以忽略与行驶动力学相关的垂向力影响及 耦合作用。 3 3 2 前桥模型 论文中商用车辆前桥属于一般的整体式转向桥，对应于所选车辆的前悬架则为纵置 钢板弹簧非独立悬架，如图3 3 所示。 图3 3 纵置钢板弹簧非独立悬架 如前文所述，首先需要定义前桥子系统中各部件的拓扑结构。图3 4 为模型前桥子 1 7 撇 ，蘩 z广掣一一一 懿 第三章整车仿真模型的建立 系统的拓扑关系示意图。对各个部件之间的拓扑关系后正确定义后，前桥具有三个自由 度，依次是：左右轮毂绕各自转动铰链进行的转动以及与转向梯形之间的平动，这与车 辆前轴固定在地面时前桥的运动情况是相符的。 图3 4 前桥拓扑关系示意图 前桥模型包括前轴、左右转