（车辆工程专业论文）虚拟样机技术在汽车动力学仿真中的应用.pdf

摘要 摘要 国内汽车产业飞速发展，“以市场换技术”的合资模式，利弊参半。外国企 业看好的只是中国的r 诗场，长期占有市场谋求利润儿乎是其惟一的目的。如果要 改变现状，就必须放眼长远，发扬吃苦精神，培育自主丌发能力，提升核心竞争 力。培育自主开发能力有多种途径，开发全新的车型需要消耗大量的人力物力以 及漫长的时间，引进新车型然后进行本土化改进，以及对现有车型的不断改型改 进也是一种脚踏实地的开发模式。 本文通过建立现有车型的虚拟样机，并在模型中引入弹性后桥，进而分析了 弹性后桥对提高汽车动力学仿真精度的重要性，并使用该虚拟样机进行虚拟试 验，涉及悬架运动学、制动性、操纵稳定性等大部分整车试验规范；虚拟试验的 流程均类似于整车试验国家标准的规定。 除此之外，本文将整车虚拟样机技术和控制理论结合起来，对前轮主动转向 技术进行了整车闭环控制的联合仿真。 关键词：虚拟样机弹性后桥联合仿真前轮主动转向 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s t r yi no u rc o u n t r y , t h em o d e lo f j o i n tv e n t u r eo f “m a r k e tt ot e c h n o l o g y ”w i l l b r i n ga d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s i n c r e a s i n gt h em a r k e ts h a r e sa n de n h a n c i n gt h ep r o f i t sa r eo n l yo b j e c to ff o r e i g n c o m p a n i e s i no r d e rt oc h a n g et h ec u r r e n ts i t u a t i o n ，w es h o u l dl o o ki n t ot h ef u t u r e ， d e v e l o pt h et o u g hs p i r i t ，c u l t i v a t et h es e l f - d e v e l o pa b i l i t ya n di m p r o v et h ek e y c o m p e t i t i v ep o w e r t h e r ea r em a n ya p p r o a c h e s t h e r ei san e e dt oc o n s u m ep l e n t i f u l m a n p o w e r , m a t e r i a lr e s o u r c e sa n dt i m ei no r d e rt od e v e l o pn e wa u t o m o b i l em o d e l i n t r o d u c i n gn e wa u t om o d e li n t od o m e s t i cm a r k e t ，m o d i f y i n gt oc a t e rf o rt h en a t i v e m a r k e ta n di m p r o v i n gc u r r e n ta u t om o d e li sa l s os u r e f o o t e dd e v e l o p i n gm o d e l b yb u i l d i n gt h ev i r t u a lp r o t o t y p eo fc u r r e n ta u t om o d e la n du s i n gt h ef l e xr e a r s u s p e n s i o n ，i ti si n d i c a t e dt h a tt h er i s eo ft h ef l e xr e a rs u s p e n s i o ni si m p o r t a n tf o rt h e v e h i c l ed y n a m i cs i m u l a t i o n u s i n gv i r t u a lp r o t o t y p es i m u l a t i o ns y s t e mt oc a r r yo u t v i r t u a l e x p e r i m e n t si n c l u d e ss u s p e n s i o nd y n a m i c ，b r e a k i n gp e r f o r m a n c e ，c o n t r o l s t a b l ep e r f o r m a n c ee t cm o s tw h o l ev e h i c l ee x p e r i m e n t a ls p e c i f i c a t i o n s ，t h ep r o c e s s o fv i r t u a l e x p e r i m e n t si s s i m i l a rt ow h o l ev e h i c l ee x p e r i m e n t a l s p e c i f i c a t i o n so f n a t i o n a ls t a n d a r d s t h i sp a p e ra t t e m p t e dt oi n t e g r a t et h ew h o l ev e h i c l ev i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y a n dc o n t r o lt h e o r ya n da t t e m p t e dt oc a r r yo u tt h es i m u l a t i o na n a l y s i so fw h o l ev e h i c l e c l o s e dl o o pc o n t r o l ，u s i n gc r u i s ea f ss y s t e ma se x a m p l e s k e yw o r d s ：v i r t u a lp r o t o t y p e ，f l e x c a rs u s p e n s i o n ，c o s i m u l a t i o n ，a f s 第一幸绪论 第一章绪论 1 1 论文的背景和意义 二十世纪末，世界汽车工业发生了剧烈的超级兼并和重组，竞争加剧。激 烈的市场竞争要求汽车工业在更短的开发周期中，推出高质量、低价格的产品。 汽车产品开发和开发技术的创新，成为汽车1 业在市场竞争中求发展的关键环 节。在计算机技术迅猛发展的形势下，轿车虚拟开发技术得到快速发展【1 j 。 c a d 、c a m 、c a e 、c i m s 等计算机技术早已深入汽车领域。从2 0 世纪8 0 年代开始，“虚拟开发”逐渐变革传统轿车的开发程序。在轿车开发的整个过程中， 全面采用计算机辅助技术。采用这些技术，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， 使得汽车的丌发、制造都置于计算机技术所构造的严格的数据环境中。它在整 个汽车丌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丌发周期。 因此，全球各大汽车公司都在积极推广虚拟开发技术。 德困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。 福特汽年公司选择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 环境一p 。德国奥迪汽车公司在虚拟开发技术上走在行业的前列。 以虚拟碰撞模拟为例：丌发更安全、更坚固的车型需璎反复进行严格的碰 撞测试。但是真i t ：实施这些测试，需要大晕时唰进行准符，并过程复杂，成 木昂：哥1 芏制造出第个真实原型之时，模拟肺撞是分材j 汽4 i 结构的唯一方法。 县至祚f i 期的研发过程巾，模拟碰撞试验也7 1 j 。以减少实翰：资产的使用，从而1 ， 省大甘资金。此外，还r u 以用它求模拟研究真实车辆所厄jo ：测试的潜在情况。 炎迪；l 个公司在9 0 年j 例”芦持 发a u d i a 6 、a s 、a 3 “l h ：门虚拟f 弧捷仿真叫 第一章绪论 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加到六大车型 四五十种变型车，由于采用虚拟碰撞模拟，汽车安全试验室已经由过去一天碰 撞一辆车，改为现在三天碰撞两辆车。采用计算机仿真技术，大大节约了开发 成本，缩短了开发周期。 图1 - 1 显示了虚拟开发技术在轿车开发过程中的应用。在造型和车身开发 中，着重采用了虚拟造型、空气动力学计算、人机工程技术和延伸成型模拟技 术。在整车开发工艺中，振动、噪声计算，碰撞安全模拟，虚拟组装技术和疲 劳安全计算得到重点开发。在发动机开发过程中，燃烧计算、流场模拟、发动 机噪声分析和虚拟组装技术得到重点应用。在悬架和行驶机构的开发过程中， 行驶平顺性、操纵稳定性、加速性能、制动性能等汽车动力学设计方面，大量 采用虚拟计算。 产品数据集成和传输 造型、车身 o i m 对机构进午r 动，j 学分析，即分析其运动是由】保子力和怍保守 力的作剧而_ i t 世的，并要求陶件运动小仪满足约束要求，m m 嵯满足给定的运 ，力规 ! 。它zl 括i 铮力j ；分、h l ：静j 、j 分忻羽l l 辫念引j 了j 1 、产分昕 ，力j 。? f 门睦 第二章多体系统理论及其在a d a m s 中的应j ；1 j 动方程就是机构中运动的拉格朗| = i l 乘子微分方程和约束方程组成的方程组。 当d o f = f ) ( 2 一1 3 ) 有限元分析的通用结构分析方程，一般是在有限元分析对象的局部坐标系 下建立的。方程中的变量是相对于局部坐标的坐标元素。为了实现有限元分析 方程与多体系统动力学分析方程的统一，可以通过多体理论中的坐标转换矩阵 b ，实现有限元分析方程向多体系统动力学的转换。 对于形如上式的有限元方程，其惯性坐标下的刚度、阻尼、质量矩阵，是 山局部坐标系f 的响应矩阵乘以局部坐标向惯性坐标的转换矩阵得到的。即l 述方程i j 以表示为 【b m 。】 b 7 j ) + 【b c 。1 8 7 叠 + b k ，】 b 7 ) = f ， ( 21 4 ) 这罩：m = b m ，b 7 ，m 。为静【e 状态卜的咀i 质量矩阵； c = b c b 7 ，c 为静l 七：扶念l j 的币元阻j l l 魁- 融 k = 戤。b7 ，为静l l ：4 x 念、的甲儿刚”i 19 , i 一阵， 第二章多体系统理论及其在a d a m s 中的应用 注意方程中等号弁侧的力可以表示为位移、速度、加速度的函数 i d f 脚 + 娑) + 娑 细) - 饭) ( 2 1 5 ) 0“0q0 q 当单元的位移不大时，采用惯性坐标描述方程不失为简单可行的方法，因为转 换矩阵不需更新。但当单元位移较大时，转换矩阵必须更新，从而局部坐标向 惯性坐标系转换的相关矩阵也必须更新，从而就明显影响系统求解效率。 a d a m s 软件中，所有的刚体与柔体都使用一个随刚体或柔体运动的浮动局部 坐标系( l o c a lf l o a t i n gr e f e r e n c ef r a m e = f r f ) ”1 ，当刚体或柔体运动时，对于 系统求解的每一步，从局部坐标向惯性坐标系转换的相关矩阵也必须更新，但 惯性坐标下的矩阵不需重新组装，从而提高了系统的求解效率。 在a d a m s 软件中，假定柔体的变形应力在材料的线形变化范围内，柔体的 总位移便可以通过在局部坐标系中的相邻的单元变形叠加得到。 2 3 3 求解方法 在多刚体模型的基础上，预求得柔性体与多体系统作用点的力、力矩与位 移、速度、加速度等边界条件，柔性体以此边界条件求出变形与力、力矩，与 多刚体模型的结果进行对比，如果误差较大，可进入下一次求解：此时以柔性体 的变形或力、力矩为已知条件，求得系统对此作用点相应的力、力矩或位移。 直到误差达到规定的范围。 总之，有限元分析( f e a ) 与机械系统仿真( m s s ) 拥有相同的系统动力学求解 基础。有限元分析使用惯性坐标系卜的惯| | _ 牛矩阵能更好地适应小位移分析的需 要。而在机械系统仿真软件a d a m s s o l v e r - j 使用的居，j 部 匹标系下的局部单元 矩陋，能及时仃效地描述系统内1 i 州部件的儿何笑系。 第二章多体系统理论及其在a d a m s 中的麻件| 2 4 本章小结 本章着重叙述了多刚体系统动力学与多柔体系统动力学的异同，然后介绍 了a d a m s 建立动力学微分代数方程组的方法和过程以及数值求解的流程。 + 本章的一个亮点是：对多刚体理论与有限元理论的结合进行了初步探索， 为刚柔混合的系统动力学仿真提供了理论基础。 第三章a d a i s 整车虚拟样机建模 第三章a d a m s 整车虚拟样机建模 3 1 虚拟样机建模思路 a d a m s c a r 是m d i 公司与a u d i 、b m w 、r e n a u l t 和v o l v o 等公司在a d a m s v i e w 的基础上二次开发的成果，整合了他们在汽车设计、开发方面的专家经验。 a d a m s c a r 采用参数化、模块化的建模方法n 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、制动器和横 向稳定杆等子系统。各子系统之间为相互独立的模块，调用这些模块组装整车 虚拟样机。 a d a m s c a r 属于模块化开发的产品，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 i 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 lie s ) 。 竺。二j 。三l * * 榭目目$ $ 鲥mw # g # # 第三章a d m i s 整车虚拟样机建模 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。特性文 件的格式为文本文件，存放在相应的目录下供用1 - 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。如果模板文 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， 函数的结果为生成的子系统“。 在a d a m s c a r 下建立一个典型整车系统的动力学仿真模型，大致可分为以 下几个步骤： 1 整车各子系统的分解及运动学动力学抽象，构建各子系统的拓扑图。 2 在t e m p l a t eb u i i d e r 下建立各子系统的t e m p l a t e 文件，定义子系统之间的 c o m m u n i c a t o r ，此时只需知道子系统的拓扑结构而无需知道子系统的详细参数。 3 获取各子系统的几何定位参数、物理参数和力学参数。 4 在s t a n d a r d 下建立各子系统相应t e m p l a t e 的s u b s y s t e m 文件，并代入子系 统的参数特征。 5 在s t a n d a r d 下建立整车的a s s e m b l y 文件，组装各子系统模型组成整车系统模 型。 3 1 1 建立子系统的拓扑结构 a d a m s c a r 为参数化建模方式，需要定义构件以及构件之间如何连接。 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 文件中作为参数输入，相对次要些。建立了系统的拓扑结构包含建立关键点、 构件、构件之间的约束。 1 、 天键点( h a r d p o i n t ) ：父键点用于定义模型的关键位置，用户可以修 改关键i 的一降标，实现参数化设计。例_ | i 【| ，用关键点定义车身质心的 化置；通过修i 【复关键， 的 p 标值就川以修改车身质心的位置。 2 1构件( p a r t ) ：一h i 定义女f 芙踺点以后，就r j i 以创建具有参数化意义的 1 【= f 件，色i 含杉j 1 个j 质一l 、j 0 ，骨羽1 转z 巩。眦t t 卜f = i 】，假璇4 i 譬| 9 7 i 身0 1 ：【 一r 卜变形的影响，i 川孑个崎化为 个构什? 第三章a d a m s 整车虚拟样机建模 3 )构件之间的约束( a t t a c h m e n t ) ：例如理想约束、弹性衬套等。 3 1 2 建立子系统之间以及子系统与试验台之间的通信 在山a r 环境下建模，与在a v i e w 环境下建模存在明显差别。在a i e w 环境下，只需要建立虚拟样机的拓扑结构。但是在a c a r 环境下，由于采用了 模块化的建模思想，如果要求子模块之问能够实现无缝连接，必然要求子模块 之间能够相互交换信息。因此，在a 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。通过建立信使，使得子系统之间以及子系统与试验台之间能够 交换信息，能够组装成为整车虚拟样机。 通信信使分为两种： 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 f i g ) 请求信息，为该子系统服务； 2 1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3 1 所示。 表3 1 信使的类型( 部分) 信使的类型交换的信息 m o u n t 提供子系统z 间相互连接的构件的名称 m a r k e r 提供坐标利方位信息 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 j a b l e 传递状态笾姑的信息 l o c a t i o n 传递父键点的伊邕信息 第三章a d a m s 罄车虚拟样机建模 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 rr 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 、r e a r 、 t r a i l e r 平h 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 ，其作用自动设置为 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 行信息交换需要满足以下条件： 1 1 输入信使和输出信使成对出现、名称相同，对称性一致； 2 1 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。 3 2 虚拟样车建模 3 2 1 前悬架模型的建立 本文以某七座m p v 车为建模对象，前悬架采用的是经典的麦弗逊式【1 1 1 前悬 架【1 2 】。这种悬架的主要优点是增加了左右两轮之间的空间，有利于前置前驱汽 车的布置，而且结构简单、制造成本低。麦弗逊悬架抽象出来的多体系统结构 ( 单侧) 如图3 3 所示。差速器输出端一2 ，下摆臂一4 ，轮架兼减振器套筒一8 ，轮 毂一7 ，减振器活塞一1 2 ，转向拉十| _ 一1 4 ，传动轴一1 7 。构件f h j 的约束如表3 - 2 所 示。 第三章a d p u m s 整车虚拟样机建模 表3 - 2麦弗逊悬架构件之间的约束 编号约束类型受约束的构件1受约束的构件2 1等速万向节羞速器输出端传动轴 3 铰链副车架下摆臂 5 球铰下摆臂轮架 6 铰链轮毂轮架 9 球铰转向拉杆轮架 1 1 十字万向节车身减振器活塞杆 1 3圆柱铰减振器活塞杆减振器套筒 1 5 等速万向节转向拉杆转向器齿条 1 6等速万向节传动轴轮毂 纠3 - 2是弗逊，悬架的多体系统结构i 冬| 第三章a d a m s 整车虚拟样机建模 3 2 2 后悬架模型的建立 图3 - 3 前悬架效果图 本文的一个亮点就是在后桥建模时引入弹性后桥，将以弹性后桥组建的整 车模型与刚性后桥组建的模型进行帽同的动力学仿真试验，然后比较其仿真结 果，以证明建模时引入必要的弹性体，如后悬架，能使仿真结果更为合理。 1 ) 刚性后桥建模 扭转梁式悬架，是当今前置前驱中小型轿车最典型的后悬挂形式。扭转横 梁具有横向稳定杆的作用。这种悬架的主要优点是，车轮运动特性好，左、右 车轮在等幅正向或者反向跳动时，车轮外倾角、前束及轮距无变化，汽车具有 良好的操纵稳定性。但是在侧向力作用时，呈过多转向趋势。另外，扭转梁因 强度关系，允许承受的载倚受到限制。但是扭转梁悬架结构简单、成本低，得 到广泛应用。其多体系统结构如图3 - 4 ，构件之问的约束关系如表3 3 。 表3 - 3村【转梁式恳梨构什的约求戈系 编号约束类型受约束构件1受约束构件2 【3 吲梓铰减振器活窭杆减振器套筒 6。 j n 、1 j f l减o 崭套解攒梁 9 铰链轮1 t纵懵 第三章a i ) a 整车虚拟样机建模 1 0 铰链 纵臂车身 【， 十字万向节减振器活塞杆 乍身 构件列表： 1 弹簧 2 减振器活塞杆 4 减振器套筒 5 横梁 7 ，纵臂 8 轮毂 图3 4 扭转梁式悬架的多体系统结构图 2 ) 弹性后桥建模过程 通过a n s y s 软件与a d a m s 软件之间的双向接口，可以很方便的考虑柔性 体部件对机械系统运动的影响，并得到基于精确动力学仿真结果的应力应变分 析结果，提高分析精度。 v 接口背景 a d a m s f l e x 软件允许在a d a m s 模型中根据模态频率数据创建柔性体部 件，柔性体部件可能会对机械系统的运动产生重大的影响，存a d a m s 模型中 考虑柔性体部件的影响会极大地提高仿真精度，而a n s y s 程序恻提供r 一种方 便的创建泵陀体部件的方浊。 a n s y s 程序存小成柔性体部件的有限儿模型之后，利刖a d a m s m a c 宏命令可 以很方便地输出a d a m s 软什所需要的模念- p 肚文件m n f , 此t 件包含了 a d a m s l 【震，阻体的所仃信息，伍a d a m s 软什e l ，百接读入此。件川川胥剑柔性 第二章a d a m s 整车虚拟样机建模 体部件的模型。指定好柔性体与其它部件的连结方式，并给系统施加必要的外载 后即可进行系统的动力学仿真。 v 何时使用 a n s y s a d a m s 接口：在机械系统中，柔性体将会对整个系统的运动产生重 要影响，在进行运动学分析时如果不考虑柔性体的影响将会造成很大的误差，同 样整个系统的运动情况也反过来决定了每个构件的受力状况和运动状态，从而决 定了构件内部的应力应变分布。因此如果要精确地模拟整个系统的运动，考虑柔 性体部件对系统运动的影响，或者想基于精确的动力学仿真结果，对运动系统中 的柔性体进行应力应变分析则需要用到a n s y s 与a d a m s 两个软件。 v 分析步骤 进入a n s y s 程序，建立柔性体的模型，并选择适当的单元类型来划分单元。在 柔性体的转动中心( 与刚性体的联接处) 必须有节点存在，此节点在a d a m s 中将作为外部节点使用，如果在联接处柔性体为空洞，则需在此处创建一节点， 并使用刚性区域处理此节点( 外部节点) 与其周围的节点。选择外部节点，运行 a n s y s 程序的宏命令a d a m s 生成a d a m s 程序所需要的模态中性文件，在此 过程中需注意下面2 点： 1 ) 单位系统 由于在a d a m s 程序中可以处理不同的单位系统，所以m n f 文件中必须包含 a n s y s 分析所使用的单位信息，因此在运行宏命令a d a m s 之前，必须使用命令 u n i t s 来指定在a n s y s 分析中所使用的单位系统是s l ，c g s ，b f f 或b i n 。 2 ) 外部节点 外部= 市点是a d a m s1 _ 定件中的名词，存a n s y s 程序中即指柔性体与刚忭伊、 连结位置处的节点，刷j 。ra d a m s 所进行的运动学分析中连结柔性体j 刚。阻 体。一股来讲， 部位处为空心， 一个关弘1 t 胃j i 使用一个节点作为外部节点，如果柔体的连结 则需存连，i ，处创建个商点作为外部节，忆外部节点j 其删日 般使川刚1 j k 坝求定义。 第二章a d a m s 整车虚拟样机建模 在运行宏命令a d a m s 之前只选择作为外部节点的节点，因为a d a m s 宏 会将此时选择的节点作为外部节点处理，因而此选择步骤不可缺少。 运行宏a d a m s ，n m o d e s 生成a d a m s 程序所需要的模态中性文件，模 态中性文件m n f 中包含了柔性体的质量，质心，转动惯量，频率，振型以及对 载荷的参与因子等信息。 图3 - 5 弹性扭转梁式悬架的多体系统结构图( 其余标号见表3 - 3 ) 3 2 3 转向系统的建模 汽乍上常采用齿轮齿条式转向器( 1 3 i ，i 由象出来的多体系统结构不考虑转向 助力和转向减振器的影l i 向n 转向擀1 i 作【卜f转动转向擞，带动转m 桂、终中划 轴带动转向齿轮轴，最终带动转向齿条做化复白线运动，从而实现转向的功能。 转向器抽象m 来的多体系统结构如图3 8 肌玎i ，再构件依次匈转向齿条1 、转向 柱2 、* 甸菇。 3 、l 条，f 、，丸4 、转 i u u i 轮 5f i 【i 【m j - i l6 第三章a d a i s 整车虚拟样机建模 图3 - 6齿轮齿条式转向器的多体系统结构幽 3 2 a 车身子系统的建模 车身子系统简化为集中质量和惯量，并且考虑空气动力学阻力。空气动力 学阻力模型不考虑外界风速的影响，简化采用公式3 1 【1 4 】计算。 1 = 妄c dx a p “，2 ( 3 1 ) 其中，f w 为空气阻力；c 。为空气阻力系数，简化为常数；4 为迎风面积， 即汽车行驶方向的投影面积；p 为空气密度；“，为相对速度，在无风时即汽车 的行驶速度。 3 2 5 横向稳定杆的建模 横向稳定秆用丁提高恳架的侧倾角刚度，减少车身的侧倾角。这样町以悬 架的川度设计的比较低，获得良好的、l i 顺肚；横向稳定”像濉汽车 ，驶的稳定 性。毖多体系统模型简化为横置的扭转弹簧，如图3 7 廖i 刀；。如果厶：、l 午轮州 向跳功，横向稳定杆基水不起作刖；如果正、右牟轮反m 9 l 动，横| l 【j 稳定柯。” 川削纾受剑扭转，世到增加慰架侧倾舶刚j 筻 j 作川。 第三章a d a m s 整车虚拟样机建模 构件列表： 1 弹性衬套 2 扭转弹簧 3 纵臂 4 连接杆 图3 7横向稳定杆的多体系统结构图 3 2 6 动力总成建模 模型简化为作用在传动轴上的驱动力矩，动力总成输出的力矩包含发动机 输出给传动轴的力矩和差速器输出的差动力矩。发动机模型需要输入的数据为 发动机速度特性曲线1 5 1 ，即发动机转速、节气门开度和发动机输出力矩之间的 关系，计算过程中采用三维样条插值函数。差速器模型也是采用数值模型，根 据内、外侧车轮的转速差确定差动力矩的大小，两者之间的关系采用_ 维样条 插值函数描述。 公式3 2 表示发动机曲轴输出的力矩，a k i s p l 为样条插值函数，函数的三 个输入变量为发动机转速、节气门开度、发动机速度特性场。公式3 3 表示变速 器输出的力矩，其人小为发动机f f 轴输出的力矩与总传动比的乘积。公式3 - 4 表 示差速器的差动力矩，输入的两个变量为传动轴转速差、差速器特性曲线。公 式3 5 表示分别作用莉左、右传动轴t 的驱动力川。 e n g i n et o r q u e - - a k i s p l ( e n g i n cs p e e d ，t h r o t t l e ，e n g i n cs p l i n e ) ( 3 - 2 ) t r a n s m i s s i o nt o r q u e = e n g i n et o r q u e + g e a rr a t i o( 3 - 3 ) d i f f e r e n t i a lt o r q u e a k i s p l f ，0 ，d i f l e l e n t i a ls p l i a e ) ( 3 - 4 d r i v e7 l o r q u e 一2 0 5 8i _ r a n s m i s s i o nt o r q u e + 一d i f f e r e n t i a l i b r q u e( 3 - 5 1 n 第三章a d a m s 整车虚拟样机建模 3 2 。7 制动系统建模 模型简化为作用在车轮上的制动力矩，不考虑制动管路液压同路的特性。 前后轴上的制动力矩定比例分配，同轴左右两侧车轮上的制动力矩相等。 3 2 8 轮胎模型建模 a d a m s t i r e 1 6 】是研究轮胎道路【1 7 】相互作用的模块组，共有五种轮胎模块 组，分别为操纵稳定性轮胎模块组、耐久性轮胎模块组、柔性环轮胎模块组、 短波中频轮胎模块组和摩托车轮胎模块组。a t i r e 与a c a r 相结合，常用的 轮胎模型包含f i a ia 、u a ( u n i v e r s i t yo f a r i z o n a ) 幂f ld e l f f 轮胎模型，这些轮胎 模型都采用s a e 标准坐标系，如图3 - 8 所示。路面模型可采用二维路面或者三 维路面，在后面详细介绍。 m 目s n # fj 图3 - 8 轮胎s a e 坐标系 使用a t i r e 轮胎模型的计算流程如下：如果求解器发现* a d m 文件中定义 了轮胎力，则激活a t i r e ：在a t i r e 模块内决定选用何种类型的轮胎模型( 例 如u a 模型或者d e l f t 模犁) ，并= 次，之选用何种类型的路面模型；a t i r e 获 i 议轮胎和路面的参数之后，将计算得到的结果返叫给求解器。 f i a l a 轮胎模型别j 禹于理沦模型，该模 弘尽j 以f 假设：轮胎和路面的接 触刮”i 为矩形或刖m 、指定的形状、轮冶干| | 地嘶的接触j 企接触“汀l 均匀分忆 第三章a d a m s 整车虚拟样机建模 轮胎简化为在弹性地基上的梁、外倾角对轮胎作用力没有影响。轮胎文件输入 的参数包括：轮胎质量、轮胎尺寸、轮胎垂向刚度、垂向阻尼、纵向滑移刚度、 滑移侧偏刚度、滚动阻力系数、最大附着系数和最小附着系数。 u a 轮胎模型也属于理论模型，该模型是由e e n i k a r a v e s 和g g i m 在 b e r g m e n 三维弹簧轮胎模型的基础上提出，将轮胎简化为一组可三维形变的弹簧 单元，弹簧单元的三维形变代表轮胎传递径向力、纵向力和侧向力而产生的变 形。u a 模型基于以下假设：轮胎和路面的接触面为矩形或者用户指定的形状、 轮胎和地面的接触力在接触面上均匀分布、轮胎简化为在弹性地基上的梁。轮 胎文件输入的参数包括：轮胎质量、轮胎尺寸、无外倾的垂向刚度、轮胎纵向 滑移刚度、滑移侧偏刚度、外倾侧偏刚度、滚动阻力矩、轮胎阻尼、最大附着 系数和最小附着系数。 d e l f t 轮胎模型【2 0 】属于半经验模型，是目前轮胎模型中最理想的轮胎模型， 也是a d a m s 推荐使用的轮胎模型。该模型的建立基于h b p a c e j k a 、e b a k k e r 和l l i d n e r 等人的研究成果，采用魔术公式1 2 1 开发而成。魔术公式的一般形式 如公式3 - 6 和公式3 7 所示。式中，b 为刚度系数，c 为变形系数，d 为峰值系 数，e 为曲率系数。例如采用该公式计算的轮胎动力学参数参见图3 1 2 。 y 0 ) = d + s i n ( c 4a r c t a n ( b + z e8 ( b 4 z a r c t a n ( b 。x ) ) ) ) ( 3 6 ) y ( z ) ；d + c o s ( c 8 a r c t a n ( b + x e8 ( b + x a r c t a n ( b + z ) ) ) ) ( 3 7 ) 削3 - 9采_ l | = 魔术公式计算示意蚓 圜 第三章a d a i s 整车虚拟样机建模 3 3 本章小结 本章主要介绍了a d a m s c a r 的建模方法。详细介绍了a c a r 参数化、 模块化建模方法的流程：首先建立虚拟样车的各子系统的多体系统拓扑结构， 包含构件的定义和构件之间的约束；然后建立子系统的通信方式，保证子系统 之间以及子系统与试验台之间能够相互交换信息，能够组装成为整车虚拟样机 系统。 本章用较大篇幅介绍了使用a d a m s c a r 建模方法创建的子系统模型库， 包括悬架、车身、转向器、轮胎、动力总成、制动器和横向稳定杆等子系统的 模型，特别是详细介绍了如何建立弹性后桥模型的过程。 第四章虚拟样机动力学仿真试验 第四章虚拟样机动力学仿真试验 本章利用上一章建立的整车虚拟样机，对悬架运动学和车辆操纵稳定性进 行仿真。 4 1 悬架运动学分析 悬架是车架( 或承载式车身) 与车桥( 或车轮) 之间的传力连接装置，并且 缓和由不平路面传给车架( 或承载式车身) 的冲击载荷，衰减由此引起的承载系 统的振动，保证汽车能够平稳地行驶。麦弗逊式独立悬架是发动机前置前驱动车 辆常采用的悬架结构型式之一。在车辆行驶中，由于路面不平或车轮垂直载荷变 化，悬架导向杆系的运动及变形，车轮定位参数随之发生变化，从而导致轮胎侧 偏特性改变；在汽车曲线行驶时悬架上的车身将发生侧倾，引起汽车侧倾转向和 变形转向。因此，悬架系统的运动学和动力学特性分析是研究整车操纵稳定性的 基础【2 = 】。对其运动情况进行精确分析可提高系统设计水平，提高整车性能。以 麦弗逊悬架为例，由于结构的独特性，要获得准确的分析结果，必须借助计算机， 在三维空间运动的基础上进行分析。 悬架的运动学分析主要涉及车轮定位参数随着车轮跳动或者方向盘输入时 的变化情况。在a d a m s c a r 中预定义了大量的描述悬架特性的变量，例如车 轮外倾角、前束角、侧偏角、主销后倾角，卜销内倾角等等。 悬架系统轮跳试验包含三种试验，即双轮同向跳动试验、双轮逆向跳动试验 和单轮跳动试验。这三种轮跳试验需要设置的参数，l 乎一敛，本文仅分析最具代 表性的舣轮逆向跳动试验，设定戕轮跳动参数为常门车轮跳动范围4 0 i n t o 。 在讨论前轮定位参数变化时，首先j 衄考虑外倾角的变化特性，因为外倾角变 化特性确定后，就确定了内倾角的变化舰律，而外倾角和 i 束之问又存仔筛 州f 向 数、 关系l “1 外倾角的变化包把两拿湍分：即i 1 + 身f 9 1 j 倾，、17 ic l y , j 1 ：轮外倾变化和 轮柑 第四章虚拟样机动力学仿真试验 对车身的跳动而引起的外倾变化。m a c p h e r s o n 独立悬架中，前一种变化使车轮 向车身方向倾斜，即外倾角增大，结果外侧轮胎侧偏刚度变小，因而使整车不足 转向效果加大。后一种车轮相对车身的外倾变化情况取决于悬架导向机构的几何 关系，往往是外倾角随弹簧压缩行程的增大而减少，这种变化与车身侧倾引起的 外倾角变化相反，会产生过度转向趋势，所以应尽量减少车轮相对车身跳动时的 外倾角变化。希望在所定的车轮跳动范围内，其变化量在1 以内。 在汽车曲线行使时，车身的侧倾使得车轮的外倾角相对于地面向正的外倾角 变化，见图4 - 1 ，从而降低了承载能力较高的外侧车轮的侧偏特性，所以常常将 悬架设计为车轮向上跳动时，外倾角朝负值方向变化，车轮下落时，外倾角朝正 值方向变化，见图4 2 。 夕 j 歹 一 ， 3 口2o口口日1 d2 0j n j “9 h ( d 0 图4 1 前轮外倾角变化量与车厢侧倾角关系曲线 一 第四章虚拟样机动力学仿真试验 图4 - ：3 主销后倾角运动特性曲线 图4 4 主销内倾角运动特性曲线 图4 - 5 前舱前水运动特性曲线 车轮前束角的变化会引起轮胎侧n6 角的变化【2 5 】，从而影响到汽车的操纵稳定 ，f j 二。前? _ 仑的前求期及奠变化减少。j u 轮l7 j 删佻们。凼此，从挝高汽乍的操纵。陀能角 度出发，n h 轮丽求角i 。l ：墩负值，见h 4 ，。选用l 束角应砷小的方向变化。 3 6 第四章虚拟样机动力学仿真试验 4 2 虚拟样车制动性能试验 制动系统与汽车行驶和停车安全性关系极为密切。为了确保汽车的安全性， 各国对汽车的制动性能、结构和试验评价方法制订了相应的法规和标准【2 6 1 。制动 装置必须保证车辆在正常使用条件下，不论受到什么样的振动，均能满足标准法 规的要求。车辆制动性能，即汽车行驶时能在短距离内停车并且维持行驶方向稳 定性和在下长坡时能够维持一定车速的能力。 虚拟样车制动系统简化为施加在车轮上的制动力矩，前后轴的制动力矩以固 定比例分配，左右侧车轮制动力矩等比例分配。因此，该制动系统尚不能实现制 动器热衰退和恢复试验。参照国标汽车制动系统结构、性能和试验方法 g b l 2 6 7 - - 1 9 9 9 制订仿真工况【2 7 】： 1 ) 制动前车辆保持恒定车速直线行驶，发动机脱开，试验车速为8 0 k m h 或 5 0 k m h ； 2 1 从开始制动到最大制动力矩的时间为o 2 s ； 3 ) 虚拟样车前后轴制动力矩的比值为3 5 6 ，即前轴制动力所占比例为7 1 8 。 仿真结果如下，图中实线为全刚性虚拟样机模型，虚线为弹性后桥虚拟样机模型。 t l m ( 8 1 图4 - 6 制动位移叫问 j j 羁! ( 8 0 k m h ) m m m m 盖l | k m m 第四章虚拟样机动力学仿真试验 5 。 口。 _ 1 咖d 言 重1 l 一。 。 - 。 m d 自 斗 乱 整 畦 t 、 a 凡、厂、o ， o 5d t n o 搴。 图4 7 前轮制动力时间历程( 8 0 k m h ) ? ：多。j 。，一 _ 一- 一 f ，一 夕 尹 7 。 0 510152 d t h ) 图4 - 8 制动位移时间历程( 5 0 k m ，1 1 ) t i r , e f s e c l 图4 - 9 前轮制动力时间jj j 稗( 5 0 k m h ) 如图4 - 7 、4 - 9 所示，由丁j _ 桥考虑弹悱后，导致时再桥f 勺载弘转移变大， i | j 盼桥- i 阳载秘7 竖人，存夫强度制动条件下制动力i ，( 决崭_ f | f 【j j 条件，洲此 前轮制动j ：竖歹而后轮由】i 重衄载荷变小制z 力仍为j | j | j 动器制j ，t j ，则总的 3 8 第四章虚拟样机动力学仿真试验 制动力变大，于是考虑弹性后桥的车辆模型的制动减速度要大于刚性模型。 表4 - 1 制动试验仿真结果 制动初速度( k m h )8 05 0 刚性弹性刚性弹性 制动距离 仿真结果4 1 03 6 7 21 7 1 91 5 2 5 实验数据3 3 71 4 6 ( m ) 相对误差 2 1 1 6 8 9 1 7 7 4 4 由表4 - 1 可以看出，低速工况较高速工况仿真误差更小，且弹性模型误差明 显小于刚性模型误差。 4 3 虚拟样车操纵稳定性试验 汽车的操纵稳定性试验是评价和考核汽车操纵稳定性的主要手段。 汽车的操纵稳定性是指汽车驾驶员在不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车 遵循驾驶员通过转向系统及转向轮给定的方向行驶的能力，即操纵性，以及汽车 在遇到外界干扰时，其能够抵抗干扰而保持稳定行驶状态的能力，印稳定性。由 于汽车的运行环境复杂，行驶工况多变，外界干扰因素较多，因此汽车具备良好 的操纵稳定性对于汽车正常行驶，避免事故及减轻事故损失具有重要意义。 4 3 1 稳态回转试验 试验目的： 测定汽车的转向特性以及乍身的侧倾特性，从而确定试验车辆的稳定性。具 有不足转向特性的汽车，其运z 川是稳定的。而具有过度转向特性的汽车，驾驶困 难，而且达到临界车速后，汽1 二会失去控制。 汽车操纵稳定性试验方法稳念转试验摘要： 1 ) 试验车辆的装载