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ADAMS在汽车操纵稳定性仿真分析中的运用

来源：一二三四网

第38卷第2期2005年4月武汉大学学报(工学版)

EngineeringJournalofWuhanUniversityVol.38No.2Apr.2005

文章编号:167128844(2005)022095204

邓亚东,余　路,苏楚奇

(武汉理工大学汽车工程学院,湖北武汉　430070)

摘要:利用ADAMS软件建立了某轿车的操纵动力学多体仿真模型,详细考虑了前后悬架系统、转向系统、轮胎

以及各种连接件中的弹性衬套的影响,分析了汽车在方向盘转角阶跃输入时的转向特性.通过对不同车速、不同载荷下的仿真计算,得出汽车转向特性在这些条件下的不同表现,揭示了汽车转向特性与车速、载荷和轮胎的内在关系,为汽车操纵稳定性分析提供了参考.

关键词:汽车操纵稳定性;转角阶跃输入;ADAMS中图分类号:U461.6　　　文献标识码:A

ADAMSforsimulationofvehiclehandlingandstability

DENGYa2dong,YULu,SUChu2qi

(AutomotiveSchool,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

Abstract:AcarhandlingsimulationmodelwasbuiltbyusingmultibodydynamicssoftwareADAMS.Inthemodel,wehaveconsideredthefrontandrearsuspensionsystem,steeringsystemandthetiresmodelindetail,alsotheconnectbushingeffectwasincludedinthisstudy.Bymeansofthestepangleinputofsteeringwheel,itisfoundthatthesteeringcharacteristicsaredifferentwhenthevelocity,loadandtiresaredifferent.Andtherelationshipbetweenhandlingcharacteristicsandvelocity,loadandtiresispres2entedsoastoprovidesomereferencetotheanalysisofvehiclehandlingandstability.Keywords:vehiclehandlingandstability;stepsteeringangleinput;ADAMS

　　随着车速的不断提高,汽车操纵稳定性日益受

到人们的重视.对操纵稳定性的研究通常采用仿真分析方法和试验方法.仿真分析是在计算机上建立汽车操纵稳定性整车数学模型(控制系统),输入驾驶员对汽车的各种操纵信号,解算出系统的时域响应和频域响应,以此来表征汽车的操纵稳定性能.本文利用多体分析软件ADAMS建立了某轿车的操纵动力学多体仿真模型,详细考虑了前悬架系统(麦克弗逊式悬架)、后悬架系统(查普曼式悬架)、转向系统(齿轮—齿条转向系统)以及轮胎的结构参数,并考虑了各种连接件中的弹性衬套的影响,对该车进行方向盘转角阶跃输入条件下的操纵稳定性分析.

1　ADAMS整车多体仿真模型

1.1　前悬架模型

该车前悬架为典型的麦克弗逊式悬架,其结构见图1.悬架下摆臂与车身间由两个弹性衬套(不考虑弹性衬套时为转动铰链)相连,下摆臂与车轮制动底板由球铰相连,减振器下端与转向节臂由圆柱铰相连,减振器上端与车身间由弹性衬套(不考虑弹性衬套时为万向节铰链)相连,悬架弹簧与减振器同轴线布置.1.2　转向系统模型

该车转向系统为齿轮2齿条式转向系统,由方

收稿日期:2004206215

作者简介:邓亚东(19582),男,湖北黄梅人,副教授,主要从事电动汽车和汽车动力学等方面的研究.基金项目:教育部重点项目(重点02175).

武汉大学学报(工学版)

表1　满载时前后轮胎模型的有关参数

参数名称

车轮自由半径(R1)/mm胎体半径(R2)/mm

径向刚度(CN)/N・mm-1纵向滑移刚度(CSLIP)/N侧偏刚度(CALPHA)/N・rad-1外倾刚度(CGAMMA)/N・rad-1滚动阻力系数

径向相对阻尼系数(RDR)

车轮无滑动时的摩擦系数(U0)车轮纯滑动时的摩擦系数(U1)2005

向盘、转向轴、转向传动轴、转向小齿轮、转向齿条、转向横拉杆等构成.方向盘与转向轴间为固定铰,转向轴与车身间为转动铰,转向传动轴与车身之间为转动铰,转向小齿轮与车身之间为转动铰链,转向小齿轮与转向齿条之间为复合铰链,齿条与转向横拉杆之间为万向节铰链,转向横拉杆与转向节臂之间为球铰,齿条与车身之间为移动铰链.

车轮375

107.5261.3300004600040000.0150.750.940.74

kg,相对于质心的转动惯量(Ixx,Iyy,Izz)分别为1.06E+9,2.28E+9,2.18E+9mm4.整车模型如

图3所示.

图1　前悬架模型1.3　后悬架系统模型该车后悬架为查普曼式悬架(麦克弗逊悬架的

一种变形),其结构见图2.减振器下端与下摆臂平面为圆柱铰链,减振器上端与车身之间为弹性衬套(不考虑弹性衬套时为万向节铰链),下摆臂与车轮制动底板之间为转动绞,前下摆臂与车身之间为弹性衬套(不考虑弹性衬套时为万向节铰链),后下摆臂与车身之间为弹性衬套(不考虑弹性衬套时为万向节铰链),悬架弹簧与减振器同轴线布置.

图3　整车模型

2　操纵稳定性仿真结果

仿真模型以某一车速匀速前进,直线行驶一段

距离后,方向盘在0.1s内由0°转动到60°并固定下来,方向盘的角阶跃输入信号如图4所示.

图2　后悬架模型

1.4　轮胎模型

轮胎的侧偏特性是汽车的操纵稳定性的一个重要参数.前后轮胎侧偏刚度的匹配,直接决定汽车稳

定性因数的大小,能表征汽车是具有不足转向、中性转向还是过度转向.因此,具有合理的轮胎模型是十分必要的.这里采用被人们普遍认同的UA轮胎模型.满载时轮胎模型的有关参数如表1所示.1.5　车身模型

图4　方向盘的阶跃输入信号

在整个仿真计算过程中,使汽车匀速行驶,以车

速、载荷不同两个方面来分析该车的操纵稳定性.2.1　不同车速下的操纵稳定性

使仿真模型在满载条件下,以40,60,80,100和120km/h匀速行驶,汽车的侧向加速度响应曲线和横摆角速度如图5,6所示.

在图4,5中,1,2,3,4,5曲线分别表示车速为40,60,80,100和120km/h匀速行驶时的情况.从

车身质量集中于质心,输入车身质量2010

　第2期邓亚东等:ADAMS在汽车操纵稳定性仿真分析中的运用

图5　侧向加速度响应曲线

上述两图中看到,随着车速的增加,汽车横摆角速度和侧向加速度的超调量越来越大,在100km/h时,波动十分明显.

表2　各车速下的汽车响应参数

参数名称

横摆角速度的稳态值r0/rad・s

横摆角速度的峰值rmax/rad・s-1侧向加速度的稳态值ay0/m・s-2侧向加速度的峰值aymax/m・s-2横摆角速度的响应时间τ/s横摆角速度的超调量σ/%

)汽车质心侧偏角β/(°转弯半径R/m

-1

图6　横摆角速度响应曲线

各车速下的汽车响应参数如表2所示.

300.09350.09400.51280.52140.10.51175.42

500.1290.1471.5641.71200.2465.591.5486.55

车速/km・h-170

0.14590.17502.48202.85450.2415.8581.96130.12

900.13090.19023.24504.25400.23533.6852.44170.5

1100.12970.19784.22105.67100.22942.3932.96240.6

　　由图4,5可以看出,在车速为30km/h时,汽车的横摆角速度很快达到稳态值;从表2可以看出,在车速为70km/h时,横摆角速度达到最大;随着车速的提高,横摆角速度的响应时间越来越小,稳定性因数变化较小,而其他参数均是越来越大.由上述分析可知,该车具有不足转向特性,如取稳定性因数k为

m(ab)22

-=0.003(s/m)2

k1Lk2

载荷:空载,1/4,1/2,3/4最大装载质量和满载.轮

胎的侧偏刚度与载荷有关,因此不同载荷下的轮胎侧偏刚度是不同的.各种载荷下的前、后轮胎侧偏刚度如表3所示.

表3　各种载荷下的前、后轮胎侧偏刚度

名　　称

空载

1/4Pmax29250

2/4Pmax31956

3/4Pmax33250

满载

35000

前轮侧偏刚度

27350

N・rad-1

则该车的特征车速为

uch=

=18.5(m/s)=66.7(km/h)

uch与上述不同车速下的对比分析结果一致.

　　不同载荷下的汽车横摆角速度和侧向加速度如图6,7所示.

图8,9中1,2,3,4和5曲线分别表示空载,1/4,1/2,3/4最大装载质量和满载时的横摆角速度曲线与侧向加速度响应曲线.从图中可以看到横摆角速度和侧向加速度的稳态值呈微弱的增长趋势,其峰值随载荷的增加而增加.不同载荷下的汽车横摆角速度的稳

2.2　不同载荷下的操纵稳定性

在同一车速下(60km/h),使汽车具有不同的

图7　横摆角速度响应曲线　　　　　　　　　图8　侧向加速度响应曲线

武汉大学学报(工学版)2005

态值、峰值、超调量、响应时间、峰值响应时间、稳定

名　　称

横摆角速度的稳态值/rad・s

横摆角速度的峰值/rad・s-1横摆角速度的响应时间τ/s横摆角速度的峰值响应时间ε/s侧向加速度的稳态值ay0/m・s-2侧向加速度的峰值aymax/m・s-2

-1

性因数、侧向加速度的稳态值及峰值如表4所示.

1/4Pmax0.145740.1640550.2450.432.48502.7545

2/4Pmax0.146100.169450.250.472.49122.8324

3/4Pmax0.147440.172500.2700.582.49332.8678

表4　不同荷载下的参数值空载

0.14340

0.159700.2350.412.48042.6845

满载0.14797

0.173650.280.632.49572.8455

3　结　论

(1)应用仿真分析软件ADAMS,建立包括汽

刚度发生变化,但其对稳定性因数影响不大,因此

横摆角速度几乎不发生变化.参考文献:

[1]　郭孔辉.汽车操纵动力学[M].吉林:吉林科学技术出

车转向系、前后悬架总成、车身和轮胎在内的整车

仿真模型,可以较为真实地模拟汽车在方向盘转角阶跃输入条件下的转向特性,为汽车的操纵稳定性分析带来了方便.

(2)车速对转向特性的影响:当汽车具有不足转向特性时,稳态横摆角速度变化不大,而峰值(超调量)变化较大,车速对汽车稳态转向特性是主要的.

(3)载荷对汽车的转向特性影响不大(质心参

版社,1991.[2]　余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,1989.[3]　庄继德.汽车轮胎学[M].北京:北京理工大学出版

社,1997.

[4]　陈家瑞.汽车构造[M].北京:人民交通出版社,

2001.

[5]　[德]威鲁麦特HP.车辆动力学模拟及其方法[M].

北京:北京理工大学出版社,1998.

[6]　车轮标准手册———车轮和轮胎国际标准,中国农机工

数不变).因为载荷的变化虽然使前后车轮的侧偏

业协会车轮行业协会,1994.

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