基于ADAMS的车辆极限越障性能研究

屠德新，魏道高，蒋艮生，胡 维

（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥230009）

车辆越障性能是车辆通过性中的几何通过性,是指车辆克服几何障碍物如垂直台阶、壕沟、弹坑等障碍物的能力［1］。四桥悬架越野车，有较好的行驶稳定性、乘坐舒适性及通过性，因而有广泛应用前景。国内在这方面研究和国外相比还只是在初级阶段，只有在军工企业上才有所涉及。通过性测试一般为试验场的实车测试,由于样车照价昂贵，同时地理及开发周期等因素的限制给车辆研发单位带来诸多不便。作者通过ADAMS软件建立四桥独立悬架虚拟样机的模型，并通过Simulink的联合仿真，得出的不同附着系数下汽车的越障高度，为越野车的通过性进行深层次的设计和优化提供了一种新手段。

1 虚拟样机模型的创建

仿真模型的创建，是一切仿真的基础。模型的好坏直接影响到仿真的精度与可信度。汽车包括车身、发动机、行走系、转向系、制动系、传动系和辅助设备，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，工作量非常大。因此根据研究的目的，在建模时对车辆的结构进行了适当的抽象、简化，对建立的整车动力学模型作出如下假设：

1）主要考虑车辆越障性能性能，因此对影响这些研究性能的非主要因素如动力总成进行简化，直接在车动轮上加驱动来实现其动力性能要求。

2）除弹性元件外,其余零件均认为是刚体，在仿真分析过程中不考虑它们的变形。

3） 运动副内的摩擦力不计［2］。

ADAMS与Matlab联合仿真需要经过以下几个步骤：在ADAMS/view界面里建立汽车模型，包括车轮、悬架及车体。第1、2桥采用双横臂式悬架，第3、4桥采用单横臂独立悬架，同时设定修改部件质量，取车轮半径为450 mm，车体质量为16000 kg。第1桥与第2桥的距离为1420 mm，第1桥与第3桥的距离为2720 mm，第1桥与第4桥的距离为4260 mm。 汽车模型如图 1所示［3］。

图1 整车虚拟样机模型

2 台阶路面障碍的建立

由于要得出不同的附着系数下汽车的越障高度，这就要求台阶的高度是可变的，台阶的关键点坐标设置成设计变量就实现的台阶的参数化，从而实现了台阶高度是可变的。构建好的系统模型整体图如图2所示。

图2 系统仿真界面图

3 ADAMS与Matlab/Simulink联合仿真设计流程

3.1 定义ADAMS的输入和输出

对小车越障运动的分析通常要作某些简化，本文假定，车轮为刚体，车体质量简化为汽车质心一点，没有弹性力的作用，对台阶状障碍进行越障分析。首先创建状态变量，创建并设计motion，创建对车轮旋转运动的约束，选取ADAMS中的velocity选项，对Function（time）栏的运动函数与状态变量联系起来。创建variable－box对话框，对其布局、按钮、文本框进行调整。在variable－box对话框中输入台阶高度及路面的附着系数，利用交互式仿真，即可以观察到小车在不同条件下的爬跃台阶的实际效果［4］，如图 3 所示。

图3 不同条件下的爬跃台阶示意图

3.2 Matlab的综合交互仿真

ADAMS的输入输出与Simulink设计的控制系统接口相对应，ADAMS的输入相当于控制系统的输出，ADAMS的输出相当于系统的测量值［5］，也就是控制系统的输入。建立控制系统结构图，将ADAMS建立的虚拟模型与Matlab建立的控制系统通过结合起来，形成一个闭环系统。加载ADAMS/Control模块，创建输入变量，即motion。输出变量，即height。在control package列表选择Matlab选项，即生成适用于Matlab的m文件［6］。通过设计输出的数据在Matlab里面建立汽车模糊控制系统结构框架，同时建立联合仿真模型如图4所示。其中，通过Adams_sub子模块把Simulink中的控制系统模型与ADAMS中的机械系统仿真模型连接起来了。双击模型中的Adams_sub子模块，可以看到其内部结构图（略），可以看到输入为motion，输出为height，与ADAMS/Control定义的输入输出一一对应。完成了上面的设置以后，就可通过Mechanical Dynamics子模块参数设置对话框，对其相应的参数进行设置，即完成了联合仿真模型的建立。

图4 系统联合仿真模型图

3.3 实验结果

设置小车车轮角速度为30（°）/s，运行时间15 s，步长50，通过联合仿真得出在不同附着系数下小车能爬上的最大高度，并与文献［7］中的理论极限越障高度进行对比。

由仿真结果图5看出，在附着系数比较小的时候，虚拟样机模型越障高度和理论越障高度比较接近，但是在附着系数比较大时，和文献［7］中理论越障高度有了一定的出入。误差分析：1）忽略了轮胎弹性和悬架阻尼,将4桥悬架作为等刚度；2）虚拟样机模型有很多具体参数和实际车辆有差别，有待完善；3）文献［7］中物理模型的建立，在仿真检验过程中发现有待完善。

图5 不同附着系数下越障高度的对比图

4 小 结

用ADAMS建立了8×8独立悬架车辆越障的虚拟样机模型，利用ADAMS和Simulink软件成功地对小车跨越障碍系统进行了控制仿真分析。而且通过ADAMS软件建立的虚拟模型能很好地接近实际的物理模型，为以后的物理样机试验提供了更为可靠的依据.应用建立的虚拟样机模型与实验对比，有较好的一致性，表明该模型对4桥独立车辆越障高度有较好预测性，在虚拟样机里可以方便对越障高度影响因素逐一调试，优化后可使车辆越障性能得到最大的提升。

［1］ Bekker M G.Theory of land locomotion［M］.Ann Arbor:The University of Michigan Press，1956.

［2］ 李 军.ADAMS实例教程［M］.北京：北京理工大学出版社，2002.

［3］ Bekker MG.Introduction to Terrain －Vehicle System［M］.Ann Arbor：The University of Michigan Press，1969.

［4］ 郑 帆，余 江，裴以建，等.基于 ADAMS与 MATLAB的车辆跨障综合交互仿真 ［J］.云南大学学报，2007，29：271－274.

［5］ 李增刚.ADAMS入门详解与实例［M］.北京：国防工业出版社，2006.

［6］ 尹华兵，范华春，魏来生.基于虚拟样机技术的某车辆性能仿真研究［J］.系统仿真学报，2004（10）：1712175：2289－2293.

［7］魏道高，王霄锋，金达锋，等.四桥独立悬架车辆越障性能计算研究［J］.汽车工程，2007，29（9）：816－818.