基于ADAMS/Car的某微型电动汽车动力学模型建立

孙艳 王长明

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院）

虚拟样机技术是当前制造领域的一门新技术，涉及多体系统动力学、计算方法与软件工程。在生产过程中，虚拟样机的准确建造，可极大地缩短产品开发周期和降低产品开发成本。文章以实车数据为基础，应用ADAMS软件建立某微型电动汽车的虚拟样机，并初步完成其正确性验证。在ADAMS/Car中完成虚拟样机的正确搭建，可为后续实车性能研究和开发提供技术支持。

1 虚拟样机技术

虚拟样机技术[1]是近些年在产品开发的CAX，DFX及DFM等技术基础上发展起来的，它进一步融合了现代信息技术、先进仿真技术及先进制造技术，是面向系统级设计的、应用基于仿真设计过程的技术，包含数字化物理样机（DigitalMock-Up）、功能虚拟样机（Functional Virtual Prototyping）及虚拟工厂仿真（Virtual Factory Simulation）的内容。虚拟样机在产品开发过程中代替物理样机的重复制造，可极大地缩短产品开发周期，降低产品开发成本，改进产品质量，提高对产品的创新设计和评估。

1.1 虚拟样机在产品开发中的应用

对于传统的产品开发，在概念设计（产品规划）之后，是一个产品设计—样机生产—对样机测试评估—对测试评估结果反馈—设计的循环反复的过程，物理样机的修改，以及研发阶段的测试、评估及反馈均会增长产品开发周期，增加研发成本。

将虚拟样机应用于传统产品生产过程中，可以将传统生产过程中的设计—样机生产—对样机反复测试评估—对测试评估结果反馈—设计的需要耗费大量人力、物力的劳动过程以数字化方式进行，不仅可有效减少生产物理样机的成本、缩短开发周期以及对人力资源的占用，且虚拟样机的应用将使产品的开发全生命周期的统一成为可能。图1示出汽车产品开发流程图。中起到核 方法的利润比较，如图2所示。

由图2可以看出，虚拟样机在产品开发过程中的应用，不仅生产周期明显减少，而且利润大幅增加。

1.2 多体系统动力学MSC.ADAMS简介

MSC.ADAMS[2]是CAE领域中使用范围最广且应用行业最多的机械动力学仿真工具，是一款集建模、求解及可视化于一体的虚拟样机软件。ADAMS/Car模块分为Standard（标准）和Template Builder（模板建模器）2种模式，并对应不同的菜单界面功能。ADAMS/Car中有：属性文件、模板、子系统及装配组件4类文件。

ADAMS/Car允许汽车工程师建造汽车各个子系统的虚拟样机原型，并如同试验真实样机一样对其进行计算机仿真分析，输出表示操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性的性能参数。

2 电动汽车虚拟样机的建立

文章以某微型电动汽车为例，额定载客2人，其主要参数指标，如表1所示。

表1 某微型电动汽车整车性能参数

2.1 前悬架动力学模型的建立

该微型电动汽车的前悬架为带横向推力杆跟稳定杆的L型麦弗逊悬架。根据CATIA三维模型，建立前悬架模板文件所需要的硬点坐标、质量及转动惯量，建立带横向推力杆跟稳定杆的L型麦弗逊悬架，如图3所示。

2.2 后悬架动力学模型的建立

后悬架系统仍为麦弗逊式独立悬架系统，但不带横向推力杆及稳定杆，通过左右横拉杆与车架直接相连，如图4所示。

2.3 电动机模型的建立

该微型电动汽车电动机的额定电压为72 V，额定转速为5 200 r/min，额定连续输出功率为4.5 kW。电动机模型是以ADAMS/Car共享数据库中的发动机模型为基础，配以该微型电动汽车电动机的属性文件，导入发电机的壳体建立得到，如图5所示。

2.4 轮胎模型的建立

该微型电动汽车的轮胎数目为2，轮胎规格为145/70R12，文章选用ADAMS/Car共享数据库中的PAC2002，该型号的轮胎模型[3]，如图6所示。

2.5 转向子系统的建立

该微型电动汽车为齿轮齿条转向系统。依据转向系CATIA三维模型的硬点坐标、质量及转动惯量，对共享数据库中的齿轮齿条转向系模型进行修改，得到如图7所示的齿轮齿条转向系。

2.6 车身子系统的建立

文章根据微型电动汽车实车性能参数，修改共享数据库中的车身模型的质心高度、质量及转动惯量，并为该微型电动汽车简单匹配汽车的外型结构和电池组，获得的该电动汽车的车身模型，如图8所示。

2.7 整车模型的建立

将上述建立的该微型电动汽车的各个子系统跟ADAMS/Car Ride四柱试验台进行装配，即可建立得到适用于平顺性仿真实验的微型电动汽车的仿真模型，如图9所示。将上述建立的该微型电动汽车的各个子系统跟ADAMS/Car的整车测试试验台进行装配，即可建立得到适用于操纵稳定性仿真实验的微型电动汽车的仿真模型，如图10所示。

3 模型验证

在ADAMS/Car标准界面中检测所建立虚拟样机的过约束情况及通讯器的匹配情况。经检测，该微型电动车整车模型没有过约束现象，各通讯器匹配完全。初步验证了文章所建立模型的可行性。在该标准界面中调用Ride模块，完成四轮同时激振（垂向振幅为10mm的正弦波，扫描频率从0～20Hz，仿真时间为10 s）的平顺性激振试验。试验顺利进行，没有出现报错现象。

退出ADAMS/Car Ride四柱试验台模块，在ADAMS/Car标准界面中进行操纵稳定性模型的仿真试验，仿真时间为15 s，仿真步数1 500，初始速度为40 km/h。第1次向右转向，方向盘转角为200°，转向过程历时0.2 s；第2次向左转向，方向盘转角为400°，转向过程历时0.4 s。2次转角都维持6 s，试验顺利进行，也没有报错现象发生。

平顺性仿真试验与操纵稳定性试验仿真过程中均没有报错现象发生，初步证明了虚拟样机建立的正确性。

4 结论

1）根据电动汽车实车参数，在ADAMS/Car中完成虚拟样车模型的建立，通过仿真试验初步验证了模型的正确性，后续还可以通过实车样车试验与仿真试验对比，更为准确的验证模型的准确性。

2）虚拟样机的正确建立，可以减少设计经费，所建立的虚拟样机还能和物理样机进行对比测试，以便找出其样机的不足，它可以在同样的时间“试验”更多的设计方案。与常规的仿真相比它涉及的领域更广，考虑也比较周全，因而可以提高产品的质量，减少产品开发后期设计更改，这样可以使得整个产品设计周期最小化，减少了产品开发过程的时间，使产品能更快上市。