基于ADAMS-Car的汽车建模与仿真研究

2020-04-10么鸣涛曹锋曲劲松李勇李丹王旭鹏

汽车实用技术 2020年5期

么鸣涛曹锋曲劲松李勇李丹王旭鹏

摘要：为了有效应用多体动力学软件ADAMS/Car进行车辆动力学研究，介绍并建立了包括汽车底盘、车身、转向、前后悬架、轮胎、动力总成等分系统的汽车整车模型，将整车系统简化为单自由度的质量-刚度-阻尼系统，建立微分方程，分别应用Matlab/Simulink和ADAMS/Car两种仿真方法，对整车模型进行了正弦激励输入下的仿真，比较计算结果可知达到稳态后的车身响应曲线非常吻合。研究表明：基于ADAMS/Car建立的整车多体动力学模型准确，可以用于实际车辆的仿真研究。

关键词：多体动力学;车辆动力学;单自由度;质量-刚度-阻尼系统;正弦激励

中图分类号：U462.3 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2020）05-138-05

Abstract： In order to effectively apply multi-body dynamics software ADAMS/Car to the research on vehicle dynamics， the whole model including automobile chassis， body， front and rear suspensions， tires and powertrain were introduced and established. The whole automobile was simplified to a mass-stiffness-damping system with single-degree-of-freedom， and a differential equation was set up. Afterwards， two simulation methods of Matlab/Simulink and ADAMS/Car were used respectively to simulate the whole automobile model under sinusoidal excitation input. The response curves of the vehicle body after reaching steady state were very consistent by comparing calculation results. According to the research， the multi-body dynamics model of the whole automobile based on ADAMS/Car is accurate and can be used for the simulation of actual vehicles.

Keywords： Multi-body dynamics; Vehicle dynamics; Single-degree-of-freedom; Mass-stiffness-damping system; Sinu -soidal excitation

1 整車系统分析

车辆是一个多自由度的“质量-刚度-阻尼”系统[1]，汽车行驶时，路面产生的振动经轮胎、悬架系统、座椅等最终传递到人体上。整车虚拟模型的建立，既要保证运动系统的准确性，同时又要对和主要研究目标影响不大的因素进行简化，以提高运算仿真的速度。本文在进行建模时，进行了如下假设[2]：

（1）车身作为汽车结构的一部分，是驾驶员工作的场所，为驾驶员提供良好的操作条件和舒适的乘坐条件，极大影响乘员的主观感觉。本文在建模时将车身简化为一刚体，并集中质量于底盘上，通过改变车身质量来修改整车质量。

（2）汽车在行驶时，路面不平度、轮胎及传动系零件旋转的不均匀性、发动机工作时转矩的瞬变过程等都将引起汽车的振动。本文在建模时把动力总成简化为一个刚体，并集中质量于底盘。

（3）汽车行驶时，路面不平度经轮胎、悬架、座垫等弹性、阻尼元件组成的振动系统最终传递到人身体上，因此在建模时必须考虑轮胎和悬架的特性。本研究中考虑轮胎的弹性特性，把具体的零部件（如转向节，下摆臂）视为刚体，这样既考虑到悬架的缓冲、减振作用又简化了悬架的建模。

经过上面的简化，最终的整车系统主要包括以下几个部分：底盘模型、车身模型、动力总成模型、转向系统模型、前后悬架模型、轮胎模型，表1列出了某款汽车一些主要技术参数。

2 ADAMS/Car的建模方法

ADAMS/Car是一种基于模板的建模和仿真工具，大大加速和简化了建模的步骤。用户只需在模板中输入必要的数据，就可以快速构造包括车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等在内的高精度的整车虚拟样机，并进行仿真。利用ADAMS/Car的数据库功能，可以有效地选择衬套、限位块、减振器等以装配各个子系统，节约用户每次重复输入数据的时间。通过高速动画直观地显示在各种试验工况下整车动力学响应，并输出标志操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性的特征参数，从而减小对物理样机的依赖。一个完整的悬架或整车装配由以下四个层次构成：特性文件、模板文件、子系统文件和装配文件，如图1所示，研究车辆系统动力学，建立车辆仿真模型，归纳起来有以下几个典型步骤[3]：

（1）机械系统的物理抽象;获取模型的运动学（几何定位）参数，建立抽象系统的运动部件、约束，从而建立运动学模型;

（2）校正模型的自由度及正确性;

（3）获得模型的动力学参数，定义模型中部件、铰链与弹性元件及外界条件，建立动力学模型，对动力学模型进行调整与仿真计算。

3 子系统模型的建立

ADAMS/Car采用自上而下的建模顺序，即整车模型和系统总成模型是建立在各个子系统模型之上，而各个子系统模型则需由模板来建立，故建立各个模板是建立整车模型的关键步骤，模板建立过程如下[5，4]：

（1）物理模型的简化：根据子系统各个零件之间的相对运动关系，定义零件的“Topological Structure”（拓扑结构），对零件进行整合，把没有运动关系的零件定义为一个“Gene -ral Part”（整合零件）。

（2）确定“Hard Point”（硬点）：硬点就是零件关键连接点处的几何定位点，确定硬点就是在子系统坐标系内确定零件关键点的几何坐标，硬点在整车模型和模板状态下都能修改。

（3）确定零件的参数：计算或测量整合零件的质量、质心位置以及绕质心坐标系3个轴的转动惯量，需要注意的是质心坐标系的3个坐标轴的方向必须与系统坐标系的三个轴的方向平行，整车的质心位置需要自己手动进行设置。

（4）创建零件的“Geometry”（几何模型）：在硬点的基础上建立零件的几何模型。由于零件的动力学参数已经确定，此几何模型的形状对动力学仿真结果没有任何影响，但在运动学分析中，零件的外轮廓直接关系到零件的运动校核，而且考虑到模型的直观性，零件的几何形状应该还是尽量贴近实际结构。

（5）定义“Constrain”（约束）：按照零件间的运动关系定义约束的类型，通过约束把各个零件连接起来，从而构成子系统结构模型。定义约束是正确建模的关键，直接关系着系统自由度的合理性。

（6）定义“Mount”（组装）：在子系统和子系统或者外部模型之间连接处定义组装命令。

（7）定义“Subsystem”（子系统）：将在Template中建好的模型转入到标准模式中，定义各个子系统模型，为组装整车模型做准备。

（8）定义“Assembly”（整车模型）：在标准模式中将各个子系统组装成整车模型，这样在ADAMS/Car模块中完成物理模型的建立过程。通过添加属性文件即可进行整车在不同工况下的仿真分析，从而获得所需要的结果。

3.1 底盘模型

底盘把整车的其他系统连接起来，不考虑动力系统和车身的具体结构，把传动系统和制动系统都集中于底盘上，把它们简化为刚体，质量集中于底盘，在本文中用一个球形质量块来表示集中质量，球形质量块的大小、位置不重要，只要保证转向系、悬架等其它零部件与底盘连接时，连接方式和位置都正确就可以，整个底盘与其他系统连接的拓扑结构如图2所示，可以通过调节球体的属性来修改整车的质量和转动惯量，同时也定义了几个硬点用来确定车轮和车身的位置，相对于全局坐标系的位置坐标如表2所示。

3.2 车身系统模型

车身直接关系到驾驶员乘坐舒适性，平顺性评价指标的车身垂向加速度的测量需要在车身上进行，而且整车质心位置和质量的调节也是通过改变车身来实现的，因而车身建模很重要，本课题将车身简化为刚体，其外形定位的硬点坐标和需要测量的地方的硬点坐标如表3所示，（底盘+车身）模型如图3所示。

3.3 动力总成系统模型

动力总成系统在ADAMS/Car中的功能是提供车轮驱动转矩，所以不需实际结构建模，而是将发动机、离合器、变速器三個结构集合在一起，使用函数模板模拟实现其功能。由于发动机激励也是引起汽车振动的激振源之一，为了减少发动机不平衡对车身振动的影响，汽车的发动机动力总成总是通过数个弹性支撑安装在副车架上。动力总成模型的硬点坐标如表4所示，建好的动力总成模型如图4所示。

3.4 转向系统模型

转向系统主要由以下几个刚体组成：方向盘、转向柱、转向中间轴、转向轴、转向齿条、转向器套筒等组成。方向盘通过旋转副与底盘系统相连，通过圆柱副与转向柱相连;转向柱通过恒速度副与转向中间轴相连;转向中间轴通过恒速度副与转向轴相连;转向轴通过旋转副与转向器套筒相连;转向器套筒通过滑动副与转向齿条相连;方向盘的回转运动通过转向齿条转化为直线运动，齿条带动横拉杆往复运动并与转向节回转实现汽车的转向。转向系统的硬点坐标如表5所示，虚拟样机模型如图5所示。

3.5 前后悬架系统模型

本文研究的车辆悬架系统使用了螺旋弹簧麦弗逊悬架，在虚拟样机模型中，将悬架系统简化为以下6个部分：转向节、横摆臂、螺旋弹簧、空气弹簧、减振器支柱总成、转向横拉杆。横摆臂内端通过旋转副与车身相连，外端通过球形副与转向节下端相连;转向节上端通过棱柱副与减振器支柱总成下端相连，中间部分通过旋转副和球形副分别与轮毂和转向横拉杆相连，减振器活塞杆通过球形副和车身相连，减振器活塞杆与减振器缸筒之间通过圆柱副相连，螺旋弹簧和减振器串在一起，中间还包括了一些采用衬套连接的地方，使虚拟模型更加符合实际。在建模过程的主要定位硬点如表6所示，虚拟样机如图6所示。

3.6 轮胎模型

在ADAMS/Car中，适合行驶平顺性分析的轮胎主要是FTire（Flexible ring tire model）柔性环轮胎模型，在使用FTire轮胎模型时，需要轮胎属性文件来定义轮胎的特性，本研究参考有关文献[5][6]，轮胎的参数如表7所示，建好的虚拟样机图如7所示。

4 整车模型的建立

建立整车模型，通过添加橡胶衬套和其它约束元件，即可将上面的子系统进行装配，建立适用于仿真的整车模型，如图8所示：

5 模型检验

由于车辆系统是一个非常复杂的刚柔混合的多体系统，对于整车仿真，首先进行装配以确定初始构型，然后从静平衡状态开始进行一系列仿真，实现车辆在路面上稳定行驶。模型检验的方式是用Matlab/Simulink仿真结果和ADAMS/ Car仿真结果对比，以验证模型是否正确。整车总质量为1650kg，通过ADAMS/Car静平衡分析，可以求得在静平衡位置时的参数如表8所示：

在实际仿真中，车辆以2.5m/s的速度在的正弦路面上行驶10s，测得车身垂向位移的响应。根据空间频率与时间频率的转换公式，其中波长，可求出空间频率，因此在时域的正弦激励函数为。

在理想状态下，把整个汽车系统简化如图9的所示的单自由度质量-刚度-阻尼系统，系统参数如表9所示，以车身静平衡位置为坐标原点，得到描述系统运动的微分方程如下：

应用Matlab/Simulink软件，建立的仿真模型如图10所示。利用Matlab/Simulink和ADAMS/Car仿真计算出的车身响应曲线如图11所示。达到稳态后，两种方法的数据结果对比如表10所示：通过对比可知，对简化后的系统在时域进行正弦激励，

达到稳态后，通过Matlab/Simulink和ADAMS/Car两种方法仿真计算出的车身响应曲线非常吻合，故此整车模型是符合实际情况的。

6 结论

（1）根据实际的车辆模型，在不影响仿真结果的情况下对车辆模型进行了适当的简化，以便在虚拟样机中采用最简洁的方法建立整车模型;

（2）介绍了ADAMS/Car建立整车模型的一般过程，详细介绍了各子系统的建立过程;

（3）对建立好的整车模型进行了调试和检验，保证整车仿真的正确性。

参考文献

[1] 么鸣涛，曹锋，曲劲松，等.汽车电控空气悬架试验与仿真研究[J]. 农业装备与车辆工程， 2018， 56（9）： 36-40.

[2] Thomas D.Gillespie.车辆动力学基础[M].北京：清华大学出版社， 2006.

[3] 陈立平，张云清，任卫群，覃刚.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京：清华大学出版社， 2005.