基于ADAMS 的某型轻卡操稳性分析

袁承麟，俞俊

（200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院）

0 引言

操纵稳定性[1]是衡量车辆行驶安全性能的一个重要参数，操纵稳定性良好的汽车能够根据驾驶员的操作指令及时做出正确的响应，而操稳性不合要求的车辆通常无法精准按照驾驶员操作指令行驶，且更容易受到路况、侧风等干扰[2]。操稳性评价分为主观评价与客观评价，基于驾驶员主观感受的测评属于主观评价，运用多体动力学模型，根据操稳性试验标准进行的评价属于客观评价。本文重点研究后者。

诸多学者利用多体系统动力学理论对车辆操纵性、动力性等性能的研究硕果累累。秦东晨[3]运用ADAMS/Car 模块建立了某运动型汽车前悬架与整车的多体模型，进行了主要定位参数影响的性能及动力学性能的仿真,完成前悬架各参数灵敏度分析及性能改进，并提升了整车性能；黄志平[4]利用多体动力学软件建立的悬架模型类型为五连杆式，并仿真分析五连杆悬架与其他类型悬架性能的差异性。

本文在某轻卡初步设计完成后，建立了整车模型，运用ADAMS 多体模型仿真软件，并参照国家标准，对仿真结果进行了操纵稳定性的评价评分，校核了其操纵稳定性符合要求。

1 悬架建立

1.1 前悬架建模

前悬架为麦弗逊式悬架[5]，各部件使用刚性体建模，分别为减振器、转向节、悬架的控制臂、转向节柱、转向横拉杆、滑柱、减振器上的螺旋弹簧、以及轮毂。前悬架建模如图1 所示。

图1 前悬架建模Fig.1 Front suspension modeling

各部件间的约束类型如表1 所示，减振器实测参数如表2 所示。各子系统创建时坐标与整车XYZ坐标一致。

表1 前悬架各部件间约束Tab.1 Constraints between components of front suspension

表2 减震器特性曲线Tab.2 Shock absorber characteristic curve

1.2 后悬架建模

后悬架为钢板弹簧悬架，按设计的前卷耳、吊耳与车架的连接位置来确定硬点坐标，并调整钢板弹簧和轴连接处衬套的线性刚度阻尼及扭转刚度阻尼，使其与设计参数一致。建立的后悬架模型如图2 所示。

图2 后悬架建模Fig.2 Rear suspension modeling

2 整车模型组装

根据设计的硬点坐标建立转向系统、制动系统及传动轴。转向系统选用齿轮齿条式转向机。由于不考虑车身气动效应，只需确保车身质量、质心、转动惯量等参数与实测一致，即认为该车身满足操稳性仿真需求。在各子系统中建立对应的通讯器，依靠通讯器将各子系统连接起来，组装成整车模型[6-7]。整车模型如图3 所示。

图3 整车模型Fig.3 Full vehicle model

3 操稳性仿真

3.1 稳态转向仿真试验

汽车以一定的速度沿着直线行驶。在一定的时间内，给方向盘一个固定的角度输入，车辆变成拐弯状态，车辆的响应分为2 种：第1 种转向程度越来越剧烈，转弯半径变小，转向过度，甚至发生甩尾现象，这就情况就很危险；第2 种是稳定转向。车辆拐弯时具有恒定不变的转弯半径。转向不足也是属于第2 种情况，虽能保持恒定半径转弯，但在有些条件下就会显得性能不足。转向不足和转向过度程度都不能大，尽量接近中性转向是设计目标。该试验的目的是研究该型轻卡的稳态横摆响应规律，并检验其操稳性，而约束条件是汽车方向盘转角输入成一定稳定角度。我国当下主要采用的是固定方向盘转角的试验办法。参照GB/T 6323.6-1994《汽车操纵稳定性试验方法 稳态回转试验》，设置上述轻卡模型沿直径为50 m 的圆周道路行驶，路面状况设为平坦无坡度，且方向盘的角度是一定的，转向方向定义为左转。当侧向加速度小于设定值时仿真结束。仿真结果如图4—图7 所示。

图4 侧向加速度曲线Fig.4 Lateral acceleration curve

图5 车身侧倾角与侧向加速度曲线Fig.5 Body roll angle and lateral acceleration curve

图6 纵向车速和横摆角速度曲线Fig.6 Longitudinal velocity and yaw velocity curves

图7 侧倾角曲线Fig.7 Roll curve

依据QC/T 480-1999《汽车操纵稳定性指标限值与评价方法 》，对本节进行的稳态转向仿真试验进行评估。按中性转向点的an（lateral acceleration），U 及 Kφ（其中U 为不足转向度；Kφ为车身侧倾度），3 个参数指标经公式计算推导后，能够得出分数用来评价本轻卡操稳性能否满足日常平坦路面的要求。

稳态转向试验an为中性转向点，其最大取值为an100=9.8 m/s2，最小取值为an60=5.0 m/s2；U 的取值为U100=0.4 (°)/(m/s2)到U60=1.0 (°)/(m/s2)之前；Kφ的取值为0.7～1.2 (°)/(m/s2)，令 Kφ100=0.7 (°)/(m/s2)、Kφ60=1.2 (°)/(m/s2)。

（1）an的评分公式

式中：an——侧向加速度。代入参数计算后可得an=7.1 m/s2。则有=81 分。

（2）U 的评分公式

把各数据赋值给式（3）、式（4），计算后可知λ=4。U 的计算需结合前、后轴侧偏角的差值，由计算可知U=0.18 (°)/(m/s2)。把各数据代入计算得Nu＞100，可按照100 分来算，本轻卡Nu=100 分。

（3）Kφ的评分公式

其中，Kφ计算时参照图5 的数据曲线，计算得 Kφ=0.25 (°)/(m/s2) 。代入数据计算得出Nφ＞100，按照100 分来算，即Nφ=100 分。

（4）稳态转向仿真试验需要进行总体性评分，计算公式为：

将各评价指标参数代入式（5）可得NW=94.2分。由评分可知，该轻卡稳态回转性能良好，设计符合要求。

3.2 Ramp steer 转向斜坡输入

转向斜坡输入仿真可用来考察车辆时域上的瞬态响应特性。仿真设置轻卡先沿直线行驶，紧接着方向盘开始以均匀角速度朝左边转动，汽车转向越来越剧烈。在此过程中，该轻卡表现稳定，能够完成转向，几乎没有转向不足或是转向过度的情况。仿真结果如图8—图11 所示。如图9 所示的结果表明转向响应很及时，侧倾角小，操稳性表现良好。

图8 转向盘转角变化曲线Fig.8 Curve of steering wheel angle’s change

图9 侧偏角变化曲线Fig.9 Curve of sideslip’s change

图10 横摆角速度变化曲线Fig.10 Curve of yaw velocity’s change

图11 侧向加速度变化曲线Fig.11 Curve of lateral acceleration’s change

除上述稳态转向及转向斜坡输入试验，该轻卡还经过了漂移试验、角阶跃试验、角脉冲试验、蛇形转向等仿真试验，根据操稳性试验标准，该车操稳性整体满足要求，部分路况评分较高，表明该车的前、后悬架硬点坐标等设计良好，使其拥有较好的k 特性[8]，而且减震器等参数设计较好，c 特性满足要求。

4 结语

本文建立多体动力学模型，在设计数据冻结前利用ADAMS 仿真的方式校核了该车型的操作稳定性，具体结论如下：

（1）分别建立麦弗逊式前悬架和钢板弹簧式后悬架，并结合其他关键子系统建立轻卡多体动力学模型，为相似车型的建模提供参考。

（2）对轻卡进行了稳态转向及转向斜坡输入试验等仿真试验，根据仿真输出数据曲线及整车操纵稳定性试验国家标准，对该轻卡的操纵稳定性作出评分及评价，结果表明该车表现良好，操稳性满足要求。

本文可为该型轻卡的操稳性能试验提供参考。