車輛動力學(xué)建模及試驗(yàn)驗(yàn)證文章編號:10024581(2010)01-004004車輛動力學(xué)建模及試驗(yàn)驗(yàn)證殷梅,王成龍Yin Mei, Wang Chenglong(上海匯眾汽車制造有限公司,上海200122摘要:為實(shí)現(xiàn)對某商用車輛的性能評估、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),利用 MSC ADAMS/CAR軟件建立了整車動力學(xué)模型在多體動力學(xué)的理論基礎(chǔ)上,充分考慮減震器橡膠村套等元件的非線性特性。通過對整車動力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析將懸架特性曲線與利用K&C試驗(yàn)臺得到的相應(yīng)特性曲線進(jìn)行比較分析證明該多體動力學(xué)模型的合理性和適用性。關(guān)鍵詞:車輛動力學(xué);仿真;K&C試驗(yàn);模型驗(yàn)證中圖分類號:U461.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A北0引言系統(tǒng)。一般在較為復(fù)雜的汽車動力學(xué)模型中,不但京動力學(xué)分析與仿真隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展需要各運(yùn)動部件之間連接點(diǎn)的空間坐標(biāo)、零部件的質(zhì)量特性參數(shù)(質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量等),汽而不斷成熟:系統(tǒng)動力學(xué)理論的完善和虛報(bào)樣機(jī)而且還需要模型中彈性體的力學(xué)特性參數(shù)(剛度、技術(shù)的發(fā)展,尤其是機(jī)械系統(tǒng)建模和仿真商業(yè)軟阻尼)等,如橡膠元件的非線性剛度、減振器的非車{件的出現(xiàn)使得動力學(xué)分析與仿真技術(shù)在汽車行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用?；跀?shù)字化的虛擬樣線性阻尼特性等。仿真計(jì)算中的數(shù)據(jù)主要來自圖紙查閱、CAD數(shù)模及整車技術(shù)參數(shù)表。零部件的幾機(jī)仿真技術(shù)可以簡化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程,大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,大量減少產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用和何尺寸、材料屬性及力學(xué)特性等參數(shù)主要來自圖紙資料和技術(shù)文獻(xiàn),質(zhì)量、慣量及質(zhì)心位置等參數(shù)成本,明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量,提高產(chǎn)品的系統(tǒng)級性根據(jù)零部件的三維實(shí)體模型取得。能,獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品,是當(dāng)今車研發(fā)領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)。12前懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1車輛動力學(xué)模型前懸架系統(tǒng)為雙橫臂式獨(dú)立懸架,包含上下橫臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向拉桿、橫向穩(wěn)定桿、扭桿彈11模型概述簧等部件。橫向穩(wěn)定桿常用來提高懸架的側(cè)傾角隨著一些車輛多體系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件的剛度或是調(diào)整前后懸架的側(cè)傾剛度的比值,在這紛紛問世,為車輛動力學(xué)研究提供了一個方便里橫向穩(wěn)定桿采用模態(tài)中性文件來表達(dá)。扭桿彈快捷的手段。選擇 MSC ADAMS/CAR作為建?；傻慕Ｋ悸窞?在扭桿中間部分截?cái)?前端部工具,該工具是進(jìn)行車輛建模的理想工具,用戶分通過 fix joint接到車架,后端部件直接和控制可以根據(jù)實(shí)際情況選擇子系統(tǒng)型式和修改模型臂作為一體,對中間斷開部分添加圓柱副參數(shù),方便地創(chuàng)建車輛的三維動力學(xué)模型。文中( cylin增加卻桂籌根據(jù)零件圖紙調(diào)用了 ADAMS/CAR的前懸子系統(tǒng)、后懸子系計(jì)算中國煤化rad.,扭桿預(yù)統(tǒng)、轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、輪胎系統(tǒng)以及動力系統(tǒng)和制動載荷CNMHG《北京汽車)2010N01車輛動力學(xué)建模及試驗(yàn)驗(yàn)證轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向盤最大轉(zhuǎn)角為720°*2,齒的輪胎模型。條最大位移±9mm。通過 couple約束來轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)動為轉(zhuǎn)向橫拉桿的移動,齒輪齒條傳15動力及制動系統(tǒng)動比01380555,最后裝配的前懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動發(fā)動機(jī)本體采用質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心位置力學(xué)模型如圖1所示。相等的建模方法,通過襯套連接到車身上。襯套屬性如下表所示。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩可由發(fā)動機(jī)的負(fù)荷特性曲線來擬合。發(fā)動機(jī)最大扭矩190Nm/22002800,最大功率90kW/5000600,動力系統(tǒng)質(zhì)量350kg,變圖1前懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)速箱傳動比如下表所示。13后懸架系統(tǒng)40[312[=1【4區(qū)39后懸架系統(tǒng)是采用單片鋼板彈簧的非獨(dú)立整車釆用前盤后鼓制動系統(tǒng),在模型中統(tǒng)懸架,其結(jié)構(gòu)簡單,車輪的定位參數(shù)基本保持不用盤式來建模,主要是提供一定的制動力即可滿變,平順性相對于獨(dú)立式懸架稍差。模型中考慮足分析要求。了所有約束以及相應(yīng)的襯套剛度、彈簧剛度、減震器阻尼特性等輸入數(shù)據(jù)。其中使用模態(tài)中性文北16車身系統(tǒng)件來表征鋼板彈簧的特性。最后裝配的后懸架動力學(xué)模型如圖2所示。為了使問題簡便與直觀,將整個車架和車身作為一體來考慮。雖然該模型結(jié)構(gòu)簡單,但是車身起到連接前后懸架轉(zhuǎn)向系以及橫向穩(wěn)定桿的}汽重要作用,建模時應(yīng)注意定義與各個子系統(tǒng)之間車的正確連接關(guān)系。車身系統(tǒng)采用了模態(tài)中性文件柔性體的質(zhì)量為300kg。整個車身系統(tǒng),用質(zhì)量球點(diǎn)來表示,通過10個橡膠襯套連接柔性體到該質(zhì)量球點(diǎn),球點(diǎn)直接 mount到車架上不圖2后懸架系統(tǒng)影響動力學(xué)仿真的需求條件。通過修改車身質(zhì)量,來分析整車空載滿載狀態(tài)。14輪胎系統(tǒng)輪胎的力學(xué)特性對汽車運(yùn)動有著舉足輕重17整車系統(tǒng)的作用。汽車運(yùn)動狀態(tài)的改變是外力作用的結(jié)將前懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、后懸架系統(tǒng)、輪果,外力的來源主要有兩個:一是空氣作用力;胎、動力總成、制動系統(tǒng)及車身集成建立一個整是地面給汽車的作用力。對于汽車而言地面車多體模型。各子系統(tǒng)建立時考慮了橡膠襯套作用力比空氣作用力更為重要,而地面作用力都是通過輪胎作用到汽車上的。雖然這些力受輪胎等非線性環(huán)節(jié)以及減振器的非線性阻尼特性和特定部件的結(jié)構(gòu)柔性。此仿真模型準(zhǔn)確、真到轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、節(jié)氣門開度,以及制動踏板位置實(shí)地反映了實(shí)際車輛系統(tǒng)的細(xì)微結(jié)構(gòu)。的影響,但是最終這些力還是由瞬態(tài)的路況與輪胎的特性所決定。這里采用FALA輪胎模2車輛槽型試驗(yàn)驗(yàn)證型,它是由FALA在1954年由簡化的輪胎理中國煤化工論模型推導(dǎo)出的無量綱解析式的一種比較精確CNMH<莫型計(jì)算結(jié)果與北京汽車》200No車輛動力學(xué)建模及試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)車試驗(yàn)數(shù)值的對比分析來證實(shí)仿真模型的有理工具繪制相應(yīng)的變化曲線并進(jìn)行比較。效性。文中對所建模型的懸架特性參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)以K&C試驗(yàn)作為修正動力學(xué)模型的依據(jù)驗(yàn)證,因?yàn)檐囕v懸架系統(tǒng)是車輛的一個重要組成以下就3個工況下前束角變化對前懸架上下控部分,是影響車輛乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性的主制臂襯套剛度和后懸架鋼板彈簧的連接襯套剛要因素之一。度進(jìn)行調(diào)試校正,使仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果相符,獲得能夠反映實(shí)際車輛動力學(xué)特性的模21測試系統(tǒng)型,為后繼優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。K&C( Kinematics& Compliance懸架運(yùn)動和柔性)試驗(yàn)臺是用來獲取汽車懸架特性參數(shù)的專用設(shè)備(如圖3所示)配套測試軟件可以完成大4個獨(dú)立加載平臺,精確拉制汽車輪的位移和載荷。車輪輪心的位移結(jié)果由6軸光學(xué)輪運(yùn)動傳感器測得,同時在每個輪胎上施加的力由6個力傳感器來測量。通過K&C試驗(yàn)臺可以完成一系列的試驗(yàn)項(xiàng)目,其中包括: Vertical Motion, Rol Motion、 Steering、圖4前懸架同向垂直工況下的前束變化曲線北; Longitudinal Motion、 Lateral motion、 Aligning Tor如圖4所示,前懸架在同向垂直工況下前束飛9mMon針對每一個試驗(yàn)項(xiàng)目對應(yīng)一組特性角的變化,在上下控制臂襯套剛度分別為京參數(shù),譬如通過 Vertical Motion可得以下參數(shù):0N0m1.80Nm、100N0m時與K&C試驗(yàn)Toe Curves, Camber Changes, Caster Changes, Tra結(jié)果對比分析,可以得到在襯套剛度為汽! ck Changes, Wheel Base Change、 Wheel Vertical800Nmm時動力學(xué)模型的懸架特性參數(shù)與實(shí)際車Rate, Ride rate Tire Radial Rat基于現(xiàn)實(shí)情況的模型最為相符?？紤],本課題的試驗(yàn)內(nèi)容只是以上試驗(yàn)內(nèi)容的部分。圖3K&C試驗(yàn)臺圖5前懸架異向垂直工況下的前束變化曲線22實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比如圖5所示,前懸架在異向垂直工況下前束為了使仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有較好的可比角的變化,在上下控制臂襯套剛度分別為性,仿真試驗(yàn)在整車狀態(tài)下進(jìn)行懸架特性分析,500Nm、800Nmm、100/Ym時與K&C試驗(yàn)在仿真過程中以K&C試驗(yàn)的輸入數(shù)據(jù)作為虛結(jié)果對比分析,可以得到在襯套剛度為擬樣車的輸入。分析結(jié)果分別選取前后懸架在同800Nm時動力學(xué)模型的懸架特性參數(shù)與實(shí)際向垂直異向垂直縱向力側(cè)向力轉(zhuǎn)向回正力模型中國煤化工矩工況下的車輪定位角變化曲線,利用軟件后處YHCNMHG《北京汽車》2010No·車輛動力學(xué)建模及試驗(yàn)驗(yàn)證合理性和適用性。采用仿真模型可以代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行一些深入的研究應(yīng)用,研究參數(shù)的變化對性能的影響,能在短時間內(nèi)對大量的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行運(yùn)算分析,并且能夠快速解決多參數(shù)耦合性強(qiáng)、相互影響大的情況,盡可能達(dá)到多目標(biāo)之間的平衡,在最短的時間內(nèi)找到最優(yōu)方案。該車輛動力學(xué)模型可用于車輛懸架系統(tǒng)幾何參數(shù)優(yōu)化和操縱穩(wěn)圖6后懸架側(cè)向力工況下的前束變化曲線定性的仿真分析等方面的研究工作,為解決實(shí)際如圖6所示,后懸架在側(cè)向力工況下前束角工程問題提供依托,甚至是完整的解決方案。的變化,在鋼板彈簧襯套剛度分別為180N/mm360N/mm450Nmm時與K&C試驗(yàn)結(jié)果對比分參考文獻(xiàn)析,可以得到在襯套剛度為360N/mm時動力學(xué)[1]劉曉芳,等汽車工程手冊(設(shè)計(jì)篇[M].北京:人民交通模型的懸架特性參數(shù)與實(shí)際模型最為相符。出版社,2001懸架特性參數(shù)用以修正動力學(xué)模型,使其能反M北京:清華大學(xué)出版社2分析及 ADAMS應(yīng)用教程通過K&C試驗(yàn)從實(shí)際結(jié)構(gòu)得到被測對象的[2]陳立平,等機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)[3]張?jiān)浇?多體動力學(xué)在轎車動力學(xué)仿真及優(yōu)化研究中映實(shí)際結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性,以進(jìn)行具有工程價(jià)值的的應(yīng)用[D]北京清華大學(xué),1998結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),這種動力學(xué)模型的試驗(yàn)修正技[4]王承等結(jié)合K&C臺架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)的汽車操縱術(shù),在工程上具有很重要的應(yīng)用價(jià)值。穩(wěn)定性改進(jìn)研究[門].傳動技術(shù),2006(2)[5] Gillespie, T D. Fundamentals of Vehicle Dynamics [M]3結(jié)論[6] MTS Systems Corporation. Kinematics and Compliance由以上結(jié)果可知,在懸架運(yùn)動過程中,車輪Testing[Eb/OlhTtp/www.mts.com北京汽車定位角變化曲線的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,整車仿真模型較好地體現(xiàn)了真實(shí)車輛的車輪收稿日期:200-1109定位參數(shù)變化規(guī)律,證明了該多體動力學(xué)模型的(上接第32頁)合推動空氣動力學(xué)研究的發(fā)展,數(shù)值模擬將成參考文獻(xiàn)為汽車造型設(shè)計(jì)與分析評價(jià)的強(qiáng)有力工具,同時[]谷正氣汽車空氣動力學(xué)[M]北京:人民交通出版社將為汽車空氣動力學(xué)的研究和應(yīng)用提供廣闊的前景。[2]張揚(yáng)軍,呂振華徐石安涂尚榮叢艷吉.汽車空氣動力學(xué)數(shù)值仿真研究進(jìn)展[]汽車工程,001,26結(jié)束語[3]江賢軍轎車空氣動力學(xué)數(shù)值模擬及優(yōu)化[D].武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2003[4]程勉宏,劉剛,汽車空調(diào)風(fēng)道設(shè)計(jì)對車內(nèi)噪聲的影響CFD技術(shù)在汽車整車及零部件設(shè)計(jì)中應(yīng)用越[J沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2005,8來越廣泛,節(jié)約成本,縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,優(yōu)化[5]王淼,劉振俠,黃生勤 FLUENT在汽車外形設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)效果使設(shè)計(jì)結(jié)果更具有科學(xué)性對汽車進(jìn)入應(yīng)用[機(jī)械設(shè)計(jì)與制造2005實(shí)車造型與分析評價(jià)將產(chǎn)生較大影響,逐漸成為中國煤化工汽車產(chǎn)品開發(fā)的主要工具。CNMHG稿日2001《北京汽車》2010No143·