王宏磊 張立革

摘 要：用ADAMS進(jìn)行汽車系統(tǒng)仿真和優(yōu)化，通過優(yōu)化汽車前懸架部分參數(shù)，結(jié)合ADAMS底盤動(dòng)力模型，使汽車的側(cè)傾中心得到較大的提高，同時(shí)也增加了汽車的側(cè)傾角剛度，汽車的側(cè)傾穩(wěn)定性得到了較好的改善。

關(guān)鍵詞：汽車底盤;仿真;前懸架;性能優(yōu)化

0 引言

SUV相對(duì)轎車而言，由于通常采用非承載式車身結(jié)構(gòu)，底盤有堅(jiān)固的車架，使得SUV在碰撞或者翻車時(shí)對(duì)乘員有良好的保護(hù)作用;同時(shí)它的底盤比較高，SUV還具有的良好通過性，所以很受大家的歡迎。但是重心高等特點(diǎn)使得SUV的側(cè)傾穩(wěn)定性比較差，在避讓或轉(zhuǎn)彎時(shí)側(cè)翻的事故率很高，這已經(jīng)成為生產(chǎn)廠家和交通安全部門一個(gè)十分頭疼的問題。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)，2004年SUV翻車造成的悲劇在SUV的各類車禍中占到61%，是一般轎車翻車事故死亡率的三倍，所以SUV的安全問題越來(lái)越受到人們的關(guān)注。這就需要我們采取切實(shí)可行的辦法來(lái)提高SUV的抗側(cè)翻性能。采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，就必須分析側(cè)翻相關(guān)的原因，通常與汽車的側(cè)傾角剛度、側(cè)傾中心高度、簧載質(zhì)量重心高度、簧載質(zhì)量有關(guān)，但是如果改變懸架的角剛度和側(cè)傾中心，就得改變彈簧剛度和擺臂的控制點(diǎn)位置，而這些改變會(huì)引起汽車前輪定位參數(shù)的變化，從而影響汽車的操縱穩(wěn)定性和乘坐的舒適性：這些位置的改變使得汽車側(cè)傾中心高度和對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性起著重要作用的汽車前輪定位參數(shù)存在著相互制約的因素;汽車的側(cè)傾角剛度又和汽車的平順性相互制約。所以就要經(jīng)過大量的計(jì)算并對(duì)各組計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，不僅工作量大，還很難得到最優(yōu)解。這就需要一個(gè)仿真軟件來(lái)分析懸架參數(shù)的改變對(duì)汽車各方面性能的影響，尋求解決問題的辦法，優(yōu)化懸架系統(tǒng)性能，然后再根據(jù)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行樣車制作，以減少試驗(yàn)次數(shù)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

ADAMS就是目前國(guó)際上使用最為普遍的一種汽車動(dòng)力學(xué)仿真軟件，它可以對(duì)汽車進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。借助此軟件，可以建立復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的“虛擬樣機(jī)”模型，模擬現(xiàn)實(shí)工作條件下所有運(yùn)動(dòng)情況，并且快速分析比較多種設(shè)計(jì)方案，直至獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)，從而明顯減少昂貴的物理樣機(jī)的制造數(shù)量，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平，大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和降低開發(fā)成本。所以在這里主要討論ADAMS的基本理論、懸架的數(shù)學(xué)模型并用該軟件優(yōu)化汽車懸架的實(shí)例等。

1 ADAMS仿真軟件介紹

不同的系統(tǒng)仿真模型，需要采用不同求解器求得數(shù)值解。ADAMS軟件的常用求解器有多個(gè)，可以針對(duì)模型的不同，選擇相應(yīng)的求解器。在概念設(shè)計(jì)階段，研究設(shè)計(jì)人員通過多體分析軟件能夠迅速建立整個(gè)研究對(duì)象的虛擬樣機(jī)。在ADAMS軟件中，使用ADAMS/View軟件提供的部件庫(kù)與布爾運(yùn)算器，研究設(shè)計(jì)人員可以方便地在ADAMS/View界面產(chǎn)生各種形狀的零部件。在模型的物體之間，通過聯(lián)接件庫(kù)、運(yùn)動(dòng)發(fā)生器以及廣義力和力矩施加約束，建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究模型。同時(shí)可以為研究人員提供各種動(dòng)力學(xué)分析專用模塊。對(duì)于汽車研究人員來(lái)說，眾多的專用模塊，如ADAMS/Car～供轎車動(dòng)力學(xué)分析模塊，ADAMS/Android提供人體模型，ADAMS/Tire提供輪胎模型，ADAMS/Vehicle提供懸架模型，ADAMS/Engine提供發(fā)動(dòng)機(jī)建模模塊，ADAMS/Hydraulic提供液壓傳動(dòng)系統(tǒng)建模模塊等等，極大地方便了汽車設(shè)計(jì)階段的建模與汽車動(dòng)態(tài)仿真分析。

2 建立車輛的ADAMS模型

建立車輛的ADAMS模型一般遵循以下幾個(gè)典型的基本步驟：

2.1 前懸架模型

前懸架為雙橫臂螺旋彈簧獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)：由下擺臂、上擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、減振器構(gòu)成，各部件質(zhì)量、慣量信息由CATIA模型給出，上下擺臂與車架之間由兩個(gè)彈性襯套相連（轉(zhuǎn)動(dòng)副），上下擺臂與轉(zhuǎn)向節(jié)由球副相連，減振器上端與車架由圓柱副相連，減振器下端與下擺臂由彈性襯套相連（為轉(zhuǎn)動(dòng)副）。

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

各部件質(zhì)量、慣量信息由CATIA模型給出，該車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為齒輪—齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由方向盤、轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸、轉(zhuǎn)向齒條、轉(zhuǎn)向橫拉桿構(gòu)成。方向盤與轉(zhuǎn)向柱之間為固定副，轉(zhuǎn)向柱與車身間為轉(zhuǎn)動(dòng)副，轉(zhuǎn)向柱與轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸之間為萬(wàn)向節(jié)副，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸與轉(zhuǎn)向齒條之間為復(fù)合副，轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸與車身問為轉(zhuǎn)動(dòng)副，齒條與轉(zhuǎn)向橫拉桿之間為萬(wàn)向節(jié)副，轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)之間為球副，齒條與車身之間為移動(dòng)副。

2.3 輪胎模型

輪胎與轉(zhuǎn)向節(jié)之間為轉(zhuǎn)動(dòng)副，在輪胎與地面之間作用六個(gè)分力來(lái)描述輪胎力學(xué)特性。仿真采用了基于輪胎側(cè)偏特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)、考慮側(cè)滑、縱滑聯(lián)合工況的輪胎側(cè)偏特性理論模型—UA輪胎模型。

3 結(jié)論

用ADAMS進(jìn)行汽車系統(tǒng)仿真和優(yōu)化，在設(shè)計(jì)初級(jí)階段有很重要的指導(dǎo)意義，在樣車試驗(yàn)階段又可以很方便的尋找汽車懸架系統(tǒng)參數(shù)存在的問題及優(yōu)化的方向。本文通過優(yōu)化汽車前懸架的部分參數(shù)，結(jié)合ADAMS底盤動(dòng)力學(xué)模型，使汽車的側(cè)傾中心得到較大的提高，同時(shí)也增加了汽車的側(cè)傾角剛度，汽車的側(cè)傾穩(wěn)定性得到了較好的改善。通過實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性，大大降低了開發(fā)周期，減少了開發(fā)成本。