基于虛擬技術(shù)的汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)仿真分析畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢 業(yè) 論 文</b></p><p>　　專 業(yè)： </p><p><b>　　班級(jí)學(xué)號(hào)： </b></p><p><b>　　學(xué)生姓名： </b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p

2、><p><b>　　二○一一年六月</b></p><p>　　基于虛擬技術(shù)的汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)仿真分析</p><p>　　Simulation and Analysis of Vehicle Handling and Stability Based on the Virtual Prototype</p><p>&l

3、t;b>　　專業(yè)班級(jí)：</b></p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p><b>　　指導(dǎo)教師：</b></p><p><b>　　學(xué) 院：</b></p><p>　　2011 年 6 月 </p><p>&l

4、t;b>　　摘 要</b></p><p>　　汽車操縱穩(wěn)定性能是指汽車在行駛時(shí)接受駕駛員的控制能力及行駛方向的穩(wěn)定能力。本文的重點(diǎn)是利用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立實(shí)際車輛的整車動(dòng)力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上根據(jù)汽車操縱穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)進(jìn)行了操縱穩(wěn)定性仿真研究。</p><p>　　首先,論文比較詳細(xì)的總結(jié)了汽車操縱穩(wěn)定性研究的發(fā)展和現(xiàn)狀，從不同角度對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的研究和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行

5、詳細(xì)分類。介紹了論文將要使用的ADAMS軟件的主要模塊和軟件的理論基礎(chǔ)。為下面的建模和仿真分析建立了理論基礎(chǔ)。</p><p>　　其次，根據(jù)汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)分析的要求和特點(diǎn)，參照某款國(guó)產(chǎn)車的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用ADMAS／Car軟件建立相對(duì)簡(jiǎn)化的汽車整車三維參數(shù)化實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，包括前后懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪胎及車身等結(jié)構(gòu)，完成虛擬樣機(jī)建模。</p><p>　　最后，依據(jù)汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方

6、法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求分別進(jìn)行為蛇行試驗(yàn)、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入和轉(zhuǎn)向輕便性實(shí)驗(yàn)。根據(jù)汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法，對(duì)汽車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)整車操縱穩(wěn)定性影響的相關(guān)規(guī)律。</p><p>　　整個(gè)研究過(guò)程以虛擬樣機(jī)技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)上對(duì)整車的操縱穩(wěn)定性的仿真研究。該研究對(duì)在車輛產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中改進(jìn)汽車的性能、提高汽車的主動(dòng)安全性、降低開發(fā)和制造成本及縮短產(chǎn)品開發(fā)周期有

7、著一定的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　關(guān)鍵詞：操縱穩(wěn)定性;仿真試驗(yàn);整車模型;ADAMS/Car</p><p><b>　　ABSTRCT</b></p><p>　　Vehicle handling and stability is to accept the driver when the car is moving and th

8、e ability to control the stability of driving direction capabilities. This paper is focused on the use of virtual prototype technology build actual vehicle dynamics model, the vehicle up based on the vehicle steering sta

9、bility on the standard test control stability simulation </p><p>　　First, this paper summarizes the development stage and present status of vehicle handling stability。The thesis classifies the estimation m

10、ethods from different aspects. Then; the key modules and the abstract foundation of ADAMS are introduced that will be used in the following chapters. These theories are the base of the subsequent model building and simul

11、ation analysis.</p><p>　　Second，to realize the virtual development of automobile products，a virtual car model was built for a certain domestic passenger car by the means of ADAMS，in which front and real susp

12、ensions，steering system，tires，road and the vehicle body are considered．</p><p>　　Finally, configurations under typical working condition(steady static circular test, steering transient response test and pylo

13、n course slalom test)was performed．According to the National Evaluation Index and Evaluation Method on the Vehicle Handling and Stability, the relationship of parameters and evaluation index was discussed．</p><

14、;p>　　The whole research concentrated on the exploration and application of virtual prototyping technology．Through further study, the relation between evaluation index and vehicle structural parameters would be gained．

15、Thus，vehicle dynamic characteristics can be improved and the safety of vehicle Can be enhanced．</p><p>　　KEY WORDS：Handling stability; Simulation trial; Vehicle model; ADAMS/Car </p><p><b&g

16、t;　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 汽車操縱穩(wěn)定性研究的發(fā)展與現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2操縱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法2</p><p>　　1.2.1 開環(huán)和閉環(huán)評(píng)價(jià)2</p><p>　　1.2.2 客觀評(píng)價(jià)和

17、主觀評(píng)價(jià)3</p><p>　　1.3 課題的意義和研究?jī)?nèi)容4</p><p>　　2 動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS的概述5</p><p>　　2.1 ADAMS軟件及其核心模塊介紹5</p><p>　　2.2 ADMAS軟件的計(jì)算分析工作流程7</p><p>　　2.3 本章小結(jié)7</p>&

18、lt;p>　　3 基于ADMAS/CAR整車虛擬模型的建立8</p><p>　　3.1整車虛擬樣機(jī)模型建立8</p><p>　　3.1.1懸架模型9</p><p>　　3.1.2 轉(zhuǎn)向系模型10</p><p>　　3.1.3 輪胎模型10</p><p>　　3.1.5 傳動(dòng)系和發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立

19、13</p><p>　　3.1.6 車身模型的建立13</p><p>　　3.1.7 整車系統(tǒng)模型的建立13</p><p>　　3.2 本章小結(jié)14</p><p>　　4 汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析15</p><p>　　4.1 汽車操縱穩(wěn)定性概述15</p><p>　　4.

20、2 整車仿真試驗(yàn)16</p><p>　　4.2.1 蛇行試驗(yàn)仿真分析16</p><p>　　4.2.2 轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入）仿真分析20</p><p>　　4.2.3 轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入）仿真分析23</p><p>　　4.2.4 轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)仿真分析28</p><

21、p>　　4.2.5 操縱穩(wěn)定性總體評(píng)價(jià)33</p><p>　　4.3本章小結(jié)33</p><p>　　5 結(jié)論與展望34</p><p><b>　　5.1 結(jié)論34</b></p><p>　　5.2 論文展望34</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)36</

22、b></p><p><b>　　致 謝37</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 汽車操縱穩(wěn)定性研究的發(fā)展與現(xiàn)狀</p><p>　　操縱穩(wěn)定性是汽車的一種運(yùn)動(dòng)性能這種性能通過(guò)駕駛員在一定路面和環(huán)境下的操縱反映出來(lái)。通常認(rèn)為汽車的操縱穩(wěn)定性包含

23、相互聯(lián)系的兩個(gè)部分:一是操縱性，二是穩(wěn)定性。操縱性是指汽車能夠確切的響應(yīng)駕駛員轉(zhuǎn)向指令的能力。穩(wěn)定性是指汽車受到外界擾動(dòng)(路面擾動(dòng)和突然陣風(fēng)擾動(dòng))后恢復(fù)原來(lái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力。兩者很難斷然分開，穩(wěn)定性好壞直接影響操縱性好壞，因此通常稱為操縱穩(wěn)定性。汽車的操縱穩(wěn)定性是影響汽車主動(dòng)安全性的重要性能之一。因此，如何研究和評(píng)價(jià)汽車的操縱穩(wěn)定性，以獲得良好的汽車主動(dòng)安全性一直是關(guān)于汽車的最重要的課題，工程師們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域的不斷探索使人們對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性

24、的研究越來(lái)越深入。</p><p>　　有關(guān)車輛轉(zhuǎn)向的動(dòng)力學(xué)思想始于二十世紀(jì)初期，以人們對(duì)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)輪胎側(cè)向力及產(chǎn)生側(cè)向力的輪胎側(cè)偏角的認(rèn)識(shí)為標(biāo)志。通常認(rèn)為是法國(guó)工程師喬治·布勞海特在1925年發(fā)現(xiàn)了輪胎側(cè)偏現(xiàn)象。1935年，Evans給出了有關(guān)輪胎力學(xué)特性較為深入的結(jié)果，包括輪胎側(cè)偏剛度隨著側(cè)偏角變化的規(guī)律。在隨后的幾年里，汽車操縱穩(wěn)定性理論的一些重要的基本概念，如不足轉(zhuǎn)向、過(guò)度轉(zhuǎn)向、臨界車速等已為汽

25、車工程師所熟悉。在三十年代后期，比較有效的描述汽車穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向的數(shù)學(xué)模型在實(shí)際中得到應(yīng)用。隨后，人們的注意力開始轉(zhuǎn)向汽車的動(dòng)態(tài)特性。大約經(jīng)過(guò)三十年的時(shí)間，在汽車瞬態(tài)響應(yīng)的分析方面才取得了顯著的成績(jī)。</p><p>　　在六十年代前的研究主要是操縱穩(wěn)定性的開環(huán)研究，并取得了許多研究成果，詳細(xì)討論了汽車的不足轉(zhuǎn)向與過(guò)多轉(zhuǎn)向的特性；分析了保持汽車的行駛方向穩(wěn)定性條件是臨界車速必須大于汽車最高車速等。其應(yīng)用的基礎(chǔ)是經(jīng)典控制

26、理論，依據(jù)汽車的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析，使用不足—過(guò)度轉(zhuǎn)向特性和轉(zhuǎn)向輸入的階躍響應(yīng)特性，來(lái)對(duì)汽車的操縱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。</p><p>　　七十年代初期，EVS研究計(jì)劃開始實(shí)施，促使人們?nèi)パ芯繉?shí)用的操縱性設(shè)計(jì)方法。鑒于當(dāng)時(shí)的駕駛員模型仍處于提高閉環(huán)跟蹤響應(yīng)的仿真精度的水平，各國(guó)研究人員主要采用系統(tǒng)工程學(xué)的方法去探索操縱性的評(píng)價(jià)方法。依據(jù)大量的試驗(yàn)與理論分析，首先出了穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性、瞬態(tài)響應(yīng)特性、回正特性和側(cè)向滑移特性的安全容許

27、極限，對(duì)操縱進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)(Objective Evaluation)。七十年代中后期以后，開始利用駕駛員對(duì)汽車直線行駛性能、轉(zhuǎn)彎行駛性能和轉(zhuǎn)向輕便性等特性的感覺，進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)(Subjective Evaluation)。主觀評(píng)價(jià)方法雖然沒有經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)，但是由于考慮了駕駛員因素和道路環(huán)境的特點(diǎn)，在一定程度上體現(xiàn)了閉環(huán)設(shè)計(jì)的思想。</p><p>　　八十年代以來(lái)，人們從理論和試驗(yàn)兩個(gè)方面著手，重新開始深入地研究

28、駕駛員— 汽車—道路閉環(huán)系統(tǒng)。在理論方面，充分地考慮到人的學(xué)習(xí)性和適應(yīng)性，建立了許多確定性駕駛員方向控制模型，有效地仿真了駕駛員—汽車—道路閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)給定路徑的跟隨過(guò)程。在試驗(yàn)方面，考慮到駕駛員模型的進(jìn)展程度不能滿足主動(dòng)安全性閉環(huán)設(shè)計(jì)的要求，以及安全試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法只能在樣車試制后采用，并受到自然條件限制等缺陷，研制了各種駕駛模擬器。這些模擬器采用先進(jìn)的實(shí)時(shí)仿真、數(shù)字成像、液壓控制等技術(shù)，將真實(shí)的駕駛員與模型化的汽車相結(jié)合，通過(guò)室內(nèi)計(jì)算機(jī)仿

29、真代替場(chǎng)地試驗(yàn)，緩和了理論研究的發(fā)展程度與汽車主動(dòng)安全性閉環(huán)設(shè)計(jì)要求之間的矛盾。</p><p>　　國(guó)內(nèi)，汽車專家郭孔輝教授在駕駛員模型、駕駛員—汽車—道路閉環(huán)系統(tǒng)特性及其閉環(huán)綜合評(píng)價(jià)方面作了大量的研究工作。他在考慮了影響汽車操縱性的諸多因素的基礎(chǔ)上，提出了物理意義明確的各個(gè)單項(xiàng)總方差評(píng)價(jià)指標(biāo)(軌道、側(cè)向加速度、轉(zhuǎn)向盤角速度、前后輪側(cè)向力系數(shù)、路感)，并且應(yīng)用頻域統(tǒng)計(jì)分析方法提出了閉環(huán)系統(tǒng)主動(dòng)安全性的綜合評(píng)價(jià)與

30、設(shè)計(jì)方法，便于工程應(yīng)用。</p><p>　　1.2操縱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法</p><p>　　目前，對(duì)操縱穩(wěn)定性的研究和評(píng)價(jià)主要從以下三個(gè)方面進(jìn)行。</p><p>　　(1)通過(guò)試驗(yàn)，測(cè)量開環(huán)和閉環(huán)條件下汽車的主要運(yùn)動(dòng)量，研究汽車及人—車閉環(huán)系統(tǒng)的特性，并對(duì)此進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)；</p><p>　　(2)通過(guò)試驗(yàn)中駕駛員的主觀感覺，對(duì)汽車的特

31、性進(jìn)行研究和評(píng)價(jià);基于ADAMS的汽車操縱穩(wěn)定性仿真試驗(yàn)初步研究；</p><p>　　(3)通過(guò)汽車動(dòng)力學(xué)模型和人—車閉環(huán)系統(tǒng)模型，從理論上來(lái)研究和評(píng)價(jià)汽車的操縱穩(wěn)定性。</p><p>　　從理論與試驗(yàn)的角度可以分為:</p><p>　　1.理論分析和動(dòng)態(tài)仿真研究，在開環(huán)或閉環(huán)條件下評(píng)價(jià)車輛的操縱穩(wěn)定性;</p><p>　　2.試驗(yàn)研

32、究，包括客觀評(píng)價(jià)和駕駛員的主觀評(píng)價(jià)。</p><p>　　1.2.1 開環(huán)和閉環(huán)評(píng)價(jià)</p><p>　　第一類方法是在開環(huán)和閉環(huán)條件下的評(píng)價(jià)。</p><p>　　把汽車本身看作一個(gè)系統(tǒng)，按照對(duì)控制系統(tǒng)操縱性、穩(wěn)態(tài)品質(zhì)和瞬態(tài)響應(yīng)特性的一般性要求，來(lái)分析和和研究汽車運(yùn)動(dòng)特性的方法稱為開環(huán)方法。這種方法是把操縱穩(wěn)定,作為汽車自身的性能，是一種不包括駕駛員特性的汽車性能

33、可以按圖1-1的系統(tǒng)進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)。開環(huán)方法所應(yīng)用的基礎(chǔ)是經(jīng)典控制理論，依據(jù)汽車的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析，使用不足、過(guò)度轉(zhuǎn)向特性和轉(zhuǎn)向輸入的階躍響應(yīng)特性，來(lái)對(duì)汽車的操縱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。但是開環(huán)方法很難直接在實(shí)際中應(yīng)用。</p><p>　　輸入 輸出</p><p>　　圖1-1 開環(huán)系統(tǒng)</p><p>　　事實(shí)上，汽車的性能是通過(guò)人的操縱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，為

34、更全面徹底地研究和評(píng)價(jià)汽車的操縱穩(wěn)定性，就應(yīng)考慮到駕駛員特性與汽車特性的配合問(wèn)題，如圖1-2所示。即把汽車作為駕駛員—汽車閉環(huán)系統(tǒng)的被控環(huán)節(jié)，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)特性的分析和綜合，汽車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)，這種方法稱為閉環(huán)方法。</p><p>　　輸入 輸出</p><p>　　圖1-2人—車

35、閉環(huán)系統(tǒng)</p><p>　　1.2.2 客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)</p><p>　　汽車操縱穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的另一類方法是客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)。客觀評(píng)價(jià)就是通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)測(cè)試一些與操縱穩(wěn)定性有關(guān)的汽車運(yùn)動(dòng)量(如橫擺角速度、側(cè)向加速度、側(cè)傾角及轉(zhuǎn)向力等)，然后與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)比較;主觀評(píng)價(jià)則是駕駛員根據(jù)任務(wù)要求操縱汽車時(shí)，依據(jù)對(duì)操縱動(dòng)作難易程度的感覺來(lái)評(píng)價(jià)汽車操縱穩(wěn)定性。</p><p&

36、gt;　　顯然，客觀評(píng)價(jià)是一種定量評(píng)價(jià)，若評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠確定的話，則無(wú)需進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。但是，由于汽車的操縱穩(wěn)定性受多種因素影響，其客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)很難確定。因此，主觀評(píng)價(jià)在汽車操縱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)中一直占重要地位。另外，由于汽車是由人來(lái)駕駛的，因此主觀感覺評(píng)價(jià)法始終是操縱穩(wěn)定性的最終評(píng)價(jià)方法。譬如客觀評(píng)價(jià)中采用的物理量是否可以表征操縱穩(wěn)定性，就取決于用這些物理量評(píng)價(jià)性能的結(jié)果與主觀感覺評(píng)價(jià)是否一致。熟練的試驗(yàn)駕駛員在進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)時(shí)，還能檢測(cè)儀

37、器所不能檢測(cè)出來(lái)的現(xiàn)象。較為 常見的是先由人的感覺發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，然后用儀器來(lái)進(jìn)行計(jì)測(cè)。主觀評(píng)價(jià)的缺點(diǎn)之一是，受到評(píng)價(jià)者個(gè)人主觀因素的影響，不同評(píng)價(jià)者可能給出差別較大的評(píng)價(jià)結(jié)果。其另一點(diǎn)是，一般情況下，它不能給出“汽車性能”與“汽車結(jié)構(gòu)”二者之間有何種聯(lián)系的。</p><p>　　1.3 課題的意義和研究?jī)?nèi)容</p><p>　　汽車的操縱穩(wěn)定性是關(guān)系到汽車行駛安全的重要因素之一，研究操縱穩(wěn)定性

38、的目的在于改善汽車的運(yùn)動(dòng)性能，減少由此引發(fā)的交通事故。對(duì)操縱穩(wěn)定性的研究通常采用試驗(yàn)方法和仿真分析的方法。</p><p>　　由于仿真分析需要的時(shí)間短，可重復(fù)進(jìn)行，對(duì)各種方案可以進(jìn)行快速優(yōu)化對(duì)比，并且可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)條件下不能進(jìn)行的嚴(yán)酷工況分析，因此被日益廣泛采用。以多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ)，應(yīng)用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS，建立整車系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)和仿真，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于加快新產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程，降低開發(fā)費(fèi)用，提

39、高產(chǎn)品性能和可靠性具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。課題緊密圍繞產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)的這一主題思想，運(yùn)用先進(jìn)的軟硬件平臺(tái)，建立有代表性的汽車整車虛擬樣機(jī)，然后在計(jì)算機(jī)上完成對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性的仿真分析，使汽車開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性能分析和校核工作盡可能多的轉(zhuǎn)移到虛擬平臺(tái)上，從而減少物理樣機(jī)的試制次數(shù)，減少場(chǎng)地試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的工作量，其本質(zhì)和最終目的是要縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低開發(fā)費(fèi)用，增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。</p><p>　　本文

40、主要研究?jī)?nèi)容包括以下兩個(gè)方面：</p><p>　　1.根據(jù)汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)分析的要求和特點(diǎn)，參照某款實(shí)車的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用ADAMS/Car軟件建立相對(duì)簡(jiǎn)化的汽車整車多體仿真模型，包括前后懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪胎及車身等結(jié)構(gòu)。從而將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入到汽車性能研究領(lǐng)域。</p><p>　　2. 按照GB/T 6323－1994《汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》的詳細(xì)規(guī)定對(duì)整車仿真模型進(jìn)行蛇行、轉(zhuǎn)

41、向瞬態(tài)響應(yīng)（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入）、轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入）、轉(zhuǎn)向輕便性等四個(gè)試驗(yàn)仿真，并按照QC/T 480—1999《汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法》的相關(guān)規(guī)定對(duì)整車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)分。</p><p>　　2 動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS的概述</p><p>　　2.1 ADAMS軟件及其核心模塊介紹</p><p>　　ADAMS(Automati

42、c Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)化分析軟件包)是由美國(guó)機(jī)械動(dòng)力公司開發(fā)的。由于該軟件使用交互式的圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論的Langrage方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性

43、能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。</p><p>　　ADAMS軟件功能概述如下：</p><p>　　(1)可有效地分析三維機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與力。例如可以利用ADAMS來(lái)模擬作用在輪胎上的垂直、轉(zhuǎn)向、陀螺效應(yīng)、牽引與制動(dòng)、力與力矩；還可應(yīng)用ADAMS進(jìn)行整個(gè)車輛或懸架系統(tǒng)道路操縱性的研究。</p><p>　　(2)利用ADAMS可模擬大位移

44、的系統(tǒng)。ADAMS很容易處理這種模型的非線性方程，而且可進(jìn)行線性近似。</p><p>　　(3)可分析運(yùn)動(dòng)學(xué)靜定(對(duì)于非完整的約束或速度約束一般情況的零自由度)系統(tǒng)。</p><p>　　(4)對(duì)于一個(gè)或多個(gè)自由度機(jī)構(gòu)，ADAMS可完成某一時(shí)間上的靜力學(xué)分析或某一時(shí)間間隔內(nèi)的靜力學(xué)分析。</p><p>　　(5)有線性系統(tǒng)模態(tài)分析、力輸入運(yùn)動(dòng)以及模擬控制系統(tǒng)的能

45、力。</p><p>　　ADAMS提供了多種可選模塊，核心軟件包包括交互式圖形環(huán)境ADAMS／VIEW和ADAMS／SOLVER(仿真求解器)，以及其他的擴(kuò)展模塊，如ADAMS／CAR，ADAMS／CONTROL，ADAMS／TIRE等模塊。</p><p>　　ADAMS／VIEW是ADAMS系列產(chǎn)品的交互式圖形環(huán)境，它提供豐富的零件幾何圖形庫(kù)、約束庫(kù)和力庫(kù)，將便捷的圖表操作、菜單操作

46、、鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作與交互式圖形建模、仿真計(jì)算、動(dòng)畫顯示、優(yōu)化設(shè)計(jì)、x—Y曲線圖處理、結(jié)果分析和數(shù)據(jù)打印等功能集成在一起。ADAMS／VIEW采用簡(jiǎn)單的分層方式完成建模工作，提供了豐富的零件幾何圖形庫(kù)、約束庫(kù)和力／力矩庫(kù)，并且支持布爾運(yùn)算，采用Para solid作為實(shí)體建模的內(nèi)核，支持FORTRAN／77和FORTRAN／90中所有函數(shù)。</p><p>　　ADAMS／View采用用戶熟悉的Motif界面(UNIX

47、系統(tǒng))和Windows界面(NT系統(tǒng))，提供了相對(duì)任意參考坐標(biāo)系方便定位的功能，從而大大提高了快速建模能力。在ADAMS／View中，用戶利用Table debtor，可像用EXCEL一樣方便地編輯模型數(shù)據(jù)：同時(shí)還提供了Plot Browser和Function Builder工具包；具有DS(設(shè)計(jì)研究)、DOE(試驗(yàn)設(shè)計(jì))、OPTIMIZE(優(yōu)化)功能，可使用戶方便地進(jìn)行優(yōu)化工作。</p><p>　　ADAM

48、S／SOLVER是ADAMS軟件的核心。它采用多剛體動(dòng)力學(xué)理論中的Langrage方程的方法，自動(dòng)形成機(jī)械系統(tǒng)模型的動(dòng)力學(xué)方程，提供靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的解算結(jié)果。ADAMS／SOLVER有各種建模和求解選項(xiàng)，以便精確有效地解決各種工程問(wèn)題。ADAMS的計(jì)算程序應(yīng)用了Gear的剛性積分算法以及稀疏矩陣技術(shù)，大大提高了計(jì)算效率。ADAMS／SOLVER可以對(duì)剛體和彈性體進(jìn)行仿真研究，為了進(jìn)行有限元分析和控制研究，用戶除了要求輸出位移、速

49、度、加速度和外力，還要求模塊輸出用戶自己定義的數(shù)據(jù)。用戶可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)副、隨機(jī)運(yùn)動(dòng)、用戶自己定義的子程序等添加不同的約束。</p><p>　　ADAMS／Post Processor(專用后處理模塊)。MDI公司為提高ADAMS仿真結(jié)果的處理能力而開發(fā)的模塊，主要用來(lái)輸出高性能的動(dòng)畫和各種數(shù)據(jù)曲線，使用戶可以方便而快捷地觀察、研究ADAMS仿真結(jié)果。該模塊既可以在ADAMS／View環(huán)境中運(yùn)行，也可以脫離ADAM

50、S環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行。當(dāng)該模塊獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，能提高軟件的啟動(dòng)速度、減少內(nèi)存消耗。該模塊的主要特點(diǎn)如下：快速高質(zhì)量的動(dòng)畫演示；功能豐富的數(shù)據(jù)作圖、數(shù)據(jù)處理及文件輸出；具有層次清晰的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；多窗口畫面顯示；多視窗動(dòng)畫與曲線結(jié)果同步顯示；豐富的后處理功能：曲線的加減乘除，偏置，縮放，F(xiàn)FT變換、濾波、波特圖等：間隙研究。</p><p>　　ADAMS／Car(轎車模塊)。ADAMS／Car是MDI公司與Audi，BMW，R

51、enault和Volvo等公司合作開發(fā)的整車設(shè)計(jì)軟件包，集成了它們?cè)谄囋O(shè)計(jì)、開發(fā)等方面的經(jīng)驗(yàn)，利用該模塊，工程師可以快速建造高精度的整車虛擬樣機(jī)(包括車身、懸架、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、制動(dòng)系統(tǒng)等)并進(jìn)行仿真，通過(guò)高速動(dòng)畫直觀地顯示在各種試驗(yàn)工況下(例如天氣、道路狀況、駕駛員經(jīng)驗(yàn))整車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，并輸出標(biāo)志操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性、乘坐舒適性和安全性的特征參數(shù)，從而減少對(duì)物理樣機(jī)的依賴，而仿真時(shí)間只是物理樣機(jī)試驗(yàn)的幾分之一。</p

52、><p>　　ADAMS／car采用的用戶化界面是根據(jù)汽車設(shè)計(jì)師的習(xí)慣而專門設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)師不必經(jīng)過(guò)任何專業(yè)培訓(xùn)，就可以應(yīng)用該軟件開展卓有成效的開發(fā)工作。ADAMS／Car中包括整車動(dòng)力學(xué)軟件包(Vehicle Dynamics)，懸架設(shè)計(jì)軟件包(Suspension Design)以及概念化懸架設(shè)計(jì)模塊(CSM)。</p><p>　　ADAMS／Tire(輪胎模塊)。ADAMS／Tire是研

53、究輪胎／道路相互作用的建?？蛇x模塊包。利用該模塊工程師可以更方便地計(jì)算側(cè)向力、自動(dòng)回正力矩及由于路面不平而產(chǎn)生的力，進(jìn)行裝備不同輪胎的整車在各種路面條件下的多組道路試驗(yàn)。</p><p>　　利用該模塊，可以計(jì)算輪胎為克服滾動(dòng)阻力而受到的垂向、縱向和側(cè)向載荷；仿真研究車輛在制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、加速、滑行、滑移等大變形工況下的動(dòng)力學(xué)特性；與ADAMS／Car模塊結(jié)合，研究車輛的穩(wěn)定性，計(jì)算汽車的偏轉(zhuǎn)、俯仰和側(cè)傾特性；其輸出

54、力和加速度數(shù)據(jù)可以作為有限元軟件包的輸入載荷進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力和疲勞特性研究。</p><p>　　ADAMs／Tire操縱穩(wěn)定性輪胎模型可以應(yīng)用于車輛動(dòng)力學(xué)研究，該類輪胎模型有：荷蘭TNO開發(fā)的Delft-Tire(Pacejka96)輪胎模型，應(yīng)用荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)Pacejka教授提出的Magic Formula理論開發(fā)的Pacejka 89與Pacejka94輪胎模型，F(xiàn)iala輪胎模型，UA模型，Smi

55、thers模型，此外可由用戶自定義輪胎模型。</p><p>　　2.2 ADMAS軟件的計(jì)算分析工作流程</p><p>　　利用ADAMS 軟件中提供得零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)等建模模塊，按照所要分析的系統(tǒng)的物理參數(shù)建立起多剛體系統(tǒng)模型。ADAMS 軟件進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，首先讀取原始的輸入數(shù)據(jù)，在檢查正確無(wú)誤后,判斷整個(gè)系統(tǒng)的自由度。如果系統(tǒng)的自由度為零，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。如果系統(tǒng)的自由度不為零,

56、ADAMS軟件通過(guò)分析初始條件，判定是進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析還是靜力學(xué)分析。在確定了分析類型后，ADAMS 軟件通過(guò)其功能強(qiáng)大的積分器求解矩陣方程。如果在仿真時(shí)間結(jié)束前，不發(fā)生雅克比矩陣奇異或矩陣結(jié)構(gòu)奇異（如位置鎖死），則仿真成功。此時(shí)，可以通過(guò)人機(jī)交互界面再輸入新的模擬結(jié)束時(shí)間，或者進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的測(cè)量及繪制曲線。如果在仿真過(guò)程中，出現(xiàn)雅克比矩陣奇異或矩陣結(jié)構(gòu)奇異，則數(shù)值發(fā)散，ADAMS 軟件顯示為仿真失敗，這需要檢查系統(tǒng)模型（特別是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的

57、位置鎖死點(diǎn)以及約束的類型），或者重新設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)、系統(tǒng)阻尼、數(shù)值積分程序中的控制參數(shù)等，直到得出正確的仿真結(jié)果。</p><p>　　ADAMS 軟件從數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)輸出的整個(gè)計(jì)算過(guò)程可以分為以下幾個(gè)部分：</p><p><b>　　1. 數(shù)據(jù)的輸入。</b></p><p><b>　　2. 數(shù)據(jù)的檢查。</b><

58、;/p><p>　　3. 機(jī)構(gòu)的裝配及過(guò)約束的消除</p><p>　　4. 運(yùn)動(dòng)方程的自動(dòng)生成。</p><p>　　5. 積分迭代運(yùn)算過(guò)程。</p><p>　　6. 運(yùn)算過(guò)程中錯(cuò)誤檢查和信息輸出。</p><p><b>　　7. 結(jié)果的輸出。</b></p><p>&

59、lt;b>　　2.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對(duì)應(yīng)用于虛擬樣機(jī)仿真分析的ADAMS 軟件進(jìn)行了概括性的介紹，包括其主要功能和各功能模塊，建模仿真流程等。為后續(xù)的建模和仿真分析奠定了基礎(chǔ)。 </p><p>　　3 基于ADMAS/CAR整車虛擬模型的建立</p><p>　　經(jīng)過(guò)對(duì)目前的車輛動(dòng)力學(xué)分析軟件進(jìn)行比較，選擇了多體系統(tǒng)動(dòng)

60、力學(xué)軟件ADAMS進(jìn)行整車虛擬樣機(jī)的建模仿真。其中多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS的Car模塊使用參數(shù)化建模，用戶可根據(jù)需要調(diào)整車輛模型參數(shù)，便于性能優(yōu)化：而且還包含具有一定智能性的駕駛員模型設(shè)置信息，在仿真分析中可以根據(jù)需要選擇對(duì)應(yīng)的駕駛員模型進(jìn)行閉環(huán)系統(tǒng)的分析。</p><p>　　ADAMS／Car提供了兩種運(yùn)行模式：標(biāo)準(zhǔn)模式(Standard Interface)和模板建模器(Template Builder

61、)。在標(biāo)準(zhǔn)模式下，用戶可以根據(jù)汽車的構(gòu)造來(lái)選擇合適的模板，如懸架系統(tǒng)，輪胎系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等；若沒有合適的模板，可使用模板建模器根據(jù)汽車的具體結(jié)構(gòu)來(lái)生成所需的模板。在建模過(guò)程中，ADAMS／Car的建模順序是自下而上的(模板—子系統(tǒng)一整車)，模板是整個(gè)模型中最基本的模塊。在建立模板階段，正確建立零部件問(wèn)的連接關(guān)系和信號(hào)器是至關(guān)重要的，這些數(shù)據(jù)在以后的子系統(tǒng)和總成階段無(wú)法修改，而零部件的位置和特征參數(shù)在后續(xù)過(guò)程中可以更改。模板建立以后，接下

62、來(lái)是創(chuàng)建子系統(tǒng)，在子系統(tǒng)的級(jí)別上，可對(duì)已創(chuàng)建的零部件進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)的修改。最后是建立分析總成，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可根據(jù)實(shí)際需要，將不同的子系統(tǒng)組合成為完整的分析模型。為了對(duì)整車進(jìn)行仿真分析，還需要設(shè)置試驗(yàn)裝配(Test Rig)，試驗(yàn)裝配的選擇依賴仿真分析類型，如開環(huán)、閉環(huán)、準(zhǔn)靜態(tài)等。裝配完整車后，就可利用求解器進(jìn)行仿真分析了。根據(jù)分析的結(jié)果，使用后處理模塊，可對(duì)其中的參數(shù)結(jié)果進(jìn)行可視化分析，畫出對(duì)應(yīng)的變化曲線，得出系統(tǒng)的性能測(cè)試指</p

63、><p>　　汽車是一個(gè)極其復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，如果按照車輛的真實(shí)構(gòu)造進(jìn)行建模，工作量非 常大，因此應(yīng)根據(jù)研究目的簡(jiǎn)化模型，主要注意以下幾種情況：</p><p>　　1.懸架零部件中除了彈性元件，其余元件全部看作剛體。</p><p>　　2.建立參數(shù)化模型，以便動(dòng)態(tài)修改參數(shù)。</p><p>　　3.為了分析問(wèn)題的方便將車身看作剛體

64、。</p><p>　　4.由于減振器的結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，應(yīng)用ADAMS提供的Spring--Damper力元素，用它來(lái)模擬減振器和彈簧的作用，對(duì)實(shí)體建模進(jìn)行了省略。</p><p>　　3.1 整車虛擬樣機(jī)模型建立</p><p>　　本課題主要研究的是汽車操縱穩(wěn)定性，所以在建模時(shí)對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的抽象和簡(jiǎn)化。根據(jù)人一車—路閉環(huán)系統(tǒng)的組成建立了虛擬樣機(jī)的前后懸架系統(tǒng)

65、模型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、輪胎模型、路面模型、車身以及駕駛員模型。</p><p><b>　　3.1.1懸架模型</b></p><p>　　懸架把車架(或車身)與車橋(或車輪)彈性地連接起來(lái)。其主要任務(wù)是傳遞作用在車輪和車架(或車身)之間的一切力和力矩，緩和由不平路面?zhèn)鬟f給車架(或車身)的沖擊載荷，衰減由沖擊載荷引起的承載系統(tǒng)的振動(dòng)，保證汽車的行駛平順性，保證車輪在路面

66、不平和載荷變化時(shí)有理想的運(yùn)動(dòng)特性，保證汽車的操縱穩(wěn)定性，使汽車獲得高速行駛能力。</p><p><b>　　1.前懸架模型</b></p><p>　　以前橋驅(qū)動(dòng)車輛為研究對(duì)象，前懸架采用滑柱連桿式獨(dú)立懸架(即麥弗遜懸架)。懸架左右對(duì)稱，經(jīng)抽象簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，主要由減振器、螺旋彈簧、橫擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)總成、輪軸、橫向穩(wěn)定桿等組成。橫擺臂內(nèi)端與副車架通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸

67、鏈連接，使其可以相對(duì)車身上下擺動(dòng)；外端通過(guò)球鉸鏈與轉(zhuǎn)向節(jié)相連。減振器的下端通過(guò)圓柱鉸鏈與轉(zhuǎn)向節(jié)相連，使其相對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)可以軸向轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)；另一端通過(guò)萬(wàn)向節(jié)鉸鏈連接到車身上，可以相對(duì)車身做前后、左右的轉(zhuǎn)動(dòng)。麥弗遜式懸架的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置緊湊，車輪跳動(dòng)時(shí)沿主銷軸線移動(dòng)，因此降低了汽車的重心，提高了汽車的行駛穩(wěn)定性。</p><p>　　圖3-1 前懸架模型</p><p><b>

68、;　　2.后懸架模型</b></p><p>　　車輛后橋是一種非驅(qū)動(dòng)的半剛性軸，并采用復(fù)合式懸架，即半剛性后軸一縱臂式懸架。其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，由雙向筒式減振器、螺旋彈簧、后橋橋架組成，并通過(guò)懸架臂前端的橡膠金屬支承和后減振器支承桿與車身相連。縱向懸架臂做為縱向推力桿，后橋橫梁允許扭轉(zhuǎn)變形，兼起橫向穩(wěn)定桿的作用。簡(jiǎn)化后的后懸架結(jié)構(gòu)模型如圖3-2所示。</p><p><b&

69、gt;　　圖3-2后懸架模型</b></p><p>　　3.1.2 轉(zhuǎn)向系模型</p><p>　　轉(zhuǎn)向系是駕駛員操縱汽車行駛方向的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)械轉(zhuǎn)向系由轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。根據(jù)轉(zhuǎn)向器機(jī)構(gòu)，可以分為循環(huán)球—齒條齒扇式、循環(huán)球曲柄指銷式、齒輪齒條式和蝸桿曲柄指銷式等。</p><p>　　根據(jù)參考車輛結(jié)構(gòu)，建模中采用齒輪齒條式

70、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)向系由方向盤、轉(zhuǎn)向柱管、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向齒輪和轉(zhuǎn)向齒條等構(gòu)成，如圖3-3所示。方向盤與轉(zhuǎn)向軸上端之間的連接為固定鉸鏈，轉(zhuǎn)向軸與車身之間的連接為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈，轉(zhuǎn)向軸上段和下段之問(wèn)通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接，轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向齒條之間的連接為復(fù)合鉸鏈，轉(zhuǎn)向齒條通過(guò)移動(dòng)副連接到車身上，可相對(duì)車身左右移動(dòng)，轉(zhuǎn)向橫拉桿一端通過(guò)萬(wàn)向節(jié)鉸與轉(zhuǎn)向齒條連接，另一端通過(guò)球鉸鏈與轉(zhuǎn)向節(jié)總成連接。 </p><p>　　3.1.3

71、輪胎模型</p><p>　　輪胎的影響對(duì)汽車的操縱穩(wěn)定性至關(guān)重要，因?yàn)榍昂筝喬サ膫?cè)偏剛度是影響汽車操縱穩(wěn)定性的重要因素，前后輪胎側(cè)偏剛度的匹配，直接決定穩(wěn)定性因數(shù)的大小，即決定汽車是具有不足轉(zhuǎn)向或中性轉(zhuǎn)向、還是過(guò)度轉(zhuǎn)向。因此，具有合適的輪胎模型是十分必要的。</p><p>　　在ADAMS/Tire 中，存在著五種用于動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算的輪胎模型，即缺省的Fiala 模型、UA（Unive

72、rsity of Arizona）模型、SMITHERS 模型、DELFT 模型和用戶自定義模型。其中，F(xiàn)iala 模型是Fiala 于1954 年由輪胎理論模型推導(dǎo)出來(lái)的無(wú)量綱解析式，該模型比較簡(jiǎn)單，但回正力矩誤差較大，對(duì)于不包括聯(lián)合滑動(dòng)（縱向滑動(dòng)和側(cè)向滑動(dòng)）情況的側(cè)向力計(jì)算精度尚可。UA 模型是1988 年由Arizona 大學(xué)的Nikravesh 和Gim 等人研究開發(fā)的，其特點(diǎn)是各方向的力和力矩由耦合的側(cè)偏角、滑移率，外傾角及垂

73、直方向變形等參數(shù)顯式表達(dá)，該模型考慮了縱向和側(cè)向滑動(dòng)的情況，比Fiala 模型提供了更準(zhǔn)確的回正力矩；SMITHERS 模型使用來(lái)自Smithers Scientific Services 的數(shù)據(jù)計(jì)算側(cè)向力和回正力矩，使用Fiala 模型計(jì)算其余的力和力矩，該模型計(jì)算精度較高。DELFT 模型又稱Magic Formula模型，是世界上著名的輪胎模型，其函數(shù)表達(dá)式和數(shù)據(jù)格式與其他的輪胎模型不同，該模型所有的函數(shù)、公式只用正弦和余弦這兩個(gè)

74、三角函數(shù)來(lái)</p><p>　　圖3-3 轉(zhuǎn)向系模型</p><p>　　表3-1 ADAMS 輪胎類型</p><p>　　圖3-4前后輪胎模型</p><p>　　本文采用的是UA 輪胎模型，如圖3-4 所示，有關(guān)參數(shù)見表3-2</p><p><b>　　表3-2 輪胎參數(shù)</b></

75、p><p>　　3.1.5 傳動(dòng)系和發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立</p><p>　　進(jìn)行操縱穩(wěn)定性分析中，有些工況需要控制車速，包括加速、勻速行駛，為此需要在整個(gè)仿真過(guò)程中，控制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩，以維持汽車以一定的車速行駛。本文模型為前輪驅(qū)動(dòng)，加入了前置發(fā)動(dòng)機(jī)模塊。由于發(fā)動(dòng)機(jī)模塊及制動(dòng)系模塊僅僅用于控制車速，本文采用了ADAMS/CAR 數(shù)據(jù)庫(kù)中內(nèi)置的發(fā)動(dòng)機(jī)及制動(dòng)系模塊；同時(shí)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)作進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化，

76、只考慮驅(qū)動(dòng)半軸以后的動(dòng)力傳遞，即驅(qū)動(dòng)力矩直接加在驅(qū)動(dòng)</p><p><b>　　半軸上。</b></p><p>　　3.1.6 車身模型的建立</p><p>　　由于在整個(gè)仿真過(guò)程中，不考慮空氣動(dòng)力學(xué)的因素，即忽略空氣對(duì)車輛表面的作用，因此對(duì)車輛外形不作要求，作為一個(gè)物體來(lái)處理。雖然該模塊簡(jiǎn)單，但是由于車身起到連接前后懸架、轉(zhuǎn)向系等子系統(tǒng)

77、的重要作用，因此建模時(shí)應(yīng)注意車身與各個(gè)子系統(tǒng)之間正確的連接關(guān)系。這樣才能保證整車仿真的順利進(jìn)行。</p><p>　　3.1.7 整車系統(tǒng)模型的建立</p><p>　　將上述各種子系統(tǒng)模型在ADAMS/Car 的Standard 界面下進(jìn)行裝配連接，裝配按照整車的絕對(duì)坐標(biāo)來(lái)進(jìn)行，得到整車的仿真模型。此外，由于ADAMS/Car 是模塊化的，</p><p>　　以

78、上建立的整車模型，必須能夠保證與測(cè)試臺(tái)的連接，以達(dá)到讓不同系統(tǒng)（懸架子系統(tǒng)或整車系統(tǒng)）可以應(yīng)用試驗(yàn)臺(tái)（test rig）的目的。因此，還要建立必要的裝配部件（mount part）和合適的塊間通訊（communicator）。整車模型如圖3-5 所示。</p><p><b>　　圖3-5 整車模型</b></p><p><b>　　3.2 本章小結(jié)<

79、;/b></p><p>　　本章首先介紹了ADAMS/Car 模塊的相關(guān)知識(shí)，闡述了在ADAMS/Car 模塊里建立整車模型的思路。分別建立了前后懸架、轉(zhuǎn)向系、前后輪胎以及車身等各個(gè)子系統(tǒng)模型，再通過(guò)建立或修改communicator（信號(hào)交換器）將各個(gè)子系統(tǒng)組裝成整車模型，為后邊的整車仿真分析工作做好準(zhǔn)備。</p><p>　　4 汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析</p>&

80、lt;p>　　4.1汽車操縱穩(wěn)定性概述</p><p>　　汽車的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛者不感到過(guò)分緊張、疲勞的條件下，汽車能遵循駕駛者通過(guò)轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當(dāng)遭遇外界干擾時(shí)，汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力。操縱性是指車輛能夠確切的響應(yīng)駕駛員轉(zhuǎn)向指令的能力，穩(wěn)定性是指車輛在受到外界擾動(dòng)（路面擾動(dòng)或突然陣風(fēng)擾動(dòng)）影響后恢復(fù)原來(lái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性好壞直接影響操縱性的好壞，因此統(tǒng)稱操縱穩(wěn)定性

81、。</p><p>　　在操縱穩(wěn)定性的研究中，汽車常被當(dāng)作一個(gè)控制系統(tǒng)，通過(guò)求出曲線行駛時(shí)的時(shí)域響應(yīng)和頻率響應(yīng)特性來(lái)表征汽車的操縱穩(wěn)定性。汽車曲線行駛的時(shí)域響應(yīng)系指汽車在方向盤輸入或外界側(cè)向干擾輸入下的側(cè)向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。方向盤輸入有兩種形式：角位移輸入和力矩輸入。實(shí)際上，在駕駛車輛時(shí),對(duì)方向盤的這兩種輸入是同時(shí)加入的。外界側(cè)向干擾主要是指?jìng)?cè)向風(fēng)與路面不平產(chǎn)生地側(cè)向力。</p><p>　　目前

82、，各國(guó)采用的操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，種類頗多，下面列舉一些有代表性的、常見的試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法 ：</p><p>　　1. 角階躍輸入試驗(yàn)</p><p>　　當(dāng)汽車以恒定車速直線行駛時(shí)，突然將轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，使汽車進(jìn)入轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)記錄汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)——橫擺角速度、重心側(cè)偏角、車身側(cè)傾角、側(cè)向加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化過(guò)程。通常最主要的評(píng)價(jià)依據(jù)是橫擺角速度的反應(yīng)。</p>

83、<p>　　2. 角脈沖輸入試驗(yàn)</p><p>　　它與角階躍輸入試驗(yàn)類似。不過(guò)，轉(zhuǎn)向盤的角輸入波形不是“階躍”形的，而是“脈沖”形的。這種試驗(yàn)通常用來(lái)做頻率特性分析。</p><p><b>　　3. 穩(wěn)態(tài)圓周試驗(yàn)</b></p><p>　　固定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，其大小視試驗(yàn)場(chǎng)地大小而定，一般希一望圓周盡可能大些，以減小測(cè)定誤差。這種

84、試驗(yàn)需要測(cè)定的運(yùn)動(dòng)參量主要是車速V（通常用五輪儀測(cè)定）和橫擺角速度。</p><p><b>　　4.“回正性”試驗(yàn)</b></p><p>　　按美國(guó)ESV 規(guī)定，汽車作等速圓周行駛，穩(wěn)定后突然撤開轉(zhuǎn)向盤，測(cè)定橫擺角速度與重心側(cè)偏角的變化過(guò)程。</p><p>　　5. 轉(zhuǎn)向輕便性試驗(yàn)</p><p>　　汽車以一定車

85、速沿雙紐線行駛，待車速穩(wěn)定后，測(cè)定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和作用力矩。</p><p><b>　　6. “蛇行”試驗(yàn)</b></p><p>　　汽車反復(fù)穿過(guò)按一定形式擺設(shè)的標(biāo)桿，越快的穿過(guò)全程就說(shuō)明汽車的蛇行穿桿能力越強(qiáng)。通常用穿越全程的時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。以不碰桿和不翻車作為能力的極限。根據(jù)實(shí)際表征汽車操縱穩(wěn)定性能的需要，本文選用了國(guó)標(biāo)規(guī)定的這六個(gè)操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法中的四個(gè)進(jìn)行

86、仿真分析。</p><p><b>　　4.2整車仿真試驗(yàn)</b></p><p>　　4.2.1 蛇行試驗(yàn)仿真分析</p><p>　　蛇行試驗(yàn)是評(píng)價(jià)汽車汽車的隨動(dòng)性、收斂性、方向操縱輕便性及事故可避免性的典型試驗(yàn)，也是包括車輛——駕駛員——環(huán)境在內(nèi)的一種閉環(huán)試驗(yàn)。其試驗(yàn)結(jié)果不但取決于車輛本身的特性，而且取決于駕駛員自身的特性和駕駛技術(shù)。本次

87、仿真參照《國(guó)標(biāo)GB/T6323.1-1994 汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法蛇行試驗(yàn)》進(jìn)行的, 標(biāo)樁間距為30m。標(biāo)桿區(qū)設(shè)置如圖4-1 所示。</p><p>　　圖4-1 蛇形試驗(yàn)標(biāo)桿布置示意圖</p><p>　　依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)汽車基準(zhǔn)車速為65km/h。首先汽車以近似32.5 km/h 的穩(wěn)定車速直線行駛，在進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)段之前，記錄各測(cè)量變量的零線，然后蛇行通過(guò)試驗(yàn)路段，同時(shí)記錄各測(cè)量變量的時(shí)間

88、歷程曲線及通過(guò)有效樁區(qū)的時(shí)間。然后提高車速，重復(fù)上述過(guò)程。</p><p>　　在ADAMS 軟件仿真試驗(yàn)中對(duì)汽車的控制是通過(guò)驅(qū)動(dòng)樣機(jī)（Driving machine）實(shí)現(xiàn)的。驅(qū)動(dòng)樣機(jī)就像一個(gè)試驗(yàn)中的司機(jī)，它根據(jù)用戶的指令來(lái)驅(qū)動(dòng)虛擬樣機(jī)，在ADAMS/Car 里，驅(qū)動(dòng)樣機(jī)這一特性是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)駕駛員接口（Standard Driver interface，SDI）來(lái)進(jìn)行具體的驅(qū)動(dòng)分析。與閉環(huán)控制有關(guān)的文件主要有：&l

89、t;/p><p>　　1. 駕駛員控制文件（Driver Control File，*.dcf）</p><p>　　駕駛員控制文件（*.dcf）描述了車輛模型準(zhǔn)備執(zhí)行的一系列操作，如轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、節(jié)氣門開度、檔位、離合等。在文件中可以設(shè)定車輛行駛的速度、軌跡、控制方式以及試驗(yàn)結(jié)束的條件（如行駛距離）等信息。其中控制方式有機(jī)器控制和駕駛員控制兩種模式。</p><p>　

90、　2. 駕駛員控制數(shù)據(jù)文件（Driver Control Data File，*.dcd）</p><p>　　駕駛員控制數(shù)據(jù)文件（*. dcd）必須與駕駛員控制文件（*.dcf）配合使用，該文件包含了駕駛員控制文件所需的數(shù)據(jù)，如在*.dcf 中使用軌跡控制車輛的運(yùn)動(dòng)，那么*. dcd 文件的主要內(nèi)容是設(shè)定車輛行駛軌跡的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。</p><p>　　根據(jù)國(guó)標(biāo)試驗(yàn)方法的要求設(shè)置基準(zhǔn)車速為6

91、5 km/h 相應(yīng)的駕駛員控制文件；擬合蛇行運(yùn)動(dòng)的軌跡，設(shè)置相應(yīng)坐標(biāo)的駕駛員控制文件。</p><p>　　仿真后得到的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡見圖4-2 所示。分別提取轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角（見圖4-3）、橫擺角速度（見圖4-4）、車身側(cè)傾角（見圖4-5）、側(cè)向加速度（見圖4-6）的圖形。基準(zhǔn)車速下的平均橫擺角速度、平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、平均車身側(cè)傾角及平均側(cè)向加速度見表4-1。</p><p>　　圖4-2 蛇行仿

92、真質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡</p><p>　　圖4-3 蛇行仿真方向盤轉(zhuǎn)角輸入曲線</p><p>　　圖4-4 蛇行仿真橫擺角速度響應(yīng)曲</p><p>　　圖4-5 蛇行仿真車身側(cè)傾角曲線</p><p>　　圖4-6 蛇行仿真?zhèn)认蚣铀俣惹€</p><p>　　表4-1 蛇形仿真結(jié)果數(shù)據(jù)</p><p&

93、gt;　　表4-2 國(guó)標(biāo)規(guī)定查詢數(shù)據(jù)</p><p>　　根據(jù)國(guó)標(biāo)《QC/T 480—1999（汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法）》對(duì)此次蛇形仿真計(jì)分評(píng)價(jià)：</p><p>　　1.平均橫擺角速度峰值 γ 的評(píng)價(jià)計(jì)分值</p><p><b>　　(分)</b></p><p>　　式中：γ60——平均橫擺角速度峰值的下

94、限值，取25.0°/s，見表4-2。</p><p>　　γ100——平均橫擺角速度峰值的上限值，取10.0°/s，見表4-2。</p><p>　　γ——基準(zhǔn)車速下，平均橫擺角速度峰值的試驗(yàn)值16.43°/s。</p><p>　　2.平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角峰值 θ 的評(píng)價(jià)計(jì)分值</p><p><b>　　

95、(分)</b></p><p>　　式中：——平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角峰值的下限值，取180.0°，見表4-2。</p><p>　　——平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角峰值的上限值，取60.0°，見表4-2。</p><p>　　θ——基準(zhǔn)車速下，平均轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角峰值的試驗(yàn)值78.74°。</p><p>　　3.蛇行試驗(yàn)的綜合

96、評(píng)價(jià)計(jì)分值</p><p><b>　　(分)</b></p><p>　　從以上分析結(jié)果可以看出，車身側(cè)傾角和橫擺角速度的變化幅度比較小，該車具有較好的抗側(cè)傾能力。據(jù)國(guó)標(biāo)其計(jì)分值為86.7 分，表明此車的蛇行試驗(yàn)仿真符合國(guó)標(biāo)要求。</p><p>　　4.2.2 轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入）仿真分析</p><p

97、>　　瞬態(tài)轉(zhuǎn)向特性是指汽車在受到外界擾動(dòng)下，達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)前表現(xiàn)出來(lái)的的特性。瞬態(tài)轉(zhuǎn)向特性汽車最重要的性能之一，它不僅表征了汽車駕駛的操縱方便程度，而且也是評(píng)價(jià)汽車高速行駛安全性的一個(gè)重要指標(biāo)。</p><p>　　本項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)定從轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入開始，到所測(cè)變量達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值為止，這一段時(shí)間內(nèi)汽車的瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程，與其他瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)一起，共同評(píng)價(jià)汽車的動(dòng)態(tài)特性。適用于轎車、客車、貨車及越野汽車車型。根據(jù)國(guó)標(biāo)《G

98、B/T6323.2-1994 汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法 轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入）》，試驗(yàn)時(shí)測(cè)量的變量有：汽車前進(jìn)速度、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、橫擺角速度、側(cè)向加速度、車身側(cè)傾角和汽車質(zhì)心側(cè)偏角。汽車轉(zhuǎn)向盤自由行程在直線行駛時(shí)不大于±10°，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。試驗(yàn)車速接試驗(yàn)車最高車速的70%并四舍五入為10的整數(shù)倍確定。模型車最高車速為170km/h，按照試驗(yàn)要求取整得到試驗(yàn)車速120km/h。試驗(yàn)前，在停車狀態(tài)下記錄

99、車速零線，然后，汽車以試驗(yàn)車速直線行駛，先按輸入方向輕輕靠緊轉(zhuǎn)向盤，消除轉(zhuǎn)向盤自由行程并開始記錄各測(cè)量變量的零線，經(jīng)過(guò)0.2~0.55s，以盡快的速度（階躍時(shí)間不大于0.2s 或階躍速度不低于200°/s）轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，使其達(dá)到預(yù)先選好的位置，并固定轉(zhuǎn)向盤數(shù)秒鐘，同時(shí)保持車速不變，待所測(cè)變量過(guò)渡到新穩(wěn)態(tài)值，停止記錄。試驗(yàn)中轉(zhuǎn)向盤預(yù)選位置（輸入角）按穩(wěn)態(tài)側(cè)向加速度值2m/s2確定。試驗(yàn)</p><p>　　

100、仿真后得到的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡見圖4-7 所示。分別提取轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角（見圖4-8）、橫擺角速度（見圖4-9）、側(cè)向加速度（見圖4-10）的圖形。按國(guó)標(biāo)規(guī)定計(jì)算各測(cè)量值得到表4-3。</p><p>　　圖4-7 瞬態(tài)轉(zhuǎn)向仿真質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡</p><p>　　圖4-8 瞬態(tài)轉(zhuǎn)向仿真轉(zhuǎn)角輸入曲線</p><p>　　根據(jù)國(guó)標(biāo)《QC/T 480—1999（汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與

101、評(píng)價(jià)方法）》，對(duì)此次轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入仿真試驗(yàn)計(jì)分評(píng)價(jià)：</p><p>　　汽車橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間的評(píng)價(jià)計(jì)分值</p><p><b>　?。ǚ郑?</b></p><p>　　式中：T60——汽車橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間的下限值，取0.2s，見表4-4。</p><p>　　T100——汽車橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間的上限值，取0

102、.06s，見表4-4。</p><p>　　T——側(cè)向加速度為2m/s2時(shí)，汽車橫擺角速度響應(yīng)時(shí)間的試驗(yàn)值， 0.07s。</p><p>　　圖4-9 瞬態(tài)轉(zhuǎn)向仿真橫擺角速度響應(yīng)曲線</p><p>　　圖4-10 瞬態(tài)轉(zhuǎn)向仿真?zhèn)认蚣铀俣鹊臅r(shí)間響應(yīng)曲線</p><p>　　從上述各圖可以看出系統(tǒng)

103、響應(yīng)在經(jīng)2 秒鐘左右后趨于穩(wěn)定，說(shuō)明該車具有較好的瞬態(tài)響應(yīng)特性。</p><p>　　表4-3 瞬態(tài)轉(zhuǎn)向仿真結(jié)果數(shù)據(jù)</p><p>　　表4-4 國(guó)標(biāo)規(guī)定查詢數(shù)據(jù)</p><p>　　從以上分析結(jié)果可以看出，高速時(shí)響應(yīng)比較迅速，出現(xiàn)了瞬態(tài)超調(diào)，在速度為120km/h 側(cè)向加速度為2m/s2時(shí)可得出反應(yīng)時(shí)間為0.07 秒，反應(yīng)時(shí)間較短，橫擺角速度很快趨于穩(wěn)定值，說(shuō)明

104、其瞬態(tài)橫擺響應(yīng)特性較好，對(duì)轉(zhuǎn)向反應(yīng)較快。近代轎車的超調(diào)量一般為112%——165%，可見該車的超調(diào)量符合標(biāo)準(zhǔn)。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入試驗(yàn)計(jì)分值是97.1 分，符合國(guó)標(biāo)要求。</p><p>　　4.2.3 轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入）仿真分析 </p><p>　　角脈沖試驗(yàn)與角階躍試驗(yàn)類似，不過(guò)，轉(zhuǎn)向盤的角輸入波形不是“階躍”型的，而是“脈沖”型的。這種試驗(yàn)通常用來(lái)作頻

105、率特性分析。在時(shí)間域內(nèi)的評(píng)價(jià)可以用自然頻率、衰減率（阻尼）或過(guò)渡過(guò)程時(shí)間和“脈沖反應(yīng)時(shí)間”（輸入最大點(diǎn)與輸出最大點(diǎn)的時(shí)間間隔）來(lái)說(shuō)明。</p><p>　　轉(zhuǎn)向盤角脈沖輸入試驗(yàn)方法是研究汽車瞬態(tài)響應(yīng)特性的一種重要試驗(yàn)方法，尤其是研究汽車頻率響應(yīng)特性的一種簡(jiǎn)便試驗(yàn)方法。國(guó)標(biāo)GB/T6323.3-94 對(duì)試驗(yàn)做出了許多規(guī)定。讓汽車以最高車速的70%直線行駛，然后給方向盤一個(gè)三角脈沖轉(zhuǎn)角輸入，并迅速轉(zhuǎn)回原處保持不動(dòng)。同

106、時(shí)記錄汽車的橫擺角速度、車身側(cè)傾角、側(cè)向加速度等值。汽車以試驗(yàn)車速行駛。然后給轉(zhuǎn)向盤一個(gè)三角脈沖，試驗(yàn)時(shí)向左（或向右）轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤，并迅速轉(zhuǎn)回原處（允許及時(shí)修正）保持不動(dòng)，記錄全過(guò)程，直至汽車回復(fù)到直線行駛位置。轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸入脈寬為0.3～0.5s，其最大轉(zhuǎn)角應(yīng)使本試驗(yàn)過(guò)渡過(guò)程中最大側(cè)向加速度為4m/s2。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤應(yīng)盡量使其轉(zhuǎn)角的超調(diào)量達(dá)到最小。試驗(yàn)過(guò)程中，保持油門開度不變。</p><p>　　仿真后得到的質(zhì)心

107、運(yùn)動(dòng)軌跡見圖4-11 所示。分別提取轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角（見圖4-12）、仿真車速（見圖4-13）、橫擺角速度（見圖4-14）、幅頻特性圖（見圖4-15）、相頻特性圖（見圖4-16）、側(cè)向加速度（見圖4-17）的圖形。按國(guó)標(biāo)規(guī)定計(jì)算各測(cè)量值得到表4-5。</p><p>　　圖4-11 轉(zhuǎn)向盤角脈沖輸入仿真質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡</p><p>　　圖4-12 轉(zhuǎn)向盤角脈沖輸入仿真轉(zhuǎn)角輸入曲線</p&g

108、t;<p>　　圖4-13 轉(zhuǎn)向盤角脈沖輸入仿真試驗(yàn)汽車行駛車速曲線</p><p>　　圖4-14 轉(zhuǎn)向盤角脈沖輸入仿真橫擺角速度響應(yīng)曲線</p><p>　　圖4-15 轉(zhuǎn)向盤角脈沖輸入仿真幅頻特性圖 </p><p>　　圖4-16 轉(zhuǎn)向盤角脈沖輸入仿真相頻特性圖</p><p>　　圖4-17 轉(zhuǎn)向盤角脈沖輸入仿真?zhèn)认蚣?/p>