基于adams的汽车操纵稳定性仿真分析

摘要
随着汽车技术的发展，用户对汽车性能的要求越来越高，汽车行业的竞争逐渐加剧。

在产品开发中采用虚拟样机分析的开发策略，已成为各大汽车公司缩短产品开发周期、减少产品开发费用、提高产品开发质量，从而提高竞争能力的主要做法。

以多体动力学为理论基础的ADAMS软件是由美国MDI公司开发的一种机械系统动力学分析软件。

目前己成为世界各主要汽车公司及其零部件供应商的主要动力学仿真软件。

利用ADAMS／Car软件，建立了包括前后悬架、转向、车身、动力总成、轮胎、路面等系统在内的整车多体动力学模型。

应用该模型进行了稳态回转、转向回正性、转向盘角阶跃输入、转向盘角脉冲输入、蛇行等仿真分析，同时还以操纵稳定性中的角阶跃试验为例，分别分析了汽车的质心高度、前后位置、前后悬架弹簧刚度和整车载荷等参数对操纵稳定性的影响。

仿真结果表明，该车具有良好的操纵稳定性，从分析来看质心略微前移汽车的操纵稳定性得到改善；而适当的降低质心高度、增加前后悬架弹簧刚度、和减少载荷，有利于整车的操纵稳定性。

关键词：ADAMS；仿真；操纵稳定性
Simulation Analysis of Vehicle Handling Stability of Santana
2000 Based on ADAMS/Car
ABSTRACT
With the development of the vehicle technology，and concerning about the car performance，the competition of the car industry becomes more and more intense．In the exploitation of the production，one of the main methods is to use the virtual prototyping technology to exploit the production of car，which may deeply shorter the competition ability，lessen the expenses，improve the quantity，and enhance the competition ability．Based on the multi-body dynamics theory exploited by Mechanical Dynamics，Inc，the ADAMS is a type of software of dynamic analysis of mechanical system．At present，many main car corporation and their accessory suppliers use the ADAMS an their main software of dynamic analysis of mechanical system．
The article builds a whole vehicle model that contains suspension，stabilize bar, steering，body，powertrain，tires and road etc by using ADAMS／Car．Appling the full vehicle model，have performed Steady static circular test simulation，returnability test simulation，Steering wheel angle step input simulation，Steerwheel angle pulse input simulation，Pylon course slalom test simulation，and through triangular bump pulse input simulation test,several main factors are discussed in order to study the rule of vehicle parameters affecting on handing stability, including mass gravity center height, the location of center of mass, leaf spring stiffness and the load.
The simulation results show that handing stability of the vehicle is good. From the analysis of the test, the centroid slightly forward is beneficial to handing stability. And suitably reducing the height of mass center, increasing front and rear leaf spring stiffness and load reduction can be improved handling stability performance.
Key Words: ADMAS；Simulation；Handling Stability
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
引言 (1)
1 绪言 (2)
1.1 课题的研究背景 (2)
1.2 课题研究的历史及发展现状 (3)
1.2.1 车辆操纵稳定性研究历史及现状 (3)
1.2.2 车辆动力学仿真技术发展及现状 (4)
1.3 小结 (6)
2 基于ADAMS/Car 的车辆建模 (7)
2.1 ADAMS/Car 建模基本原理 (7)
2.2 车辆仿真模型的相关参数 (8)
2.3 前悬架模型的建立 (8)
2.4 后悬架建立 (10)
2.5 转向系模型的建立 (12)
2.6 轮胎模型的建立 (13)
2.7 车身模型 (15)
2.8 动力模型的建立 (15)
2.9 整车模型装配 (16)
2.10 小结 (16)
3 汽车操纵稳定性仿真试验及影响因素分析 (17)
3.1 汽车操纵稳定性概述 (17)
3.2 转向盘转角阶跃输入仿真试验 (18)
3.2.1 车速为105km/h下的转向盘角阶跃输入仿真试验 (18)
3.2.2 不同速度下转向盘角阶跃输入仿真试验 (20)
3.2.3 不同弹簧刚度下转向盘角阶跃输入仿真试验 (21)
3.2.4 不同质心高度转向盘角阶跃输入仿真试验 (24)
3.2.5 质心前后位置转向盘角阶跃输入仿真试验 (25)
3.2.6 满载与空载转向盘角阶跃输入仿真试验 (27)
3.3 转向盘转角脉冲输入仿真实验 (28)
3.3.1 汽车在105km/h下的转向盘转角脉冲试验 (28)
3.3.2 不同速度下转向盘转角脉冲试验 (29)
3.4 转向回正仿真试验 (31)
3.5 稳态回转仿真实验 (32)
3.6 蛇形仿真实验 (33)
3.7 小结 (36)
全文总结 (37)
参考文献 (38)
致谢................................................................................................ 错误!未定义书签。

附录 (39)
引言
汽车的动力学性能可以分为轮胎力学特性、汽车驱动特性、汽车制动特性、空气力学特性、汽车操纵稳定性、驾驶员—汽车—环境闭环系统特性、界限特性和异常运动、悬架机构、转向机构、传动机构等底盘的结构形式与高速汽车的匹配适应等主要内容。

一辆汽车如果同时具备良好的上述诸动力学性能当然是最令人满意的，但实际上，动力学的各种性能之间时常是相互矛盾的，在设计(这里所讲的设计主要指机构的设计、连接件的设计，连接件包括铰链、弹簧、阻尼器、橡胶衬套等)中往往不能同时兼顾各种动力学性能，诸动力学性能无法同时达到最优。

比如说平顺性与安全性之间往往是矛盾的，矛盾还可能出现在平顺性与操稳性、制动性与操稳性之间。

在一种性能得以改善的同时，另一种性能通常会受到不同程度的削弱，比如在悬架机构的设计中如果单一的使平顺性达到最佳，汽车的安全性则会变差，因为在车身及座椅的振动加速度被控制在最小的同时，车轮的动载会相当的大．轮胎的抓地能力下降，车辆的路径跟踪能力受到影响。

即使在同一动力学性能所包含的各指标之间，矛盾也是时常出现的，比如侧风稳定性与瞬态响应特性，它们对弹簧刚度的要求、对机构的要求都是不同的。

在新车型投放市场之前，需要制造出样车进行反复测试，发现不合理之处及安全隐患后，对设计做出改进，然后再作样车测试，近年来由于市场的激烈竞争及消费者求新求快求异的特点，各大汽车厂商都加快了新车的研发力度，力求缩短产品研制—投放市场的周期，不得不减少了样车的测试次数及测试项目，由于试验数据的减少，根据试验数据得出的结论的可靠度自然不高，同时，一些质量问题及安全隐患在少量的测试中可能不被发现，但投放了市场消费者在使用了一段时间后某种设计中的缺陷或问题就会突显出来，发生这种情况后，厂商不得不招回有问题的车辆进行改进或维修，但问题的发现是以消费者的生命及财产损失为代价的，厂家的信誉品牌的声誉同样会受到损失，影响改品牌车辆的继续销售，但如果延长产品研制—投放市场的周期，增加样车测试环节，无疑会丧失商机，并且是成本大幅增加。

1 绪言
1.1 课题的研究背景
20 世纪80 年代以来，汽车作为极其重要的工业产品，在交通运输领域和人民日常生活中的地位日益突出。

国内、国际汽车市场的竞争变得空前激烈，用户对汽车安全性、行驶平顺性、操纵稳定性、乘坐舒适性的要求越来越高。

然而，汽车本身是一个复杂的多体系统集合，外界载荷的作用更加复杂多变，人、车、环境三位一体的相互作用，致使汽车动力学模型的建立、分析、求解始终是一个难题。

基于以往的解决方法，需经过多轮样车试制，反复的道路模拟试验和整车性能试验，不仅花费大量的人力、物力，延长设计周期，而且有些试验因其危险性而难以进行。

广大设计人员迫切希望找到一种能在图纸设计阶段全面、准确地预测车辆动力学性能，并可对其性能进行优化分析的办法。

为了解决这些难题，世界各国的学者、工程师进行了大量的工作，虚拟样机技术随之产生。

目前已在国内外产品开发中得到广泛的应用，它不仅大大缩短了产品开发时间，还节省了制作大型物理模型的高昂费用，避免了试制过程中的大量风险。

随着
CAD/CAE/CAM 在汽车产品设计开发中被广泛采用，人们逐渐意识到提高产品质量、缩短产品开发周期及降低产品开发最有效的途径——应用数字化功能样机进行系统水平的设计。

它可以有效地将三维实体模型和应用有限元分析FEA （Finite Element Analysis）软件描述的零部件模态有机地结合起来，准确地预测机械系统在虚拟实验室、虚拟场地上进行的各种模拟试验的性能结果。

在这一领域美国MSC 公司的ADAMS 软件是目前无可争议的领导者，是世界上市场占有率最高的机械系统仿真MSS（Mechanical System Simulation）软件。

目前计算机仿真技术日益成熟，在这种背景下ADAMS 软件将越来越广泛的应用于汽车性能仿真研究中。

随着车速和汽车性能的不断提高，人们越来越重视汽车的安全性能问题。

汽车必须具有良好的主动安全性。

汽车的操纵稳定性是影响其主动安全性的主要性能之一，而汽车的结构参数直接影响着汽车的操纵稳定性。

近年来计算机技术、整车试验方法以及系统动力学的研究和发展，使得汽车操纵稳定性的仿真分析更为全面，更接近实际使用情况。

数字化虚拟样机技术是缩短车辆研发周期、降低开发成本、提高产品设计和制造质量的重要途径，是汽车企业的一项关键核心技术。

随着虚拟产品开发、虚拟设计技术的逐渐成熟，计算机仿真技术得到大量应用，从子系统设计到整车系统的匹配都采用数字化虚拟样机技术。

对汽车而言，车辆动态性能尤为重要。

为了降低产品开发风险，在造出样车之前，进行动力学建模，并利用数字化样机对车辆的操纵稳定性、平顺性等性能进行计算机仿真，
并优化其参数就显得十分必要。

目前的车辆研制与性能仿真分析流程如图1.1 所示，首先建立虚拟样机，对其进行动力学分析计算，得出车辆性能曲线，若性能不理想，则修改参数，重新计算，直至性能达到设计要求后，进行样机试制，再对样机进行实车测试，如果实车测试结果与仿真结果吻合，即可生产制造，否则仍需要修改参数进行循环仿真。

图1.1 车辆性能仿真流程图
1.2 课题研究的历史及发展现状
1.2.1 车辆操纵稳定性研究历史及现状
有关车辆转向的动力学思想始于二十世纪初期，以人们对汽车转向时轮胎侧向力及产生侧向力的轮胎侧偏角的认识为标志。

通常认为是法国工程师乔治·布
劳海特在1925 年发现了轮胎侧偏现象。

1935年，Evans 给出了有关轮胎力学特
性较为深入的结果，包括轮胎侧偏刚度随着侧偏角变化的规律。

在随后的几年里，汽车操纵稳定性理论的一些重要的基本概念，如不足转向、过度转向、临界车速等已为汽车工程师所熟悉。

在三十年代后期，比较有效的描述汽车稳态转向的数学模型在实际中得到应用。

随后，人们的注意力开始转向汽车的动态特性。

大约经过三十年的时间，在汽车瞬态响应的分析方面才取得了显著的成绩。

在六十年代前的研究主要是操纵稳定性的开环研究，并取得了许多研究成果，详细讨论了汽车的不足转向与过多转向的特性；分析了保持汽车的行驶方向稳定性条件是临界车速必须大于汽车最高车速等。

其应用的基础是经典控制理论，依据汽车的稳态和瞬态分析，使用不足——过度转向特性和转输入的阶跃响应特性来对汽车的操纵性进行评价。

七十年代初期，EVS 研究计划开始实施，促使人们去研究实用的操纵性设
计方法。

鉴于当时的驾驶员模型仍处于提高闭环跟踪响应的仿真精度的水平，各国研究人员主要采用系统工程学的方法去探索操纵性的评价方法。

依据大量的试验与理论分析，首先指出了稳态响应特性、瞬态响应特性、回正特性和侧向滑移特性的安全容许极限，对操纵性进行客观评价（Objective Evaluation）。

七十年
代中后期以后，开始利用驾驶员对汽车直线行驶性能、转弯行驶性能和转向轻便性等特性的感觉，进行主观评价（Subjective Evaluation）。

主观评价方法虽然没
有经过理论推导，但是由于考虑了驾驶员因素和道路环境的特点，在一定程度上体现了闭环设计的思想。

八十年代以来，人们从理论和试验两个方面着手，重新开始深入的研究驾驶员——汽车——道路闭环系统。

在理论方面，充分地考虑到人的学习性和适应性，建立了许多确定性驾驶员方向控制模型，有效地仿真了驾驶员——汽车——道路闭环系统对给定路径的跟随过程。

在试验方面，考虑到驾驶员模型的进展程度不能满足主动安全性闭环设计的要求，以及安全试验设计方法只能在样车试制后采用，并受到自然条件限制等缺陷，研制了各种驾驶模拟器。

这些模拟器采用先进的实时仿真、数字成像、液压控制等技术，将真实的驾驶员与模型化的汽车相结合，通过室内计算机仿真代替场地试验，缓和了理论研究的发展程度与汽车主动安全性闭环设计要求之间的矛盾。

在仿真评价方面，最开始从事这方面研究的是日本学者安部正人，他根据预瞄模型，提出了一个理论上预测操纵性的方法。

日本另一学者原田宏在这方面也作了大量的工作，建立了以三个单项均方值指标（轨道误差、转向盘角度、驾驶员操纵负担）为基础的综合性能指标，进而对汽车参数进行优化。

国内，汽车专家郭孔辉教授在驾驶员模型、驾驶员——汽车——道路闭环系统特性及其闭环综合评价方面做了大量的研究工作。

他在考虑了影响汽车操纵性的诸多因素的基础上，提出了物理意义明确的各个单项总方差评价指标（轨道、侧向加速度、转向盘角速度、前后轮侧向力系数、路感），并且应用频域统计分析方法提出了闭环系统主动安全性的综合评价与设计方法，便于工程应用。

1.2.2 车辆动力学仿真技术发展及现状
汽车是一个包含惯性、弹性、阻尼等动力学特征的复杂非线性系统，其特点是运动零件多、受力复杂。

由于组成汽车各机械系统（如转向、悬架、传动机构）之间的耦合作用，使汽车的动态特性非常复杂。

车辆的运动工况也是多种多样的，在实际行驶过程中，会有各种各样的外在激励及内在控制，不同的工况下车辆各个零件的空间位置及受力情况均有变化，这些都给运动学与动力学的分析带来很大的困难，以前用简化条件下的图解法等方式分析车辆这样复杂的空间结构是非常困难的，不仅误差较大，而且费时费力。

在研究汽车诸多的行驶性能时，汽车动力学研究对象的建模、分析与求解始终是个关键性问题。

汽车本身是一个复杂的多体系统，外界载荷的作用更加复杂，加上人——车——环境的相互作用，给汽车动力学研究带来了很大的困难。

由于理论方法和计算手段的限制，该学科一度发展的较为缓慢。

主要障碍之一在于无法有效处理复杂受力条件下多自由度分析模型的建立和求解问题。

许多情况下，不得不把模型简化，以便使用古典力学的人工求解，从而导致汽车的许多重要特
性无法得到精确的定量分析。

计算机技术的迅猛发展，使我们在处理上述复杂问题方面产生了质的飞跃。

有限元技术、模态分析技术以及随后出现的多体动力学正是在这种情况下发展起来的。

这些理论方法出现以后很快应用于汽车领域。

国外汽车动力学的研究经历了由试验研究到理论研究，由开环研究到闭环研究的发展过程。

力学模型逐渐由线性模型发展到非线性多体系统模型——模型的自由度由两个自由度发展到数十个自由度。

模拟计算也由稳态响应特性的模拟发展到瞬态响应特性和转弯制动特性的模拟研究。

到80 年代初，不仅有许多通用的软件可以对汽车系统进行分析计算，而且还有各种针对汽车某一类问题的专用分析软件。

研究的范围从局部结构到整车系统，涉及汽车系统动力学的方方面面。

80 年代中期是多体系统动力学在汽车领域应用发展最快的时期。

国外各主要汽车厂家和研究机构在其CAD 系统中安装了多体系统动力学软件，并与有限元、模态分析、优化设计等软件一起构成了一个有机的整体，在汽车设计中发挥了重要的作用。

国内在汽车动力学的研究中，采用多刚体系统动力学进行分析和计算的工作起步较晚。

七十年代初，长春汽车研究所和清华大学同时发展了汽车动力学的研究。

研究工作集中在平顺性、操纵稳定性能指标的评价方法、试验方法及操纵稳定性力学模型的建立、模型的计算方法、性能的预测方法和优化设计方法等。

力学模型从七十年代研究汽车侧偏和横摆运动的二自由度线性模型，发展到包括侧倾和转向系在内的三至五自由度乃至十三自由度的非线性模型，其功能也从对汽车操纵稳定性的稳态响应和瞬态响应的分析，发展到汽车转向制动性能的分析。

此外，还有对于汽车悬置以上机构弹性体的一阶扭转振动对摆振性能的影响。

90 年代初人们开始把多柔体系统动力学理论和方法用于汽车技术领域，这标志着汽车多体系统动力学向新的层次发展。

多体动力学仿真技术在汽车领域得到了广泛的应用。

1991 年，第二汽车制造厂的上官文斌等人，采用自然坐标的概念，利用虚功原理建立汽车转向系统和悬架运动学分析方法。

北京农业工程大学的周一鸣教授等研制了广义机构计算机辅助设计软件GMCADS，用于分析平面和空间机构的运动学及动力学性能。

1992 年，清华大学的张海岑采用多刚体动力学中的Newton-Euler 方法，建立了汽车列车的七十四自由度的非线性数学模型，其中包括多种轮胎模型、悬架系统模型、转向系统模型及带有比例阀、防抱死装置及考虑制动热衰退的制动系统模型，深入研究了汽车列车操纵稳定性和制动性。

1994 年，清华大学的刘红军在管迪华教授的指导下用虚拟刚体结构法和弹性子结构法把弹性问题纳入整车多体系统动力学的分析中，对汽车的摆振系统进行了建模和计算。

吉林工业大学的陈欣在博士论文中，着重研究了汽车在悬架中
的柔性体对悬架性能的影响。

1997 年，清华大学的张越今采用多体系统动力学方法，进行了汽车前后悬架系统和整车动力学性能仿真及优化研究，分析了汽车中柔性元素（橡胶减振元件）对动力学性能的影响。

1999年，同济大学的温强等人对悬架中的橡胶支撑的动、静刚度的实验研究方法作了研究。

2002年，中国农业大学王国权采用两种方法建立了车辆平顺性分析的动力学模型。

其中，8自由度平顺性分析的微分方程模型，进行了H级随机路面输入下的仿真，得到车辆测量点以及驾驶员处各个方向上的位移时间历程结果；利用ADAMS软件建立了596个自由度的卡车虚拟模型，然后通过对路面功率谱的变换，生成了适合于ADAMS／Tire的路面文件，并进行了整车随机输入下的时域仿真求解。

2003年，武汉理工大学的刘红军利用ADAMS软件建立了某轿车的多体动力学模型，利用模型进行了相应的操纵稳定性的试验仿真，综合考虑了不同因素对车辆性能的影响。

2007年，合肥工业大学的黄伟利用ADAMS建立了某越野车的动力学模型，对车辆的悬架以及整车模型进行了相应的仿真分析，设计并实现了整车操纵稳定性和平顺性仿真分析，并对车辆的各项性能指标进行了评价计分。

1.3 小结
本章叙述了汽车操纵稳定性的研究背景，介绍了本课题的研究历史及发展现状，包括车辆操纵稳定性的研究历史与现状和车辆动力学的发展与现状。

对车辆的操纵稳定性与仿真技术惊醒了简单的介绍。

2 基于ADAMS/Car 的车辆建模
2.1 ADAMS/Car 建模基本原理
ADAMS/Car 是MDI 公司与Audi、BMW、Renault 和Volvo 等公司合作开
发的整车设计软件包，集成了他们在汽车设计、开发方面的专家经验，能够帮助快速建造高精度的整车虚拟样机，其中包括车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等，可以通过高速动画直观地再现在各种试验工况下整车的动力学响应，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[40]。

在ADAMS/Car 里模型由3 级组成：模版（Template）、子系统（Subsystem）和总成（Assembly）。

（1）模版：ADAMS/Car 的一个主要特点就是基于模版。

模版定义了车辆
模型的拓扑结构。

（2）子系统：子系统是基于模版建立的，也可认为它是特殊的模版，对模版的某些特性作了调整。

（3）总成：一系列的子系统加上一个试验台（Test rig）就构成了整车总成，Testrig 的作用是给模型施加激励。

在ADAMS/Car 下建立一个典型整车系统的动力学仿真模型，大致可分为以下几个步骤：
（1）整车各子系统的分解及运动学动力学抽象，构建各子系统的拓扑图。

（2）模板是整个模型中最基本的模块，然而模板又是整个建模过程中最重要的部分。

在templatebuilder 下建立各子系统的template 文件，定义子系统之间的communicator，此时只需知道子系统的拓扑结构而无需知道子系统的详细参数。

（3）获取各子系统的几何定位参数、物理参数和力学参数。

（4）在Standard 下建立各子系统相应template 的subsystem 文件，并代入子系统的参数特征。

（5）在Standard 下建立整车的assembly 文件，组装各子系统模型组成整
车系统模型
（6）针对整车研究的不同方面，填写不同工况的仿真文件进行整车操纵稳定性仿真。

（7）仿真计算结果的加工和后处理。

在建模过程中，ADAMS/Car 的建模顺序是自下而上的，所有的分析模块都是建立在子系统基础之上，而子系统又是建立在模板的基础之上，模板是整个模型中最基本的模块。

在ADAMS/Car 里主参考系OXYZ，采用ISO 坐标系，原点位于前轴的几何中心，X 轴指向汽车行驶前方，Y 轴指向汽车左侧，Z 轴垂直指向上方，遵守右手规则。

正确建立各个子系统间的连接关系是至关重要的，这些数据在以后的子系统和总成阶段无法修改，而零部件的位置和特征参数在后续过程中则是可以更改。

零部件之间的连接可以用铰链连接，也可用橡胶衬套（或弹簧）连接，二者的区别在于铰链连接是刚性的连接，不允许过约束的运动，它是在运动学（kinematics）分析时采用。

橡胶衬套和弹簧属于柔性连接，它们在发生运动干涉的部件之间产生阻力，阻止进一步的干涉发生。

它是在弹性运动学（compliance）分析时采用。

两者之间可以通过静态铰接激励器（Actuators）转换分析模式。

约定不考虑弹性衬套为多刚体模型，考虑弹性衬套为弹性运动学模型。

2.2 车辆仿真模型的相关参数
车辆及其主要参数通过上网查询以及在图书馆查阅相关资料得来。

具体参数见表2-1。

表2-1整车主要技术参数
2.3 前悬架模型的建立
该车前悬架采用麦弗逊悬架。

悬架左右对称，经抽象简化后的模型如图3.2 所示，主要由减振器、螺旋弹簧、横摆臂、转向节总成、轮轴等组成。

横摆臂内。