刚柔耦合多体车辆操纵稳定性研究

2004137
刚柔耦合多体车辆操纵稳定性研究
夏长高　宫　镇
(江苏大学汽车与交通工程学院,镇江　212013)
[摘要]　利用多体动力学方法建立了基于ADAMS 软件平台的整车刚柔耦合多体系统操纵动力学仿真分析模型。

并分别对多刚体模型和刚柔耦合多体模型进行了“转向盘脉冲输入”、“ISO 移线”仿真,分析了构件的柔性对汽车操纵稳定性的评价指标值的影响。

叙词:汽车,刚柔性耦合多体,动力学,操纵稳定性
A Study on Vehicle Handling and Stability Based on
Rigid 2flexible Coupling Multi 2body Model
Xia Changgao &G ong Zhen
School of A utomobile and Traf f ic Engi neeri ng ,Jiangsu U niversity ,Zhenjiang 212013
[Abstract]　Based on multibody system dynamics method and ADAMS software platform ,a rigid 2flexible coupling multi 2body model is built for vehicle dynamics simulation.The simulations of ‘steering wheel angle pulse input ’and ‘ISO double lane change test ’are performed on both rigid and rigid 2flexible coupling multibody models and the effect of flexibility of vehicle parts on vehicle handling and stability is analyzed.
K eyw ords :V ehicle ,Rigid 2flexible coupling multi 2body ,Dynamics ,H andling and stability
原稿收到日期为2003年9月12日,修改稿收到日期为2003年12月9日。

1　前言
随着汽车技术的进步,高速公路的发展,各类汽车的实际行驶车速已大幅度提高,由此引起的交通事故剧增,并成为社会的主要公害之一[1-3]。

我国
的道路交通安全形势也十分严峻,每年因交通事故造成的直接经济损失就达20亿元。

这些交通事故不少是在汽车高速行驶中由转向而引起的。

因此,改善汽车高速行驶的操纵安全性是减少汽车交通事故的一个重要因素。

尽管近几十年来国内外对汽车操纵稳定性作了很多研究,但研究方法主要是基于多刚体理论,为考虑悬架构件的柔性对汽车稳态转向特性的影响,在模拟计算中,引入侧倾外倾系数、侧向力变形外倾系数、侧倾转向系数、倾向力变形转向系数、回正力矩变形转向系数
[4]。

然而,这些影
响系数必须通过实车测量的方法获得。

由于汽车的高速化、轻量化,汽车高速行驶时的气动力以及路面
对车轮的各方向上力的作用所引起的悬架杆件及各
种橡胶铰链的变形、车身结构变形等对汽车操纵安全性的影响越来越大,因此,在汽车设计阶段很难准确预测汽车操纵稳定性。

近年来,随着柔性多体动力学的发展,基于柔性多体系统动力学理论的许多
大型通用多体系统动力学分析软件(如ADAMS 、DADS 、M ED YNA 等)的出现,为复杂机械系统动力
学分析提供了可靠的手段[5,6]。

作者以某轿车为研究对象,建立了基于ADAMS 软件[5]平台的整车刚柔耦合多体系统操纵
动力学模型,对受力变形较大的构件,作为柔性体考虑。

利用多刚体模型和刚柔耦合多体模型进行了汽车操纵稳定性对比分析。

2　刚柔耦合多体车辆操纵动力学模型
为便于建立和测试整车操纵动力学模型,将汽车系统分为转向、动力传动、悬架、轮胎等子系统,分
2004年(第26卷)第5期 汽　车　工　程
Automotive Engineering
2004(Vol.26)No.5
别建立各子系统分析模型。

在各子系统之中建立了连接件、参数输入、输出接口,以便组装整车模型。

2.1　转向系统模型
图1所示为抽象后的某轿车齿轮齿条式转向系统动力学分析系统的拓扑构型。

模型由转向盘B 8、转向轴B 6、转向传动轴B 5、齿轮轴B 4、转向齿轮B 2、转向齿条B 3、转向器壳体B 1、转向柱管与车身连接件B 7、转向器壳体与副车架连接件B 0组成。

其中,连接件为虚拟物体。

转向盘和转向轴分别以转动铰链H 8和圆柱铰链H 7与转向柱管车身连接件相连,两者通过速比1∶1的耦合器H 11固结;转向传动轴的两端通过万向节铰链H 5和H 6分别与转向轴和齿轮轴连接;转向齿轮和齿轮轴分别用转动铰链H 2和H 4与转向器壳体连接,两者以速比1∶1的耦合器H 10固结,且转向轴与转向齿轮之间通过弹性体连接,弹性体的特性取决于转向轴的刚度;转向齿条与转向器壳体之间用平动铰链H 3连接,平动铰链和转向齿轮与转向器壳体之间的转动铰链通过耦合器H 9固结,速比等于转向器传动比。

转向器壳体与副车架连接件之间通过弹性体连接,弹性体的特性取决于两者的连接刚度。

2.2　前悬架模型
图2所示为某轿车前麦弗逊式独立悬架动力学分析系统的拓扑构型。

模型由横摆臂B 2、转向节及滑柱筒B 3、滑柱B 4(减震器活塞杆)、副车架B 1、转向横拉杆B 5、轮毂芯轴B 7、驱动轴B 8、万向节球形壳B 9、横拉杆与转向器连接件B 6、滑柱与车身连接件B 0、万向节球形壳与差速器连接件B 10、横向稳定器
左右稳定杆B 11和B 14、左右支杆B 12和B 15等组成,左
右横摆臂作为柔性体处理。

横摆臂内端以橡胶衬套与副车架连接,在运动学分析中,该连接处理为转动铰链H 2,外端以球铰链H 3与转向节及滑柱筒相连;转向节及滑柱筒以圆柱铰链H 4与滑柱(减震器活塞杆)连接,且两者之间作用有减震器和减震弹簧力,转向节及滑柱筒还以转动铰链H 8与轮毂芯轴连接;滑柱(减震器活塞杆)以橡胶衬套与副车架连接,在运动学分析中,该连接处理为万向节铰链H 5;转向横拉杆外端以球铰链H 6与转向节及滑柱筒相连,内端以等速万向节铰链与转向器连接件连接;驱动轴的两端分别以等速万向节铰链H 9和H 10与轮毂芯轴和万向节球形壳连接;万向节球形壳与差速器连接件之间用平动铰链H 11连接;副车架以橡胶衬套与车身连接,在运动学分析中,两者固定连接H 1。

横向稳定器中将稳定杆分为左右两部分。

左右稳定杆之间以转动铰
链H 15连接,且连接一扭转弹簧阻尼器,作用力为
E e
2;支杆一端以等速万向节铰链H 13和H 16与稳定杆
连接,另一端以球铰链H 14与H 18与悬架连接。

2.3　后悬架模型图3所示为螺旋弹簧复合式悬架动力学分析系统的拓扑构型。

模型由滑柱B 3(减震器活塞杆)、减震器储油缸筒B 2、悬架横梁(扭转梁后式桥)B 1、悬架横梁与副车架连接件B 4、滑柱与车身连接件以及减震弹簧与车身连接件B 0等组成,扭转梁式后桥作为柔性体处理。

滑柱(减震器活塞杆)以橡胶衬套与副车架连接,在运动学分析中,该连接处理为万向节铰链H 4;减震器储油缸筒下端与悬架横梁通过万向节铰链H 2连接,上端以圆柱铰链H 3与滑柱(减震器活塞杆)连接,且作用有阻尼力E e 2;在后桥与车身之间,以橡胶衬套连接,在运动学分析中,该连接处理为转动铰链H 1,后桥与车身还通过虚拟连接件作用有减震弹簧力E e 1。

2.4　动力传动系统模型
动力传动系统包括发动机、离合器、变速器和万向传动装置等部件。

在建立仿真分析模型时,根据各部件作用不同,可分别用功能模型表示,即:发动机有效转矩模型、离合器模型和传动装置模型。

发动机有效转矩模型以节气门为输入,在发动机曲轴产生转矩,模型中用三维样条曲线表示曲轴
・
565・2004年(第26卷)第5期 汽　车　工　程
转矩、发动机转速与节气门输入之间的关系,根据驾
驶员节气门指令、发动机转速插值得到输出转矩。

离合器模型的作用是将发动机转矩传递到驱动轮上,在驾驶员换挡时切断发动机转矩的传递。

传动系模型包括变速器和差速器,该模型将发动机转矩经变速器、差速器和半轴传递到驱动轮上。

2.5　轮胎模型
轮胎的力学特性对汽车的操纵稳定性起着极其重要的作用。

目前,轮胎力学特性模型主要分为轮胎理论模型、轮胎经验模型和半经验模型3类。

轮胎理论模型是在简化的轮胎物理模型的基础上建立的对轮胎力学特性的一种数学描述,一般形式较为复杂,模型精度和计算效率较低,如Fiala模型、P.
E.Nikravesh博士与G.G im博士建立的亚利桑那大学(University of Arizona)UA模型;轮胎经验模型则是由试验数据得来,模型精度较高,与理论模型相比,其预测能力差,如魔术公式模型;而半经验模型是在轮胎理论模型的基础上,通过满足一定的边界条件,建立的形式简洁、精度较高的轮胎经验模型,且便于在汽车动力学仿真中应用,如MF2Tyre模型、郭孔辉的双E指数模型。

在文中的仿真计算中,采用了MF2Tyre模型[6]。

该模型使用Bakker 和Pacejka等建立的魔术公式计算轮胎稳态特性,并定义一组差分方程,描述频率在8Hz以下轮胎瞬态特性。

3　模型数据及柔性体的处理
由于模型参数(几何参数、质量参数、连接件的力学特性参数等)决定着系统的动力学特性,仿真分析的正确性也取决于模型参数的精度,因此在建立汽车多体动力学仿真模型中,必须正确给定模型参数。

以文献[7]中的试验车型为对象,利用该车的三维U G模型,传入到ADAMS中,由ADAMS自动计算出各构件的几何位置参数、质量参数。

橡胶衬套的弹性特性由实验测得数据输入。

模型中的柔性体(例如,后悬架模型中的扭转梁式后桥)的变形视为模态的线性叠加,而柔性体的模态振型可通过有限元分析或试验模态分析得到,见表1。

表1　某轿车扭转梁式后桥有限元模态分析结果模态阶数12345
频率/Hz235.8294.0605.4913.5942.7
模态阶数678910
频率/Hz1098.71145.11229.61269.01349.34　汽车多体系统操纵稳定性仿真分析
在汽车操纵稳定性的研究中,通常把汽车作为一个控制系统,用汽车在转向盘输入或外界侧向干扰输入下的侧向运动响应量(横摆角速度波动圆频率、共振峰频率、相位滞后角、稳态增益等)来评价汽车的操纵稳定性能。

4.1　转向盘脉冲输入仿真
转向盘脉冲输入仿真主要是为了获取汽车在频域内的瞬态响应特性。

在仿真分析中,转向盘输入函数表达式[6]为
δ
sw
=0t≤t0
δ
sw
=δsw max3-
2(t-t0)
0.5t
s
t-t0
0.5t s
2
t0<t≤t0+0.5t s
δ
sw
=δsw max1-3-
2(t-t0-0.5t s)
0.5t s
t-t0-0.5t s
0.5t s
2
t0+t s>t>t0+0.5t s
δ
sw
=0t>t0+t s
式中δsw为转向盘转角;δsw max为转向盘最大转角;t0为初始时间;t s为脉冲起跃时间,t s=0.3～0.5s。

图4、图5为某轿车在转向盘转角脉冲输入下的横摆角速度的幅频特性和相频特性曲线。

操纵稳定性的客观评价量共振峰频率和相位滞后角如表2所示。

可以看出:构件的柔性对汽车横摆角速度的频率响应特性有明显的影响。

表2　某轿车操纵稳定性客观评价量
参数多刚体模型
仅考虑前
悬架柔性
考虑前后
悬架柔性
共振峰频率f p/Hz 1.15 1.300.85
相位滞后角Φ/(°)33.256.319.2
4.2　人-汽车闭环系统仿真
汽车的性能是通过人的操纵来实现的,为了更全面地研究和评价汽车的操纵稳定性,必须考虑到驾驶员特性与汽车特性的配合,把驾驶员与汽车作为统一整体的人-汽车系统。

由于驾驶员的反馈作用十分复杂,作者采用双移线试验来综合评价人-汽车系统的操纵稳定性能。

在仿真中,双移线的理想道路轨迹用S T EP函数[6]表示
・
6
6
5
・汽　车　工　程 2004年(第26卷)第5期
step =
0x ∈[0,60)
3.586
x -60
30
2
[3-2
x -60
30
]x ∈[60,90)3.586
x ∈[90,115)
3.586-3.4141-140-x
25
2
3-2
140-x 25
x ∈[115,140)0.172
x ∈[140,300)
图6　汽车实际轨迹与理想轨迹
仿真结果如图6所示。

可以看出,汽车的行驶趋势
与预定的路线一致,实际轨迹(曲线1)与理想轨迹(曲线2)偏差不大。

4.3　“转向盘中间位置”操
纵性仿真
汽车在高速公路上高速
行驶是一种典型工况,它具有以力输入和转向盘反
作用力(即“路感”
)为主要信息源的特点。

通常采用美国德尔福(Delphi )公司制定的“中间位置操纵稳
定性试验”[4]方法和评价指标进行道路测试和性能评价。

因此,参照该标准,进行了“转向盘中间位置操纵稳定性试验”仿真,以评价汽车在高速公路上高速行驶时的操纵性。

图7　
转向盘转矩与汽车侧向加速度曲线
图7为仿真得到的转向
盘转矩与汽车侧向加速度曲
线,根据此曲线可求得转向盘力输入的主要评价指标值如表3所示。

其中,
“转向盘转矩为0时的侧向加速度”
指标主要表征汽车的转向“回正”性能,
“侧向加速度为0的转向盘转矩变化率”指标则可表征驾驶员的“路感”。

将仿真结果与测试报告[7]数据进行对比分析,仿真所得到的评价指标量值与测量值较吻合,相对误差在10%左右。

这表明将驾驶员模型与柔性多体汽车动力学模型组成人-汽车闭环系统模型,进
行汽车操纵动力学仿真,可较准确地预测汽车的性能。

表3　某轿车转向盘力输入的主要评价指标值
转向盘转矩为0时的侧向加速度/m ・s -20.69侧向加速度为0时的转向盘转矩/N ・m
0.694侧向加速度为0时的转向盘转矩梯度/(N ・m/m ・s -2) 1.525侧向加速度为1m/s 2时的转向盘转矩/N ・m 1.92侧向加速度为1m/s 2时的转向盘转矩梯度/
(N ・m/m ・s -2)
0.931
5　结论
通过对多刚体模型和柔性多体模型进行的转向盘转角脉冲输入的仿真,以及对所得到的汽车频域响应特性的对比分析,表明构件的柔性对汽车操纵稳定性评价指标值有明显影响;人-汽车闭路系统仿真的计算轨迹与理想轨迹具有较好的一致性;通过对转向盘中间位置的仿真,得到了表征汽车的转向“回正”性能和表征“路感”的指标。

这些评价指标的量值用多刚体汽车动力学方法是无法计算得到的,且仿真结果与测量值较吻合。

因此,在汽车设计阶段,可以利用柔性多体模型较准确地预测汽车在高速公路上高速行驶时的操纵稳定性,并可替代实车测量方法。

参考文献
1　Hugo S ,Radt J r ,Donald J ,Van Dis.Vehicle Handling Responses Us 2ing Stability Derivatives.SAE Transactions 960483
2　美国国家运输部报告.Traffic Safety Facts 1999.National Highway
Traffic Safety Administration ,2000
3　加拿大运输部机动车事故统计报告.Trends in Motor Vehicle
Traffic Collision Statistics 198821997.Road Safety and Motor Vehi 2cle Regulation Directorate ,2001
4　余志生.汽车理论.北京:机械工业出版社,1990
5　陆佑方.柔性多体系统动力学.北京:高等教育出版社,1996.76　ADAMS Theory Seminar.Mechanical Dynamics ,Inc.,20017　G eneral Mortors.Vehicle Handling Facility Test A ,
2001.
・
765・2004年(第26卷)第5期 汽　车　工　程。