轉(zhuǎn)向回正性能仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)淺析
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摘要：隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，商用車消費(fèi)者對(duì)車輛的各項(xiàng)性能也有了更高的要求，不僅要求車輛具備良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，還要求車輛具有優(yōu)異的操縱穩(wěn)定性與安全性，其中轉(zhuǎn)向回正是整車操縱穩(wěn)定性的一個(gè)重要性能指標(biāo)。文章采用ADAMS分析軟件，建立整車多體動(dòng)力學(xué)模型，依據(jù)汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法，對(duì)整車轉(zhuǎn)向回正性能進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，并運(yùn)用分析結(jié)果對(duì)相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升整車的轉(zhuǎn)向回正性能的同時(shí)，也有效縮短整車的開發(fā)驗(yàn)證周期。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向回正性能；動(dòng)力學(xué)仿真；優(yōu)化設(shè)計(jì)；輕卡；ADAMS
隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，商用汽車在日常生活、工作和生產(chǎn)中的作用越來(lái)越重要。同時(shí)，駕乘人員，特別是青年人對(duì)整車的舒適性、操縱穩(wěn)定性和安全性的要求也越來(lái)越高，諸如轉(zhuǎn)向回正等得到越來(lái)越多的重視。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)之初，就應(yīng)該對(duì)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行深入研究，利用ADMAS/Car軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，不僅能夠有效提升整車性能，同時(shí)也會(huì)大大縮短開發(fā)驗(yàn)證周期。目前對(duì)整車操縱穩(wěn)定性的研究、測(cè)試和評(píng)價(jià)主要從三個(gè)維度進(jìn)行：（1）通過(guò)專業(yè)的主觀評(píng)價(jià)工程師進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，按照標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)體系，對(duì)汽車的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究并給予主觀評(píng)價(jià)；（2）通過(guò)客觀試驗(yàn)（包括場(chǎng)地試驗(yàn)和模擬實(shí)驗(yàn)），按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)量開環(huán)和閉環(huán)條件下汽車的主要觀測(cè)量，研究汽車及人-車-路閉環(huán)系統(tǒng)的特性，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和客觀評(píng)價(jià)；（3）通過(guò)建立整車動(dòng)力學(xué)仿真模型和人-車閉環(huán)系統(tǒng)模型，利用ADMAS/Car仿真軟件來(lái)研究分析和評(píng)價(jià)汽車的操縱穩(wěn)定性[1]。利用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論建立多自由度汽車動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行整車動(dòng)力學(xué)仿真分析，成為整車操縱穩(wěn)定性分析及優(yōu)化提升的重要方法。本文以某輕型卡車為仿真分析對(duì)象，采用了ADAMS/Car仿真分析軟件的整車模塊、懸架模塊、底盤模塊、輪胎模塊、解算器模塊和后處理模塊，建立了前后懸架均是鋼板彈簧非獨(dú)立懸架的整車動(dòng)力學(xué)仿真模型，進(jìn)行了整車轉(zhuǎn)向回正性能分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行迭代優(yōu)化，將分析結(jié)論用于相關(guān)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在后續(xù)的實(shí)車測(cè)試、驗(yàn)證及評(píng)價(jià)中得到了驗(yàn)證[2]。
1基于ADAMS/Car的整車動(dòng)力學(xué)模型的建立
根據(jù)ADAMS/Car的建模理論，在ADAMS/Car模塊分別建立整車的各項(xiàng)模板和子系統(tǒng)，并根據(jù)各子系統(tǒng)之間的通訊器匹配關(guān)系，裝配成整車模型。ADAMS/Car整車建模流程如圖1所示。其中，建模的難點(diǎn)是前后鋼板彈簧模型的建立，雖然鋼板彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在ADAMS中模擬鋼板彈簧并不是簡(jiǎn)單的工作。本文運(yùn)用ADAMS/Chassis模塊中的板簧編輯功能創(chuàng)建鋼板彈簧。車輛結(jié)構(gòu)及主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1、表2所示，作為整車建模的參考。以前懸架模型建立為例。用ADAMS/Chassis模塊中的LeafSpring創(chuàng)建鋼板彈簧模型，如圖2所示。前懸架模型可抽象為以下部件：前軸、左/右轉(zhuǎn)向節(jié)、左/右輪轂、左/右減振器、節(jié)臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿、左/右限位塊，建立好的前懸架模型如圖3所示。之后對(duì)后鋼板彈簧、后懸架、輪胎、車身、動(dòng)力總成等進(jìn)行依次建模，在標(biāo)準(zhǔn)模式（standardinterface）下將上述所建各子系統(tǒng)模型與整車測(cè)試平臺(tái)（MDI_SDI_TESTRIG）組裝在一起，得到整車操縱穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)仿真模型，如圖4所示。
2整車轉(zhuǎn)向回正性能仿真分析
2.1轉(zhuǎn)向回正概念
轉(zhuǎn)向回正是汽車轉(zhuǎn)向后能否主動(dòng)恢復(fù)直線行駛趨勢(shì)的一種重要性能，主要關(guān)注汽車瞬態(tài)響應(yīng)特性。轉(zhuǎn)向回正特性是表征汽車操縱穩(wěn)定性的一個(gè)重要特性，良好的轉(zhuǎn)向回正性能可有效提升整車的操縱品質(zhì)和駕駛感覺(jué)。
2.2轉(zhuǎn)向回正仿真
2.2.1轉(zhuǎn)向回正試驗(yàn)方法。依據(jù)GB/T6323—2014汽車操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)方法的相關(guān)規(guī)定，試驗(yàn)汽車直線行駛，記錄各測(cè)量變量零線，然后調(diào)整轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，使汽車沿半徑為15m的圓周行駛，調(diào)整車速，使側(cè)向加速度達(dá)到（4±0.2）m/s2，固定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，穩(wěn)定車速并開始記錄，待3s后，駕駛員突然松開轉(zhuǎn)向盤并做標(biāo)記，至少記錄松手后4s的汽車運(yùn)動(dòng)過(guò)程。記錄時(shí)間內(nèi)加速踏板位置保持不變[3]。2.2.2仿真結(jié)果。對(duì)整車橫擺角速度進(jìn)行觀測(cè)記錄，生成曲線如圖5所示。根據(jù)QC/T480—1999汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法[4]，結(jié)合仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)，計(jì)算出轉(zhuǎn)向回正性能仿真及試驗(yàn)評(píng)價(jià)計(jì)分表如表3、表4所示。小結(jié)：當(dāng)方向盤撒手時(shí)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角曲線、整車側(cè)向加速度曲線、橫擺角速度曲線均經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，符合轉(zhuǎn)向回正試驗(yàn)要求，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較接近，但轉(zhuǎn)向回正性能較差，同時(shí)由于整車阻尼、摩擦等一些誤差的原因?qū)е聶M擺角速度總方差的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定偏差。
3整車轉(zhuǎn)向回正性能優(yōu)化及仿真
結(jié)合實(shí)車試驗(yàn)情況，分析影響整車轉(zhuǎn)向回正性能的主要因素，重點(diǎn)對(duì)液壓轉(zhuǎn)向機(jī)背壓及主銷后傾角開展仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證。
3.1改變液壓轉(zhuǎn)向機(jī)背壓
經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量，液壓轉(zhuǎn)向器初始背壓為0.9MPa，分別對(duì)轉(zhuǎn)向器的背壓加大20%（調(diào)整為1.08MPa）、減小20%（調(diào)整為0.72MPa）進(jìn)行仿真，車輛的橫擺角速度仿真曲線如圖6所示，圖中為原車初始狀態(tài)，轉(zhuǎn)向機(jī)背壓加大20%，轉(zhuǎn)向機(jī)背壓減小20%時(shí)的橫擺角速度。根據(jù)QC/T480—1999汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法，結(jié)合仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)，計(jì)算出改變液壓轉(zhuǎn)向機(jī)背壓轉(zhuǎn)向回正性能仿真評(píng)價(jià)計(jì)分表如表5所示。小結(jié)：適當(dāng)減小轉(zhuǎn)向機(jī)背壓能提高整車的轉(zhuǎn)向回正性能。
3.2改變主銷后傾角
車輛轉(zhuǎn)向軸的主銷后傾角為2°，分別將主銷后傾角加大至3°、減小至1°進(jìn)行仿真，車輛的橫擺角速度仿真曲線如圖7所示。根據(jù)QC/T480—1999汽車操縱穩(wěn)定性指標(biāo)限值與評(píng)價(jià)方法，結(jié)合仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)，計(jì)算出改變主銷后傾角轉(zhuǎn)向回正性能仿真評(píng)價(jià)計(jì)分表如表6所示。小結(jié)：增大主銷后傾角能提高整車的轉(zhuǎn)向回正性能。
3.3改進(jìn)后實(shí)車驗(yàn)證
通過(guò)上述仿真，適當(dāng)減小轉(zhuǎn)向機(jī)背壓及增大主銷后傾角，都能使轉(zhuǎn)向回正性能提高，根據(jù)此結(jié)論對(duì)實(shí)車進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)（主銷后傾角增加到3°，同時(shí)轉(zhuǎn)向機(jī)背壓減小20%），表7為操穩(wěn)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。小結(jié)：通過(guò)仿真分析適當(dāng)減小轉(zhuǎn)向機(jī)背壓并增大主銷后傾角，整車回正性能大幅提升，綜合評(píng)分達(dá)到65.3，滿足國(guó)標(biāo)要求。
4總結(jié)
本文依據(jù)多體動(dòng)力學(xué)的基本理論和仿真分析方法，利用ADAMS/Car模塊建立了某輕卡的多體動(dòng)力學(xué)模型，并依據(jù)國(guó)標(biāo)的相關(guān)要求，對(duì)整車進(jìn)行了轉(zhuǎn)向回正性能仿真分析，明確設(shè)計(jì)優(yōu)化方向，并進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證。（1）在ADAMS/Car模塊中，按照整車建模流程，建立了前后懸架、前后板簧、轉(zhuǎn)向系、前后輪胎、車身、動(dòng)力系統(tǒng)模型，并生成了系統(tǒng)，最后裝配成轉(zhuǎn)向回正模型，為下一步仿真打下基礎(chǔ)。（2）對(duì)整車進(jìn)行轉(zhuǎn)向回正仿真分析，仿真結(jié)果同試驗(yàn)結(jié)果基本一致，轉(zhuǎn)向回正性能較差，需優(yōu)化提升。（3）結(jié)合以上仿真結(jié)果，對(duì)影響該車型轉(zhuǎn)向回正的主要因素進(jìn)行分析，并提出優(yōu)化方案。仿真結(jié)果表明，適當(dāng)減小轉(zhuǎn)向機(jī)背壓并增大主銷后傾角后回正性能提升；最后通過(guò)實(shí)車驗(yàn)證，轉(zhuǎn)向回正性能提升到65.3分，滿足國(guó)標(biāo)要求，整車回正性能得到大幅提升；但主銷后傾角的增大會(huì)帶來(lái)其他問(wèn)題，如輪胎磨損過(guò)度等，需結(jié)合整車可靠性試驗(yàn)進(jìn)一步確定。
參考文獻(xiàn)
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作者:盧威 王印 張旭 單位:陜西汽車集團(tuán)股份有限公司