面向某皮卡车型操纵稳定性的多体动力学建模仿真 张曦

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面向某皮卡车型操纵稳定性的多体动力学建模仿真

Multi-body Dynamics Modeling and Simulation Oriented to PICK UP VehicleHandling and Stability

张曦 周毅 徐彦 李飞

摘 要:本论文主要介绍了某皮卡车型的操纵稳定性能的仿真分析，同时作为操稳的基础，引入了悬架K&C分析，并分别与试验数据进行了对比。得出了仿真数据与试验数据高度一致的结论。如此，既对分析车型的K&C、操稳性能有了定性的结论，也验证了分析模型的准确性，保证后续分析工作的精准。

关键词: 操稳 CAE Adams

Abstract: The paper mainly introduces the application onvehicle handing and standing by simulation analysis. Through a Pickup example,we not only do the K&C simulation analysis but also do the testing, andboth of the result is coincident. After that, we can confirm the performance ofthe vehicle, and validate the dynamic model.

Key words: handling and standing, CAE, Adams

1. 引言

所谓汽车的操纵稳定性性，是衡量汽车行驶安全的重要因素，是指汽车受到外界干扰后，能自行恢复正常行驶的方向，而不发生倒滑、倾覆、失控等现象。在操纵稳定性的研究中，由于悬架系统、传动系统等对于车辆的重要性，所以又引出了操纵稳定性和这些系统的关系，比如汽车的侧倾中心、汽车悬架的角刚度、轮胎侧倾角和外倾角对于转向特性的影响等等，由此引入K&C的领域。

本文就某一皮卡车型使用MSC.ADAMS CAR软件进行分析，由K&C入手，分析悬架相关的主要性能参数，而后展开到操稳性能的分析，并分别与试验进行对比，确定模型分析的准确。其中操稳部分与Carsim软件进行了分析对比，得出简单结论。

2. 悬架K&C分析

2.1 K&C浅论

悬架是底盘的灵魂,所以对汽车悬架K&C特性的研究和分析尤为重要,它对汽车的操纵稳定性及其相关品质的提升起着至关重要的作用和指导意义。

悬架的K&C，也叫SP(Suspension Parameters),其主要目的就是反映出悬架的特性参数：

悬架的K(Kinematic)就是指悬架的运动学特性，表征的是悬架的运动学规律（在ADAMS悬架仿真中，就是把各个零部件都用理想铰约束时，悬架的运动规律)。汽车悬架最本质的运动，就是K特性所描绘的车轮上下跳动与转向过程中体现出来的特性。
    C(Compliance)是指悬架的柔性特性，由于各连接衬套在受到外力变形后，由于各个不同衬套间的刚度匹配影响悬架机构的构型（车轮的运动姿态），从而影响整车操稳性能。和K特性的区别之处，C特性是指在某固定轮跳下（对应于悬架的某种载荷状态）的，加各种力时的悬架参数的变化特性。
    在全世界范围内的试验设备，有比较著名的两家公司，一家是大名鼎鼎的试验设备供应商MTS（试验设备叫K&C），另一家是ABD公司(试验设备叫SPMM－Suspension Parameters Measuring Machine),K&C的两个名字也由此而来。而在国内的设备供应能力，有孔辉科技研发的K&C试验台，现也已经投产代销了。
2.2 K&C仿真分析

使用ADAMS进行悬架K&C分析与试验数据进行对比，有多方面的作用。可以使用试验数据对仿真模型进行模型基础数据的校验；可以使用仿真数据对试验数据的误差进行检查；以上分析都要求分析工程师具有丰富的经验。

由于K&C分析内容庞大，以下只举例K分析的平行轮跳仿真与试验数据的对标。其中红色实线为计算值，其他虚线为左、右侧试验值。

由上分析图表可以看出，除前束的试验数据左右不对称，左侧与仿真有一定误差外，其余数据均一致性较高。分析结果见表2-1。

表2-1 前悬架运动学分析结果表

运动学	计算值		试验值
	初始值	变化率	初始值	变化率
悬架整体线刚度	27.86 N/mm		27.4 N/mm
车轮前束角	0 deg	-6.7~-7.8  deg/m		-8.64 deg/m
车轮外倾角	0.5 deg	-22~-40.8  deg/m		-21.2 deg/m
主销后倾角	3.55 deg	23.4~28.6  deg/m	3.58
主销内倾角	9.35 deg	22.7~42.1  deg/m	9.22
主销纵向偏距	13.33 mm		13.4
主销横向偏距	23.8 mm		24.8
轮心横向位移	5.29 mm		5.21/5.04
TCP横向位移	2.93 mm		2.92/2.66
轮心纵向位移	0.33 mm		0.59/0.08
侧倾中心高度	100.4 mm		104mm
悬架整体侧倾刚度	1066 Nm/deg		1066 Nm/deg
车轮内外转角	40.31/33.89deg		40.8/34.1  deg
阿克曼百分比	75.3 %		76.3 %
转向传动比	20.33		20.38
外侧最小转弯直径	11.9 m		11.9 m

3. 操纵稳定性分析

操纵稳定性是指人员对车辆驾驶过程的一个整体描述。它包括驾驶者在驾驶车辆时，对方向盘、刹车、油门的感受，还有车辆在加速减速过程中的反应，以及底盘悬挂在弯道、直行以及颠簸路面等各种特殊环境下，车辆本身做出的反应，等等都属于汽车的操控性。

本小节主要介绍操稳的仿真与试验的对标分析结果。另外，本车型在使用Adams进行操稳仿真分析的同时也进行了Carsim仿真分析，本部分也简单进行结果比较。

3.1 Adams与Carsim建模比较

K&C建模比较：Adams建模相对复杂，但使用Adams进行K&C的对标分析，可以检验试验数据的误差，帮助设计人员进行硬点发布与衬套力提取等零部件试验的支持；Carsim不需进行悬架建模，需要完全依靠试验数据的支持，优点是便捷准确，缺点就是该悬架部分只能为整车分析提供基础数据，但不能进行零部件验证，对Carsim提供的Suspension design模块使用较少。

整车建模的比较：同样，Adams较Carsim建模复杂，但从下图也可看出，使用Adams建模，可以直观可视的观察悬架姿态；Carsim模型更加美观但不直观。

3.2稳态回转性能分析

稳态回转试验是为了测定汽车对方向盘转角输入达到稳定行驶状态时汽车的稳态横摆响应。仿真采用定方向盘转角连续加速法。汽车先以最低稳定车速，在初始半径为15m的圆周上行驶，待稳定后再加速，直至侧向加速度达到0.65g或受发动机功率限制达到最大侧向加速度为止。

从图表中可以看出，前后侧偏角差的试验数据和仿真数据曲线在侧向加速度小于0.4g（轮胎线性区域）范围内的一致性较好。在0.5g以上相差较大，主要与轮胎没有进行修正所导致。

表3-1 稳态回转试验评价参数对比

侧向加速度（g）			0.05	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5
前后侧偏角差(deg)	左转	仿真	-0.330	-0.208	0.044	0.287	0.661	1.370
		试验	-0.143	-0.2	-0.107	0.180	0.677	1.320
不足转向度（deg/g）	左转	仿真	2.386	2.342	2.471	3.009	4.752	10.906
		试验	-1.797	-0.490	2.125	4.086	5.720	6.701

下图是Carsim分析的图，其中前后侧倾角差为局部放大图，可以看出，Carsim分析结果与试验数据也一致性较好，但是但看仿真数值，数据波动较大，连续性差。

3.3方向盘角脉冲分析

方向盘角脉冲输入试验是以汽车横摆角速度频率特性来表征汽车的动特性。仿真时汽车先以恒定车速行驶，稳定后给方向盘一个角脉冲输入，并迅速将方向盘转回原处不动，直到汽车回复到直线行驶。

从幅频图上可知，试验的稳态增益大于仿真的稳态增益，试验的共振峰值也大于仿真的共振峰值。但是仿真与试验的共振峰值与仿真的稳态增益数值都在合理范围内，试验的共振增益增幅偏大。从相频图上可知，0.1Hz的仿真相位滞后角小于试验值，但在0.325s之后则是仿真相位滞后角大于试验值（仿真输入频率为0.385Hz）。但都在合理范围内。

表3-2角脉冲分析_幅频相频特性对比表

	共振峰	稳态增益	共振增益增幅	相位滞后角(0.1Hz)	相位滞后角(0.6Hz)
仿真	0.732Hz	-11.425dB	1.491 dB	-7.715 deg	-35.074 deg
试验	1.196Hz	-14.859dB	6.277 dB	-14.905 deg	-23.781 deg

下图是Carsim分析的图，同样的，Carsim分析结果与试验数据也一致性较好，但是但看仿真数值，数据波动较大，连续性差。以下不再做对比。

3.4蛇行穿桩性能分析

蛇行试验是考察汽车在特定行驶路径下的抗侧翻能力。仿真时以30m为间距设置标桩，汽车先以一恒定车速直线行驶，稳定后蛇行通过试验路段，逐渐增加车速，达到顺利通过的极限车速为止（最高车速一般不超过80km/h）。

上图为车速为55km/h的侧向加速度、车身侧倾角、横摆角速度、方向盘转角曲线。从图中可以看出，除侧向加速度数据外，车身侧倾角与横摆角速度的对比数据一致性较高。

表3-3 蛇形穿桩性能分析数据统计表

车速（km/h）		平均侧向加速度峰值(g)	平均车身侧倾角峰值(deg)	平均横摆角速度峰值(deg/s)	平均方向盘转角峰值(deg)
55	仿真	0.352	2.553	13.203	66.751
	试验	0.408	2.656	13.128	66.751
65	仿真	0.424	3.101	14.514	69.914
	试验	0.507	3.161	14.605	69.914

4. 结论

本文由悬架K&C和整车操稳的浅论引入，展开介绍了某皮卡车型的K&C对标分析和整车操稳对标分析。由仿真和试验数据可以得出该皮卡车型操纵性能较好，各数据均在常规范围内的结论。同时由试验和仿真结果的一致性好的结论（不考虑试验采集数据的波动、车速与方向盘转角的输入不稳定造成的影响），也验证了分析模型的准确性，保证后续分析工作的精准。

5. 参考文献

[1] 余志生.汽车理论.北京：机械工业出版社，2006

[2] 张洪欣. 汽车设计[M],北京：机械工业出版社，2002

----本文选自2010年msc公司论文集