ADAMS_Car在汽车动力学仿真分析中的应用(中文)

ＡＤＡＭＳ／　Ｃａｒ在汽车动力学仿真分析
中的应用
李磊任勇生孙爱芹
（山东科技大学机械电子工程学院，青岛２６６５１０）
摘要：本文应用ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ建立了整车运动学模型及动力学模型，进行了仿真分析，通过验证模型符合要求。

然后建立双横臂式前独立悬架，验证模型成功后，进行动力学分析。

仿真结果表明，应用ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ所建立的模型能较全面的评价和预测动力学性能。

这种建模仿真方法避免了繁琐的动力学方程，为复杂样机的开发提供了新思路。

如果应用ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ进行汽车产品的开发，将会极大地缩短产品开发周期，降低成本，提高工作效率。

关键词：ＡＤＡＭＳ复杂样机悬架仿真
ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＶｅｈｉｃｌｅ＇ｓＤｙｎａｍｉｃｓＢａｓｅｄｏｎＡＤＡＭＳ／ＣＡＲ
ＬＩＬｅｉＲＥＮＹｏｎｇｓｈｅｎｇＳＵＮＡｉｑｉｎ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳＵＳＴ，Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ２６６５１０）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＦｉｒｓｔｌｙｗｅｍａｋｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓａｎｄｄｙｎａｍｉｃｓｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｃａｒｂａｓｅｄｏｎＡＤＡＭＳ／Ｃａｒｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ．Ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｍｏｄｅｌ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅｖａｌｉｄａｔｉｏｎｒｅｖｅａｌｔｈａｔｔｈｅｍｏｄｅｌｉｓｕｐｔｏｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｎｍａｋｅｄｏｕｂｌｅｃｒｏｓｓａｒｍａｃｔｉｖｅｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｍｏｄｅｌ．Ａｆｔｅｒｖａｌｉｄａｔｉｎｇｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｍｏｄｅｌ，ｗｅｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｍｏｄｅｌａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｍｏｄｅｌｗｉｔｈＡＤＡＭＳ／Ｃａｒｃｏｕｌｄｅｖａｌｕａｔｅａｎｄｆｏｒｅｃａｓｔｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｖｏｉｄｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｄｙｎａｍｉｃｓｅｑｕａｔｉｏｎ．ＩｆｄｅｓｉｇｎｔｈｅｎｅｗｐｒｏｄｕｃｔｗｉｔｈＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ，ｉｔｗｉｌｌｓｈｏｒｔｅｎｔｈｅｔｉｍｅｏｆｄｅｓｉｇｎ，ｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｏｓｔａｎｄｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｗｏｒｋｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＤＡＭＳ，Ｃｏｍｐｌｅｘｐｒｏｔｏｔｙｐｅ，Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ，Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
１前言
近年来随着我国汽车工业的迅速发展及小汽车开始大量进入百姓家庭，汽车的操控性正日益受到开发商和消费者关注。

汽车的操控稳定性，即表示汽车是否按照驾驶员的意图行驶，包含两个方面：一是可操作性，指车辆对驾驶员的指令的响应能力；二是稳定性，指车辆抗干扰能力，稳定性的好坏直接影响到可操控性。

汽车是一个及其复杂的多体系统，整车的稳定性受到轮胎、悬架、转向、发动机、以及传动系统的影响，简单的模型往往要进行诸多的限制，不能很好的反映汽车真实的动力学特性，所以难以得到精确的结论。

对汽车动力学性能进行分析不外乎仿真分析法和实车试验法，实车试验开发周期长，出错返工率高，耗资巨大；而仿真分析法是在计算机上建立简化到一定程度的模型，然后对模型进行仿真分析，及时纠正不合理的设计，直至得出完美的汽车模型。

因此仿真分析花费的时间短，可在计算机上重复进行，对各种设计方案进行快速优化对比，并且可以实现试验条件下不能进行的严酷工况分析。

利用这种虚拟模型代替实车模型对汽车进行创新设计、测试和评估，可以缩短产品的开发周期，降低产品开发成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。

２汽车整车模型
建模过程是对模型进行适当抽象和简化的过程，为保证仿真质量，提高仿真精度，使仿真结果更真实的反映实车模型的动态特性，需要充分研究各部件之间约束和运动关系。

调用整车模型如图１，由车体、前悬架、后悬架、轮胎、转向系统、刹车系统、发动机系统组成。

２．１前悬架模型
设计与研究
２５
现代制造技术与装备２００７第１期总第１７６期
前悬架为双横臂独立悬架，考虑到轮轴、转向
节、主销无相对运动可以视为一体，上下摆臂与主销
以球铰联接，与车体以衬套联接，转向节与转向拉杆
以万向节铰联接，减震器抽象为联接车体和下摆臂
的阻尼弹簧。

２．２后悬架模型
后悬架也为双横臂独立悬架，不考虑转向节与
转向拉杆，除此之外均与前悬架一致。

２．３横向稳定杆模型
横向稳定杆用来提高悬架的侧倾角刚度，承载
过大的侧倾变形，调节前、后悬架的侧倾角刚度比
值，保持车身的稳定姿态。

横向稳定杆与车身的联接
部分可视为刚体，此部分与车身以球铰联接，与横向
稳定杆以万向节铰联接。

２．４轮胎模型
轮胎对整车的操控稳定性有重要影响，如果其
轮胎动载荷过大，将影响车轮的定位，轮胎抓地能力
不足；如果轮胎动载荷过小，加大转向力矩，将不利
于转向操纵性。

考虑到纵向、横向和垂向的动态特
性，选用ＵＡ轮胎解析模型。

除此之外，整车测试系统还包括路面、发动机、
刹车系统等模型，考虑到各部件之间的弹性联接，模
型中用了很多的衬套，模型共有５３个部件，１１个转
动铰，１０个等速万向节，１４个球铰，３个圆柱副，４个
固定铰，２个万向节，５个平移副，２个ｃｕｏｐｌｅｒ。

１１０个
自由度。

２．５整车动力学仿真及其模型的验证
以直线加速度仿真为例，设汽车初始车速为２０千米／时，仿真时间为１０秒，步长为０．０１，在１秒开始减速，在８秒处停止减速，仿真过程图２所示。

在１￣８秒间，由汽车的速度、４个轮胎的半径、加速度的变化情况（如图３到图５）可知，在１秒时汽车开始减速，加速度为负数，在８秒时汽车速度迅速减为６．５ｋｍ左右，由于惯性作用，此时汽车后两轮的轮半径先增大，很快又恢复到原半径大小；前两轮的轮半径则先减小，然后快速恢复到原半径大小，加速度在８秒处的变化最大，这和人们乘车经验是一致的。

３前悬架模型及其仿真分析
３．１模型建立
建立双横臂独立悬架模型，如图６所示。

双横臂独立悬架由有下横臂、上横臂、作动器、弹簧、左侧转向拉杆、右侧转向拉杆、主销、拉臂、万向节等组成。

图１整车模型图２直线加速度仿真过程
图３汽车速度随时间变化曲线
图４汽车悬架轮胎轮胎半径随时间变化曲线
图５汽车加速度随时间的变化曲线
２６
考虑到轮轴、转向节、主销无相对运动可以视为一体，上下摆臂与主销以球铰联接，与车体以衬套联接，转向节与转向拉杆以万向节铰联接，减震器抽象为联接车体和下摆臂阻尼弹簧。

３．２模型仿真及模型验证
为了保证车辆有良好的操纵稳定性，必须设计出合适的定位参数，也就是要求转向车轮有一定的前束角或外倾角。

设定未加载载荷前车轮半径为３００ｍｍ，轮胎的等效刚度为２００Ｎ／ｍｍ，轮胎质量为
４０ｋｇ，簧上质量为１２００ｋｇ，车轮轴线离地高度为３００ｍｍ。

考虑两轮同向跳动时。

设轮子在垂直方向跳动范围８０ｍｍ￣－８００ｍｍ，仿真步数为１００。

仿真结果如图７、图８所示。

针对已经建立好的虚拟样车系统，利用已有的实车试验结果对模型的正确性、精确性进行对比验证。

结果表明：由于存在大量的橡胶衬套元件，一般橡胶元件的弹性特性误差可以高达１５％，因而车辆本身定位参数就存在很大的随机性，同时试验测量中也存在误差，因而导致仿真模型与实测值有些不同，但总体来讲仿真与实测还是比较吻合的，可以满足工程应用。

４总结
１）由于模型建立过程中，进行了必要的假设和限制，再加上各部件联接中使用了大量的橡胶衬套元件，模型的仿真结果与实际结果肯定会存在误差，但是误差在允许范围内，完全可以满足工程应用。

２）ＡＤＡＭＳ软件适合汽车这类比较复杂的多体系统。

利用ＡＤＡＭＳ软件在图纸设计阶段对整车动力学性能作出较为全面的预测和评价，对于改善整车动力学性能和关键零部件设计起到重要的指导作用。

３）随着世界经济的一体化发展，市场竞争日趋激励，多品种小批量生产和大批量定制生产逐渐成为主导的生产形式。

ＡＤＡＭＳ软件能满足时代的要求，如果进行二次开发，将会极大地缩短开发周期，降低产品研发成本，提高产品的设计效率。

参考文献：
［１］Ｈ－Ｐ威鲁麦特．车辆动力学模拟及其方法［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，１９９８．
［２］雷雨成．汽车系统动力学及仿真［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９９７．
［３］喻凡．汽车系统动力学［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００５．
［４］ＤａｖｅＣｒｏｌｌａ．喻凡．车辆动力学及其控制［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００３．
［５］李军等．ＡＤＡＭＳ实例教程［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，２００２．
［６］陈立平等．机械系统动力学分析及ＡＤＡＭＳ应用教程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５．
［７］郑凯等．ＡＤＡＭＳ２００５机械设计高级应用实例［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００６．
图６双横臂前独立悬架
图７前悬架车轮前束角随车轮跳动变化曲线
图８前悬架车轮外倾角随车轮跳动变化曲线
设计与研究
２７。