車(chē)輛動(dòng)力學(xué)建模及試驗驗證

車(chē)輛動(dòng)力學(xué)建模及試驗驗證文章編號:10024581(2010)01-004004車(chē)輛動(dòng)力學(xué)建模及試驗驗證殷梅,王成龍Yin Mei, Wang Chenglong(上海匯眾汽車(chē)制造有限公司,上海200122摘要:為實(shí)現對某商用車(chē)輛的性能評估、參數優(yōu)化設計,利用 MSC ADAMS/CAR軟件建立了整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型在多體動(dòng)力學(xué)的理論基礎上,充分考慮減震器橡膠村套等元件的非線(xiàn)性特性。通過(guò)對整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析將懸架特性曲線(xiàn)與利用K&C試驗臺得到的相應特性曲線(xiàn)進(jìn)行比較分析證明該多體動(dòng)力學(xué)模型的合理性和適用性。關(guān)鍵詞:車(chē)輛動(dòng)力學(xué);仿真;K&C試驗;模型驗證中圖分類(lèi)號:U461.1文獻標識碼:A北0引言系統。一般在較為復雜的汽車(chē)動(dòng)力學(xué)模型中,不但京動(dòng)力學(xué)分析與仿真隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展需要各運動(dòng)部件之間連接點(diǎn)的空間坐標、零部件的質(zhì)量特性參數(質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉動(dòng)慣量等),汽而不斷成熟:系統動(dòng)力學(xué)理論的完善和虛報樣機而且還需要模型中彈性體的力學(xué)特性參數(剛度、技術(shù)的發(fā)展,尤其是機械系統建模和仿真商業(yè)軟阻尼)等,如橡膠元件的非線(xiàn)性剛度、減振器的非車(chē){件的出現使得動(dòng)力學(xué)分析與仿真技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應用?；跀底只奶摂M樣線(xiàn)性阻尼特性等。仿真計算中的數據主要來(lái)自圖紙查閱、CAD數模及整車(chē)技術(shù)參數表。零部件的幾機仿真技術(shù)可以簡(jiǎn)化產(chǎn)品的設計開(kāi)發(fā)過(guò)程,大幅度縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,大量減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)費用和何尺寸、材料屬性及力學(xué)特性等參數主要來(lái)自圖紙資料和技術(shù)文獻,質(zhì)量、慣量及質(zhì)心位置等參數成本,明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量,提高產(chǎn)品的系統級性根據零部件的三維實(shí)體模型取得。能,獲得最優(yōu)化和創(chuàng )新的設計產(chǎn)品,是當今車(chē)研發(fā)領(lǐng)域的一項關(guān)鍵核心技術(shù)。12前懸架轉向系統1車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型前懸架系統為雙橫臂式獨立懸架,包含上下橫臂、轉向節、轉向拉桿、橫向穩定桿、扭桿彈11模型概述簧等部件。橫向穩定桿常用來(lái)提高懸架的側傾角隨著(zhù)一些車(chē)輛多體系統動(dòng)力學(xué)分析軟件的剛度或是調整前后懸架的側傾剛度的比值,在這紛紛問(wèn)世,為車(chē)輛動(dòng)力學(xué)研究提供了一個(gè)方便里橫向穩定桿采用模態(tài)中性文件來(lái)表達。扭桿彈快捷的手段。選擇 MSC ADAMS/CAR作為建?；傻慕Ｋ悸窞?在扭桿中間部分截斷,前端部工具,該工具是進(jìn)行車(chē)輛建模的理想工具,用戶(hù)分通過(guò) fix joint接到車(chē)架,后端部件直接和控制可以根據實(shí)際情況選擇子系統型式和修改模型臂作為一體,對中間斷開(kāi)部分添加圓柱副參數,方便地創(chuàng )建車(chē)輛的三維動(dòng)力學(xué)模型。文中( cylin增加卻桂籌根據零件圖紙調用了 ADAMS/CAR的前懸子系統、后懸子系計算中國煤化rad.,扭桿預統、轉向子系統、輪胎系統以及動(dòng)力系統和制動(dòng)載荷CNMHG《北京汽車(chē))2010N01車(chē)輛動(dòng)力學(xué)建模及試驗驗證轉向系統的轉向盤(pán)最大轉角為720°*2,齒的輪胎模型。條最大位移±9mm。通過(guò) couple約束來(lái)轉化轉向盤(pán)的轉動(dòng)為轉向橫拉桿的移動(dòng),齒輪齒條傳15動(dòng)力及制動(dòng)系統動(dòng)比01380555,最后裝配的前懸架轉向系統動(dòng)發(fā)動(dòng)機本體采用質(zhì)量、轉動(dòng)慣量、質(zhì)心位置力學(xué)模型如圖1所示。相等的建模方法,通過(guò)襯套連接到車(chē)身上。襯套屬性如下表所示。發(fā)動(dòng)機轉矩可由發(fā)動(dòng)機的負荷特性曲線(xiàn)來(lái)擬合。發(fā)動(dòng)機最大扭矩190Nm/22002800,最大功率90kW/5000600,動(dòng)力系統質(zhì)量350kg,變圖1前懸架轉向系統速箱傳動(dòng)比如下表所示。13后懸架系統40[312[=1【4區39后懸架系統是采用單片鋼板彈簧的非獨立整車(chē)釆用前盤(pán)后鼓制動(dòng)系統,在模型中統懸架,其結構簡(jiǎn)單,車(chē)輪的定位參數基本保持不用盤(pán)式來(lái)建模,主要是提供一定的制動(dòng)力即可滿(mǎn)變,平順性相對于獨立式懸架稍差。模型中考慮足分析要求。了所有約束以及相應的襯套剛度、彈簧剛度、減震器阻尼特性等輸入數據。其中使用模態(tài)中性文北16車(chē)身系統件來(lái)表征鋼板彈簧的特性。最后裝配的后懸架動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。為了使問(wèn)題簡(jiǎn)便與直觀(guān),將整個(gè)車(chē)架和車(chē)身作為一體來(lái)考慮。雖然該模型結構簡(jiǎn)單,但是車(chē)身起到連接前后懸架轉向系以及橫向穩定桿的}汽重要作用,建模時(shí)應注意定義與各個(gè)子系統之間車(chē)的正確連接關(guān)系。車(chē)身系統采用了模態(tài)中性文件柔性體的質(zhì)量為300kg。整個(gè)車(chē)身系統,用質(zhì)量球點(diǎn)來(lái)表示,通過(guò)10個(gè)橡膠襯套連接柔性體到該質(zhì)量球點(diǎn),球點(diǎn)直接 mount到車(chē)架上不圖2后懸架系統影響動(dòng)力學(xué)仿真的需求條件。通過(guò)修改車(chē)身質(zhì)量,來(lái)分析整車(chē)空載滿(mǎn)載狀態(tài)。14輪胎系統輪胎的力學(xué)特性對汽車(chē)運動(dòng)有著(zhù)舉足輕重17整車(chē)系統的作用。汽車(chē)運動(dòng)狀態(tài)的改變是外力作用的結將前懸架系統、轉向系統、后懸架系統、輪果,外力的來(lái)源主要有兩個(gè):一是空氣作用力;胎、動(dòng)力總成、制動(dòng)系統及車(chē)身集成建立一個(gè)整是地面給汽車(chē)的作用力。對于汽車(chē)而言地面車(chē)多體模型。各子系統建立時(shí)考慮了橡膠襯套作用力比空氣作用力更為重要,而地面作用力都是通過(guò)輪胎作用到汽車(chē)上的。雖然這些力受輪胎等非線(xiàn)性環(huán)節以及減振器的非線(xiàn)性阻尼特性和特定部件的結構柔性。此仿真模型準確、真到轉向盤(pán)轉角、節氣門(mén)開(kāi)度,以及制動(dòng)踏板位置實(shí)地反映了實(shí)際車(chē)輛系統的細微結構。的影響,但是最終這些力還是由瞬態(tài)的路況與輪胎的特性所決定。這里采用FALA輪胎模2車(chē)輛槽型試驗驗證型,它是由FALA在1954年由簡(jiǎn)化的輪胎理中國煤化工論模型推導出的無(wú)量綱解析式的一種比較精確CNMH<莫型計算結果與北京汽車(chē)》200No車(chē)輛動(dòng)力學(xué)建模及試驗驗證實(shí)車(chē)試驗數值的對比分析來(lái)證實(shí)仿真模型的有理工具繪制相應的變化曲線(xiàn)并進(jìn)行比較。效性。文中對所建模型的懸架特性參數進(jìn)行試驗以K&C試驗作為修正動(dòng)力學(xué)模型的依據驗證,因為車(chē)輛懸架系統是車(chē)輛的一個(gè)重要組成以下就3個(gè)工況下前束角變化對前懸架上下控部分,是影響車(chē)輛乘坐舒適性和操縱穩定性的主制臂襯套剛度和后懸架鋼板彈簧的連接襯套剛要因素之一。度進(jìn)行調試校正,使仿真分析結果與試驗測試結果相符,獲得能夠反映實(shí)際車(chē)輛動(dòng)力學(xué)特性的模21測試系統型,為后繼優(yōu)化設計打下基礎。K&C( Kinematics& Compliance懸架運動(dòng)和柔性)試驗臺是用來(lái)獲取汽車(chē)懸架特性參數的專(zhuān)用設備(如圖3所示)配套測試軟件可以完成大4個(gè)獨立加載平臺,精確拉制汽車(chē)輪的位移和載荷。車(chē)輪輪心的位移結果由6軸光學(xué)輪運動(dòng)傳感器測得,同時(shí)在每個(gè)輪胎上施加的力由6個(gè)力傳感器來(lái)測量。通過(guò)K&C試驗臺可以完成一系列的試驗項目,其中包括: Vertical Motion, Rol Motion、 Steering、圖4前懸架同向垂直工況下的前束變化曲線(xiàn)北; Longitudinal Motion、 Lateral motion、 Aligning Tor如圖4所示,前懸架在同向垂直工況下前束飛9mMon針對每一個(gè)試驗項目對應一組特性角的變化,在上下控制臂襯套剛度分別為京參數,譬如通過(guò) Vertical Motion可得以下參數:0N0m1.80Nm、100N0m時(shí)與K&C試驗Toe Curves, Camber Changes, Caster Changes, Tra結果對比分析,可以得到在襯套剛度為汽! ck Changes, Wheel Base Change、 Wheel Vertical800Nmm時(shí)動(dòng)力學(xué)模型的懸架特性參數與實(shí)際車(chē)Rate, Ride rate Tire Radial Rat基于現實(shí)情況的模型最為相符?？紤],本課題的試驗內容只是以上試驗內容的部分。圖3K&C試驗臺圖5前懸架異向垂直工況下的前束變化曲線(xiàn)22實(shí)驗結果與仿真結果對比如圖5所示,前懸架在異向垂直工況下前束為了使仿真結果與試驗結果有較好的可比角的變化,在上下控制臂襯套剛度分別為性,仿真試驗在整車(chē)狀態(tài)下進(jìn)行懸架特性分析,500Nm、800Nmm、100/Ym時(shí)與K&C試驗在仿真過(guò)程中以K&C試驗的輸入數據作為虛結果對比分析,可以得到在襯套剛度為擬樣車(chē)的輸入。分析結果分別選取前后懸架在同800Nm時(shí)動(dòng)力學(xué)模型的懸架特性參數與實(shí)際向垂直異向垂直縱向力側向力轉向回正力模型中國煤化工矩工況下的車(chē)輪定位角變化曲線(xiàn),利用軟件后處YHCNMHG《北京汽車(chē)》2010No·車(chē)輛動(dòng)力學(xué)建模及試驗驗證合理性和適用性。采用仿真模型可以代替實(shí)際系統進(jìn)行一些深入的研究應用,研究參數的變化對性能的影響,能在短時(shí)間內對大量的設計方案進(jìn)行運算分析,并且能夠快速解決多參數耦合性強、相互影響大的情況,盡可能達到多目標之間的平衡,在最短的時(shí)間內找到最優(yōu)方案。該車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型可用于車(chē)輛懸架系統幾何參數優(yōu)化和操縱穩圖6后懸架側向力工況下的前束變化曲線(xiàn)定性的仿真分析等方面的研究工作,為解決實(shí)際如圖6所示,后懸架在側向力工況下前束角工程問(wèn)題提供依托,甚至是完整的解決方案。的變化,在鋼板彈簧襯套剛度分別為180N/mm360N/mm450Nmm時(shí)與K&C試驗結果對比分參考文獻析,可以得到在襯套剛度為360N/mm時(shí)動(dòng)力學(xué)[1]劉曉芳,等汽車(chē)工程手冊(設計篇[M].北京:人民交通模型的懸架特性參數與實(shí)際模型最為相符。出版社,2001懸架特性參數用以修正動(dòng)力學(xué)模型,使其能反M北京:清華大學(xué)出版社2分析及 ADAMS應用教程通過(guò)K&C試驗從實(shí)際結構得到被測對象的[2]陳立平,等機械系統動(dòng)力學(xué)[3]張越今.多體動(dòng)力學(xué)在轎車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真及優(yōu)化研究中映實(shí)際結構動(dòng)力學(xué)特性,以進(jìn)行具有工程價(jià)值的的應用[D]北京清華大學(xué),1998結構優(yōu)化設計,這種動(dòng)力學(xué)模型的試驗修正技[4]王承等結合K&C臺架試驗和道路試驗的汽車(chē)操縱術(shù),在工程上具有很重要的應用價(jià)值。穩定性改進(jìn)研究[門(mén)].傳動(dòng)技術(shù),2006(2)[5] Gillespie, T D. Fundamentals of Vehicle Dynamics [M]3結論[6] MTS Systems Corporation. Kinematics and Compliance由以上結果可知,在懸架運動(dòng)過(guò)程中,車(chē)輪Testing[Eb/OlhTtp/www.mts.com北京汽車(chē)定位角變化曲線(xiàn)的仿真結果與試驗結果吻合較好,整車(chē)仿真模型較好地體現了真實(shí)車(chē)輛的車(chē)輪收稿日期:200-1109定位參數變化規律,證明了該多體動(dòng)力學(xué)模型的(上接第32頁(yè))合推動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)研究的發(fā)展,數值模擬將成參考文獻為汽車(chē)造型設計與分析評價(jià)的強有力工具,同時(shí)[]谷正氣汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)[M]北京:人民交通出版社將為汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的研究和應用提供廣闊的前景。[2]張揚軍,呂振華徐石安涂尚榮叢艷吉.汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)數值仿真研究進(jìn)展[]汽車(chē)工程,001,26結束語(yǔ)[3]江賢軍轎車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)數值模擬及優(yōu)化[D].武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2003[4]程勉宏,劉剛,汽車(chē)空調風(fēng)道設計對車(chē)內噪聲的影響CFD技術(shù)在汽車(chē)整車(chē)及零部件設計中應用越[J沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2005,8來(lái)越廣泛,節約成本,縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期,優(yōu)化[5]王淼,劉振俠,黃生勤 FLUENT在汽車(chē)外形設計中的設計效果使設計結果更具有科學(xué)性對汽車(chē)進(jìn)入應用[機械設計與制造2005實(shí)車(chē)造型與分析評價(jià)將產(chǎn)生較大影響,逐漸成為中國煤化工汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的主要工具。CNMHG稿日2001《北京汽車(chē)》2010No143·