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HFJ6351A微型客车转向回正仿真模拟研究 |
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作者：哈飞汽车股份有限公司 宋文春 |
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摘要：本文从工厂的实际出发，为缩短整车开发-研制-试验的时间，采用ADAMS软件对整车建立数模，进行操纵稳定性之转向回正的模拟，并与试验对比，找出存在问题的原因，以利于在开发初期对整车操纵稳定性进行模拟仿真，加速整车推向市场的进度。
关键词：转向回正 模拟
1 前言
汽车的操纵稳定性历来是汽车性能中非常重要的一个问题，它涉及的时间比较长，涉及的方方面面的因素比较多，也比较复杂。随着现代汽车车速的提高，操纵稳定性的研究变得越来越重要。
按传统的方法对新车的操纵稳定性进行研究时，需要从设计完成到整车研制，然后试验，试验总结出来的问题反馈到设计，设计通过计算、更改后，然后再试验，将大大延长整车的开发周期，不利于整车的开发。
针对此种弊端，我公司引进了MDI 公司的ADAMS 软件。该软件通过简化整车的数学模型，通过转向盘输入驾驶员对车辆的各种操纵控制，计算出系统对输入的响应，来模拟整车的操纵稳定性。由于计算机的可重复性，不同的方案模拟所花费的时间较短，可快速调整各种设计方案，因此该方法日益被人们采用。
哈飞公司生产的HFJ6351A 微型客车在天津汽车研究技术中心进行了操纵稳定性试验，试验结果表明稳态转向特性、转向轻便性、转向回正、蛇行试验均通过了测试。
为了更好的进行研究开发，并通过对原有的技术进行消化吸收，本文将应用ADAMS 软件中AVIEW模块对HFJ6351A 微型客车建立模型，进行转向回正特性仿真分析，以利于与试验结果对照分析，找出问题的所在及产生的原因，便于问题的解决。
通过本文对整车操纵稳定性之转向回正的初步模拟，意在探索如何利用ADAMS 软件在模拟的过程及结果反映出来的问题及时修改，以提高整车的开发进度，加快汽车的更新换代。
2 整车相关参数对操稳性的影响
对整车操纵稳定性影响的参数有很多，其中，载荷、车速及轮胎影响最大。
2.1 汽车质心位置的影响
汽车质心位置、质量和横摆惯性矩随载荷的变化而改变，这些参数影响行驶特性。汽车质心高度升高，不足转向特性有明显增强的趋势，但是，在汽车最大总质量状态下，由于汽车质心高度的升高，由不足转向向过度转向转变的转折点（中性转向点）所对应的横向加速度值也相应下降，因此，有可能过早地出现过度转向特性。
2.2 载荷的影响
行驶在路面上载荷大的车轮的侧向力要比载荷小的车轮相对要小些，载荷大的车轴需要有较大的侧偏角。当整车轴荷向前轴转移时，汽车不足转向特性明显增强。
汽车转弯时，由于侧向力的作用，外轮负荷增大，内轮负荷减小，引起了负荷转移。由于车身侧倾，使左右车轮的轴载质量发生转移，结果产生附加转角。
3 轮胎的影响
轮胎的侧偏特性对汽车的不足—过度转向特性影响很大，而纵向力和垂直载荷对轮胎的侧偏特性影响很大。由轮胎的侧偏理论可知，同一侧向力，当轮荷较大时对应的侧偏角较小，当纵向力较大时对应的侧偏角较大。
由于整车模型很复杂，需要进行相关的简化，才能进行应用。数学模型的简化步骤如下。
(1) 简化模型的假设不考虑发动机及传动系统，前、后悬架均为左右对称。
(2) 输入整车需要建立的模型的坐标值。
(3) 建立前、后悬架及转向系统的零部件模型，并输入关键部件的质量、转动惯量等数据。
(4) 输入各部件之间的运动铰链。
(5) 调整前、后悬架的刚度、阻尼，转向系统的传动比等参数，然后进行整车运动模拟。
4 整车参数
在建立数模时整车参数的选取至关重要，这是建立正确数模的前提，本文整车参数来源于三个途径，其一，参考整车图样；其二，通过试验测量；其三；采用有关的经验公式。
4.1 整车有关参数
HFJ6351A 微型客车整车技术参数如下：
4.2 通过计算得来的数据
由于试验条件及环境所限，有些数据如整车转动惯量很难获取，因此，一般情况下，通过经验公式进行计算得到。
整车质心的转动惯量Jx、Jy、Jz 是汽车绕质心处X 轴、Y 轴、Z 轴的转动惯量，质心处的XYZ 轴与原点处的XYZ 轴相平行，方向保持一致。
计算转动惯量的经验公式：
J z = TW ×WH / (Kz ×M )
J x = (RH + Hg )×TW / (Kx ×M)
J y = (RH + Hg)×WH / (Ky ×M)
式中 TW——轮距（m）；
WH——轴距（m）；
M——汽车质量（kg）；
RH——车顶离地高度（m）；
Hg——汽车质心高度（m）；
L——汽车总长（m）；
Kx、Ky、Kz——转动惯量的近似值常数。其中，Kx=9.4212，Ky=4.2193，Kz=2.2048。
因此，运用上述计算公式可以计算出汽车在空、满载状态下的转动惯量（kg﹒㎡）。
在空载状态下转动惯量分别为Jx=289.3 ，Jy=1859.1，Jz=965.6；
在满载状态下转动惯量分别为Jx=478.53 ，Jy=3075.34，Jz=1566.14。
5 整车多体模型的建立
5.1 麦克弗逊式前悬架及转向系统
汽车前悬架采用麦克弗逊式独立悬架，转向系统采用齿轮齿条式转向器，如图5.1 所示根据实际悬架及转向系统结构，抽象出前悬架及转向系统分析模型，左、右悬架对称。整个前悬架及转向系统包括：摆臂（2 个）、转向节（2 个）、转向横拉杆（2 个），减振器上半部分（2 个），减振器下半部分（2 个），中央摇臂（1 个），斜拉杆（1 个），转向下轴（1 个）、转向上轴（1 个），转向盘（1 个）、转向齿条（1 个），车身（1 个），纵拉杆、横向稳定杆采用ADAMS 软件中的离散体（ DISCRETE FLEXIBLE LINK）概念，将横向稳定杆及纵拉杆进行离散化，分成几小块，块（刚体）与块连接处用BEAM 梁来连接，BEAM梁的刚度、 阻尼矩阵由ADAMS 软件根据截面形状及材质自动计算得出，这里横向稳定杆分成三个物体，每个物体由8 小块组成，共24 块。纵拉杆由8 小块柔性体组成，共57 个物体组成。其中减振器上半部分通过球形铰链与车身相接，它相对车身可进行前后左右两个方向的转动。转向节通过圆柱铰与减振器上半部分相连，它相对减振器上半部分可进行轴向移动和转动。摆臂一端通过转动铰与车身相连，使其可相对车身上下摆动，另一端通过球形铰链与转向节相连。转向横拉杆一端通过球铰与转向节相连，另一端通过万向节铰链与中央摇臂相连，中央摇臂另一端通过球铰与斜拉杆相连，约束了其绕自身轴线的转动。中央摇臂中心轴通过转动铰与车体相连，斜拉杆与齿轮齿条通过万向节铰链相连，转向下轴通过转动铰链与车身相连，转向上轴与转向盘通过固定铰链相连，并与车身通过转动铰链相连，转向上下轴通过耦合来连接，转向齿条通过移动铰与车身相连，它可相对车身斜向移动，转向下轴与齿轮齿条通过耦合来连接。
5.2 钢板弹簧后悬架
后悬架采用钢板弹簧非独立悬架。如图5.2 为后悬架系统的分析模型，右悬架和左悬架完全对称。整个悬架包括：车身（1 个）、后桥（1 个）、吊耳（2 个）、左右半轴（2 个）以及主簧、副簧（单侧22个，共44 个）共50 个物体组成。其中主簧第一片第一段通过转动铰与吊耳相连，吊耳通过转动铰与车身相连，主簧第一片最后一段通过转动铰与吊耳相连，板簧片与片之间通过IMPACK 铰链相连，板簧中间盒形件与后桥通过相连，左右半轴通过转动铰与后桥铰链相连，主减速器与后桥通过转动铰链相连，该铰链与半轴铰链耦合。
5.3 整车多体系统模型
该模型主要用于转向回正特性等动力学的仿真分析。其中前悬架采用麦克弗逊独立悬架，后悬架采用钢板弹簧非独立悬架。总体坐标系原点为汽车左右对称面和前轮旋转轴线的交点，XYZ 轴的方向如图5.1、5.2 所示。X 轴平行于地面指向后方，Z 轴指向上方，Y 轴指向行驶方向的右侧。
图5.1 前悬架及转向系统分析模型
图5.2 钢板弹簧后悬架系统分析模型
5.3.1 轮胎模型
使用ADAMS/TIRE 模型时，需提供相应的轮胎特性文件。任一时刻，轮胎相对于地面的运动产生轮胎变形和侧偏角等运动信息。由于工厂试验条件及试验设备所限，所需要的155SR12 轮胎模型的有些参数参考相近轮胎模型进行仿真。
5.3.2 多柔体模型
将含柔性元素的前后悬架模型、转向系统模型、轮胎模型与车身组装成整车多体模型。
该模型由176 个物体（含地面）、3 个圆柱饺、12 个转动铰、11 个球铰、3 个移动铰、13 个万向节铰链、9 个固定铰、16 个在平面铰链、3 个耦合约束和3 个运动学约束组成。每个球铰提供了3 个约束方程，每个转动铰提供5 个约束方程，每个万向节铰链提供4 个约束方程，每个圆柱铰提供4 个约束方程，每个移动铰提供5 个约束方程，每个固定铰链提供6 个约束方程。
系统自由度为：
DOF=（176－1）×6－3×4－12×5－11×3－3×5－13×4— 9×6－16×1－3×1－3×1=802
这802 个自由度包括车身的6 个自由度，前悬架左右下摆臂的2 个转动自由度和后钢板弹簧减振器上半部分之间的2 个轴向移动自由度等。如果再加上模型中与车身连接处等橡胶衬套弹性铰链代替刚性铰链而释放的多个自由度，则整车自由度远不止802 个。
5.3.3 悬架弹簧刚度验证
进行整车操纵稳定性分析之前，首先要校核整车参数的准确性，尤其是前、后悬架的刚度是否符合HFJ6351A 车的要求，仿真模型与试验车有多大程度的吻合性是保证仿真摸拟能否成功的重要基础。针对此，对前悬架进行模拟，其弹簧变形曲线如图5.3 所示，对后悬架进行仿真模拟，其钢板弹簧变形曲线如图5.4 所示。
图5.3 前悬架弹簧变形曲线 图5.4 后钢板弹簧变形曲线
通过以上曲线显示，前弹簧刚度为34.5N/mm，后钢板弹簧——主簧刚度为3.7kg/mm，复合簧刚度为
8.1kg/mm，与图样上要求的基本一致。通过如此设置，从理论上保证了仿真的准确性。
5.4 整车动力学仿真
转向回正性能是汽车的一项重要性能，因而把转向回正性能作为评定汽车操纵稳定性能中的一项重要内容。
本文通过GB/T6323.4－1994 模拟转向回正性能试验，来评价汽车转向回正能力的好坏。主要评定数据如下：
（1）稳定时间（回正时间）：指从松开转向盘的时刻起，至达到稳定状态的过度时间。
（2）残留横摆角速度：指稳定状态下汽车的横摆角速度°/s（≤2°）。
转向回正的模拟仿真严格按GB/T6323.4－1994 试验程序沿着如下的轨迹进行：直线行驶5s——开始转弯到转向盘开始固定行驶5s——转向盘固定不动行驶3s——松开转向盘行驶5s。沿着轨迹行驶的模拟曲线如图5.5 和图5.6。 
图5.5 转向回正的运动轨迹 图5.6 左转向横摆角速度与时间的模拟曲线
从模拟曲线图5.7 上可以看出，模拟的稳定（回正）时间为1.5s，残留横摆角速度为0.716°/s 小于2°/s，这说明该车在低速状态下转弯行驶时，转向盘撒手时，汽车能够回到直线行驶状态。 
图5.7 左转向回正时横摆角速度与时间的模拟曲线 图5.8 左转向横摆角速度与时间的试验曲线
6 结论
此次通过ADAMS 软件进行模拟仿真转向回正等系列试验得到以下结果：
(1) 可以对汽车的操纵稳定性进行模拟仿真试验，在设计开发初期对整车进行模拟，可以及时发现问题，加快整车开发的进度。
(2) 仿真结果与试验结果的比较，虽然该微型客车转向回正性能中的残留横摆角速度没有形成波形，但小于2°/s，说明该微型客车具有较好的转向回正性能。
(3) 进行整车操纵稳定性之转向回正分析时，整车上很多综合性因素起作用，如前后轴轴荷分配、整车质心、车速、轮胎等，以及整车转向系统刚度、橡胶衬套的刚度等，这些因素有时是相互矛盾等，如何搞好这些因素之间的协调关系，对整车操纵稳定性至关重要。
本文是研究HFJ6351A 微型客车操纵稳定性的初步内容，还有很多内容有待进一步研究。
参考文献
1 郭孔辉. 汽车操纵动力学. 长春：吉林科学技术出版社，1991
2 阿达姆.措莫托. 汽车行驶性能. 黄锡朋、解春阳译. 北京：科学普及出版社，1992
3 吉林工业大学汽车教研室，汽车设计，北京：机械工业出版社 ，1983
4 余志生. 汽车理论. 北京：机械工业出版社，1989
5 张越今. 汽车多体动力学及计算机仿真. 长春：吉林科学技术出版社，1998(end)
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(5/30/2005) |
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