车辆动力学建模及试验验证

车辆动力学建模及试验验证文章编号:10024581(2010)01-004004车辆动力学建模及试验验证殷梅,王成龙Yin Mei, Wang Chenglong(上海汇众汽车制造有限公司,上海200122摘要:为实现对某商用车辆的性能评估、参数优化设计,利用 MSC ADAMS/CAR软件建立了整车动力学模型在多体动力学的理论基础上,充分考虑减震器橡胶村套等元件的非线性特性。通过对整车动力学模型进行仿真分析将悬架特性曲线与利用K&C试验台得到的相应特性曲线进行比较分析证明该多体动力学模型的合理性和适用性。关键词:车辆动力学;仿真;K&C试验;模型验证中图分类号:U461.1文献标识码:A北0引言系统。一般在较为复杂的汽车动力学模型中,不但京动力学分析与仿真随着计算机技术的发展需要各运动部件之间连接点的空间坐标、零部件的质量特性参数(质量、质心位置、转动惯量等),汽而不断成熟:系统动力学理论的完善和虚报样机而且还需要模型中弹性体的力学特性参数(刚度、技术的发展,尤其是机械系统建模和仿真商业软阻尼)等,如橡胶元件的非线性刚度、减振器的非车{件的出现使得动力学分析与仿真技术在汽车行业得到越来越广泛的应用。基于数字化的虚拟样线性阻尼特性等。仿真计算中的数据主要来自图纸查阅、CAD数模及整车技术参数表。零部件的几机仿真技术可以简化产品的设计开发过程,大幅度缩短产品开发周期,大量减少产品开发费用和何尺寸、材料属性及力学特性等参数主要来自图纸资料和技术文献,质量、惯量及质心位置等参数成本,明显提高产品质量,提高产品的系统级性根据零部件的三维实体模型取得。能,获得最优化和创新的设计产品,是当今车研发领域的一项关键核心技术。12前悬架转向系统1车辆动力学模型前悬架系统为双横臂式独立悬架,包含上下横臂、转向节、转向拉杆、横向稳定杆、扭杆弹11模型概述簧等部件。横向稳定杆常用来提高悬架的侧倾角随着一些车辆多体系统动力学分析软件的刚度或是调整前后悬架的侧倾刚度的比值,在这纷纷问世,为车辆动力学研究提供了一个方便里横向稳定杆采用模态中性文件来表达。扭杆弹快捷的手段。选择 MSC ADAMS/CAR作为建模簧的建模思路为,在扭杆中间部分截断,前端部工具,该工具是进行车辆建模的理想工具,用户分通过 fix joint接到车架,后端部件直接和控制可以根据实际情况选择子系统型式和修改模型臂作为一体,对中间断开部分添加圆柱副参数,方便地创建车辆的三维动力学模型。文中( cylin增加却桂籌根据零件图纸调用了 ADAMS/CAR的前悬子系统、后悬子系计算中国煤化rad.,扭杆预统、转向子系统、轮胎系统以及动力系统和制动载荷CNMHG《北京汽车)2010N01车辆动力学建模及试验验证转向系统的转向盘最大转角为720°*2,齿的轮胎模型。条最大位移±9mm。通过 couple约束来转化转向盘的转动为转向横拉杆的移动,齿轮齿条传15动力及制动系统动比01380555,最后装配的前悬架转向系统动发动机本体采用质量、转动惯量、质心位置力学模型如图1所示。相等的建模方法,通过衬套连接到车身上。衬套属性如下表所示。发动机转矩可由发动机的负荷特性曲线来拟合。发动机最大扭矩190Nm/22002800,最大功率90kW/5000600,动力系统质量350kg,变图1前悬架转向系统速箱传动比如下表所示。13后悬架系统40[312[=1【4区39后悬架系统是采用单片钢板弹簧的非独立整车釆用前盘后鼓制动系统,在模型中统悬架,其结构简单,车轮的定位参数基本保持不用盘式来建模,主要是提供一定的制动力即可满变,平顺性相对于独立式悬架稍差。模型中考虑足分析要求。了所有约束以及相应的衬套刚度、弹簧刚度、减震器阻尼特性等输入数据。其中使用模态中性文北16车身系统件来表征钢板弹簧的特性。最后装配的后悬架动力学模型如图2所示。为了使问题简便与直观,将整个车架和车身作为一体来考虑。虽然该模型结构简单,但是车身起到连接前后悬架转向系以及横向稳定杆的}汽重要作用,建模时应注意定义与各个子系统之间车的正确连接关系。车身系统采用了模态中性文件柔性体的质量为300kg。整个车身系统,用质量球点来表示,通过10个橡胶衬套连接柔性体到该质量球点,球点直接 mount到车架上不图2后悬架系统影响动力学仿真的需求条件。通过修改车身质量,来分析整车空载满载状态。14轮胎系统轮胎的力学特性对汽车运动有着举足轻重17整车系统的作用。汽车运动状态的改变是外力作用的结将前悬架系统、转向系统、后悬架系统、轮果,外力的来源主要有两个:一是空气作用力;胎、动力总成、制动系统及车身集成建立一个整是地面给汽车的作用力。对于汽车而言地面车多体模型。各子系统建立时考虑了橡胶衬套作用力比空气作用力更为重要,而地面作用力都是通过轮胎作用到汽车上的。虽然这些力受轮胎等非线性环节以及减振器的非线性阻尼特性和特定部件的结构柔性。此仿真模型准确、真到转向盘转角、节气门开度,以及制动踏板位置实地反映了实际车辆系统的细微结构。的影响,但是最终这些力还是由瞬态的路况与轮胎的特性所决定。这里采用FALA轮胎模2车辆槽型试验验证型,它是由FALA在1954年由简化的轮胎理中国煤化工论模型推导出的无量纲解析式的一种比较精确CNMH<莫型计算结果与北京汽车》200No车辆动力学建模及试验验证实车试验数值的对比分析来证实仿真模型的有理工具绘制相应的变化曲线并进行比较。效性。文中对所建模型的悬架特性参数进行试验以K&C试验作为修正动力学模型的依据验证,因为车辆悬架系统是车辆的一个重要组成以下就3个工况下前束角变化对前悬架上下控部分,是影响车辆乘坐舒适性和操纵稳定性的主制臂衬套刚度和后悬架钢板弹簧的连接衬套刚要因素之一。度进行调试校正,使仿真分析结果与试验测试结果相符,获得能够反映实际车辆动力学特性的模21测试系统型,为后继优化设计打下基础。K&C( Kinematics& Compliance悬架运动和柔性)试验台是用来获取汽车悬架特性参数的专用设备(如图3所示)配套测试软件可以完成大4个独立加载平台,精确拉制汽车轮的位移和载荷。车轮轮心的位移结果由6轴光学轮运动传感器测得,同时在每个轮胎上施加的力由6个力传感器来测量。通过K&C试验台可以完成一系列的试验项目,其中包括: Vertical Motion, Rol Motion、 Steering、图4前悬架同向垂直工况下的前束变化曲线北; Longitudinal Motion、 Lateral motion、 Aligning Tor如图4所示,前悬架在同向垂直工况下前束飞9mMon针对每一个试验项目对应一组特性角的变化,在上下控制臂衬套刚度分别为京参数,譬如通过 Vertical Motion可得以下参数:0N0m1.80Nm、100N0m时与K&C试验Toe Curves, Camber Changes, Caster Changes, Tra结果对比分析,可以得到在衬套刚度为汽! ck Changes, Wheel Base Change、 Wheel Vertical800Nmm时动力学模型的悬架特性参数与实际车Rate, Ride rate Tire Radial Rat基于现实情况的模型最为相符。考虑,本课题的试验内容只是以上试验内容的部分。图3K&C试验台图5前悬架异向垂直工况下的前束变化曲线22实验结果与仿真结果对比如图5所示,前悬架在异向垂直工况下前束为了使仿真结果与试验结果有较好的可比角的变化,在上下控制臂衬套刚度分别为性,仿真试验在整车状态下进行悬架特性分析,500Nm、800Nmm、100/Ym时与K&C试验在仿真过程中以K&C试验的输入数据作为虚结果对比分析,可以得到在衬套刚度为拟样车的输入。分析结果分别选取前后悬架在同800Nm时动力学模型的悬架特性参数与实际向垂直异向垂直纵向力侧向力转向回正力模型中国煤化工矩工况下的车轮定位角变化曲线,利用软件后处YHCNMHG《北京汽车》2010No·车辆动力学建模及试验验证合理性和适用性。采用仿真模型可以代替实际系统进行一些深入的研究应用,研究参数的变化对性能的影响,能在短时间内对大量的设计方案进行运算分析,并且能够快速解决多参数耦合性强、相互影响大的情况,尽可能达到多目标之间的平衡,在最短的时间内找到最优方案。该车辆动力学模型可用于车辆悬架系统几何参数优化和操纵稳图6后悬架侧向力工况下的前束变化曲线定性的仿真分析等方面的研究工作,为解决实际如图6所示,后悬架在侧向力工况下前束角工程问题提供依托,甚至是完整的解决方案。的变化,在钢板弹簧衬套刚度分别为180N/mm360N/mm450Nmm时与K&C试验结果对比分参考文献析,可以得到在衬套刚度为360N/mm时动力学[1]刘晓芳,等汽车工程手册(设计篇[M].北京:人民交通模型的悬架特性参数与实际模型最为相符。出版社,2001悬架特性参数用以修正动力学模型,使其能反M北京:清华大学出版社2分析及 ADAMS应用教程通过K&C试验从实际结构得到被测对象的[2]陈立平,等机械系统动力学[3]张越今.多体动力学在轿车动力学仿真及优化研究中映实际结构动力学特性,以进行具有工程价值的的应用[D]北京清华大学,1998结构优化设计,这种动力学模型的试验修正技[4]王承等结合K&C台架试验和道路试验的汽车操纵术,在工程上具有很重要的应用价值。稳定性改进研究[门].传动技术,2006(2)[5] Gillespie, T D. Fundamentals of Vehicle Dynamics [M]3结论[6] MTS Systems Corporation. Kinematics and Compliance由以上结果可知,在悬架运动过程中,车轮Testing[Eb/OlhTtp/www.mts.com北京汽车定位角变化曲线的仿真结果与试验结果吻合较好,整车仿真模型较好地体现了真实车辆的车轮收稿日期:200-1109定位参数变化规律,证明了该多体动力学模型的(上接第32页)合推动空气动力学研究的发展,数值模拟将成参考文献为汽车造型设计与分析评价的强有力工具,同时[]谷正气汽车空气动力学[M]北京:人民交通出版社将为汽车空气动力学的研究和应用提供广阔的前景。[2]张扬军,吕振华徐石安涂尚荣丛艳吉.汽车空气动力学数值仿真研究进展[]汽车工程,001,26结束语[3]江贤军轿车空气动力学数值模拟及优化[D].武汉理工大学硕士学位论文,2003[4]程勉宏,刘刚,汽车空调风道设计对车内噪声的影响CFD技术在汽车整车及零部件设计中应用越[J沈阳航空工业学院学报,2005,8来越广泛,节约成本,缩短产品的开发周期,优化[5]王淼,刘振侠,黄生勤 FLUENT在汽车外形设计中的设计效果使设计结果更具有科学性对汽车进入应用[机械设计与制造2005实车造型与分析评价将产生较大影响,逐渐成为中国煤化工汽车产品开发的主要工具。CNMHG稿日2001《北京汽车》2010No143·