HFJ6351A微型客车转向回正仿真模拟研究

2009年03月12日

1 前言

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。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。

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。