1、1 提交 给： * 整车操纵稳定 性能分析 解决方案 提交 给： * 地址： * 准 备： MSC Software 公司 地址： 上海市长宁区延安西路 726 号华敏 .翰尊国际 12 楼 E&L . 2 本文档所有内容均为机密信息，若未事先征得 MSC软件公司的书面同意， 客户 确认将不会泄漏给任何其它公司，和不参与本项目审查工作的任何个人。 1. 文档变更历史清单 文档版本号 变更日期 修改人 备注 1.0 2011-12-08 董月亮 1.1 2012-03-28 董月亮 3 目录 一、 MSC.ADAMS 在汽车开发中的应用 . 4 二、 悬架 K&C 性能 分析的应用 5 (一 )
2、 悬架 K&C 性能分析简介 5 (二 ) 前、后悬架 K&C 分析工况 6 1）平行跳动分析 . 6 2）侧倾工况分析 . 7 3）转向工况分析（前悬架） . 8 4）侧向力工况分析 . 8 5）纵向力工况分析 . 9 6）回正力矩工况分析 . 10 (三 ) 悬架 K&C 性能分析评价标准及小结 11 三、 整车操稳性能分析的应用 . 12 （一） 整车操稳性能简介 . 12 （二） 整车操稳性能分析各工况 . 12 1）整车稳态回转工况 . 12 2）转向盘中间位置操稳分析 . 13 3)方向盘角阶跃输入工况 14 4)方向盘角脉冲输入工况 15 5)蛇行工况 . 15 6)转向轻便行分
3、析 . 17 7)转向回正性分析 . 18 （三） 整车操稳性能分析评价标准及小结 . 18 4 一、 MSC.ADAMS 在汽车开发中的应用 ADAMS 是美国 MSC 公司的机械系统动力学仿真分析软件，可于建立复杂机械系统的“虚拟样机”，在现实工作条件下逼真地 模拟其所 有运动，并且快速分析比较多种设计思想，直至获得最优设计方案，从而减少昂贵的物理样机、提高产品设计水平，大幅度缩短产品开发周期和开发成本。 ADAMS 包含完整的汽车动力学建模及仿真环境： ADAMS/Car。 ADAMS/Car 是 MSC 公司与 Audi、 BMW、 Renault 和 Volvo 等公司合作开发的整车
4、设计软件包，集成了它们在汽车设计、开发等方面的经验。 ADAMS/Car 是一种基于模板的建模和仿真工具，大大加速和简化了建模的步骤。用户只需在模板中输入必要的数据，就可以快速建造包括车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等在内的高精度的整车虚拟样机，并进行仿真。 图 1 前悬架模型 图 2 整车动力学模型 图 3 MSC.ADAMS 完整的系统建模仿真 一直以来， ADAMS 都是国内外各汽车 OEM 厂商及主要零部件供应商的标配软件，用于汽车产品开发过程中的虚拟测试，替代部分试验，对汽车各总成系统和整车的性能、零部件5 的受力、强度及寿命进行预测，发挥了重要的甚至是不可替代的作用
5、。 二、 悬架 K&C 性能 分析 的应用 (一 ) 悬架 K&C 性能分析简介 悬架的 K&C 性能是汽车动力学特性的重要基础，为了满足来自汽车市场的各种各样的技术需求，悬架 K&C 分析已经变得越来越重要。 Kinematics 研究悬架和转向系统的几何空间位置运动特性，不考虑质量或力的影 响； Compliance 是由于力的作用而引起的变形，如弹簧、稳定杆、衬套和部件的受力变形。通过悬架 K&C 性能的分析改进，可为整车性能的提升提供支持。 对 悬架 K&C 性能 进行 分析 ， 是 可以 进而预测、优化并改进整车操稳性能的 一种重要的分析 方法 。汽车的不足转向度是汽车操纵稳定性的一
6、个重要评价指标，在汽车概念设计阶段，通过悬架在各种工况下的 K&C 性能分析，可计算分析整车的基本动力学特性，协助完成目标设定、目标改进和整车操稳性能优化提升等工作。 图 4 悬架 K&C 性能分析 对悬架的动力 学分析要从悬架运动学和弹性运动学两个方面进行。 1) 悬架运动学研究的是由于车身与车轮发生相对运动而产生的包括反映车轮定位、车身俯仰等悬架相关性能指标的变化特性，因此研究和评价悬架运动学方法的实质就是给悬架系统输入一种运动，对各种悬架运动学输出特性进行研究和评价；悬架弹性运动学研究的是由于悬架系统受到车轮处的横向和纵向力或力矩而产生的车轮定位、顺从转向等悬架性能指标的变化特性，因此研
7、究和评价悬架弹性运动学方法的实质就是给悬架系统输入各种不同的6 力或力矩，对各种悬架弹性运动学输出特性进行研究和评价。 2) 悬架弹性运动学是 阐述由于轮胎和路面之间的力和力矩引起的车轮定位等主要悬架参数的变化。车轮定位参数、顺从转向特性参数、车轮转向角、悬架刚度、侧倾角刚度、轮距和轴距的变化等都能从不同的侧面反映悬架的弹性运动学特性。 (二 ) 前、后 悬架 K&C 分析 工况 1） 平行跳动分析 仿真命令 菜单 ： 图 5 悬架平行跳动分析 后处理关注的性能指标曲线： 轮荷变化曲线 :left_tire_force.normal wheel_travel 悬架刚度曲线： wheel_rat
8、e wheel_travel 前束角 ： toe_angle wheel_travel 外倾角 :camber_angle wheel_travel 后倾角 :caster_angle wheel_travel 内倾角 :kingpin_incl_angle wheel_travel 主销后倾拖距（纵向偏距）： caster_moment_arm wheel_travel 7 磨胎半径（横向偏距）： scrub_radius wheel_travel 侧倾转向系数变化曲线： roll_steer wheel_travel 侧倾外倾系数变化曲线： roll_camber_coefficient
9、wheel_travel 总侧倾角刚度变化曲线： total_roll_rate wheel_travel 悬架侧倾角刚度曲线： susp_roll_rate wheel_travel 侧倾中心高度变化曲线： roll_center_location.vertical wheel_travel 轮距变化曲线： total_track wheel_travel 2） 侧倾工况分析 仿真命令 菜单 ： 图 6 侧倾工况分析 后处理关注的性能指标曲线： 前束角变化曲线： toe_angle roll_angle 外倾角变化曲线： camber_angle roll_angle 侧倾转向系数变化曲线：
10、 roll_steer roll_angle 侧倾外倾系数变化曲线： roll_camber_coefficient roll_angle 总侧倾角刚度变化曲线： total_roll_rate roll_angle 悬架侧倾角刚度曲线： susp_roll_rate roll_angle 8 侧倾中心高度变化曲线： roll_center_location.vertical roll_angle 3） 转向工况分析 （前悬架） 仿真命令菜单： 图 7 转向工况分析 后处理关注的性能指标曲线： 前轮实际转角： steer_angle steering_wheel_input 阿克曼转角变化：
11、Ackerman_angle steering_wheel_input 阿克曼百分比： percent_ackerman steering_wheel_input 外侧车轮转弯半径： outside_turn_diameter steering_wheel_input 4） 侧向力工况分析 仿真命令： 9 图 8 侧向力工况分析 后处理关注的性能指标曲线： 前束角变化： toe_angle wheel_load_lateral（ lateral_force） 外倾角变化： camber_angle wheel_load_lateral（ lateral_force） 车轮中心侧向位移变化： w
12、heel_travel_track wheel_load_lateral（ lateral_force） 车轮接地点侧向位移变化： left_tire_contact_point.track_change_left wheel_load_lateral（ lateral_force） 5） 纵向力工况分析 仿真命令： 1、力作用于轮心处 2、力作用于轮胎接地处 10 图 9 纵向力工况分析 后处理关注的性能指标曲线： 前束角变化： toe_angle wheel_load_longitudinal（ driving、 braking） 外倾角变化 ： camber_angle wheel_lo
13、ad_longitudinal（ driving、 braking） 车轮中心纵向位移变化： wheel_travel_base wheel_load_longitudinal（ driving、 braking） 6） 回正力矩工况分析 仿真命令： 图 10 回正力矩分析工况 后处理关注的性能指标曲线： 前束角变化： toe_angle wheel_load_align 外倾角变化： camber_angle wheel_load_align 11 (三 ) 悬架 K&C 性能分析评价标准及小结 1) 前束角变化期望特性：前悬架的前束角变化多设计成负前束角变化，后悬架的前束角变化多设计成正前
14、束角变化，以便整车具有不足转向趋势。 2) 研究表明，弹性衬套对悬架的刚度有较大的影响，不同形式的悬架，弹性衬套对悬架刚度的影响不同。 3) 根据悬架的数学模型和相关悬架参数的数学模型计算出车轮定位参数（车轮的前束角、车轮外倾角、转向主销后倾角、主销内倾角）、车身的侧倾和纵倾参数（侧倾中心高度、侧倾角、侧倾角刚度、悬架刚度制动时前悬架的点头量、制动时后悬架的抬头量、加速时前悬架的上仰量、加速时后悬架的下蹲量）、反映轮胎磨损（轮距的 变化、轴距的变化）和转向轻便性（主销后倾拖距、主销偏移距）等的悬架特性参数随车轮跳动的变化关系，进而分析和评价悬架的运动学特性对汽车操纵等性能的影响。 4) 对于非
15、独立悬架而言，除了进行左右车轮平行跳动引起的悬架运动分析外，还应该进行单侧车轮跳动引起的悬架运动分析，以研究一侧轮跳对另一侧悬架运动特性的影响。在进行单侧车轮跳动引起的悬架运动学仿真分析时，通常以车轮定位参数、车身的侧倾、反映轮胎磨损等的悬架特性参数随车轮跳动的变化关系，来分析和评价悬架的运动学特性及其对汽车操纵稳定性的影响。 5) 实际上左右车轮反向跳动引 起的悬架运动也是模拟车身侧倾引起的悬架运动，所以左右车轮反向跳动引起的悬架运动分析与侧倾垂直力分析是相类似的仿真分析，但是二者还是有区别的，左右车轮反向跳动引起的悬架运动分析指定车轮的垂直跳动量作为输入，车身侧倾角（可以通过输出量得出）是
16、不定的；而侧倾垂直力分析是指定车身侧倾角作为输入量，而车轮的垂直跳动量是不定的。 因此在进行车身侧倾引起的悬架运动的仿真分析时，如果已知的是车身侧倾角的变化范围可以采用侧倾垂直力分析来进行，如果已知的是车轮跳动量的可以采用左右车轮反向跳动引起的悬架运动学仿真分析法。 总之， 悬架的 K&C 特性直接影响整车的操纵稳定性，在汽车的概念设计阶段，通过悬架 K&C 分析，可判断、优化和提升整车的操控性能，也可为副车 架、转向机等其它部件的布置提供参考；在汽车的试制和性能调教阶段，通过 K&C 分析，可以为性能改进和样件试制提供仿真依据，缩短试验周期，节约 试验费用。 12 三、 整车操稳 性能分析的
17、应用 （一） 整车操稳性能简介 汽车操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过汽车转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力，是汽车动力 学的一个重要分支。 操纵稳定性好的车辆：应该容易控制；在出现扰动时，不应使驾驶员感到突然和意外；操纵性能的行驶极限应能清楚地辨别。汽车的操纵稳定性是影响汽车主动安全性的重要性能之一。 车辆的操纵稳定性包括相互联系的两个部分，分别是操纵性和稳定性。操纵性反应的是汽车能够遵循驾驶者通过转向系 以及转向车轮给定的方向行驶的能力；稳定性反应的是汽车在遭遇到外界干扰情况下产生抵抗外界干扰而保持稳
18、定行驶的能力。因此，对于汽车操纵稳定性的研究应该包括对这两个部分的评价。 在评价操纵稳定性的指标有多个方面，例如稳态转向特性、瞬态响应特性、回正性、转向轻便性、典型行驶工况性能和极限行驶能力等。仿真时测量变量包括：汽车横摆角速度、车身侧倾角、汽车侧向加速度等。 （二） 整车操稳性能分析各工况 1） 整车稳态回转工况 典型的 定圆试验，车辆绕一个固定半径轨迹的试验场做 圆周运动，车辆尽量均匀加速，至极限状态，考察车辆不足转向度、侧倾角度变化率等。 测定汽车对方向盘转角输入达到稳定行驶状态时汽车的稳态横摆响应。 采用固定转向盘转角的连续加速方法，编写驱动控制文件，确定使得汽车车速从零开始均匀连续地
19、缓慢加速，纵向加速度不超过 0.25m/s2，做以最低稳定车速行驶时转弯半径为15m 的稳态回转。仿真工况为满载状态。 仿真分析结果性能曲线如下： 图 3-1 整车稳态回转仿真轨迹 13 2） 转向盘中间位置操稳分析 某一恒定车速下，方向盘转角正弦输入，考察车辆的响应 以及线性、死区等 。 使车辆以不同车速稳定直线行驶，以一定频率左右转动转向盘，使侧向加速度达到 0.2g左右。测量横摆角速度、侧向加速度、方向盘转角等参数。 14 图 2-1 横摆角速度与方向盘转角曲线 图 2-2 方向盘力矩与侧向加速度曲线 图 2-3 方向盘力矩与方向盘转角曲线 3)方向盘角阶跃输入工况 方向盘角阶跃输入试验
20、常用来测定汽车对方向盘转角输入的瞬态响应。试验车速按被试汽车最高车速的 70并四舍五入为 10 的整数倍确定。调整方向盘转角值，直至侧向加速度达到 0.2g 。 试验前，在停车状态下记录车速零线，然后，汽车以试验车速直线行驶，先按输入方向轻轻靠紧转向盘，消除转向盘自由行程并开始记录各测量变量的零线，经过 0.2-0.5s，以尽快的速度 (阶跃时间不大于 0.2s 或阶跃速度不低于 200 / s ) 转动转向盘，使其达到预先选好的位置，并固定转向盘数秒钟，同时保持车速不变，待所测变量过渡到新稳态值，停止记录。记录过程中保持车速不变。 仿真分析结果性能曲线如下： 15 4)方向盘角脉冲输入工况
21、方向盘角脉冲输入试验是以汽车横摆角速度频率特性来表征汽车的动特性。仿真时汽车先以恒定车速行驶，稳定后给方向盘一个角脉冲输入，脉宽为 0.3 0.5s，并迅速将方向盘转回原处不动，直到汽车回复到直线行驶，整车仿真过程侧向加速度达到 0.4g。试验车速为最高车速的 70 。 5)蛇行工况 蛇行试验是汽车典型行驶工况的一种，它考察汽车在特定行驶路径下的通过能力。 不同 车型 的 蛇行试验是以 不同 间距设置标桩，仿真汽车先以一恒定车速直线行驶，稳定后蛇行通过试验路段（如图 5.3-1 所示），按照蛇行试验国标，不同车型基准车速也不同 。16 得到仿真过程中的前进车速、侧向加速度、车身侧倾角、横摆角速
22、度和方向盘转角的响应曲线。 17 6)转向轻便行分析 汽车转向轻便性试验方法，使汽车以 102km/h的车速沿双纽线路径行驶，待车速稳定，记录转向盘转角和作用力矩 ，来评估汽车转向轻便性 。 18 7)转向回正性分析 转向回正试验是表征和测定汽车自曲线回复到直线行驶的过渡过程，是测定自由操纵力输入的基本性能试验，回正能力是汽车操纵稳定性的一个重要方面。 低速回正性能试验是先保持侧向加速度为 0.4g，在半径为 15m 的圆周上行驶，突然松开方向盘，记录横摆角速度响应变化。 （三） 整车操稳 性能分析评价标准及小结 目前，对操纵稳定性的研究和评价主要从以下三个方面进行： 1. 通过实验 (包括场
23、地实验和模拟实验 )，测量开环和闭环条件下汽车的主要运动量，研19 究汽车及人 -车闭环系统的特性，并对此进行研究和评价； 2. 通过实验中驾驶员的主观感觉，对汽车的特性进行研究和评价； 3. 通过建立汽车动力学模型和人 -车闭环系统模型，从理论上来研究和评价汽车的操纵稳定性。 从理论与试验的角度可以分为： 1. 理论分析和动态仿真研究； 2. 试验研究，包括客观评价和驾驶员的主观评价。 第一类方法是进行开环和闭环条件下的评价。把汽车作为一个控制系统，按照对控制系统操纵性、稳态品质和瞬态响应特性的一般性要求，来分析和和研究汽车运动特性的方法称为开环方法。事实上，汽车的性能是通过人的操纵来实现的
24、，汽车操纵稳定性的优劣，不但取决于汽车本身的结构参数，还涉及驾驶员和道路交通环境等主观因素。若把汽车作为驾驶员 汽车 环境闭环系统的被控 环节，根据整个系统的特性进行评价的方法称为闭环方法。 开环方法所应用的基础是经典控制理论，依据汽车的稳态和瞬态分析， 对操稳性能影响较大的主要参数有：重心位置、车轮侧偏刚度、转向系刚度、转向系传动比、后轴侧倾转向系数及整车绕垂直轴的转动惯量。 使用不足、过度转向特性和转向输入的阶跃响应特性，来对汽车的操纵性进行评价。但是开环方法很难直接在实际中应用。 70 年代初期， ESV 研究计划的实施，促使人们去研究实用的操纵性设计方法。鉴于当时的驾驶员模型仍处于提高
25、闭环跟踪响应的仿真精度的水平，各国研究人员主要采用系统工 程学的方法去探索操纵性的评价方法。 70 年代中期以后，开始利用驾驶员对汽车直线行驶性能、转弯行驶性能和转向轻便性等特性的感觉，进行主观评价。主观评价方法虽然没有经过理论推导，但是，由于考虑了驾驶员因素和道路环境的特点，所以在一定程度上体现了闭环设计的思想。但由于对汽车的瞬态响应等特性，主、客观评价不一致，因此难以推广。 80 年代初，人们从理论和实验两个方面着手，重新开始深入地研究驾驶员 -车辆 -道路闭环系统。在理论方面，充分地考虑到人的学习性和适应性，建立了许多确定性驾驶员方向控制模型，有效的仿真了驾驶员 -车 辆 -道路闭环系统
26、。在实验方面，研制开发了驾驶员模拟器。 90 年代，郭孔辉教授在研究驾驶员 -汽车 -道路闭环操纵系统模型且考虑了影响汽车操纵性的诸多因素的基础上，提出了物理意义明确的各个单项总方差评价指标，并应用频率统计分析方法提出了闭环系统主动安全性的综合评价与优化设计方法，在工程实际中得到广泛应用。 汽车操纵稳定性评价的另一类方法是客观评价和主观评价。客观评价就是通过实车试验测试一些与操纵稳定性有关的汽车运动量，然后与相应的标准比较进行评价；主观评价则是20 驾驶员根据任务要求操纵汽车时，依据对操纵动作难易程度的 感觉来评价汽车操纵稳定性。显然，客观评价是一种定量评价，若评价指标能够确定的话，则无需进行主观评价。
