运用ADAMS软件对汽车转向系统的模拟仿真分析

摘要：汽车转向系统是汽车的一个重要主成部分，它不仅影响到汽车在驾驶时的操纵稳定性和行驶平顺性，而且也是决定汽车在高速行驶时能够安全行驶的一个重要因素。随着人们对汽车各项性能的要求不断提高，汽车的操纵稳定性日益受到广大客户的重视，也成为衡量现代汽车的重要使用性能之一。本文通过建立整车模型，然后调试仿真模型，来完成整车模型的稳态转向特性仿真分析，首先合理地简化整车模型，先建立前悬架模型，然后在前悬架模型基础上增加了后悬架、转向系、轮胎和路面模型。

关键词：ADAMS 前悬架模型 整车模型仿真试验

中图分类号：U463.444 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）09-0163-01

在以前的汽车转向系统设计当中，由于缺乏先进可行的辅助手段，对系统的动力学仿真分析是通过采用简化的理想约束条件下的机构模型，用图解法和分析计算来进行，并通过多自由度的质量----阻尼刚体数学模型来仿真汽车行驶状况，通过这样的方式所获得的结果误差较大。在工程应用领域，计算机仿真技术变的日益重要，它是以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟实验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术。这种应用在于仿真软件能够通过使用计算机代码和方程来准确地模拟真实的机械系统，通过分析、运行、评价，结果展示等手段，避免了我们在传统的产品开发过程中面对各零部件的重复制造实验过程，从而大大地加速了设计开发过程，同时通过降低硬件建设成本节省了大量的人力、财力、物力和时间。在我们所知的传统的设计与制造过程中，首先要进行的是通过概念设计和方案论证，然后再进行产品设计。在设计完成后，为了验证设计是否正确，通常都需要制造物理样机来进行物理实验。在这实验期间，通常只有通过周而复始的反复多次实验、验证、论证，产品的各项性能指标才能达到要求。因而这种传统的设计制造方式无法缩短周期，而且对市场的反应迟钝。相对的，如果我们采用虚拟样机技术，在设计初期先将关键的设计参数确定、再更新产品开发过程、缩短开发周期，降低成本、提高产品质量。而在汽车制造行业，它日益成为机械工业中不可或缺的一部分，它的很多设计成本难度大，实地成本高，计算机仿真技术的引入，有效地缓解了这一方面的问题，通过ADAMS软件对汽车的转向系统进行的仿真分析。

1、进行模型的建立

我们将利用ADAMS首先进行汽车1/2前悬架模型的创建，在仿真试验基础上，按照预先设置的测试方案，测试前悬架的关键参数，即测量车轮前束角、车轮外倾角、主销内倾角和主销后倾角随车轮跳动时的变化曲线。并通过测试结果的不断完善，得到相对满意的测试结果。

2、建立整车的多体动力学模型

包括底盘模型、前悬架模型、转向机构模型、斜置臂式后悬架模型、轮胎模型和路面谱的建立。如图1所示，得到整车模型。然后进行整车模型的稳态转向特性分析。

在两后轮上定义转动力矩STEP（time，0，0，6，-120000）+STEP（time，6，0，400，-1200000），使汽车加速行驶，同时给汽车以方向盘转角阶跃输入，响应后汽车进入稳态回转，即在2秒内方向盘转过130°后停止再转动方向盘，同时维持此转角不变。在ADAMS仿真中给方向盘施加一个motion为step（time，2，0，4，130d），通过藕合副缩小比为13，则可以转化为直接在车轮上加一个motion为step（time，2，0，4，10d）的函数，其角阶越输入函数如图所示：定义车速的测量函数为SQRT（ VX（Chassis.cm）**2+VZ（Chassis.cm）**2 ）*3.6/1000，转弯半径的测量函数为 （VM（Chassis.cm）/（WY（Chassis.cm）+step（time，0，0.01，0.5，0）））/1000。

通过分析结果可以得出：在前2秒内车轮的转角始终保持为零，之后在两秒内车轮转角直接达到10度，并保持该角度不变。汽车的转向仿真过程如图2所示。

由图2分析可知随着仿真过程的进行，车速在逐渐增大，转弯半径、横摆角速度也逐渐、缓慢地增大，一段时间后横摆角速度的值将停留在在25deg/s上下波动。由此可见，该仿真车辆具有明显的不足转向特性。从方向盘的角阶跃输入可知，车辆在一段时间后进入稳态转向，而在这个稳态之前的短暂过程中车辆的响应称为瞬态响应。我们平时所说的汽车的操纵稳定性与汽车行驶时的瞬态响应具有密切的关系，所以在汽车学上我们通常也用转向盘角阶跃输入下的瞬态响应来表征汽车的操纵稳定性。

3、实验分析质心高度对操纵稳定性的影响

我们将通过改变质心的高度进行三组试验：（1）质心在原点；（2）质心升高50mm；（3）质心下降50mm。通过实验结果分析，质心高度的不同只在最后一段时间内对横摆角速度有比较显著的影响。当汽车加速到一定车速时，横摆角速度受质心高低的影响比较显著；由测试结果可知：质心升高，横摆角速度增大；质心降低，横摆角速度减小。从而得出结论：质心在中性转向点附近且质心高度偏低的汽车具有较好的操纵稳定性，具有比较明显的不足转向特性。例如拿装载货车来举例，装载货物时应尽量来降低质心高度，从而增加汽车的操纵稳定性。

4、结语

在此次研究过程中，深刻的体会到：将ADAMS软件正确地运用在研究汽车操纵稳定性过程中，充分发挥它的实时运动学仿真分析，我们可以通过在计算机上的反复试验和动画回放，这样可以大大降低试验成本、缩短试验时间，对研究汽车操纵稳定性和汽车设计工作都具有一定的指导意义。