《車輛工程畢業(yè)論文.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《車輛工程畢業(yè)論文.doc（72頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、青島理工大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 題目 基于 ADAMS/Car 的汽車 操縱穩(wěn)定性仿真分析 院院 別：別： 汽車與交通學(xué)院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 05 級車輛工程 1 班 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 金涵宇 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 張麗霞 2009 年 6 月 18 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)( (論文論文) )任務(wù)書任務(wù)書 專業(yè)： 車輛工程 班級： 05 級 1 班 姓名： 金涵宇 下發(fā)日期： 題目基于 ADAMS/Car 的汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析 專題 設(shè)計(jì)（論文）主要內(nèi)容 1. 討論汽車操縱穩(wěn)定性的評價(jià)內(nèi)容和方法。 2. 利用 ADAMS/Car 軟件建立了前懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并對懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真

2、分析。 3. 利用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件 ADAMS/Car 建立各子系統(tǒng)的仿真模型，包括前后懸 架模型、前后輪胎模型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、制動(dòng)系統(tǒng)模型和車身系統(tǒng)模型。 4. 將建立的全部子系統(tǒng)裝配成整車模型，根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對所建立的整車 模型進(jìn)行操縱穩(wěn)定性仿真分析，輸出各種評價(jià)整車性能的仿真曲線。 5. 對各子系統(tǒng)及整車模型的參數(shù)進(jìn)行修改，修改后的仿真曲線和原參數(shù)仿真曲 線進(jìn)行對比。 主要技術(shù)參數(shù)或要求 1. 利用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件 ADAMS/Car 建立各子系統(tǒng)的仿真模型，包括前后懸架 模型、前后輪胎模型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型、制動(dòng)系統(tǒng)模型和車身系統(tǒng)模型，按照保 時(shí)捷 911 carrera 轎車主要

3、參數(shù)修改整車模型參數(shù)，對修改后的模型進(jìn)行仿真 分析，輸出各種評價(jià)整車性能的仿真曲線。 2. 撰寫設(shè)計(jì)說明書，字?jǐn)?shù)在 1.5 萬字以上，計(jì)算機(jī)打印。 3. 繪制出 0 號或 1 號工程圖紙 4 張。 進(jìn)度及完成日期 2009.03.302009.04.05 通過搜集并借閱查詢課題相關(guān)資料完成本專題的開 題報(bào)告，并上交指導(dǎo)老師進(jìn)行修改。 2009.04.062009.04.12 根據(jù)指導(dǎo)教師對開題報(bào)告修改的意見，對開題報(bào)告 進(jìn)一步完善，并完成開題報(bào)告的定稿。 2009.04.132009.05.17 根據(jù)開題報(bào)告設(shè)計(jì)方案和具體技術(shù)路線的思路，開 始論文的第一次初稿，并提交指導(dǎo)老師進(jìn)行修改。 200

4、9.05.182009.06.07 根據(jù)指導(dǎo)老師對論文初稿提出的修改意見，對論文 的欠缺部分進(jìn)行補(bǔ)充和完善，完成論文二稿。 2009.06.082009.06.21 根據(jù)指導(dǎo)教師意見，充分完善論文的每一個(gè)步驟， 修改所有錯(cuò)誤，從而完成論文終稿。 指導(dǎo)教師簽字日期教研室主任簽字日期教學(xué)院長簽字日期 指 導(dǎo) 教 師 評 語 指導(dǎo)教師: 年 月 日 指 定 論 文 評 閱 人 評 語 評閱人: 年 月 日 答 辯 委 員 會 評 語 周記 說明書 (或論文) 圖紙答辯總評 答辯委員會 主 任 簽 字 評定 成績 摘摘 要要 汽車的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛者不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車能 遵循駕駛者

5、通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當(dāng)遭遇外界干擾時(shí)，汽 車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力。汽車的操縱穩(wěn)定性不僅影響到汽車駕駛 的操縱方便程度，而且也是決定高速汽車安全行駛的一個(gè)主要性能，所以人們 稱之為“高速車輛的生命線” 。數(shù)字化虛擬樣機(jī)技術(shù)是縮短車輛研發(fā)周期、降低 開發(fā)成本、提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量的重要途徑。隨著虛擬產(chǎn)品開發(fā)、虛擬制 造技術(shù)的逐漸成熟，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)得到大量應(yīng)用。 利用 ADAMS/Car 軟件建立了保時(shí)捷 911 卡雷拉轎車的操縱動(dòng)力學(xué)多體仿 真模型，在考慮了懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和輪胎等影響的情況下，根據(jù)汽車操縱 穩(wěn)定性試驗(yàn)方法國家標(biāo)準(zhǔn)的要求分別進(jìn)行漂移試驗(yàn)、斜坡脈沖轉(zhuǎn)

6、向和單移線仿 真等，根據(jù)汽車操縱穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)與評價(jià)方法，對汽車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行評 價(jià)。最終熟練掌握 ADAMS/Car 軟件的應(yīng)用及汽車操縱穩(wěn)定性評價(jià)的方法。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：ADAMS/Car，操縱穩(wěn)定性，仿真分析 ABSTRACTABSTRACT Vehicle handling and stability is when drivers do not feel too much tension and fatigue, vehicle can follow the direction of steering system and steering wheel which is give

7、n by the driver ,and when encountered outside interference ,vehicle can maintain the stability of resistance to interference.Vehicle handling and stability does not only affect the driving convenience but also affect the main performance of high- speed traffic safety,so it was called “the lifeblood

8、of high-speed vehicle”. Virtual prototype technology is an important way to reduce research and development cycle,cut down development cost,improve products design and manufacturing quality. As the virtual product development and virtual manufacturing technology is maturing,computer simulation techn

9、ology is widely used. The paper used ADAMS/Car to created manipulation of multi-body dynamics simulation model of Prosche 911 carrera,which considered the impact of suspension system,steering system and tires.According to vehicle handling and stability national stangard test method,conducted drift,r

10、amp steer,single lane change simulation etc.The vehicle handling and stability is evaluated in terms of the vehicle handling and stability evaluation indicators and methods.Finally how to use ADAMS/Car and the method of evaluation vehicle handling and stability are learned. KEYKEY WORDS:WORDS:ADAMS/

11、Car, Handling and Stability, Simulation 目 錄 前 言.1 第一章 概 述1 1.1 課題的研究背景和意義 1 1.2 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)國內(nèi)外研究情況 2 1.3 課題的研究內(nèi)容 4 第二章 汽車操縱穩(wěn)定性研究的發(fā)展及評價(jià)方法.6 2.1 汽車操縱穩(wěn)定性國外研究情況 6 2.2 汽車操縱穩(wěn)定性國內(nèi)研究情況 9 2.3 操縱穩(wěn)定性的評價(jià)方法 .10 2.3.1 開環(huán)和閉環(huán)評價(jià) .11 2.3.2 客觀評價(jià)和主觀評價(jià) .11 第三章 ADAMS 軟件介紹13 3.1 ADAMS 軟件簡介13 3.2 ADAMS 模塊簡介 .14 第四章 懸架系統(tǒng)分析19 4.

12、1 概述 .19 4.2 車輪激振分析 .20 4.2.1 雙輪同向激振仿真20 4.2.2 雙輪反向激振仿真 .21 4.2.3 單輪激振仿真 .22 4.3 力隨遇平衡仿真 .22 4.4 轉(zhuǎn)向仿真 .23 第五章 建立整車模型25 5.1 ADAMS/Car 建模步驟和方法25 5.2 前懸架模型的建立 .26 5.3 后懸架模型的建立 .27 5.4 轉(zhuǎn)向系模型的建立 .27 5.5 輪胎模型的建立 .28 5.6 發(fā)動(dòng)機(jī)模型的建立 .29 5.7 車身模型的建立 .29 5.8 整車模型的建立 .29 第六章 整車仿真31 6.1 概述 .31 6.2 開環(huán)轉(zhuǎn)向仿真事件（Open-L

13、oop Steering Events） 33 6.2.1 漂移（Drift）仿真 34 6.2.2 斜坡脈沖轉(zhuǎn)向（Ramp Steer）仿真 .37 6.2.3 單移線（Single Lane Change）仿真 .39 6.3 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)仿真事件（Cornering Events） .41 6.4 直行仿真事件（Straight-Line Events） .43 6.5 本章小結(jié) .46 第七章 總 結(jié).47 致 謝48 參考文獻(xiàn).49 前前 言言 隨著當(dāng)今世界汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展和人們消費(fèi)水平的日益提高，汽車已經(jīng) 成為人們?nèi)粘Ｉ詈凸まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必不可少的交通工具。隨著汽車的日漸普及， 人們對

14、汽車的安全性、行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性的要求越來越高。 因此如何評價(jià)和設(shè)計(jì)汽車的操縱穩(wěn)定性、獲得良好的安全性，一直是汽車領(lǐng)域 的重要課題。 汽車是一個(gè)極其復(fù)雜的多體系統(tǒng)，整車的穩(wěn)定性受到輪胎、懸架、轉(zhuǎn)向、 發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)的影響，簡單的模型往往受到諸多的限制，不能很好地反映 汽車真實(shí)的動(dòng)力學(xué)特性，所以難以得到精確的結(jié)論。對汽車動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分 析的方法有仿真分析法和實(shí)車試驗(yàn)法。實(shí)車試驗(yàn)法開發(fā)周期長，出錯(cuò)返工率高， 耗資巨大。仿真分析法是在計(jì)算機(jī)上建立簡化到一定程度的模型，然后對模型 進(jìn)行仿真分析，及時(shí)糾正不合理的設(shè)計(jì)，直至得出完美的汽車模型。 隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形學(xué)技術(shù)的不斷提

15、高，在機(jī)械系統(tǒng)仿真領(lǐng)域， 國外運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)研制了很多基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論的仿真分析軟件， 其中美國機(jī)械動(dòng)力公司開發(fā)的 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)最具代表性。它采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，將強(qiáng)大的大位移、非線 性分析求解功能與使用方便的用戶界面相結(jié)合。ADAMS 是集建模、求解、可 視化技術(shù)于一體的虛擬樣機(jī)軟件。使用這套軟件可以產(chǎn)生復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的虛擬 樣機(jī)，真實(shí)地仿真其運(yùn)動(dòng)過程，并且可以迅速地分析和比較多種參數(shù)方案，直 至獲得優(yōu)化的工作性能，從而大大減少昂貴的物理樣機(jī)制造及實(shí)驗(yàn)次數(shù)，提高 產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，大幅度地縮減產(chǎn)品

16、研制周期和費(fèi)用。 本文依照保時(shí)捷 911 carrera 車型的數(shù)據(jù)利用 ADAMS/Car 建立了整車的虛 擬樣機(jī)模型，該虛擬樣機(jī)由車身系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)總成系統(tǒng)、前懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)、后懸架系統(tǒng)以及前、后輪胎系統(tǒng)等組成。對不同軸距下的汽車漂移仿真、 斜坡脈沖轉(zhuǎn)向和單移線仿真等操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真。通過修改軸距以得到不 同仿真結(jié)果，從而改善車輛的操縱穩(wěn)定性，使得駕駛員及行人的人身安全得到 更有效的保障。 第一章第一章 概概 述述 1.11.1 課題的研究背景和意義課題的研究背景和意義 自 1885 年卡爾本茨制造出世界第一輛汽車之后，經(jīng)過一百多年的迅猛發(fā) 展，如今汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ詈凸まr(nóng)

17、業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的交通工具。但 隨著汽車的普及，公路交通呈現(xiàn)出行駛高速化、車輛密集化和駕駛員非職業(yè)化 的趨勢。頻繁的交通事故使公路運(yùn)輸?shù)慕煌ò踩蔀橐粋€(gè)廣泛關(guān)注的社會問題。 隨著交通密集的增加，交通事故呈現(xiàn)出增加的趨勢，因此，汽車的安全性研究 是擺在汽車專家們面前的一個(gè)嚴(yán)峻的課題。 安全問題可以分為兩大部分：主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性。主動(dòng)安全性是指 汽車具有的在所有交通狀況下盡可能地避免事故的一種性能；被動(dòng)安全性是指 汽車在發(fā)生不可避免的事故時(shí)（特別涉及到人員傷亡時(shí)） ，盡可能減小其后果的 一種性能，包括外部安全性和內(nèi)部成員安全性。按照汽車事故誘發(fā)因素的比例 由大到小的排列，其順序是操縱穩(wěn)定性、

18、加速制動(dòng)性、環(huán)境視見性和可靠性。 幾十年來，如何設(shè)計(jì)汽車以獲得良好的主動(dòng)安全性，尤其是操縱穩(wěn)定性，始終 是各國學(xué)者和設(shè)計(jì)師們的主要研究方向之一。近年來，電子智能技術(shù)的引入如： 全電子制動(dòng)系統(tǒng)、電子控制的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、智能懸掛系統(tǒng)、車輛周圍的監(jiān)測 系統(tǒng)以及 ABS 防抱死系統(tǒng)等等，大大提高了汽車的主動(dòng)安全性。盡管如此，汽 車本身的操縱穩(wěn)定性仍然是解決汽車安全性的一個(gè)重要因素。而汽車模型的建 立經(jīng)歷了一個(gè)從簡單到復(fù)雜，從粗糙到精確的過程。這是因?yàn)槠囀且粋€(gè)包含 慣性、彈性、阻尼等動(dòng)力學(xué)特性的多自由度弱非線性連續(xù)體振動(dòng)系統(tǒng)。而且由 于組成汽車各機(jī)械子系統(tǒng)（如懸架、轉(zhuǎn)向、輪胎等）之間的相互耦合作用，使

19、 汽車的動(dòng)態(tài)特性非常復(fù)雜。要想真實(shí)地描述汽車動(dòng)態(tài)特性，必須考慮盡可能多 零件的運(yùn)動(dòng)，得到精確的數(shù)學(xué)模型。然而，太復(fù)雜的模型方程又給求解帶來巨 大的困難，甚至得不到結(jié)果。因此，各國學(xué)者在這一領(lǐng)域研究的傳統(tǒng)方法是通 過試驗(yàn)或人為的把汽車各個(gè)子系統(tǒng)加以簡化，抽取出能夠取代系統(tǒng)或總成特性 的本質(zhì)因素，建立起較簡單的數(shù)學(xué)、力學(xué)模型進(jìn)行求解，并把求得的結(jié)果用實(shí) 驗(yàn)加以驗(yàn)證。 這些模型的共同特點(diǎn)是將整車簡化成三個(gè)集中質(zhì)量子系統(tǒng)：簧載質(zhì)量（車 身），前非簧載質(zhì)量（前懸架、前軸、前輪總成），后非簧載質(zhì)量（后懸架、 后軸、后輪總成），并對輪胎和懸架的非線性特性進(jìn)行不同程度的簡化描述。 在對受力和運(yùn)動(dòng)綜合分析的基礎(chǔ)

20、上，利用拉格朗日（Lagrange）或牛頓 （Newton）力學(xué)方法建立動(dòng)力學(xué)微分方程，然后在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)值求解，模 型中采用較少的易測量和易估計(jì)的復(fù)合參數(shù)來描述懸架特性，縮短仿真前處理 時(shí)間，降低了測量懸架參數(shù)的難度，也避免了求解復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方程。 此外，選用不同的參數(shù)組相當(dāng)于改變了懸架形式，因而保證模型的通用性。但 是，這類模型中，許多總成是通過試驗(yàn)或人為地簡化，用一組擬合參數(shù)來代替 和表達(dá)的。獲得的這些參數(shù)一般都是系統(tǒng)的靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)參數(shù)，與汽車實(shí) 際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的動(dòng)態(tài)參數(shù)有一定的誤差，這樣，勢必對計(jì)算精度有所影響。所 以，要想得到高精度的模型，就要經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，修改和驗(yàn)證，工

21、作周期較長。 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論為建立多自由度汽車動(dòng)力學(xué)模型提供了一個(gè)有力工具。 應(yīng)用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的仿真模型將整車懸架系統(tǒng)的每一部件看作是剛形體或彈 性體，同時(shí)也包括剛體的所有節(jié)點(diǎn)。整個(gè)模型的自由度非常多（可達(dá)上百個(gè)）， 更全面地描述了汽車各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)及相互耦合作用，可用于汽車操縱性、 動(dòng)力性、制動(dòng)性等研究。以多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)編寫的大型通用軟件為 工程技術(shù)人員提供了方便的建模手段，應(yīng)用大型通用軟件能自動(dòng)生成運(yùn)動(dòng)學(xué)和 動(dòng)力學(xué)方程，并利用軟件內(nèi)部的數(shù)學(xué)求解器準(zhǔn)確的求解，不需要人工建立和求 解方程，編寫程序，因而能夠節(jié)省大量時(shí)間，提高工作效率。 1.21.2 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)國內(nèi)外研究情

22、況多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)國內(nèi)外研究情況 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，是研究多體系統(tǒng)（由若干個(gè)柔性和剛性物體相互連接所 組成）運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，包括多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。其核心 問題是建模和求解問題，其系統(tǒng)研究開始于20世紀(jì)60年代。從20世紀(jì)60年代到 80年代，側(cè)重于多剛體系統(tǒng)的研究，主要是研究多剛體系統(tǒng)的自動(dòng)建模和數(shù)值 求解；到了20世紀(jì)80年代中期，多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究已經(jīng)取得一系列成果， 尤其是建模理論趨于成熟，但更穩(wěn)定、更有效的數(shù)值求解方法仍然是研究的熱 點(diǎn)；20世紀(jì)80年代之后，多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究更偏重于多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)， 這個(gè)領(lǐng)域也正式 被稱為計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，它至今仍然是力學(xué)研究

23、中最有活力的分支之一， 但已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過了一般力學(xué)的涵義。 多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究開展得略晚一點(diǎn)。早期有P.W.Likins在70年代初 的研究工作，他采用的是混合坐標(biāo)，后來被稱為多柔體族系統(tǒng)。這一概念后來 被廣泛應(yīng)用于多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中。1978年C.S.Bodley等人公布了他們的 DISCOS（Dynamic Interaction Simulation of Controls and Structure，控 制與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)交互作用模擬）軟件。到此，可以認(rèn)為多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的發(fā) 展已經(jīng)初具規(guī)模，它作為力學(xué)的一個(gè)重要分支的地位已穩(wěn)固樹立了。1987年， 德國研究委員會確立了一項(xiàng)為期5年的多

24、體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究項(xiàng)目，使用標(biāo)準(zhǔn) FORTRAN77語言和RSYST數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)開發(fā)了一套面向?qū)ο蟮亩囿w系統(tǒng)模型。Kane 等人發(fā)展了一套用于分析復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的新方法。以偽速度作為獨(dú)立變量來描 述系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，該方法既適用于完整約束，也適用于非完整約束。作為Kane方 法的具體應(yīng)用，Huston等人發(fā)展了一種幾何與計(jì)算方法相統(tǒng)一的方法。Kane等 人開發(fā)了基于符號推導(dǎo)的多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件AUTOLEV；Huston等人則開 發(fā)了軟件DYNOCOMBS。上述軟件中比較有影響的產(chǎn)品包括美國MDI公司的ADAMS、 比利時(shí)LMS公司的DADS等。 這些軟件的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，以致西歐和北美的工程師

25、們已習(xí)慣于在機(jī) 械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，通過多體系統(tǒng)的仿真軟件，對新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行研究、 分析和優(yōu)化，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，并降低了通常研制中制造、調(diào)試樣機(jī)所占 用的成本消耗。所以，這個(gè)過程在計(jì)算機(jī)輔助工程CAE（Computer Aided Engineering）中被稱為CAA（Computer Aided Analysis），并示為一個(gè)必要的 環(huán)節(jié)。同時(shí)，在車輛、航天器等領(lǐng)域不斷舉辦多體仿真專題討論會，以交流多 體系統(tǒng)軟件的開發(fā)和應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，傳遞信息并提出新的思想和研究方向。由 WSchiehlen編撰的多體系統(tǒng)手冊（Multi-body SystemHandbook）就是這種形 式發(fā)展下的產(chǎn)

26、物，其中包括了全世界范圍內(nèi)近20個(gè)研究團(tuán)體的成果，如著名的 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System 機(jī)械系統(tǒng)的自動(dòng) 動(dòng)力分析) 和DADS(Dynamic Analysis and Design System 動(dòng)力學(xué)分析和設(shè)計(jì) 系統(tǒng))等。這些軟件結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、功用完備、操作方便，不但能夠求解航天器和機(jī) 器人等以開環(huán)和低運(yùn)動(dòng)副為主的機(jī)構(gòu)，而且能求解車輛等結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的多閉 環(huán)系統(tǒng)。 國外的工程界，特別是汽車工程領(lǐng)域，在多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方面的研究已比 較 廣泛和深入。我國在這方面的研究雖然起步較晚，但發(fā)展很快，并且在汽車工 程領(lǐng)域也出了

27、不少成果。1986年，吉林工業(yè)大學(xué)的溫吳凡等人利用多體系統(tǒng)動(dòng) 力學(xué)方法，對二維剛體系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并編制了一個(gè)人機(jī)對話型的分析 程序。1989年吉林工業(yè)大學(xué)的林逸教授利用RW方法，建立了對汽車獨(dú)立懸架 中的單橫臂及擺柱式懸架進(jìn)行空間運(yùn)動(dòng)分析的通用計(jì)算程序。1991年，第二汽 車制造廠的上官文斌等人，采用自然坐標(biāo)的概念，利用虛構(gòu)原理建立汽車轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)和懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法。北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)的周一鳴教授等研制了廣義機(jī) 構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件GMCADS，用于分析平面和空間機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)性 能。1992年，清華大學(xué)的張海芩采用多剛體力學(xué)中的牛頓歐拉方法，建立了 汽車列車74個(gè)自由度的非線性數(shù)學(xué)

28、模型，其中包括多種輪胎模型、懸架系統(tǒng)模 型、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型及帶有比例閥、防抱死裝置及考慮制動(dòng)熱衰退的制動(dòng)系統(tǒng)模 型，深入研究了汽車列車操縱穩(wěn)定性和制動(dòng)性。1994年，清華大學(xué)的劉紅軍用 虛擬剛體結(jié)構(gòu)方法和彈性子機(jī)構(gòu)法把彈性問題納入整車多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的分析 中，對汽車擺振系統(tǒng)進(jìn)行了建模和計(jì)算。吉林工業(yè)大學(xué)的陳欣在博士論文中， 著重研究汽車懸架中柔性體對懸架性能的影響。1997年，清華大學(xué)的張?jiān)浇裨?其博士論文中建立了含柔性元素的80自由度整車多體系統(tǒng)模型，并利用該模型 對汽車動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了全面的仿真分析和優(yōu)化。關(guān)于彈性元件的作用，1993年， 吉林工業(yè)大學(xué)的林逸教授對懸架系統(tǒng)中廣泛采用的橡膠鉸鏈的特

29、性作了闡述， 并對汽車平順性影響做了分析。1999年，同濟(jì)大學(xué)的溫強(qiáng)等人對選項(xiàng)中的橡膠 支撐的動(dòng)、靜剛度的實(shí)驗(yàn)研究方法做了研究。 1.31.3 課題的研究內(nèi)容課題的研究內(nèi)容 隨著汽車的普及，汽車已成為人們?nèi)粘Ｉ畋夭豢缮俚慕煌üぞ撸?市場的競爭也變得異常激烈。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，全球各大汽車廠家 為最快地推出更好性能的新車，紛紛引入了計(jì)算機(jī)虛擬樣車技術(shù)，使得設(shè)計(jì)者 在樣車出來之前便能很好地了解該車的性能，并能根據(jù)需要，修改相關(guān)的零部 件或性能參數(shù)，得到最優(yōu)的整車性能。 具體的工作內(nèi)容如下： 1、簡要敘述了多系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，簡單介紹了國內(nèi)外多系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究 發(fā)展概況。解釋了虛擬樣機(jī)

30、技術(shù)代替實(shí)車試驗(yàn)的必要性和必然性，同時(shí)介紹了 虛擬樣機(jī)技術(shù)。 2、簡述了汽車操縱穩(wěn)定性研究的國內(nèi)外概況，發(fā)展過程，以及汽車操縱穩(wěn) 定性的評價(jià)方法。 3、 簡單介紹了 ADAMS 軟件，介紹了 ADAMS 軟件的子模塊，以及 ADAMS 軟件在汽車操縱穩(wěn)定性評價(jià)中的應(yīng)用。 4、利用 ADAMS/Car 軟件建立了前懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進(jìn)行車輪激振 分析、力隨遇平衡仿真和轉(zhuǎn)向仿真等仿真分析。 5、利用 ADAMS/Car 模塊建立了包括前懸架、后懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、前后輪 胎系統(tǒng)、車身系統(tǒng)、動(dòng)力總成系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等子系統(tǒng)，并將子系統(tǒng)整合為多 體動(dòng)力學(xué)仿真模型，并通過道路試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性。 6、

31、對該整車虛擬樣機(jī)的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真分析，主要選取了漂移仿真 試驗(yàn)、斜坡脈沖仿真試驗(yàn)、單移線仿真試驗(yàn)、收油門轉(zhuǎn)彎仿真試驗(yàn)和直線加速 仿真試驗(yàn)等試驗(yàn)，并將車輛的軸距做了相應(yīng)的修改，后將修改前后的仿真結(jié)果 進(jìn)行對比分析，得出了軸距對車輛操縱穩(wěn)定性的影響。 第二章第二章 汽車操縱穩(wěn)定性研究的發(fā)展及評價(jià)方法汽車操縱穩(wěn)定性研究的發(fā)展及評價(jià)方法 汽車的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛者不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車能 遵循駕駛者通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當(dāng)遭遇到外界干擾時(shí)， 汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力【1】。操縱穩(wěn)定性是汽車的一種運(yùn)動(dòng)性能 這種性能通過駕駛員在一定路面和環(huán)境下的操縱反映出來。

32、通常認(rèn)為汽車的操 縱穩(wěn)定性包含相互聯(lián)系的兩個(gè)部分：一是操縱性，二是穩(wěn)定性。操縱性是指汽 車能夠確切的響應(yīng)駕駛員轉(zhuǎn)向指令的能力。穩(wěn)定性是指汽車受到外界擾動(dòng)（路 面擾動(dòng)和突然陣風(fēng)擾動(dòng)）后恢復(fù)原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能力。兩者很難斷然分開，穩(wěn) 定性好壞直接影響操縱性好壞，因此通常稱為操縱穩(wěn)定性。汽車的操縱穩(wěn)定性 是影響汽車主動(dòng)安全性的重要性能之一。因此，如何研究和評價(jià)汽車的操縱穩(wěn) 定性，以獲得良好的汽車主動(dòng)安全性一直是關(guān)于汽車的最重要的課題，工程師 們在這個(gè)領(lǐng)域的不斷探索使人們對汽車操縱穩(wěn)定性的研究越來越深入。 2.12.1 汽車操縱穩(wěn)定性國外研究情況汽車操縱穩(wěn)定性國外研究情況 在國外，20 世紀(jì)以前，工程師

33、們對操縱穩(wěn)定性的研究比較少。20 世紀(jì) 30 年代才開始對汽車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)研究，并取得了不少有價(jià)值的研究成 果。相關(guān)的研究文獻(xiàn)也很多。這門學(xué)科的發(fā)展大致經(jīng)歷了四個(gè)階段： 第一階段：20 世紀(jì) 30 年代初期之前 1925 年以前，工程師致力于懸架的設(shè)計(jì)，保證車輪與地面的接觸，從而滿 足轉(zhuǎn)向控制。這是早期工作的當(dāng)務(wù)之急。1900-1930 年期間，人們對汽車控制的 重視使工程師們開始研究懸架和轉(zhuǎn)向幾何的靜力學(xué)，提高了設(shè)計(jì)理論。最引人 注意的是 1925 年建立起的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力學(xué)普遍原理。1925 年平順性理論初步形成 規(guī)模。同年，Broulheit 在文章中首次提出側(cè)偏和側(cè)偏角的概念。 第二

34、階段：從 20 世紀(jì) 30 年代初期到 50 年代初期 在這個(gè)階段里，工程師們了解了簡單的輪胎力學(xué)，進(jìn)一步研究了輪胎特性， 并開發(fā)了前獨(dú)立懸架，提出不足轉(zhuǎn)向和過多轉(zhuǎn)向的概念。 20 世紀(jì)初期，英國的 Lanchester、美國的 Olley、法國的 Broulheit 開始了 車輛獨(dú)立懸架的研究，并對轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)和懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)對車輛性能的影響進(jìn)行了 分析。同時(shí)，人們對輪胎側(cè)向力學(xué)的重要性也開始有所認(rèn)識。 1931 年，Becker,F rom 和 Maruhn 分析了輪胎在轉(zhuǎn)向系振動(dòng)中起的作用， 進(jìn)一步研究了輪胎特性。這些對輪胎的研究使進(jìn)一步分析車輛穩(wěn)定性成為可能。 1934 年 Olley 首次

35、提到了車速是一個(gè)關(guān)鍵的因素。根據(jù)他們的研究成果， Goodyear 運(yùn)用輪胎和橡膠公司轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)研究了輪胎特性。1935 年，R.D.Evans 發(fā)表了關(guān)于輪胎橫向特性的文章，并給出了轉(zhuǎn)向力和回正力矩。 在這一時(shí)期，通用公司 Cadillac 懸架研究小組在 Olley 的帶領(lǐng)下，首次開發(fā) 了應(yīng)用于美國轎車的獨(dú)立前懸架，并提出不足轉(zhuǎn)向和過多轉(zhuǎn)向的概念。 第三階段：從 50 年代初期到 70 年代 此時(shí)，已經(jīng)可以進(jìn)行建模和試驗(yàn)分析，加深了對輪胎特性的了解，建立了 三自由度操縱動(dòng)力學(xué)方程，形成了一套較為完整的關(guān)于操縱和轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)的理論 體系。 1956 年，Cornell Aeronautical 實(shí)

36、驗(yàn)室的 William F.Milliken,DavidW .Whitcomb 和 Leonard Segel 發(fā)表了一系列關(guān)于車輛操縱穩(wěn)定性的理論和定量分析的文章。 這些文章成為 60 年代汽車操縱穩(wěn)定性發(fā)展的基石，其中許多理論到現(xiàn)在仍被引 用。同年，Milliken 對過去的研究作了總結(jié)，并指出盡管己對輪胎的特性有了 很多的了解，但還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)的不夠。Milliken 的論斷在今天看來仍然是正確的， 輪胎的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)只有在現(xiàn)在可以獲得。他還對穩(wěn)定性和操縱性作了區(qū)分。 Leonard Segel 建立了三自由度模型模。在 Whitcomb 的文章，他利用兩自由度 模型得出了一系列汽車穩(wěn)定性和操縱性

37、方面的結(jié)論。由于不考慮側(cè)傾自由度， 因此 Whitcomb 把汽車簡化成了相當(dāng)于自行車的兩自由度模型，研究了兩自由 度模型的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)。在研究汽車橫擺響影時(shí)，引入了穩(wěn)定性因數(shù) K 的概念。 50 年代中期建立了較為完整的車輛操縱動(dòng)力學(xué)線性域（即側(cè)向加速度約小 于 0.3g）理論體系，而且形成了一套較為完整的關(guān)于操縱和轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)的理論體 系。1956 年，機(jī)械工程師學(xué)會（I.Mech.E）在倫敦組織了一個(gè)會議，主題是關(guān) 于汽車 穩(wěn)定性和控制及輪胎性能的研究。Milliken 把這件事稱為車輛動(dòng)力學(xué)發(fā)展過程 中的一個(gè)分水嶺，并在他的書中做了詳細(xì)的記載。 1961 年 Martin Golan

38、d 和 Frederick Jindra 用兩個(gè)自由度（橫擺和側(cè)向運(yùn)動(dòng)） 的模型研究四輪汽車的操縱性和穩(wěn)定性。他將側(cè)傾自由度用作用于輪胎的垂直 載荷來近似模擬，考慮了輪荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)，并分析輪胎的力學(xué)特性隨著車輪載荷 的變化而改變。結(jié)果表明操縱穩(wěn)定性隨著質(zhì)心的變化而變化，并且輪胎壓力和 胎寬都在改變。 1965 年，Walter Bergman 建立了 6 自由度模型來分析車輛不足轉(zhuǎn)向和過多 轉(zhuǎn)向的實(shí)質(zhì)。此時(shí)對穩(wěn)態(tài)的研究己相當(dāng)成熟，但對瞬態(tài)意義卻不十分明確。 Bergman 討論了在瞬時(shí)狀態(tài)下包括方向盤輸入、空氣阻力和慣性力等許多情況 下不足轉(zhuǎn)向和過多轉(zhuǎn)向的行為，并指出可由側(cè)向加速度引起的橫擺角速

39、度來理 解過多轉(zhuǎn)向和不足轉(zhuǎn)向。 1966 年，Segel 研究了自由操縱汽車的穩(wěn)定性，即方向盤以力矩輸入代替 角輸入。應(yīng)用兩自由度線性模型（包含干摩擦）模擬轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，并加入到他的 三自由度模型中，在橫向加速度低于 0.3g 情況下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)吻合的很 好，并應(yīng)用于汽車參數(shù)設(shè)計(jì)。 1967 年，通用公司的 R.Thomas Bundorf 在文章中討論了汽車參數(shù)設(shè)計(jì)和不 足轉(zhuǎn)向以及特征車速的關(guān)系，并提出如何預(yù)測和實(shí)際測量車輛的不足轉(zhuǎn)向特性。 他指出特征車速是線性模型的產(chǎn)物；在正常行駛條件下（橫向加速度小于 1/3g） ， 車輛可由線性模型模擬，并且需要建立大直徑側(cè)滑試驗(yàn)場來測量特征車速。

40、Bundorf 還推導(dǎo)出了在給定設(shè)計(jì)參數(shù)下預(yù)測特征車速的表達(dá)式。 第四個(gè)階段：70 年代以后 從 20 世紀(jì) 70 年代開始，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，操縱穩(wěn)定性的研究 和計(jì)算機(jī)緊密的結(jié)合起來，車輛仿真模型變得更加復(fù)雜和真實(shí)，對操縱穩(wěn)定性 的研究也更加逼真。先期的仿真工作都在模擬計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，它能解決實(shí)時(shí)動(dòng) 力學(xué)問題，但其致命缺點(diǎn)是不能解決非線性問題。70 年代早期，工程師設(shè)計(jì)了 在數(shù)字和模擬聯(lián)合計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的代碼，使車輛動(dòng)力學(xué)模型即可實(shí)時(shí)仿真又可 包含非線性因素。具有代表性的工程師有 Murpphy、Tiffany、Hickner。 當(dāng)數(shù)字計(jì)算機(jī)逐步取代了模擬計(jì)算機(jī)和混合計(jì)算機(jī)后，考慮到計(jì)算

41、機(jī)的費(fèi) 用 及計(jì)算速度，建立有效的計(jì)算機(jī)模型就顯得非常必要。 1986 年 R.J. Antoun 在文章中討論了應(yīng)用 ADAMS 建立的車輛操縱穩(wěn)定性 模型。他應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的 ADAMS 模塊和用戶自定義模塊（如輪胎） ，建立了 1985 年福特公司的一種客貨兩用轎車模型。文章詳盡的討論了前后懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 及橡膠襯套的順從性和減振器的非線性。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果十分相近。并應(yīng) 用這個(gè)方法對 1986 年的 Broncoll 和 Aerostar 車型進(jìn)行了研究。通過應(yīng)用以上各 自的模型，設(shè)計(jì)者可在設(shè)計(jì)初期優(yōu)化橫向穩(wěn)定桿的面積及輪胎特性。 汽車動(dòng)力學(xué)模型經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜，從少自由度到多自由度，從

42、模擬計(jì) 算機(jī)到數(shù)字仿真的發(fā)展過程。模型越來越朝著通用性、高效性和精確性的方面 發(fā)展。另外，由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展可實(shí)現(xiàn)異地之間的參數(shù)調(diào)用，更增加了模 型的通用性。 2.22.2 汽車操縱穩(wěn)定性國內(nèi)研究情況汽車操縱穩(wěn)定性國內(nèi)研究情況 在我國，汽車操縱穩(wěn)定性研究始于七十年代。清華大學(xué)和長春汽車研究所 都同時(shí)系統(tǒng)地開展了這方面研究工作。各個(gè)汽車生產(chǎn)廠也都從自己產(chǎn)品的需要 出發(fā)，在不同的程度上進(jìn)行了操縱穩(wěn)定性的試驗(yàn)和研究工作。我國開展汽車操 縱穩(wěn)定性研究的歷史雖不太長，但吸取了國外的研究成果和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)展較快。 其中，成就最突出的是郭孔輝院士。 1981 年以來，郭孔輝教授在駕駛員模型、 “人車”閉環(huán)系統(tǒng)

43、特性及“人 車”閉環(huán)系統(tǒng)的定量評價(jià)方面做了大量研究工作，提出了物理概念清晰、適 應(yīng)于汽車非線性、考慮多方面因素的駕駛員模型和定量評價(jià)“人車”閉環(huán)系 統(tǒng)的綜合評價(jià)指標(biāo)。在雙移線和蛇行線輸入下，綜合評價(jià)指標(biāo)與駕駛員主觀評 價(jià)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到 0.99 以上。90 年代，郭孔輝教授在研究“駕駛員汽車道 路”閉環(huán)操縱系統(tǒng)模型且考慮了影響汽車操縱性的諸多因素的基礎(chǔ)上，提出了 物理意義明確的各個(gè)單項(xiàng)總方差評價(jià)指標(biāo)，并應(yīng)用頻率統(tǒng)計(jì)分析方法提出了閉 環(huán)系統(tǒng)主動(dòng)安全性的綜合評價(jià)與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在工程實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。 在文獻(xiàn)中，他還給出了穩(wěn)定性不好的汽車常有的表現(xiàn)： 1. 駕駛員并未發(fā)出指令，而汽車自己卻不斷的

44、改變行駛的方向，使人感到 漂??； 2. 有時(shí)汽車就像受驚的馬，突然地忽東忽西，不聽駕駛員操縱； 3. 駕駛員轉(zhuǎn)向指令雖然已發(fā)出相當(dāng)時(shí)間，但汽車還沒有轉(zhuǎn)向反應(yīng)，或轉(zhuǎn)向 過程完成地過慢； 4. 駕駛員給出穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向指令，但汽車卻左右搖擺，行駛方向難以穩(wěn)定。 這樣的汽車在受到路面不平或突然陣風(fēng)的擾動(dòng)時(shí)，也會出現(xiàn)這種搖擺； 5. 正常汽車的轉(zhuǎn)彎程度，會通過轉(zhuǎn)向盤在駕駛員的手上產(chǎn)生相應(yīng)的感覺。 有些操縱性能不好的汽車，特別是在車速較高時(shí)或轉(zhuǎn)向較劇時(shí)會喪失這種感覺。 這會增加駕駛員的操縱困難程度或影響駕駛員做出正確的判斷； 6. 某些汽車在車速超過某一個(gè)臨界值之后或向心加速度超過一定值之后， 駕駛員完全不

45、能控制汽車的行駛方向。 上面只是列舉了幾種基本現(xiàn)象，都是屬于感性認(rèn)識，還不是科學(xué)的描述。 郭孔輝院士還指出，操縱穩(wěn)定性好的車輛應(yīng)該有如下性質(zhì)： 1. 應(yīng)該容易控制（對駕駛員要求不應(yīng)過高） ； 2. 在出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，不應(yīng)使駕駛員感到突然和意外； 3. 操縱穩(wěn)定性的行駛極限應(yīng)能清楚的辨別。 2.32.3 操縱穩(wěn)定性的評價(jià)方法操縱穩(wěn)定性的評價(jià)方法 汽車的操縱穩(wěn)定性是影響其安全性的主要因素之一，因此如何評價(jià)和設(shè)計(jì) 汽車的操縱穩(wěn)定性、獲得良好的安全性，一直是汽車領(lǐng)域的重要課題。汽車的 操縱穩(wěn)定性由于受研究目的、駕駛?cè)蝿?wù)、人為感覺及環(huán)境條件等多種因素影響， 所以對汽車操縱穩(wěn)定性的研究和評價(jià)錯(cuò)綜復(fù)雜。關(guān)于汽車

46、操縱穩(wěn)定性研究和評 價(jià)已發(fā)表的文章不計(jì)其數(shù)，并提出了各種仿真模型、評價(jià)指標(biāo)、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí) 驗(yàn)手段，但迄今為止還沒有找出公認(rèn)的客觀定量評價(jià)操縱穩(wěn)定性的好方法。因 此，今天的汽車工業(yè)仍然以對樣車的主觀評價(jià)作為最終的開發(fā)手段。 目前，對操縱穩(wěn)定性的研究和評價(jià)主要從以下三個(gè)方面進(jìn)行： 1. 通過試驗(yàn)，測量開環(huán)和閉環(huán)條件下汽車的主要運(yùn)動(dòng)量，研究汽車及“人 車”閉環(huán)系統(tǒng)的特性，并對此進(jìn)行研究和評價(jià)； 2. 通過試驗(yàn)中駕駛員的主觀感覺，對汽車的特性進(jìn)行研究和評價(jià)； 3. 通過汽車動(dòng)力學(xué)模型和“人車”閉環(huán)系統(tǒng)模型，從理論上來研究和 評價(jià)汽車的操縱穩(wěn)定性。 從理論與試驗(yàn)的角度可以分為： 1. 理論分析和動(dòng)態(tài)仿真

47、研究，在開環(huán)或閉環(huán)條件下評價(jià)車輛的操縱穩(wěn)定性； 2. 試驗(yàn)研究，包括客觀評價(jià)和駕駛員的主觀評價(jià)。 2.3.12.3.1 開環(huán)和閉環(huán)評價(jià)開環(huán)和閉環(huán)評價(jià) 汽車操縱穩(wěn)定性評價(jià)的第一類方法是開環(huán)和閉環(huán)評價(jià)。 把汽車本身看作一個(gè)系統(tǒng)，按照對控制系統(tǒng)操縱性、穩(wěn)態(tài)品質(zhì)和瞬態(tài)響應(yīng) 特性的一般性要求，來分析和研究汽車運(yùn)動(dòng)特性的方法稱為開環(huán)方法。這種方 法是把操縱穩(wěn)定，勝作為汽車自身的性能，是一種不包括駕駛員特性的汽車性 能可以按圖 2-1 的系統(tǒng)進(jìn)行研究和評價(jià)【2】。開環(huán)方法所應(yīng)用的基礎(chǔ)是經(jīng)典控制 理論，依據(jù)汽車的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析，使用不足、過度轉(zhuǎn)向特性和轉(zhuǎn)向輸入的階 躍響應(yīng)特性，來對汽車的操縱性進(jìn)行評價(jià)。但是開

48、環(huán)方法很難直接在實(shí)際中應(yīng) 用。 圖 2-1 開環(huán)系統(tǒng) 事實(shí)上，汽車的性能是通過人的操縱來實(shí)現(xiàn)的，因此，為更全面徹底地研 究和評價(jià)汽車的操縱穩(wěn)定性，就應(yīng)考慮到駕駛員特性與汽車特性的配合問題， 如圖 2-2 所示。即把汽車作為駕駛員 汽車閉環(huán)系統(tǒng)的被控環(huán)節(jié)，根據(jù)整個(gè)系 統(tǒng)特性的分析和綜合，對汽車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行研究和評價(jià)，這種方法稱為閉 環(huán)方法。 圖 2-2 “人車”閉環(huán)系統(tǒng) 2.3.22.3.2 客觀評價(jià)和主觀評價(jià)客觀評價(jià)和主觀評價(jià) 汽車操縱穩(wěn)定性評價(jià)的另一類方法是客觀評價(jià)和主觀評價(jià)。客觀評價(jià)就是 通 過實(shí)車試驗(yàn)測試一些與操縱穩(wěn)定性有關(guān)的汽車運(yùn)動(dòng)量（如橫擺角速度、側(cè)向加 速度、側(cè)傾角及轉(zhuǎn)向力等）

49、 ，然后與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)比較;主觀評價(jià)則是駕駛員根據(jù) 任務(wù)要求操縱汽車時(shí)，依據(jù)對操縱動(dòng)作難易程度的感覺來評價(jià)汽車操縱穩(wěn)定性。 顯然，客觀評價(jià)是一種定量評價(jià)，若評價(jià)指標(biāo)能夠確定的話，則無需進(jìn)行 主觀評價(jià)。但由于汽車的操縱穩(wěn)定性受多種因素影響，其客觀評價(jià)指標(biāo)很難確 定。因此，主觀評價(jià)在汽車操縱穩(wěn)定性的評價(jià)中一直占重要地位。另外，由于 汽車是由人來駕駛的，因此主觀感覺評價(jià)法始終是操縱穩(wěn)定性的最終評價(jià)方法。 主觀評價(jià)的缺點(diǎn)之一是，它受到評價(jià)者個(gè)人主觀因素的影響，不同評價(jià)者可能 給出差別較大的評價(jià)結(jié)果。其另一缺點(diǎn)是，一般情況下，它不能給出“汽車性 能”與“汽車結(jié)構(gòu)”二者之間有何種聯(lián)系的信息。 當(dāng)然，這些評價(jià)

50、方法經(jīng)過工程師們的不斷改進(jìn)正在日益豐富。60 年代以前， 人們采用的評價(jià)方法基本上都是開環(huán)方法，所應(yīng)用的基礎(chǔ)是經(jīng)典控制理論，依 據(jù)汽車的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析，使用不足、過度轉(zhuǎn)向特性和轉(zhuǎn)向輸入的階躍響應(yīng)特 性，來對汽車的操縱性進(jìn)行評價(jià)。但是，上述開環(huán)方法很難直接在實(shí)際中應(yīng)用。 70 年代初期，ESV 研究計(jì)劃的實(shí)施，促使人們?nèi)パ芯繉?shí)用的操縱性設(shè)計(jì)方法。 鑒于當(dāng)時(shí)的駕駛員模型仍處于提高閉環(huán)跟蹤響應(yīng)的仿真精度的水平，各國研究 人員主要采用系統(tǒng)工程學(xué)的方法去探索操縱性的評價(jià)方法。70 年代中期以后， 開始利用駕駛員對汽車直線行駛性能、轉(zhuǎn)彎行駛性能和轉(zhuǎn)向輕便性等特性的感 覺，進(jìn)行主觀評價(jià)。主觀評價(jià)方法雖然沒有

51、經(jīng)過理論推導(dǎo)，但是，由于考慮了 駕駛員因素和道路環(huán)境的特點(diǎn)，所以在一定程度上體現(xiàn)了閉環(huán)設(shè)計(jì)的思想。但 由于對汽車的瞬態(tài)響應(yīng)等特性，主、客觀評價(jià)不一致，因此難以推廣。80 年代 初，人們從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面著手，重新開始深入地研究駕駛員一車輛一道 路閉環(huán)系統(tǒng)。在理論方面，充分地考慮到人的學(xué)習(xí)性和適應(yīng)性，建立了許多確 定性駕駛員方向控制模型，有效的仿真了“駕駛員車輛道路”閉環(huán)系統(tǒng)。 在實(shí)驗(yàn)方面，研制開發(fā)了駕駛員模擬器。90 年代，郭孔輝教授在研究駕駛員一 汽車閉環(huán)操縱系統(tǒng)模型且考慮了影響汽車操縱性的諸多因素的基礎(chǔ)上，提出了 物理意義明確的各個(gè)單項(xiàng)總方差評價(jià)指標(biāo)，并應(yīng)用頻率統(tǒng)計(jì)分析方法提出了閉 環(huán)系

52、統(tǒng)主動(dòng)安全性的綜合評價(jià)與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，便于工程應(yīng)用。 第三章第三章 ADAMSADAMS 軟件介紹軟件介紹 3.13.1 ADAMSADAMS 軟件簡介軟件簡介 ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System） ，該軟件是美國 MDI 公司（Mechanical Dynamic Inc.）開發(fā) 的虛擬樣機(jī)分析軟件。目前，ADAMS 已經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制 造商采用。ADAMS 是世界上最具權(quán)威性的，使用范圍最廣的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 仿真分析軟件。用戶使用 ADAMS 軟件，可以自動(dòng)生成包括機(jī)一電一液一

53、體化 在內(nèi)的、任意復(fù)雜系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)數(shù)字化虛擬樣機(jī)模型，能為用戶提供從產(chǎn) 品概念設(shè)計(jì)、方案論證、詳細(xì)設(shè)計(jì)、到產(chǎn)品方案修改、優(yōu)化、試驗(yàn)規(guī)劃甚至故 障診斷各階段、全方位、高精度的仿真計(jì)算分析結(jié)果，從而達(dá)到縮短產(chǎn)品開發(fā) 周期、降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量及競爭力的目的【3】。 ADAMS 軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參 數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日 方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力 學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS 軟件的仿真可用 于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測、峰

54、值載荷以及計(jì)算有限元的輸 入載荷等。 ADAMS 一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方 便地對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。另一方面，又是虛擬 樣機(jī)分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶 進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺。ADAMS 具有通用、精確的 仿真功能，方便、友好的用戶界面和強(qiáng)大的圖形顯示能力，這使得許多著名大 公司都采用它來完成產(chǎn)品輔助設(shè)計(jì)、研究開發(fā)、質(zhì)量鑒定等重要工作。國外一 些著名大學(xué)也都開始了介紹 ADAMS 軟件的課程，而將三維 CAD 軟件，有限 元分析軟件和虛擬樣機(jī)軟件作為機(jī)械類專業(yè)學(xué)生所必須了解的工具

55、軟件。由此 可見，ADAMS 軟件具有強(qiáng)大的功能和影響力【4】。其概括起來主要有以下特點(diǎn)： 1. 在多個(gè)通用求解器的基礎(chǔ)上，提供豐富的樣本庫、專用模塊。特別是為 汽車研發(fā)專用人員提供的專用模塊，例如：ADAMS/Car 提供汽車動(dòng)力學(xué)分析模 塊，ADAMS/Android 提供人體模型，ADAMS/Tire 提供多種輪胎模型， ADAMS/Vehicle 提供懸架模型，ADAMS/Engine 提供發(fā)動(dòng)機(jī)模塊， ADAMS/Hydraulic 提供液壓傳動(dòng)系統(tǒng)建模模塊，ADAMS/Chassis 提供底盤模塊 等，極大地方便了汽車設(shè)計(jì)階段的建模與汽車動(dòng)態(tài)仿真分析工作。 2. 開放的軟件環(huán)境為研

56、發(fā)人員集成 CAD/CAM/CAE 軟件、開發(fā)用戶專用 模塊提供了方便。實(shí)現(xiàn)了 CA D /CAM/CAE/CACE 設(shè)計(jì)的一體化。 3. 根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用，提供功能齊全的工程分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)功能。 4. 提供了實(shí)體動(dòng)畫顯示功能與運(yùn)動(dòng)干涉檢查。 3.23.2 ADAMSADAMS 模塊簡介模塊簡介 ADAMS 軟件已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史，功能日趨完善。其主要模塊包括： 1. 核心模塊 英文模塊名 中文模塊名 ADAMS/View 用戶界面模塊 ADAMS/Solver 求解器模塊 ADAMS/PostProcessor 后處理模塊 2. 功能擴(kuò)展模塊 英文模塊名 中文模塊名 ADAMS/Insi

57、ght 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析模塊 ADAMS/Durability 可靠性分析模塊 ADAMS/Vibration 振動(dòng)分析模塊 ADAMS/Hydraulics 液壓模塊 ADAMS/Linear 系統(tǒng)模態(tài)分析模塊 ADAMS/Auto Flex 通用柔性體自動(dòng)生成器 ADAMS/Animation 高速動(dòng)畫模塊 3. 專業(yè)模塊 英文模塊名 中文模塊名 ADAMS/Car 汽車模塊 ADAMS/Chassis 底盤模塊 ADAMS/Aircraft 飛機(jī)模塊 ADAMS/Rail 機(jī)車模塊 ADAMS/Engine 發(fā)動(dòng)機(jī)模塊 ADAMS/Tire 輪胎模塊 4. 接口模塊 英文模塊名 中文模塊名

58、 ADAMS/Exchange 圖形接口模塊 Mechanism/Pro Pro/E 接口 ADAMS/Flex 柔性分析模塊 ADAMS/Controls 控制接口模塊 CAT/ADAMS CATIA 專業(yè)接口模塊 5. 工具箱 英文模塊名 中文模塊名 Virtual Test Lab 虛擬試驗(yàn)工具箱 Modal Stress Recovery and Fatigue Toolkit 模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)與疲勞工具箱 Leaf Spring Toolkit 鋼板彈簧工具箱 ADAMS/Truck Toolkit 卡車工具箱 ADAMS/SDK 軟件開發(fā)工具箱 Tracked/Wheeled Vehi

59、cle 履帶式車輛工具箱 ADAMS/Gear Tool 齒輪傳動(dòng)工具箱 ADAMS/Motorcycle Toolkit 摩托車工具箱 ADAMS/View（基本環(huán)境） 、ADAMS/Solver（求解器）和 ADAMS/PostProcessor（后處理）是 ADAMS 系列產(chǎn)品中三個(gè)核心的模塊。在 這三個(gè)核心模塊中，ADAMS/View 采用以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境，將圖 標(biāo)操作、菜單操作、鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作與交互式圖形建模、仿真計(jì)算、動(dòng)畫顯示、 優(yōu)化設(shè)計(jì)、X-Y 曲線圖處理、結(jié)果分析和數(shù)據(jù)打印等功能集成在一起。 ADAMS/View 采用簡單的分層方式完成建模工作。采用 Parasoli

60、d 內(nèi)核進(jìn)行 實(shí)體建模，并提供了豐富的零件幾何圖形庫、約束庫和力/力矩庫，并且支持布 爾運(yùn)算、支持 FORTRAN/77 和 FORTRAN/90 中的函數(shù)。除此之外，還提供了 豐 富的位移函數(shù)、速度函數(shù)、加速度函數(shù)、接觸函數(shù)、樣條函數(shù)、力/力矩函數(shù)、 合力/力矩函數(shù)、數(shù)據(jù)元函數(shù)、若干用戶子程序函數(shù)以及常量和變量等。 ADAMS/View 新版采用了改進(jìn)的動(dòng)畫/曲線圖窗口，能夠在同一窗口內(nèi)同步 顯示模型的動(dòng)畫和曲線圖；具有豐富的二維碰撞副，用戶可以對具有摩擦的二 維點(diǎn)一曲線、圓一曲線、平面一曲線，以及曲線一曲線、實(shí)體一實(shí)體等碰撞副 自動(dòng)定義接觸力；具有實(shí)用的 Parasolid 輸入/輸出功能

61、，可以輸入 CAD 中生成 的 Parasolid 文件，也可以把單個(gè)構(gòu)件、或整個(gè)模型、或在某一指定的仿真時(shí)刻 的模型輸出到一個(gè) Parasolid 文件中；具有新型數(shù)據(jù)庫圖形顯示功能，能夠在同 一圖形窗口內(nèi)顯示模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選擇某一構(gòu)件或約束（運(yùn)動(dòng)副或力）后顯 示與此項(xiàng)相關(guān)的全部數(shù)據(jù)；具有快速繪圖功能，繪圖速度是原版本的加倍以上； 采用合理的數(shù)據(jù)庫導(dǎo)向器，可以在一次作業(yè)中利用一個(gè)名稱過濾器修改同一名 稱中多個(gè)對象的屬性，便于修改某一個(gè)數(shù)據(jù)庫對象的名稱及其說明內(nèi)容；具有 精確的幾何定位功能，可以在創(chuàng)建模型的過程中輸入對象的坐標(biāo)、精確地控制 對象的位置；多種平臺上采用統(tǒng)一的用戶界面、提供合理的

62、軟件文檔；支持 Windows NT 平臺的快速圖形加速卡，確保 ADAMS/View 的用戶可以利用高性 能 OpenGL 圖形卡提高軟件的性能；命令行可以自動(dòng)記錄各種操作命令，進(jìn)行 自動(dòng)檢查。 ADAMS/Solver 是 ADAMS 產(chǎn)品系列中處于心臟地位的仿真器。該軟件自 動(dòng)形成機(jī)械系統(tǒng)模型的動(dòng)力學(xué)方程，提供靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的解算結(jié)果。 ADAMS/Solver 有各種建模和求解選項(xiàng)，以便精確有效地解決各種工程應(yīng)用問 題。ADAMS/Solver 可以對剛體和彈性體進(jìn)行仿真研究。為了進(jìn)行有限元分析 和控制系統(tǒng)研究，用戶除要求軟件輸出位移、速度、加速度和力外，還可要求 模塊輸出用戶

63、自己定義的數(shù)據(jù)。用戶可以通過運(yùn)動(dòng)副、運(yùn)動(dòng)激勵(lì)，高副接觸、 用戶定義的子程序等添加不同的約束。用戶同時(shí)可求解運(yùn)動(dòng)副之間的作用力和 反作用力，或施加單點(diǎn)外力。 ADAMS/PostProcessor 的主要功能包括：為用戶觀察模型的運(yùn)動(dòng)提供了所 需的環(huán)境用戶可以向前、向后播放動(dòng)畫，隨時(shí)中斷播放動(dòng)畫，而且可以選擇最 佳觀察視角，從而使用戶更容易地完成模型排錯(cuò)任務(wù)；為了驗(yàn)證 ADAMS 仿真 分析結(jié)果數(shù)據(jù)的有效性，可以輸入測試數(shù)據(jù)，并測試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行 繪圖比較，還可對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算、對輸出進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;用戶可以對多 個(gè)模擬 結(jié)果進(jìn)行圖解比較，選擇合理的設(shè)計(jì)方案；可以幫助用戶再現(xiàn) ADA

64、MS 中的仿 真分析結(jié)果數(shù)據(jù)，以提高設(shè)計(jì)報(bào)告的質(zhì)量；可以改變圖表的形式，也可以添加 標(biāo)題和注釋；可以載入實(shí)體動(dòng)畫，從而加強(qiáng)仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)的表達(dá)效果；還 可以實(shí)現(xiàn)在播放三維動(dòng)畫的同時(shí)，顯示曲線的數(shù)據(jù)位置，從而可以觀察運(yùn)動(dòng)與 參數(shù)變化的對應(yīng)關(guān)系。 ADAMS/Car(轎車模塊)是 MDI 公司與 Audi，BMW，Renault 和 Volvo 等公 司合作開發(fā)的整車設(shè)計(jì)軟件包，集成了它們在汽車設(shè)計(jì)、開發(fā)等方面的經(jīng)驗(yàn)。 ADAMS/Car 是一種基于模板的建模和仿真工具，大大加速和簡化了建模的步驟。 用戶只需在模板中輸入必要的數(shù)據(jù)，就可以快速建造包括車身、懸架、傳動(dòng)系 統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、制動(dòng)

65、系統(tǒng)等在內(nèi)的高精度的整車虛擬樣機(jī)，并進(jìn)行仿 真。 利用 ADAMS/Car 的數(shù)據(jù)庫功能，可以有效地選擇襯套、限位塊、減振器 等以裝配各個(gè)子系統(tǒng)，節(jié)約用戶每次重復(fù)輸入數(shù)據(jù)的時(shí)間。通過高速動(dòng)畫直觀 地顯示在各種試驗(yàn)工況下整車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，并輸出標(biāo)志操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性、 乘坐舒適性和安全性的特征參數(shù)，從而減少對物理樣機(jī)的依賴。ADAMS/Car 采 用的用戶化界面是根據(jù)汽車工程師的習(xí)慣而專門設(shè)計(jì)的。工程師不必經(jīng)過任何 專業(yè)培訓(xùn)，就可以應(yīng)用該軟件開展卓有成效的開發(fā)工作。ADAMS/Car 中包括整 車動(dòng)力學(xué)模塊（Vehicle Dynamics）和懸架設(shè)計(jì)模塊（Suspension Design） ，其仿 真工況包括：方問盤轉(zhuǎn)角階躍、斜坡和脈沖輸入、蛇行穿越試驗(yàn)、漂移試驗(yàn)、 加速試驗(yàn)、制動(dòng)試驗(yàn)和