转向回正性能仿真分析及优化设计浅析

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摘要：随着汽车工业的发展，商用车消费者对车辆的各项性能也有了更高的要求，不仅要求车辆具备良好的动力性和经济性，还要求车辆具有优异的操纵稳定性与安全性，其中转向回正是整车操纵稳定性的一个重要性能指标。文章采用ADAMS分析软件，建立整车多体动力学模型，依据汽车操纵稳定性试验方法，对整车转向回正性能进行动力学仿真分析，并运用分析结果对相关系统进行优化设计，提升整车的转向回正性能的同时，也有效缩短整车的开发验证周期。

关键词：转向回正性能；动力学仿真；优化设计；轻卡；ADAMS

随着经济的迅速发展，商用汽车在日常生活、工作和生产中的作用越来越重要。同时，驾乘人员，特别是青年人对整车的舒适性、操纵稳定性和安全性的要求也越来越高，诸如转向回正等得到越来越多的重视。对于设计人员来说，在产品的设计开发之初，就应该对汽车系统动力学进行深入研究，利用ADMAS/Car软件对系统进行动力学仿真，不仅能够有效提升整车性能，同时也会大大缩短开发验证周期。目前对整车操纵稳定性的研究、测试和评价主要从三个维度进行：（1）通过专业的主观评价工程师进行实车试验，按照标准的评价体系，对汽车的运动特性进行研究并给予主观评价；（2）通过客观试验（包括场地试验和模拟实验），按照国家标准及行业标准要求，测量开环和闭环条件下汽车的主要观测量，研究汽车及人-车-路闭环系统的特性，并结合试验数据进行分析和客观评价；（3）通过建立整车动力学仿真模型和人-车闭环系统模型，利用ADMAS/Car仿真软件来研究分析和评价汽车的操纵稳定性[1]。利用多体系统动力学理论建立多自由度汽车动力学模型，进行整车动力学仿真分析，成为整车操纵稳定性分析及优化提升的重要方法。本文以某轻型卡车为仿真分析对象，采用了ADAMS/Car仿真分析软件的整车模块、悬架模块、底盘模块、轮胎模块、解算器模块和后处理模块，建立了前后悬架均是钢板弹簧非独立悬架的整车动力学仿真模型，进行了整车转向回正性能分析，并对分析结果进行迭代优化，将分析结论用于相关系统的优化设计，并在后续的实车测试、验证及评价中得到了验证[2]。

1基于ADAMS/Car的整车动力学模型的建立

根据ADAMS/Car的建模理论，在ADAMS/Car模块分别建立整车的各项模板和子系统，并根据各子系统之间的通讯器匹配关系，装配成整车模型。ADAMS/Car整车建模流程如图1所示。其中，建模的难点是前后钢板弹簧模型的建立，虽然钢板弹簧结构简单，但在ADAMS中模拟钢板弹簧并不是简单的工作。本文运用ADAMS/Chassis模块中的板簧编辑功能创建钢板弹簧。车辆结构及主要设计参数如表1、表2所示，作为整车建模的参考。以前悬架模型建立为例。用ADAMS/Chassis模块中的LeafSpring创建钢板弹簧模型，如图2所示。前悬架模型可抽象为以下部件：前轴、左/右转向节、左/右轮毂、左/右减振器、节臂、转向横拉杆、左/右限位块，建立好的前悬架模型如图3所示。之后对后钢板弹簧、后悬架、轮胎、车身、动力总成等进行依次建模，在标准模式（standardinterface）下将上述所建各子系统模型与整车测试平台（MDI_SDI_TESTRIG）组装在一起，得到整车操纵稳定性动力学仿真模型，如图4所示。

2整车转向回正性能仿真分析

2.1转向回正概念

转向回正是汽车转向后能否主动恢复直线行驶趋势的一种重要性能，主要关注汽车瞬态响应特性。转向回正特性是表征汽车操纵稳定性的一个重要特性，良好的转向回正性能可有效提升整车的操纵品质和驾驶感觉。

2.2转向回正仿真

2.2.1转向回正试验方法。依据GB/T6323—2014汽车操纵稳定性试验方法的相关规定，试验汽车直线行驶，记录各测量变量零线，然后调整转向盘转角，使汽车沿半径为15m的圆周行驶，调整车速，使侧向加速度达到（4±0.2）m/s2，固定转向盘转角，稳定车速并开始记录，待3s后，驾驶员突然松开转向盘并做标记，至少记录松手后4s的汽车运动过程。记录时间内加速踏板位置保持不变[3]。2.2.2仿真结果。对整车横摆角速度进行观测记录，生成曲线如图5所示。根据QC/T480—1999汽车操纵稳定性指标限值与评价方法[4]，结合仿真分析结果数据，计算出转向回正性能仿真及试验评价计分表如表3、表4所示。小结：当方向盘撒手时转向盘转角曲线、整车侧向加速度曲线、横摆角速度曲线均经过一定时间后进入稳定状态，符合转向回正试验要求，仿真结果与试验结果较接近，但转向回正性能较差，同时由于整车阻尼、摩擦等一些误差的原因导致横摆角速度总方差的仿真结果与试验结果存在一定偏差。

3整车转向回正性能优化及仿真

结合实车试验情况，分析影响整车转向回正性能的主要因素，重点对液压转向机背压及主销后倾角开展仿真分析及试验验证。

3.1改变液压转向机背压

经试验测量，液压转向器初始背压为0.9MPa，分别对转向器的背压加大20%（调整为1.08MPa）、减小20%（调整为0.72MPa）进行仿真，车辆的横摆角速度仿真曲线如图6所示，图中为原车初始状态，转向机背压加大20%，转向机背压减小20%时的横摆角速度。根据QC/T480—1999汽车操纵稳定性指标限值与评价方法，结合仿真分析结果数据，计算出改变液压转向机背压转向回正性能仿真评价计分表如表5所示。小结：适当减小转向机背压能提高整车的转向回正性能。

3.2改变主销后倾角

车辆转向轴的主销后倾角为2°，分别将主销后倾角加大至3°、减小至1°进行仿真，车辆的横摆角速度仿真曲线如图7所示。根据QC/T480—1999汽车操纵稳定性指标限值与评价方法，结合仿真分析结果数据，计算出改变主销后倾角转向回正性能仿真评价计分表如表6所示。小结：增大主销后倾角能提高整车的转向回正性能。

3.3改进后实车验证

通过上述仿真，适当减小转向机背压及增大主销后倾角，都能使转向回正性能提高，根据此结论对实车进行了结构改进（主销后倾角增加到3°，同时转向机背压减小20%），表7为操稳试验结果数据。小结：通过仿真分析适当减小转向机背压并增大主销后倾角，整车回正性能大幅提升，综合评分达到65.3，满足国标要求。

4总结

本文依据多体动力学的基本理论和仿真分析方法，利用ADAMS/Car模块建立了某轻卡的多体动力学模型，并依据国标的相关要求，对整车进行了转向回正性能仿真分析，明确设计优化方向，并进行实车验证。（1）在ADAMS/Car模块中，按照整车建模流程，建立了前后悬架、前后板簧、转向系、前后轮胎、车身、动力系统模型，并生成了系统，最后装配成转向回正模型，为下一步仿真打下基础。（2）对整车进行转向回正仿真分析，仿真结果同试验结果基本一致，转向回正性能较差，需优化提升。（3）结合以上仿真结果，对影响该车型转向回正的主要因素进行分析，并提出优化方案。仿真结果表明，适当减小转向机背压并增大主销后倾角后回正性能提升；最后通过实车验证，转向回正性能提升到65.3分，满足国标要求，整车回正性能得到大幅提升；但主销后倾角的增大会带来其他问题，如轮胎磨损过度等，需结合整车可靠性试验进一步确定。

参考文献

[1]余志生.汽车理论[M].4版.北京:机械工业出版社,2006.

[2]尹汉琪,黄秀玲,唐亚丽,等.基于ADAMS的汽车操纵稳定性仿真分析[J].机械制造,2015,53(2):17-20.

[3]全国汽车标准化技术委员会.汽车操纵稳定性试验方法:稳态回转试验:GB/T6323—2014[S].北京:中国标准出版社,2014.

[4]长春汽车研究所.汽车操纵稳定性指标限值与评价方法:QC/T480—1999[S].北京:中国标准出版社,1999.

作者:卢威 王印 张旭 单位:陕西汽车集团股份有限公司