车辆工程毕业论文.doc

青岛理工大学 毕 业 设 计（论 文） 题目 基于 ADAMS/Car 的汽车 操纵稳定性仿真分析 院院 别：别： 汽车与交通学院 专业班级：专业班级： 05 级车辆工程 1 班 学生姓名：学生姓名： 金涵宇 指导教师：指导教师： 张丽霞 2009 年 6 月 18 日 毕业设计毕业设计( (论文论文) )任务书任务书 专业： 车辆工程 班级： 05 级 1 班 姓名： 金涵宇 下发日期： 题目基于 ADAMS/Car 的汽车操纵稳定性仿真分析 专题 设计（论文）主要内容 1. 讨论汽车操纵稳定性的评价内容和方法。 2. 利用 ADAMS/Car 软件建立了前悬架转向系统，并对悬架系统进行仿真分析。 3. 利用机械系统动力学软件 ADAMS/Car 建立各子系统的仿真模型，包括前后悬 架模型、前后轮胎模型、转向系统模型、制动系统模型和车身系统模型。 4. 将建立的全部子系统装配成整车模型，根据国家相关标准，对所建立的整车 模型进行操纵稳定性仿真分析，输出各种评价整车性能的仿真曲线。 5. 对各子系统及整车模型的参数进行修改，修改后的仿真曲线和原参数仿真曲 线进行对比。 主要技术参数或要求 1. 利用机械系统动力学软件 ADAMS/Car 建立各子系统的仿真模型，包括前后悬架 模型、前后轮胎模型、转向系统模型、制动系统模型和车身系统模型，按照保 时捷 911 carrera 轿车主要参数修改整车模型参数，对修改后的模型进行仿真 分析，输出各种评价整车性能的仿真曲线。 2. 撰写设计说明书，字数在 1.5 万字以上，计算机打印。 3. 绘制出 0 号或 1 号工程图纸 4 张。 进度及完成日期 2009.03.302009.04.05 通过搜集并借阅查询课题相关资料完成本专题的开 题报告，并上交指导老师进行修改。 2009.04.062009.04.12 根据指导教师对开题报告修改的意见，对开题报告 进一步完善，并完成开题报告的定稿。 2009.04.132009.05.17 根据开题报告设计方案和具体技术路线的思路，开 始论文的第一次初稿，并提交指导老师进行修改。 2009.05.182009.06.07 根据指导老师对论文初稿提出的修改意见，对论文 的欠缺部分进行补充和完善，完成论文二稿。 2009.06.082009.06.21 根据指导教师意见，充分完善论文的每一个步骤， 修改所有错误，从而完成论文终稿。 指导教师签字日期教研室主任签字日期教学院长签字日期 指 导 教 师 评 语 指导教师: 年 月 日 指 定 论 文 评 阅 人 评 语 评阅人: 年 月 日 答 辩 委 员 会 评 语 周记 说明书 (或论文) 图纸答辩总评 答辩委员会 主 任 签 字 评定 成绩 摘摘 要要 汽车的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。汽车的操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶 的操纵方便程度，而且也是决定高速汽车安全行驶的一个主要性能，所以人们 称之为“高速车辆的生命线” 。数字化虚拟样机技术是缩短车辆研发周期、降低 开发成本、提高产品设计和制造质量的重要途径。随着虚拟产品开发、虚拟制 造技术的逐渐成熟，计算机仿真技术得到大量应用。 利用 ADAMS/Car 软件建立了保时捷 911 卡雷拉轿车的操纵动力学多体仿 真模型，在考虑了悬架系统、转向系统和轮胎等影响的情况下，根据汽车操纵 稳定性试验方法国家标准的要求分别进行漂移试验、斜坡脉冲转向和单移线仿 真等，根据汽车操纵稳定性评价指标与评价方法，对汽车的操纵稳定性进行评 价。最终熟练掌握 ADAMS/Car 软件的应用及汽车操纵稳定性评价的方法。 关键词：关键词：ADAMS/Car，操纵稳定性，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 given 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 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 technology 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,ramp 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/Car, Handling and Stability, Simulation 目 录 前 言.1 第一章 概 述1 1.1 课题的研究背景和意义 1 1.2 多体系统动力学国内外研究情况 2 1.3 课题的研究内容 4 第二章 汽车操纵稳定性研究的发展及评价方法.6 2.1 汽车操纵稳定性国外研究情况 6 2.2 汽车操纵稳定性国内研究情况 9 2.3 操纵稳定性的评价方法 .10 2.3.1 开环和闭环评价 .11 2.3.2 客观评价和主观评价 .11 第三章 ADAMS 软件介绍13 3.1 ADAMS 软件简介13 3.2 ADAMS 模块简介 .14 第四章 悬架系统分析19 4.1 概述 .19 4.2 车轮激振分析 .20 4.2.1 双轮同向激振仿真20 4.2.2 双轮反向激振仿真 .21 4.2.3 单轮激振仿真 .22 4.3 力随遇平衡仿真 .22 4.4 转向仿真 .23 第五章 建立整车模型25 5.1 ADAMS/Car 建模步骤和方法25 5.2 前悬架模型的建立 .26 5.3 后悬架模型的建立 .27 5.4 转向系模型的建立 .27 5.5 轮胎模型的建立 .28 5.6 发动机模型的建立 .29 5.7 车身模型的建立 .29 5.8 整车模型的建立 .29 第六章 整车仿真31 6.1 概述 .31 6.2 开环转向仿真事件（Open-Loop Steering Events） 33 6.2.1 漂移（Drift）仿真 34 6.2.2 斜坡脉冲转向（Ramp Steer）仿真 .37 6.2.3 单移线（Single Lane Change）仿真 .39 6.3 稳态回转仿真事件（Cornering Events） .41 6.4 直行仿真事件（Straight-Line Events） .43 6.5 本章小结 .46 第七章 总 结.47 致 谢48 参考文献.49 前前 言言 随着当今世界汽车工业的迅猛发展和人们消费水平的日益提高，汽车已经 成为人们日常生活和工农业生产中必不可少的交通工具。随着汽车的日渐普及， 人们对汽车的安全性、行驶平顺性、操纵稳定性和乘坐舒适性的要求越来越高。 因此如何评价和设计汽车的操纵稳定性、获得良好的安全性，一直是汽车领域 的重要课题。 汽车是一个极其复杂的多体系统，整车的稳定性受到轮胎、悬架、转向、 发动机及传动系统的影响，简单的模型往往受到诸多的限制，不能很好地反映 汽车真实的动力学特性，所以难以得到精确的结论。对汽车动力学性能进行分 析的方法有仿真分析法和实车试验法。实车试验法开发周期长，出错返工率高， 耗资巨大。仿真分析法是在计算机上建立简化到一定程度的模型，然后对模型 进行仿真分析，及时纠正不合理的设计，直至得出完美的汽车模型。 随着近年来计算机技术、图形学技术的不断提高，在机械系统仿真领域， 国外运用虚拟样机技术研制了很多基于多体系统动力学理论的仿真分析软件， 其中美国机械动力公司开发的 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)最具代表性。它采用虚拟样机技术，将强大的大位移、非线 性分析求解功能与使用方便的用户界面相结合。ADAMS 是集建模、求解、可 视化技术于一体的虚拟样机软件。使用这套软件可以产生复杂机械系统的虚拟 样机，真实地仿真其运动过程，并且可以迅速地分析和比较多种参数方案，直 至获得优化的工作性能，从而大大减少昂贵的物理样机制造及实验次数，提高 产品设计质量，大幅度地缩减产品研制周期和费用。 本文依照保时捷 911 carrera 车型的数据利用 ADAMS/Car 建立了整车的虚 拟样机模型，该虚拟样机由车身系统、动力传动总成系统、前悬架系统、转向 系统、后悬架系统以及前、后轮胎系统等组成。对不同轴距下的汽车漂移仿真、 斜坡脉冲转向和单移线仿真等操纵稳定性进行了仿真。通过修改轴距以得到不 同仿真结果，从而改善车辆的操纵稳定性，使得驾驶员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 课题的研究背景和意义课题的研究背景和意义 自 1885 年卡尔本茨制造出世界第一辆汽车之后，经过一百多年的迅猛发 展，如今汽车已经成为人们日常生活和工农业生产中不可缺少的交通工具。但 随着汽车的普及，公路交通呈现出行驶高速化、车辆密集化和驾驶员非职业化 的趋势。频繁的交通事故使公路运输的交通安全成为一个广泛关注的社会问题。 随着交通密集的增加，交通事故呈现出增加的趋势，因此，汽车的安全性研究 是摆在汽车专家们面前的一个严峻的课题。 安全问题可以分为两大部分：主动安全性和被动安全性。主动安全性是指 汽车具有的在所有交通状况下尽可能地避免事故的一种性能；被动安全性是指 汽车在发生不可避免的事故时（特别涉及到人员伤亡时） ，尽可能减小其后果的 一种性能，包括外部安全性和内部成员安全性。按照汽车事故诱发因素的比例 由大到小的排列，其顺序是操纵稳定性、加速制动性、环境视见性和可靠性。 几十年来，如何设计汽车以获得良好的主动安全性，尤其是操纵稳定性，始终 是各国学者和设计师们的主要研究方向之一。近年来，电子智能技术的引入如： 全电子制动系统、电子控制的助力转向系统、智能悬挂系统、车辆周围的监测 系统以及 ABS 防抱死系统等等，大大提高了汽车的主动安全性。尽管如此，汽 车本身的操纵稳定性仍然是解决汽车安全性的一个重要因素。而汽车模型的建 立经历了一个从简单到复杂，从粗糙到精确的过程。这是因为汽车是一个包含 惯性、弹性、阻尼等动力学特性的多自由度弱非线性连续体振动系统。而且由 于组成汽车各机械子系统（如悬架、转向、轮胎等）之间的相互耦合作用，使 汽车的动态特性非常复杂。要想真实地描述汽车动态特性，必须考虑尽可能多 零件的运动，得到精确的数学模型。然而，太复杂的模型方程又给求解带来巨 大的困难，甚至得不到结果。因此，各国学者在这一领域研究的传统方法是通 过试验或人为的把汽车各个子系统加以简化，抽取出能够取代系统或总成特性 的本质因素，建立起较简单的数学、力学模型进行求解，并把求得的结果用实 验加以验证。 这些模型的共同特点是将整车简化成三个集中质量子系统：簧载质量（车 身），前非簧载质量（前悬架、前轴、前轮总成），后非簧载质量（后悬架、 后轴、后轮总成），并对轮胎和悬架的非线性特性进行不同程度的简化描述。 在对受力和运动综合分析的基础上，利用拉格朗日（Lagrange）或牛顿 （Newton）力学方法建立动力学微分方程，然后在计算机上进行数值求解，模 型中采用较少的易测量和易估计的复合参数来描述悬架特性，缩短仿真前处理 时间，降低了测量悬架参数的难度，也避免了求解复杂的运动学、动力学方程。 此外，选用不同的参数组相当于改变了悬架形式，因而保证模型的通用性。但 是，这类模型中，许多总成是通过试验或人为地简化，用一组拟合参数来代替 和表达的。获得的这些参数一般都是系统的静态和准静态试验参数，与汽车实 际运动状态中的动态参数有一定的误差，这样，势必对计算精度有所影响。所 以，要想得到高精度的模型，就要经过反复试验，修改和验证，工作周期较长。 多体系统动力学理论为建立多自由度汽车动力学模型提供了一个有力工具。 应用多体系统动力学的仿真模型将整车悬架系统的每一部件看作是刚形体或弹 性体，同时也包括刚体的所有节点。整个模型的自由度非常多（可达上百个）， 更全面地描述了汽车各个子系统的运动及相互耦合作用，可用于汽车操纵性、 动力性、制动性等研究。以多体系统动力学理论为基础编写的大型通用软件为 工程技术人员提供了方便的建模手段，应用大型通用软件能自动生成运动学和 动力学方程，并利用软件内部的数学求解器准确的求解，不需要人工建立和求 解方程，编写程序，因而能够节省大量时间，提高工作效率。 1.21.2 多体系统动力学国内外研究情况多体系统动力学国内外研究情况 多体系统动力学，是研究多体系统（由若干个柔性和刚性物体相互连接所 组成）运动规律的科学，包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学。其核心 问题是建模和求解问题，其系统研究开始于20世纪60年代。从20世纪60年代到 80年代，侧重于多刚体系统的研究，主要是研究多刚体系统的自动建模和数值 求解；到了20世纪80年代中期，多刚体系统动力学的研究已经取得一系列成果， 尤其是建模理论趋于成熟，但更稳定、更有效的数值求解方法仍然是研究的热 点；20世纪80年代之后，多体系统动力学的研究更偏重于多柔体系统动力学， 这个领域也正式 被称为计算多体系统动力学，它至今仍然是力学研究中最有活力的分支之一， 但已经远远地超过了一般力学的涵义。 多柔体系统动力学的研究开展得略晚一点。早期有P.W.Likins在70年代初 的研究工作，他采用的是混合坐标，后来被称为多柔体族系统。这一概念后来 被广泛应用于多柔体系统动力学中。1978年C.S.Bodley等人公布了他们的 DISCOS（Dynamic Interaction Simulation of Controls and Structure，控 制与结构动力学交互作用模拟）软件。到此，可以认为多柔体系统动力学的发 展已经初具规模，它作为力学的一个重要分支的地位已稳固树立了。1987年， 德国研究委员会确立了一项为期5年的多体系统动力学的研究项目，使用标准 FORTRAN77语言和RSYST数据库设计开发了一套面向对象的多体系统模型。Kane 等人发展了一套用于分析复杂机械系统的新方法。以伪速度作为独立变量来描 述系统的运动，该方法既适用于完整约束，也适用于非完整约束。作为Kane方 法的具体应用，Huston等人发展了一种几何与计算方法相统一的方法。Kane等 人开发了基于符号推导的多刚体系统动力学分析软件AUTOLEV；Huston等人则开 发了软件DYNOCOMBS。上述软件中比较有影响的产品包括美国MDI公司的ADAMS、 比利时LMS公司的DADS等。 这些软件的应用领域非常广泛，以致西欧和北美的工程师们已习惯于在机 械系统的设计过程中，通过多体系统的仿真软件，对新设计的产品进行研究、 分析和优化，大大缩短了设计周期，并降低了通常研制中制造、调试样机所占 用的成本消耗。所以，这个过程在计算机辅助工程CAE（Computer Aided Engineering）中被称为CAA（Computer Aided Analysis），并示为一个必要的 环节。同时，在车辆、航天器等领域不断举办多体仿真专题讨论会，以交流多 体系统软件的开发和应用的经验，传递信息并提出新的思想和研究方向。由 WSchiehlen编撰的多体系统手册（Multi-body SystemHandbook）就是这种形 式发展下的产物，其中包括了全世界范围内近20个研究团体的成果，如著名的 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System 机械系统的自动 动力分析) 和DADS(Dynamic Analysis and Design System 动力学分析和设计 系统)等。这些软件结构性强、功用完备、操作方便，不但能够求解航天器和机 器人等以开环和低运动副为主的机构，而且能求解车辆等结构形式复杂的多闭 环系统。 国外的工程界，特别是汽车工程领域，在多体系统动力学方面的研究已比 较 广泛和深入。我国在这方面的研究虽然起步较晚，但发展很快，并且在汽车工 程领域也出了不少成果。1986年，吉林工业大学的温吴凡等人利用多体系统动 力学方法，对二维刚体系统进行运动学分析，并编制了一个人机对话型的分析 程序。1989年吉林工业大学的林逸教授利用RW方法，建立了对汽车独立悬架 中的单横臂及摆柱式悬架进行空间运动分析的通用计算程序。1991年，第二汽 车制造厂的上官文斌等人，采用自然坐标的概念，利用虚构原理建立汽车转向 系统和悬架运动学分析方法。北京农业工程大学的周一鸣教授等研制了广义机 构计算机辅助设计软件GMCADS，用于分析平面和空间机构的运动学及动力学性 能。1992年，清华大学的张海芩采用多刚体力学中的牛顿欧拉方法，建立了 汽车列车74个自由度的非线性数学模型，其中包括多种轮胎模型、悬架系统模 型、转向系统模型及带有比例阀、防抱死装置及考虑制动热衰退的制动系统模 型，深入研究了汽车列车操纵稳定性和制动性。1994年，清华大学的刘红军用 虚拟刚体结构方法和弹性子机构法把弹性问题纳入整车多体系统动力学的分析 中，对汽车摆振系统进行了建模和计算。吉林工业大学的陈欣在博士论文中， 着重研究汽车悬架中柔性体对悬架性能的影响。1997年，清华大学的张越今在 其博士论文中建立了含柔性元素的80自由度整车多体系统模型，并利用该模型 对汽车动力学进行了全面的仿真分析和优化。关于弹性元件的作用，1993年， 吉林工业大学的林逸教授对悬架系统中广泛采用的橡胶铰链的特性作了阐述， 并对汽车平顺性影响做了分析。1999年，同济大学的温强等人对选项中的橡胶 支撑的动、静刚度的实验研究方法做了研究。 1.31.3 课题的研究内容课题的研究内容 随着汽车的普及，汽车已成为人们日常生活必不可少的交通工具，但汽车 市场的竞争也变得异常激烈。随着计算机技术的飞速发展，全球各大汽车厂家 为最快地推出更好性能的新车，纷纷引入了计算机虚拟样车技术，使得设计者 在样车出来之前便能很好地了解该车的性能，并能根据需要，修改相关的零部 件或性能参数，得到最优的整车性能。 具体的工作内容如下： 1、简要叙述了多系统动力学理论，简单介绍了国内外多系统动力学的研究 发展概况。解释了虚拟样机技术代替实车试验的必要性和必然性，同时介绍了 虚拟样机技术。 2、简述了汽车操纵稳定性研究的国内外概况，发展过程，以及汽车操纵稳 定性的评价方法。 3、 简单介绍了 ADAMS 软件，介绍了 ADAMS 软件的子模块，以及 ADAMS 软件在汽车操纵稳定性评价中的应用。 4、利用 ADAMS/Car 软件建立了前悬架转向系统，并对系统进行车轮激振 分析、力随遇平衡仿真和转向仿真等仿真分析。 5、利用 ADAMS/Car 模块建立了包括前悬架、后悬架、转向系统、前后轮 胎系统、车身系统、动力总成系统和制动系统等子系统，并将子系统整合为多 体动力学仿真模型，并通过道路试验验证了模型的正确性。 6、对该整车虚拟样机的操纵稳定性进行了仿真分析，主要选取了漂移仿真 试验、斜坡脉冲仿真试验、单移线仿真试验、收油门转弯仿真试验和直线加速 仿真试验等试验，并将车辆的轴距做了相应的修改，后将修改前后的仿真结果 进行对比分析，得出了轴距对车辆操纵稳定性的影响。 第二章第二章 汽车操纵稳定性研究的发展及评价方法汽车操纵稳定性研究的发展及评价方法 汽车的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 遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇到外界干扰时， 汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力【1】。操纵稳定性是汽车的一种运动性能 这种性能通过驾驶员在一定路面和环境下的操纵反映出来。通常认为汽车的操 纵稳定性包含相互联系的两个部分：一是操纵性，二是稳定性。操纵性是指汽 车能够确切的响应驾驶员转向指令的能力。稳定性是指汽车受到外界扰动（路 面扰动和突然阵风扰动）后恢复原来运动状态的能力。两者很难断然分开，稳 定性好坏直接影响操纵性好坏，因此通常称为操纵稳定性。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。因此，如何研究和评价汽车的操纵稳 定性，以获得良好的汽车主动安全性一直是关于汽车的最重要的课题，工程师 们在这个领域的不断探索使人们对汽车操纵稳定性的研究越来越深入。 2.12.1 汽车操纵稳定性国外研究情况汽车操纵稳定性国外研究情况 在国外，20 世纪以前，工程师们对操纵稳定性的研究比较少。20 世纪 30 年代才开始对汽车的操纵稳定性进行系统研究，并取得了不少有价值的研究成 果。相关的研究文献也很多。这门学科的发展大致经历了四个阶段： 第一阶段：20 世纪 30 年代初期之前 1925 年以前，工程师致力于悬架的设计，保证车轮与地面的接触，从而满 足转向控制。这是早期工作的当务之急。1900-1930 年期间，人们对汽车控制的 重视使工程师们开始研究悬架和转向几何的静力学，提高了设计理论。最引人 注意的是 1925 年建立起的驱动动力学普遍原理。1925 年平顺性理论初步形成 规模。同年，Broulheit 在文章中首次提出侧偏和侧偏角的概念。 第二阶段：从 20 世纪 30 年代初期到 50 年代初期 在这个阶段里，工程师们了解了简单的轮胎力学，进一步研究了轮胎特性， 并开发了前独立悬架，提出不足转向和过多转向的概念。 20 世纪初期，英国的 Lanchester、美国的 Olley、法国的 Broulheit 开始了 车辆独立悬架的研究，并对转向运动学和悬架运动学对车辆性能的影响进行了 分析。同时，人们对轮胎侧向力学的重要性也开始有所认识。 1931 年，Becker,F rom 和 Maruhn 分析了轮胎在转向系振动中起的作用， 进一步研究了轮胎特性。这些对轮胎的研究使进一步分析车辆稳定性成为可能。 1934 年 Olley 首次提到了车速是一个关键的因素。根据他们的研究成果， Goodyear 运用轮胎和橡胶公司转鼓实验研究了轮胎特性。1935 年，R.D.Evans 发表了关于轮胎横向特性的文章，并给出了转向力和回正力矩。 在这一时期，通用公司 Cadillac 悬架研究小组在 Olley 的带领下，首次开发 了应用于美国轿车的独立前悬架，并提出不足转向和过多转向的概念。 第三阶段：从 50 年代初期到 70 年代 此时，已经可以进行建模和试验分析，加深了对轮胎特性的了解，建立了 三自由度操纵动力学方程，形成了一套较为完整的关于操纵和转向基础的理论 体系。 1956 年，Cornell Aeronautical 实验室的 William F.Milliken,DavidW .Whitcomb 和 Leonard Segel 发表了一系列关于车辆操纵稳定性的理论和定量分析的文章。 这些文章成为 60 年代汽车操纵稳定性发展的基石，其中许多理论到现在仍被引 用。同年，Milliken 对过去的研究作了总结，并指出尽管己对轮胎的特性有了 很多的了解，但还是远远的不够。Milliken 的论断在今天看来仍然是正确的， 轮胎的动态数据只有在现在可以获得。他还对稳定性和操纵性作了区分。 Leonard Segel 建立了三自由度模型模。在 Whitcomb 的文章，他利用两自由度 模型得出了一系列汽车稳定性和操纵性方面的结论。由于不考虑侧倾自由度， 因此 Whitcomb 把汽车简化成了相当于自行车的两自由度模型，研究了两自由 度模型的稳态响应和瞬态响应。在研究汽车横摆响影时，引入了稳定性因数 K 的概念。 50 年代中期建立了较为完整的车辆操纵动力学线性域（即侧向加速度约小 于 0.3g）理论体系，而且形成了一套较为完整的关于操纵和转向基础的理论体 系。1956 年，机械工程师学会（I.Mech.E）在伦敦组织了一个会议，主题是关 于汽车 稳定性和控制及轮胎性能的研究。Milliken 把这件事称为车辆动力学发展过程 中的一个分水岭，并在他的书中做了详细的记载。 1961 年 Martin Goland 和 Frederick Jindra 用两个自由度（横摆和侧向运动） 的模型研究四轮汽车的操纵性和稳定性。他将侧倾自由度用作用于轮胎的垂直 载荷来近似模拟，考虑了轮荷转移效应，并分析轮胎的力学特性随着车轮载荷 的变化而改变。结果表明操纵稳定性随着质心的变化而变化，并且轮胎压力和 胎宽都在改变。 1965 年，Walter Bergman 建立了 6 自由度模型来分析车辆不足转向和过多 转向的实质。此时对稳态的研究己相当成熟，但对瞬态意义却不十分明确。 Bergman 讨论了在瞬时状态下包括方向盘输入、空气阻力和惯性力等许多情况 下不足转向和过多转向的行为，并指出可由侧向加速度引起的横摆角速度来理 解过多转向和不足转向。 1966 年，Segel 研究了自由操纵汽车的稳定性，即方向盘以力矩输入代替 角输入。应用两自由度线性模型（包含干摩擦）模拟转向机构，并加入到他的 三自由度模型中，在横向加速度低于 0.3g 情况下实验数据与仿真数据吻合的很 好，并应用于汽车参数设计。 1967 年，通用公司的 R.Thomas Bundorf 在文章中讨论了汽车参数设计和不 足转向以及特征车速的关系，并提出如何预测和实际测量车辆的不足转向特性。 他指出特征车速是线性模型的产物；在正常行驶条件下（横向加速度小于 1/3g） ， 车辆可由线性模型模拟，并且需要建立大直径侧滑试验场来测量特征车速。 Bundorf 还推导出了在给定设计参数下预测特征车速的表达式。 第四个阶段：70 年代以后 从 20 世纪 70 年代开始，由于计算机技术的迅猛发展，操纵稳定性的研究 和计算机紧密的结合起来，车辆仿真模型变得更加复杂和真实，对操纵稳定性 的研究也更加逼真。先期的仿真工作都在模拟计算机上进行，它能解决实时动 力学问题，但其致命缺点是不能解决非线性问题。70 年代早期，工程师设计了 在数字和模拟联合计算机上运行的代码，使车辆动力学模型即可实时仿真又可 包含非线性因素。具有代表性的工程师有 Murpphy、Tiffany、Hickner。 当数字计算机逐步取代了模拟计算机和混合计算机后，考虑到计算机的费 用 及计算速度，建立有效的计算机模型就显得非常必要。 1986 年 R.J. Antoun 在文章中讨论了应用 ADAMS 建立的车辆操纵稳定性 模型。他应用标准的 ADAMS 模块和用户自定义模块（如轮胎） ，建立了 1985 年福特公司的一种客货两用轿车模型。文章详尽的讨论了前后悬架运动学模型 及橡胶衬套的顺从性和减振器的非线性。试验结果与仿真结果十分相近。并应 用这个方法对 1986 年的 Broncoll 和 Aerostar 车型进行了研究。通过应用以上各 自的模型，设计者可在设计初期优化横向稳定杆的面积及轮胎特性。 汽车动力学模型经历了从简单到复杂，从少自由度到多自由度，从模拟计 算机到数字仿真的发展过程。模型越来越朝着通用性、高效性和精确性的方面 发展。另外，由于计算机网络的发展可实现异地之间的参数调用，更增加了模 型的通用性。 2.22.2 汽车操纵稳定性国内研究情况汽车操纵稳定性国内研究情况 在我国，汽车操纵稳定性研究始于七十年代。清华大学和长春汽车研究所 都同时系统地开展了这方面研究工作。各个汽车生产厂也都从自己产品的需要 出发，在不同的程度上进行了操纵稳定性的试验和研究工作。我国开展汽车操 纵稳定性研究的历史虽不太长，但吸取了国外的研究成果和经验，进展较快。 其中，成就最突出的是郭孔辉院士。 1981 年以来，郭孔辉教授在驾驶员模型、 “人车”闭环系统特性及“人 车”闭环系统的定量评价方面做了大量研究工作，提出了物理概念清晰、适 应于汽车非线性、考虑多方面因素的驾驶员模型和定量评价“人车”闭环系 统的综合评价指标。在双移线和蛇行线输入下，综合评价指标与驾驶员主观评 价的相关系数达到 0.99 以上。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。 在文献中，他还给出了稳定性不好的汽车常有的表现： 1. 驾驶员并未发出指令，而汽车自己却不断的改变行驶的方向，使人感到 漂浮； 2. 有时汽车就像受惊的马，突然地忽东忽西，不听驾驶员操纵； 3. 驾驶员转向指令虽然已发出相当时间，但汽车还没有转向反应，或转向 过程完成地过慢； 4. 驾驶员给出稳定的转向指令，但汽车却左右摇摆，行驶方向难以稳定。 这样的汽车在受到路面不平或突然阵风的扰动时，也会出现这种摇摆； 5. 正常汽车的转弯程度，会通过转向盘在驾驶员的手上产生相应的感觉。 有些操纵性能不好的汽车，特别是在车速较高时或转向较剧时会丧失这种感觉。 这会增加驾驶员的操纵困难程度或影响驾驶员做出正确的判断； 6. 某些汽车在车速超过某一个临界值之后或向心加速度超过一定值之后， 驾驶员完全不能控制汽车的行驶方向。 上面只是列举了几种基本现象，都是属于感性认识，还不是科学的描述。 郭孔辉院士还指出，操纵稳定性好的车辆应该有如下性质： 1. 应该容易控制（对驾驶员要求不应过高） ； 2. 在出现扰动时，不应使驾驶员感到突然和意外； 3. 操纵稳定性的行驶极限应能清楚的辨别。 2.32.3 操纵稳定性的评价方法操纵稳定性的评价方法 汽车的操纵稳定性是影响其安全性的主要因素之一，因此如何评价和设计 汽车的操纵稳定性、获得良好的安全性，一直是汽车领域的重要课题。汽车的 操纵稳定性由于受研究目的、驾驶任务、人为感觉及环境条件等多种因素影响， 所以对汽车操纵稳定性的研究和评价错综复杂。关于汽车操纵稳定性研究和评 价已发表的文章不计其数，并提出了各种仿真模型、评价指标、实验方法和实 验手段，但迄今为止还没有找出公认的客观定量评价操纵稳定性的好方法。因 此，今天的汽车工业仍然以对样车的主观评价作为最终的开发手段。 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. 通过试验，测量开环和闭环条件下汽车的主要运动量，研究汽车及“人 车”闭环系统的特性，并对此进行研究和评价； 2. 通过试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，在开环或闭环条件下评价车辆的操纵稳定性； 2. 试验研究，包括客观评价和驾驶员的主观评价。 2.3.12.3.1 开环和闭环评价开环和闭环评价 汽车操纵稳定性评价的第一类方法是开环和闭环评价。 把汽车本身看作一个系统，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，来分析和研究汽车运动特性的方法称为开环方法。这种方 法是把操纵稳定，胜作为汽车自身的性能，是一种不包括驾驶员特性的汽车性 能可以按图 2-1 的系统进行研究和评价【2】。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，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。 图 2-1 开环系统 事实上，汽车的性能是通过人的操纵来实现的，因此，为更全面彻底地研 究和评价汽车的操纵稳定性，就应考虑到驾驶员特性与汽车特性的配合问题， 如图 2-2 所示。即把汽车作为驾驶员 汽车闭环系统的被控环节，根据整个系 统特性的分析和综合，对汽车的操纵稳定性进行研究和评价，这种方法称为闭 环方法。 图 2-2 “人车”闭环系统 2.3.22.3.2 客观评价和主观评价客观评价和主观评价 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（如横摆角速度、侧向加 速度、侧倾角及转向力等） ，然后与相应的标准比较;主观评价则是驾驶员根据 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。但由于汽车的操纵稳定性受多种因素影响，其客观评价指标很难确 定。因此，主观评价在汽车操纵稳定性的评价中一直占重要地位。另外，由于 汽车是由人来驾驶的，因此主观感觉评价法始终是操纵稳定性的最终评价方法。 主观评价的缺点之一是，它受到评价者个人主观因素的影响，不同评价者可能 给出差别较大的评价结果。其另一缺点是，一般情况下，它不能给出“汽车性 能”与“汽车结构”二者之间有何种联系的信息。 当然，这些评价方法经过工程师们的不断改进正在日益丰富。60 年代以前， 人们采用的评价方法基本上都是开环方法，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，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，上述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一车辆一道 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。 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一 汽车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，便于工程应用。 第三章第三章 ADAMSADAMS 软件介绍软件介绍 3.13.1 ADAMSADAMS 软件简介软件简介 ADAMS，即机械系统动力学自动分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System） ，该软件是美国 MDI 公司（Mechanical Dynamic Inc.）开发 的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS 已经被全世界各行各业的数百家主要制 造商采用。ADAMS 是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学 仿真分析软件。用户使用 ADAMS 软件，可以自动生成包括机一电一液一体化 在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型，能为用户提供从产 品概念设计、方案论证、详细设计、到产品方案修改、优化、试验规划甚至故 障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发 周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的【3】。 ADAMS 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参 数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日 方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力 学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS 软件的仿真可用 于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输 入载荷等。 ADAMS 一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方 便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟 样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户 进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。ADAMS 具有通用、精确的 仿真功能，方便、友好的用户界面和强大的图形显示能力，这使得许多著名大 公司都采用它来完成产品辅助设计、研究开发、质量鉴定等重要工作。国外一 些著名大学也都开始了介绍 ADAMS 软件的课程，而将三维 CAD 软件，有限 元分析软件和虚拟样机软件作为机械类专业学生所必须了解的工具软件。由此 可见，ADAMS 软件具有强大的功能和影响力【4】。其概括起来主要有以下特点： 1. 在多个通用求解器的基础上，提供丰富的样本库、专用模块。特别是为 汽车研发专用人员提供的专用模块，例如：ADAMS/Car 提供汽车动力学分析模 块，ADAMS/Android 提供人体模型，ADAMS/Tire 提供多种轮胎模型， ADAMS/Vehicle 提供悬架模型，ADAMS/Engine 提供发动机模块， ADAMS/Hydraulic 提供液压传动系统建模模块，ADAMS/Chassis 提供底盘模块 等，极大地方便了汽车设计阶段的建模与汽车动态仿真分析工作。 2. 开放的软件环境为研发人员集成 CAD/CAM/CAE 软件、开发用户专用 模块提供了方便。实现了 CA D /CAM/CAE/CACE 设计的一体化。 3. 根据工程实际应用，提供功能齐全的工程分析和优化设计功能。 4. 提供了实体动画显示功能与运动干涉检查。 3.23.2 ADAMSADAMS 模块简介模块简介 ADAMS 软件已经有几十年的发展历史，功能日趋完善。其主要模块包括： 1. 核心模块 英文模块名 中文模块名 ADAMS/View 用户界面模块 ADAMS/Solver 求解器模块 ADAMS/PostProcessor 后处理模块 2. 功能扩展模块 英文模块名 中文模块名 ADAMS/Insight 实验设计与分析模块 ADAMS/Durability 可靠性分析模块 ADAMS/Vibration 振动分析模块 ADAMS/Hydraulics 液压模块 ADAMS/Linear 系统模态分析模块 ADAMS/Auto Flex 通用柔性体自动生成器 ADAMS/Animation 高速动画模块 3. 专业模块 英文模块名 中文模块名 ADAMS/Car 汽车模块 ADAMS/Chassis 底盘模块 ADAMS/Aircraft 飞机模块 ADAMS/Rail 机车模块 ADAMS/Engine 发动机模块 ADAMS/Tire 轮胎模块 4. 接口模块 英文模块名 中文模块名 ADAMS/Exchange 图形接口模块 Mechanism/Pro Pro/E 接口 ADAMS/Flex 柔性分析模块 ADAMS/Controls 控制接口模块 CAT/ADAMS CATIA 专业接口模块 5. 工具箱 英文模块名 中文模块名 Virtual Test Lab 虚拟试验工具箱 Modal Stress Recovery and Fatigue Toolkit 模态应力恢复与疲劳工具箱 Leaf Spring Toolkit 钢板弹簧工具箱 ADAMS/Truck Toolkit 卡车工具箱 ADAMS/SDK 软件开发工具箱 Tracked/Wheeled Vehicle 履带式车辆工具箱 ADAMS/Gear Tool 齿轮传动工具箱 ADAMS/Motorcycle Toolkit 摩托车工具箱 ADAMS/View（基本环境） 、ADAMS/Solver（求解器）和 ADAMS/PostProcessor（后处理）是 ADAMS 系列产品中三个核心的模块。在 这三个核心模块中，ADAMS/View 采用以用户为中心的交互式图形环境，将图 标操作、菜单操作、鼠标点击操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、 优化设计、X-Y 曲线图处理、结果分析和数据打印等功能集成在一起。 ADAMS/View 采用简单的分层方式完成建模工作。采用 Parasolid 内核进行 实体建模，并提供了丰富的零件几何图形库、约束库和力/力矩库，并且支持布 尔运算、支持 FORTRAN/77 和 FORTRAN/90 中的函数。除此之外，还提供了 丰 富的位移函数、速度函数、加速度函数、接触函数、样条函数、力/力矩函数、 合力/力矩函数、数据元函数、若干用户子程序函数以及常量和变量等。 ADAMS/View 新版采用了改进的动画/曲线图窗口，能够在同一窗口内同步 显示模型的动画和曲线图；具有丰富的二维碰撞副，用户可以对具有摩擦的二 维点一曲线、圆一曲线、平面一曲线，以及曲线一曲线、实体一实体等碰撞副 自动定义接触力；具有实用的 Parasolid 输入/输出功能，可以输入 CAD 中生成 的 Parasolid 文件，也可以把单个构件、或整个模型、或在某一指定的仿真时刻 的模型输出到一个 Parasolid 文件中；具有新型数据库图形显示功能，能够在同 一图形窗口内显示模型的拓扑结构，选择某一构件或约束（运动副或力）后显 示与此项相关的全部数据；具有快速绘图功能，绘图速度是原版本的加倍以上； 采用合理的数据库导向器，可以在一次作业中利用一个名称过滤器修改同一名 称中多个对象的属性，便于修改某一个数据库对象的名称及其说明内容；具有 精确的几何定位功能，可以在创建模型的过程中输入对象的坐标、精确地控制 对象的位置；多种平台上采用统一的用户界面、提供合理的软件文档；支持 Windows NT 平台的快速图形加速卡，确保 ADAMS/View 的用户可以利用高性 能 OpenGL 图形卡提高软件的性能；命令行可以自动记录各种操作命令，进行 自动检查。 ADAMS/Solver 是 ADAMS 产品系列中处于心脏地位的仿真器。该软件自 动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。 ADAMS/Solver 有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种工程应用问 题。ADAMS/Solver 可以对刚体和弹性体进行仿真研究。为了进行有限元分析 和控制系统研究，用户除要求软件输出位移、速度、加速度和力外，还可要求 模块输出用户自己定义的数据。用户可以通过运动副、运动激励，高副接触、 用户定义的子程序等添加不同的约束。用户同时可求解运动副之间的作用力和 反作用力，或施加单点外力。 ADAMS/PostProcessor 的主要功能包括：为用户观察模型的运动提供了所 需的环境用户可以向前、向后播放动画，随时中断播放动画，而且可以选择最 佳观察视角，从而使用户更容易地完成模型排错任务；为了验证 ADAMS 仿真 分析结果数据的有效性，可以输入测试数据，并测试数据与仿真结果数据进行 绘图比较，还可对数据结果进行数学运算、对输出进行统计分析;用户可以对多 个模拟 结果进行图解比较，选择合理的设计方案；可以帮助用户再现 ADAMS 中的仿 真分析结果数据，以提高设计报告的质量；可以改变图表的形式，也可以添加 标题和注释；可以载入实体动画，从而加强仿真分析结果数据的表达效果；还 可以实现在播放三维动画的同时，显示曲线的数据位置，从而可以观察运动与 参数变化的对应关系。 ADAMS/Car(轿车模块)是 MDI 公司与 Audi，BMW，Renault 和 Volvo 等公 司合作开发的整车设计软件包，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。 利用 ADAMS/Car 的数据库功能，可以有效地选择衬套、限位块、减振器 等以装配各个子系统，节约用户每次重复输入数据的时间。通过高速动画直观 地显示在各种试验工况下整车动力学响应，并输出标志操纵稳定性、制动性、 乘坐舒适性和安全性的特征参数，从而减少对物理样机的依赖。ADAMS/Car 采 用的用户化界面是根据汽车工程师的习惯而专门设计的。工程师不必经过任何 专业培训，就可以应用该软件开展卓有成效的开发工作。ADAMS/Car 中包括整 车动力学模块（Vehicle Dynamics）和悬架设计模块（Suspension Design） ，其仿 真工况包括：方问盘转角阶跃、斜坡和脉冲输入、蛇行穿越试验、漂移试验、 加速试验、制动试验和