ADAMS在汽车制动说明里面地运用研究

    随着计算机技术和拟实技术的大力发展和相互渗透，虚拟样机技术因在缩短产品的研发周期、降低成本以及提高企业效率等方面起到了明显推动作用而得到快速发展。本文运用ADAMS/View建立了整车运动学模型及动力学模型，并以制动性分析为例，对整车进行动力学分析。

一、概述

    虚拟样机技术综合了多种先进方法和技术，因其在缩短产品的研发周期、降低成本以及提高企业效率等方面起到了明显推动作用而得到快速发展。从我国目前的情况来看，虚拟样机技术主要在汽车制造业和武器装备制造业中应用较为广泛，但也只停留在初步应用阶段。在其他的行业应用较少，主要是在专业研究机构和高校研究机构中应用。虚拟样机技术在一些较发达国家，如美国、德国和日本等已得到广泛应用，应用于汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多领域。涉及的产品从庞大的卡车到照相机的快门，从上天的火箭到轮船的锚链。在各个领域里，针对各种产品，虚拟样机技术都为用户节约了开支和时间并提供了令人满意的设计方案。

    而作为虚拟样机分析软件的杰出代表，机械系统动力学自动分析软件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis MechanicaI Systems)已经被世界各行业许多主要制造商采用，占据了机械系统动态仿真软件51%的市场份额。在汽车设计制造业中，ADAMS广泛应用于汽车零部件设计与优化、整车性能分析评价与预测、新技术开发以及制造。本文首先在ADAMS中建立了汽车整车模型，然后对其进行了制动性能的分析研究。

二、建立模型

    整车模型可通过ADAMS/View直接建立，也可先在CAD软件(UG、CATIA和Pro/ENGINEER等)中建立。通过ADAMS与CAD软件间的接口将文件输入到ADAMS/View中，然后再根据各部件间的实际运动情况定义相应的约束关系。但是在CAD模型与ADAMS/View之间进行图形数据交换时，要注意它们之间的图形交换格式。在本文中，我们直接在View中建立整车模型。需要说明的是，由于汽车是一个极为复杂的系统，为了建立整车模型并进行分析，需要做一些假设和简化。在建立整车动力学模型时，根据需要，做了以下假设和简化。

    (1) 将悬挂假设成一个刚体，并将质量集中于重心处。

    (2) 在机构的连接中没有考虑实际的弹性元件，把这些连接假设为各类运动副，忽略了摩擦和阻尼的影响。

    (3) 动力传递系统进行相应简化，只考虑在车轮上的动力传递，即驱动力矩直接加在车轮和车桥连接的旋转副上。

    该整车模型主要包括汽车底盘模型、双横臂式前独立悬架模型、转向机构模型以及斜置臂式后悬架模型等几大部分。在建立这几部分的模型后进行验证，以排除建模过程中隐含的错误，保证仿真分析顺利进行。利用模型自检工具，可以检查不恰当的连接和约束、没有约束的构件、无质量构件以及样机的自由度。经过检验模型正确，如图1所示。

图1 模型自检信息表

    要进行整车动力学分析，首先要输入轮胎文件和路面文件。ADAMS/View提供了5种轮胎模型可供选择，即Delft、Fiala、Smither、UA和User Defined（用户自定义）轮胎模型。在文本的动力学分析中采用的是UA轮胎模型，路面文件采用的是水平路面文件形式，并在路面文件中定义了路面摩擦系数。
调用UA轮胎模型和路面谱后的整车模型，如图2所示。

图2 整车模型

三、整车制动分析

    车辆的制动性能是车辆主动安全性能中最重要的性能之一。制动性直接关系到交通安全，重大交通事故往往与制动距离过长、紧急制动时发生侧滑和失去转向能力等情况有关，因此汽车的制动性能是汽车安全行驶的重要保障。本文主要讨论虚拟样车的直线制动和转弯制动分析。

1.直线制动仿真分析

    该直线制动分析选取了制动距离、制动减速度和制动速度来反映虚拟样车的直线制动效能。这里的制动距离一般指从驾驶员开始踩制动踏板到完全停车的距离。仿真中根据实际制动过程中驾驶员反应时间和制动器的作用时间设置，从开始制动到最大制动力矩的时间为1.2s，利用ADMAS提供的阶跃函数描述整个运动过程中的受力（力矩）特性。

    (1)制动初始条件是车辆直线行驶，制动器起作用时的最大制动强度为0.3g，开始制动时的速度为30km/h。制动仿真中，给后轮施加的力矩，如式（1）所示。
-531000*step(time,0.4,0,1.0,1)+ 531000*step(time,5.5,0,5.7,1)-48000*step(time,5.7,0,5.9,1) +925000*step(time,6.8,0,8,1) （1）

    该种工况下的直线制动仿真曲线图，如图3所示。

图3 初速度30km/h时，直线制动加速度、速度、位移曲线

    由该图可知，在初始车速为30km/h，最大制动强度为0.3g时的制动位移约为10m，符合国标的要求。

    (2)进行初始车速为60km/h的制动分析，且虚拟样车前后制动力之比为8：3，如式（2）、（3）所示。

    左后轮：-1062000*step(time, 0.4,0,1.0,1)+1062000*step(time,5.5,0, 5.7,1) -45000*step(time,5.70,5.9,1)+ 450000*step (time,6.8,0,8,1)        （2）

    左前轮：1200000*step (time,6.8,0,8,1)                           （3）
 
    研究中按此制动力分配比在附着系数较小的路面上进行制动仿真，从仿真动画中能够较明显得看到有制动跑偏的发生，因此我们测取了左前轮和左后轮的轮速，如图4所示。

图4 60km/h制动仿真分析中左前、后轮加速度图

从图中可以得出，前轮先于后轮抱死。

2.转弯制动仿真分析

    本研究主要进行的是在滑动摩擦系数为0.74，初始车速为15km/h，制动踏板力为0.98g的转弯制动分析。其中给后轮施加的力矩，如式（4）所示。

    -165000*step(time,0.4,0,0.6,1)+ 165000*step(time,100,0,100.2,1)+ 32500*step(time,101,0,101.2,1)  （4）

    施加在转向盘的旋转驱动，如式（5）所示。

    step(time,3,0,4,112d)             (5) 

    转弯制动稳定性仿真分析输出结果，如图5~图7所示。

图5 汽车质心运动轨迹

图6 汽车的横向加速度和转弯半径曲线图

图7 各车轮加速度曲线

由仿真结果看出，前后轮基本上是同时抱死的，车辆基本保持稳定。

四、总结

(1)ADAMS软件是分析机械动态性能的优秀软件、尤其适合汽车这类复杂的多体系统。

(2)利用ADAMS软件在图纸设计阶段对整车动力学性能作出较为全面的预测和评价，对于改善整车动力学性能和关键零部件设计起到了重要的指导作用。

(3)由于ADMAS/View模块具有极强的用户化设计功能，我们可以根据需要定制特殊的用户界面以及设计具有一定功能的应用程序来模拟设计环境和自动完成设计分析过程。例如，可以开发一个专门用于制动仿真的模块，以实现制动性能的自动仿真，同时可以实现对后处理结果的管理。开发出这个专用模块之后，用户可以通过一些对话框或菜单直接调用该模块，从而减少工作量，提高工作效率，降低对使用者的要求，缩短开发周期，降低开发成本。