基于Adams_Simulink的主动横向稳定杆联合仿真.pdf

内燃机与配件w w w n r j p j c n基于A d a m s/S i m u l i n k的主动横向稳定杆联合仿真韩志琦,董远明,何鑫龄,李金广,阳大云(吉利汽车研究院(宁波)有限公司,浙江 宁波 )摘要:利用A D AM S/C A R软件建立整车多体动力学模型,主动稳定杆左右两部分由转动副连接,并于转动副上添加作动器;在M a t l a b/S i m u l i n k环境中搭建主动稳定杆扭矩控制模型.将A D AM S编译成M a t l a b可识别的S f u n c t i o n,通过A D AM S与M a t l a b/S i m u l i n k的联合仿真,基于V P G技术,输出包含主动稳定杆的车辆载荷和主动稳定杆控制所需的扭矩信号.将仿真结果与实车信号进行对比分析,仿真结果能很好地与实车数据贴合,证明的此方法的可行性.主动稳定杆的扭矩请求、稳定杆本身及周边零部件载荷,可以用于稳定杆前期的强度、耐久性能设计和后续的试验验证.关键词:主动横向稳定杆;A D AM S;M a t l a b/S i m u l i n k;联合仿真;V P G;虚拟试验场中图分类号:U 文献标识码:A文章编号:X()C o s i m u l a t i o no fA c t i v eA n t i r o l lB a rB a s e do nA d a m s/S i m u l i n kH a nZ h i q i,D o n gY u a n m i n g,H eX i n l i n g,L i J i n g u a n g,Y a n gD a y u n(G e e l yA u t o m o b i l eR e s e a r c hI n s t i t u t e(N i n g b o)C o,L t d,Z h e j i a n gN i n g b o )A b s t r a c t:T h ew h o l ev e h i c l em u l t i b o d yd y n a m i c sm o d e l i s e s t a b l i s h e du s i n gA D AM S/C A Rs o f t w a r e,t h e l e f ta n dr i g h tp a r t so f t h ea c t i v es t a b i l i z e rb a r a r e c o n n e c t e db y t h e r o t a t i n gv i c e,a n d t h ea c t u a t o r i s a d d e d t o t h e r o t a t i n gv i c e;t h ea c t i v e s t a b i l i z e rb a r t o r q u e c o n t r o lm o d e l i sb u i l t i nM a t l a b/S i m u l i n ke n v i r o n m e n t C o m p i l eA D AM Si n t oM a t l a b r e c o g n i z a b l eS f u n c t i o n,a n do u t p u t t h ev e h i c l e l o a dc o n t a i n i n g t h e a c t i v e s t a b i l i z e rb a r a n d t h et o r q u es i g n a l r e q u i r e df o ra c t i v e s t a b i l i z e rb a r c o n t r o l t h r o u g ht h e j o i n t s i m u l a t i o no fA D AM Sa n dM a t l a b/S i m u l i n kb a s e do nV P Gt e c h n o l o g y T h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h e r e a l v e h i c l es i g n a l s,a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s f i tw e l lw i t ht h er e a l v e h i c l ed a t a,w h i c hp r o v e s t h e f e a s i b i l i t yo f t h i sm e t h o d T h e t o r q u e r e q u e s to f t h ea c t i v es t a b i l i z e rb a r,t h es t a b i l i z e rb a r i t s e l f a n dt h es u r r o u n d i n gc o m p o n e n t l o a d s c a nb eu s e d f o r t h ep r e s t a b i l i z e rb a rs t r e n g t ha n dd u r a b i l i t yp e r f o r m a n c ed e s i g na n ds u b s e q u e n t t e s tv e r i f i c a t i o n K e yw o r d s:A c t i v ea n t i r o l lb a r;A D AM S;M a t l a b/S i m u l i n k;C o s i m u l a t i o n;V P G;V i r t u a l p r o v i n gg r o u n d作者简介:韩志琦(),男,河南济源人,汉族,助理工程师,北京科技大学学士,主要研究方向为整车多体动力学仿真分析.引言横向稳定杆作为悬架的弹性零部件之一,主要作用是稳定车身姿态减少车身侧倾.但传统稳定杆存在以下问题:如在紧急转向及高速过弯时,稳定杆扭转产生的扭矩不足以维持车身的稳定存在侧翻的风险、在低速通过扭曲路或者炮弹坑等路面时,悬架系统因稳定杆作用而不能独立工作,降低车辆的通过性和驾驶舒适性.主动稳定杆可以根据路况及驾驶状态,适时的改变稳定杆的侧倾刚度,在高速转向时提供更大的扭矩维持车身稳定,在低速工况下使稳定杆断开,增加车辆的舒适性.因单独的V P G技术无法仿真出主动稳定杆工作时所需要的扭矩输入,包含主动稳定杆的系统台架试验只能将主动稳定杆电机锁死作为被动稳定杆进行耐久试验.这样的试验方法一是无法很好的还原稳定杆及周边零部件的受力状况,与实际工况有差异,存在验证不充分的风险、二是无法对主动稳定杆电机进行耐久验证.因此可以通过A d a m s与m a t l a b联合仿真的方法,通过V P G技术仿真得到主动稳定杆在虚拟路面下的扭矩需求,为主动稳定杆的台架试验提供支持.虚拟试验场(V P G)技术介绍虚拟试验场技术是基于计算机仿真技术的整车载荷疲劳解决方案.实现主要包括三维数字路面建模、F T i r e轮胎模型建模、整车多体动力学模型建模和标定.三维数字模型的建模是虚拟试验场的基础,它可以在计算机中建立高精度的路面模型,包括路面的摩擦系数、几何形状等特征.路面模型可以通过三维建模得到,也可以由试验场的实际耐久路面扫描得到.F t i r e轮胎模型是由德国E s s l i n g e n大学的M i c h a e lG i s p s e r教授领导的小组开发,如图.他将胎面离散成一些无质量的环形块,环形块之前通过拉伸弹簧,扭转弹簧和弯曲弹簧连接,环形块相对于轮辋可以在任意方向弯曲并在三个方向(旋转、纵向、侧向)传递轮胎的刚度和阻尼.整车多体动力学模型的建模是虚拟试验场的核心技术之一,它能建立整车数学模型,并进行多方面的仿真计算.图F T i r e轮胎虚拟模型简化虚拟试验场技术具有成本低、效率高、周期短、无需物 年第 期理样车、重复性好、精度高等优点,在汽车开发中有广泛的应用,包括整车强度耐久性能开发、整车动力学模拟、轮胎性能测试、新技术开发等.虚拟试验场技术的优势在于,它可以在项目开发早期对整车载荷及性能有一个精准的预测,缩短了产品开发周期,减少项目研发成本.基于A d a m s_c a r的整车动力学建模整车多体动力学模型精度直接影响各底盘零部件及连接点载荷.搭建多体模型一般需要以下参数:硬点位置、零部件及车身柔性体文件、零部件质量及转动惯量、弹簧刚度、减震器阻尼、各衬套刚度及阻尼、整车配重、轮胎模型等.整车模型一般包括以下子系统:车身、前后悬架、稳定杆、动力总成、轮胎、转向、制动等子系统组成.如图为搭建的整车模型.图整车多体动力学模型主动稳定杆的建模如图,先在左右两侧分别建立两个单独的A n t i r o l lB a r,在中间位置用转动副链接.图主动稳定杆建模建立前后主动稳定杆输入扭矩的系统变量S y s t e mE l e m e n t s,对应函数设置为零即可,后续由M a t l a b仿真输入.基于转动副建立扭矩的作动器P o i n t T o r q u e,IP a r t和JP a r t分别是我们建立的左右两个A n t i r o l lB a r,作动器的扭矩输入函数调用我们前边建的系统变量.基于M a t l a b的主动稳定杆控制模型建模主动横向稳定杆系统主要包括驱动电机、减速机构、角度扭矩传感器、E C U、左右摆臂、衬套等机构组成.主动稳定杆通过C AN总线与整车E U C进行通讯,E C U收集整车状态信息通过计算得出整车所需要的抗侧倾扭矩,并将目标扭矩通过C AN总线传递给主动稳定杆控制器,稳定杆电机根据目标扭矩和稳定杆实际扭矩执行相应的转动,来达到所需的整车姿态.整车E C U主要通过整车速度、整车侧向加速度、整车侧倾角等来计算所需的扭矩.控制模型如图.稳定杆扭矩控制包含两部分:一是基于侧向加速度和速度的稳定杆刚度控制力矩;二是基于整车侧倾角产生的阻尼控制力矩.基于侧向加速度和速度的稳定杆刚度控制力矩,通过加速度查表得到主力矩:R o l l T q F r o mA L a t I n p m/s图主动稳定杆控制模型R o l l T q F r o mA L a t O u t Nm这个加速度有两个来源:低于 H z的部分采用实车传感器采集的整车侧向加速度,高于 H z的采用由驾驶员方向盘转角输入计算得到的侧向加速度,这样既可以基于车身姿态进行控制并过滤掉因车身震动带来的横向加速度变化,又可以基于驾驶员的转向角输入对稳定杆扭矩及车身姿态进行控制.基于整车侧倾角产生的阻尼控制力矩也通过查表得到主力矩:R o l l T q F r o mR o l l R a t e I n p r a d/sR o l l T q F r o mR o l l R a t e O u t p Nm前稳定杆的输出扭矩如下:Tf(TDTS)KfKVLa x l eKrLa r b其中,TD为基于整车侧倾角产生的阻尼控制主力矩;TS为基于侧向加速度和速度的稳定杆刚度控制主力矩;Kf为前稳定杆力矩分配系数;KV为基于整车速度的力矩增益,通过调节该值可以实现在低速工况下稳定杆以较低扭矩输出或者不输出扭矩,在高速工况下稳定杆输出较大扭矩;La x l e为前轴距;Kr为稳定杆末端与轮心处杠杆比;La r b为稳定杆外伸长度.通过整车速度、侧向加速度、侧倾角查表得到主力矩TD和TS,乘以力矩前后分配系数、基于车速的扭矩增益得到整车所需的扭矩,再根据前轴距、稳定杆外伸长度、稳定杆与轮心行程比将整车所需扭矩转换成稳定杆处扭矩,之后再对输出扭矩幅值及变化率进行限制即可.主动稳定杆控制策略搭建好以后,我们需要对搭建好的控制策略进行验证及调整.通过实车我们采集到了在耐久路面下的整车输入信号和稳定杆扭矩请求信号.将整车输入信号给到我们的控制模型,将仿真出的稳定杆扭矩与实车采集到的扭矩对比表,对比结果如图,横坐标为时间,纵坐标为扭矩.图不同路面扭矩对比内燃机与配件w w w n r j p j c n根据对比可知在扭曲路面上,仿真结果较差,在比利时路、卵石路等高频激励路面下仿真结果与实际基本吻合.针对扭曲路面仿真精度差,我们对控制参数进行修改并重新仿真,对比结果如图,仿真与实际基本吻合.图绕八字路扭矩对比联合仿真输出主动稳定杆控制扭矩在MA T L A B中搭建好控制模型后可以进行A d a m s与MA T L A B联合仿真了.A d a m s软件定义了与s i m u l i n k的接口,在P l u g i n M a n a g e界面下勾选A d a m sC o n t r o l s插件,通过此插件可以将A d a m s模型转换成m a t l a b可以识别的S F u n c t i o n函数.将S F u n c t i o n函数写入稳定杆控制模型就可以实现A d a m s与m a t l a b的联合仿真,如图.A d a m s将整车速度、三向加速度、车身横摆侧倾角等输入给主动稳定杆控制模型,m a t l a b控制模型根据这些输入信号计算出主动稳定杆所需扭矩并输入给A d a m s,A d a m s收到信号后控制稳定杆输出扭矩,完成联合仿真.图联合仿真我们以 k m/h的速度进行无稳定杆、包含一般稳定杆、包含主动稳定杆的单移线仿真,仿真结果如图.图单移线仿真结果对比横坐标为仿真时间,纵坐标为车身侧倾角,蓝色虚线为无稳定杆、红色实线为一般稳定杆、红色虚线为主动稳定杆.侧倾角幅值分别是 d e g、d e g、d e g,由仿真结果可知,主动稳定杆在高速转向时可以更好的维持车身姿态,减少车身侧倾.我们再以 k m/h的速度进行无稳定杆、包含一般稳定杆、包含主动稳定杆的扭曲路仿真,路面如图.仿真结果如图.图扭曲路A d a m s路面模型图 扭曲路仿真结果对比横坐标为仿真时间,纵坐标为车身侧倾角,蓝色虚线为无稳定杆、红色实线为一般稳定杆、红色虚线为主动稳定杆.第一个波峰可以看出无稳定杆与主动稳定杆侧倾角一致,明显小于一般稳定杆;后续波形可以看出主动稳定杆在扭曲路上时基本不工作与无稳定杆仿真结果一致.主动稳定杆在低速或者路面颠簸较大时可以控制稳定杆断开,以提高车辆的通过性及乘坐舒适性.结论本文通过A d a m s_C a r软件建立整车多体动力学模型,通过MA T L A B建立主动横向稳定杆的控制模型,通过联合仿真实现了包含主动横向稳定杆的时域载荷及主动稳定杆扭矩输出.从仿真结果来看,主动稳定杆可以明显减小车辆在不同工况下的侧倾角,提高车辆的稳定性和乘坐舒适性.稳定杆扭矩仿真结果与实车采集的扭矩值基本一致,证明使用A d a m s/s i m u l i n k联合仿真的方法提取主动稳定杆扭曲的方法完全可行且精确度很高.联合仿真输出的主动稳定杆扭矩,可以用于主动稳定杆强度耐久设计,以及包含主动稳定杆的零部件或系统台架试验,为试验提供载荷数据支持.参考文献:M a s a t o,俞凡车辆操纵动力学M北京:机械工业出版社,:陈志韬主动稳定杆设计及控制策略研究D吉林大学,T h o m a sD G i l l e s p i e,赵六奇车辆动力学基础M北京:机械工业出版社,黄伟 虚拟路面和F t i r e,构建真是的虚拟试验场 M S C年会论文C 费瑞萍,F t i r e轮胎模型的仿真分析及试验研究 D长春:吉林大学,