我们在行车过程中经常会遇到这么一种情况,停车靠边,轮子距离路沿太近,轮胎转动碰到路沿,或者车子怠速启动的时候,转动方向盘过大,轮胎碰到路沿。这两种情况都是车辆原地转动方向盘,转向阻力矩达到最大极限转向所需力矩,比行驶中转向所需的力矩还大,对转向系统及悬架系统结构件强度要求比较高,如果设计不合格可能出现结构件断裂导致车子趴窝的情况。如果前期能对该工况进行仿真分析,可以提前预防底盘零件的失效,提高车辆的安全性。
本文使用Adams软件对路沿侧顶工况进行仿真。首先搭建基于Adams的整车多体动力学模型,包括悬架系统、转向系统、轮胎模型、制动系统。对于转向系统,要求能够合理的反应转向过程,涉及的参数主要有转向比以及转向系统刚度。载荷计算轮胎模型通常使用Ftire模型(Flexible Ring Tire Model)。该模型是基于柔性环模型的物理模型,将胎体与胎面分开建模,分别描述轮胎的结构与地面接触问题。动力学模型需要通过KC试验对标,图1所示为悬架KC仿真试验,能够合理地反应悬架的运动学以及动力学特性。
如图2所示,路沿侧顶过程不仅仅涉及到轮胎接地,另外还涉及到胎壁与路沿的接触问题。因为Ftire非胎面部分无法体现接触特性,所以需要自己定义胎壁与路沿之间的接触。
在Adams中,接触力可以分解成两部分:正压力和摩擦力。正压力使用impact函数提供的非线性等效弹簧阻尼模型进行计算,如图3所示,摩擦力使用Coulomb进行计算。Impact函数计算两个构件之间的接触力时,接触力由两个部分组成:一个是由于两个构建之间的相互切入而产生的弹性力;另一个是由相对速度产生的阻尼力。正压力计算公式由两部分组成,Kδ为弹性力,step(δ,0,0,d,C)δ•为阻尼力。
在定义接触时,摩擦力可以使接触力曲线更加平滑,更加趋近真实。接触力中的摩擦力是接触正压力和摩擦系数的乘积,系数取默认值。
接触模型定义完以后,基于实车路沿侧顶试验数据进行对标。对标通道主要是轮心侧向力Fy以及绕Z轴的扭矩Mz,对标结果如图4所示。
根据实验规范标准定义配重,轮胎离路沿的距离,通过仿真控制文件实现方向盘转动的速度以及最大转角控制,仿真过程动画如图5显示。输出对应的载荷,可以支持路沿侧顶工况转向以及悬架零部件强度耐久分析,提前评估失效风险。
[1]MSC Software, Adams 2013/help, 2012.
[2]安雪斌,潘尚峰. 多体动力学仿真中的接触碰撞模型分析[J]. 计算机仿真, 2008(10):98-101.
[3] 陈军. MSC. ADAMS技术与工程分析实例[M]. 中国水利水电出版社, 2008.