ADAMS在汽车制动仿真方面的应用（图文教程）

本文阐述了ADAMS 在汽车制动仿真中的应用，探讨了ADAMS 在制动仿真的几个扩展研究方向，重点研究了具有制动力调节装置的制动仿真分析问题。

    1 前言

    机械系统动力学分析软件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)以其强大的功能正迅速应用于各行各业，其中ADAMS/CAR 模块在汽车操纵稳定性和平顺性等性能仿真分析方面显示了突出的特点，已为广大汽车工程技术人员广泛应用。但在制动性能仿真方面略嫌不足，如制动器只有钳盘式模型，且未引入制动力调节或ABS 等控制系统。本文即以制动仿真为例，对ADAMS/CAR 仿真方面的应用扩展进行一些探讨，并重点研究具有制动力调节装置的制动仿真问题。

    2 ADAMS/CAR 制动仿真

    2.1 ADAMS 简介

    ADAMS 集建模、求解和可视化于一体的数字化虚拟样机技术，可以有效地将三维实体模型及应用有限元分析软件描述的零部件模型有机地结合起来，准确地进行机械系统的各种模拟，以分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供依据。ADAMS 功能日益完善，所提供的ADAMS/Car、ADAMS/Engine、ADAMS/Chassis、ADAMS/Driveline、ADAMS/Driver、ADAMS/Tire、Suspension Design等汽车专业模块，能够帮助汽车工程师快速创建高精度的参数化数字样机和汽车的运动学和动力学仿真模型，进行汽车的操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性等整车性能仿真分析。

    2.2 ADAMS/CAR 的制动仿真功能

    ADAMS/CAR 模块的整车制动仿真中包括直线制动和转弯制动，直线制动仿真时需输入开始时间、初始速度、路面条件和档位等参数，转弯制动仿真时还需输入转弯半径、制动减速度、侧向加速度等参数。制动仿真结果，可以通过结果的数据文件查看，也可以进入后处理窗口（Postprocessing Window）查看各种数据曲线[ ] 1 ，包括制动过程中的制动管路压力、制动力矩、制动距离、车速、减速度、轮速等制动性能参数以及整车和其他部件参数的变化曲线。还可以利用动画（Animation Control）对整个制动过程进行演示。

    2.3 ADAMS/CAR 的制动仿真模型

    考虑到汽车基本上是左右对称，建模时只需建立左边或右边的1/2 制动模型，另一半由软件根据对称性自动生成，当然也可建立非对称的整车分析模型。ADAMS/CAR 模块提供了一个左右对称的前、后皆为钳盘式制动器的制动仿真模型，并设置了制动系统的前后制动促动管路压力比、前后盘式制动器的制动作用半径、制动作用面积和摩擦系数等变量，定义了前后制动器的制动力矩计算函数，提供了该模板与其它模板进行数据交换的输入输出接口。在制动子系统调用制动器模型，而整车系统再调用制动子系统后，即可利用ADAMS/CAR 模块的制动仿真功能进行制动性能仿真。

    3 ADAMS/CAR 制动仿真应用的扩展研究

    鉴于ADAMS/CAR 模块制动仿真在应用方面的模型单一和缺少制动力调节控制等不足，作者认为可以从以下几个方向进行扩展研究：

(1) 增加和改进原有模型的控制功能，如引入制动力调节特性，对制动力进行动态控制；
(2) 扩展制动器模型，以满足多种制动器类型的设计，如建立鼓式制动器等模型。
(3) 适应ABS 等新控制装置的广泛应用，进行具有ABS 等系统的制动仿真。

    3.1 制动力调节装置的引入 

    任何一种车型都各有其理想的前、后轮制动力分配特性曲线，而且可以换算成理想的前、后轮促动管路压力分配特性曲线。现代汽车越来越多的采用各种制动力调节装置，以改善汽车的制动性能。目前制动力调节装置有限压阀、比例阀、感载阀和惯性阀等型式。

    ADAMS 提供了三种控制方式：①建模时对变量的设置和对控制函数的定义；②利用ADAMS/Control控制模块；③对于复杂的仿真，借助于一些通用软件如MATLAB/simulink 和ADAMS 一起进行联合仿真。本文重点研究制动力调节装置的引入，采用第一种方法即可以满足制动力调节的控制要求。

    汽车制动系统采用制动力调节装置，主要目的是使前、后促动管路压力的实际分配特性曲线在不同程度上接近于相应的理想分配特性曲线[3]。以比例阀为例（图1），比例阀串连在后促动管路中，当前、后促动管路压力P1、P2 随着制动泵油压P0 的增长同步增长到一定值Ps 后，即自动对后管路压力的增长加以节制，亦即使后管路压力的增量小于前管路压力的增量。这里设置变量Ps 为比例阀开始起作用点的油压，α角反映前后轮管路油压增长比例。
 

图1 比例阀特性曲线

    在ADAMS/CAR 模块中，可以利用变量设置和控制函数的定义来引入制动力调节的控制特性。

    定义前促动管路压力函数：

    P1=VARVAL(P0)

    函数VARVAL(V)的功能是返回状态变量V 的当前值,以此反映前促动管路压力随制动油泵油压的增长而增长。

    定义后促动管路压力函数：

    在ADAMS/CAR 模块设置函数体：P２=if(P1－Ps：varval(P0)，Ps，Ps＋tanα(P１－P２))，即可反映比例阀的调节特性。

    3.2 鼓式制动器模型的建立

    在建立总成实体模型过程中，ADAMS/CAR 的建模顺序是自下而上的，所有的分析模型都是建立在子总成基础之上，而子总成又是建立在模板（Template）的基础上[5]。模板是整个模型中最基本的模块，又是整个建模过程中最重要的部分，分析总成的绝大部分建模工作都是在模板阶段完成的。 
 

图2 盘式制动器 图3 鼓式制动器

    ADAMS/CAR 模块已有钳盘式制动器模型（图2），本文扩展的鼓式制动器模型（图3），可以利用ADAMS 的三维造型功能或在三维造型CAD 软件生成，本文利用UG软件建立鼓式制动器模型，按照ADAMS的建模要求，将部件进行正确放置，然后通过PARASOLID 接口将三维模型以文本文件（ .xmt_txt）格式输出，再由ADAMS/CAR 导入（import），设定材料的密度，ADAMS 即可根据三维模型计算出各种数据，并自动填入相应的属性对话框。材料密度也可在UG 中设定，利用UG 的计算功能计算，再通过人工填入ADAMS/CAR 的模型属性对话框[ ] 2 。根据制动器零部件间的相对运动关系，定义零部件的拓扑结构，对零部件进行重新组合，将没有相对运动关系的零部件组合为一体(也可在建立约束时将这样的零部件锁定为一体)，确定重新组合后制动器与轮胎等其他零件的连接关系和连接点的位置,即建立各零件之间的约束关系，设置相应的变量和函数，完成对仿真的控制，最后建立该模板与其它模板进行数据交换的输入和输出接口。

    3.3 制动防抱死装置(ABS)的引入

    制动力调节的主动控制系统ABS，通过轮速传感器及其控制系统使车轮的滑移率控制在最佳工作范围内。这一仿真较为复杂，常需利用MATLAB/simulink 等软件实现控制，再和ADAMS 一起进行联合仿真。

    4 具有制动力调节装置的制动仿真算例

    本算例利用ADAMS/CAR 提供的制动算例中整车与其他子系统的模型，引入制动力比例调节阀的控制函数建立整车制动仿真模型，并进行了制动仿真实验。制动力调节特性设定Ps=3MPa，tanα=0.43。算例还对无制动力调节装置的制动系统模型进行仿真计算。无制动力调节装置制动系统的前、后制动管路压力、制动力矩和轮速变化的仿真结果如图4a）、5a）、6a）所示，带制动力比例调节阀制动系统的前、后制动管路压力、制动力矩和轮速变化的仿真结果如图4b）、5b）、6b）所示。

图4 前、后制动管路压力变化

b)带比例阀
图5 前、后制动力矩变化

图6 前、后轮轮速变化

    由仿真结果可以看出，无制动力调节装置系统（图6a）)，后轮提前抱死滑移，发生甩尾现象容易造成交通事故。带制动力调节装置比例阀系统（图6b）)后，前后轮趋于同步抱死，改善了算例样车的制动性能。

    5 结束语

    本文针对ADAMS 软件在制动仿真应用方面的模型单一和缺少制动力控制等不足，提出了ADAMS/CAR 模块制动仿真应用研究的扩展方向，并以引入制动力比例调节阀为例，研究了制动仿真模型，实现了制动仿真过程的制动力调节控制。