对标分析工具及其汽车动力学性能开发

一、简介

汽车动力学是与整车运动时的动力学状态有关的一门工程学科。主要的运动形式有制动、转弯变向及加减速，其中还需要考虑平顺性及侧向翻转的情况。汽车动力学工程师的主要职责是在给定的条件（时间、成本、预算和部件可用性等）情况下开发出预期性能的车辆。汽车制造商、供应商及工程咨询公司已为汽车动力学工程师提供了众多的方法和可用工具。本文对汽车动力学开发流程及开发工具（对标分析、仿真分析等）在其应用进行了阐述，让大家对整车性能开发及相关工具有所了解。

二、问题综述

整车是由多个子系统组成的，如转向或悬架系统。这些系统又能进一步分解为多个部件，因此整车的性能就由这些部件和系统特性决定。例如，一辆轿车的操稳性主要与以下这些部件有关：车身结构（承载式车身，或非承载式车身等）、悬架弹簧、阻尼、横向稳定杆、弹性衬套、转向拉杆、动力转向辅助系统及轮胎等。

第一种整车开发方法为一种传统的开发方式，该种方法对设计完成的样车各个部件进行试验，验证它们的性能，这便是一种试验-发现错误-再试验不断尝试的过程，这种方法较为简单，并能获得较好的结果，但这种方法可能需要数次不断的试验-验证-再试验的过程，这无疑消耗了大量的人力物力和时间成本。

第二种方法，是通过CAE分析，在计算机虚拟仿真平台，就可以完成对样车的开发设计工作，并预测整车的性能，探讨制造整车的设计问题。这种开发方法已成为各大汽制造商的主流开发方法。该方法需要完全被大众所信任的顶尖的技术和手段的支持，同时需要集结大量资源来实现仿真平台的开发，将实车性能与仿真结果关联起来。

第三种方法，则为前两种方法的混合（在“试验&纠错”迭代方法中，将仿真分析工具有效的引入到以试验为主的方法当中）。这种方法被称为“计算机辅助试验（CAT）”，该方法的工作原理可用如图1所示的性能属性分布图表示。它将整车、系统、部件性能都关联起来了。图1之后还阐述了开发流程，进一步诠释了如何将试验与仿真工具相结合使整车客观指标与系统级别响应相关联，并将目标分解到独立部件性能中去等等。

三、开发流程

除了性能属性分布图，还需要定义具体的开发流程，一般典型的流程中包含如下这些步骤：

3.1 对标分析

• 完整的整车及系统参数收集
• 主观及客观评价试验

在汽车开发领域，对标分析主要应用于前期开发目标设定、技术发展趋势分析及策略分析、市场分析、VAVE等

对标的目的是描述与评价对标车型整车性能情况，为整车性能目标设定提供参考。对标工作量很大，需要进行系统专业性人员进行统筹组织；

对标的实施过程包括主观和客观评价，并能够让工程师对不同的车进行比较，发现不同之处。

以汽车动力学分析为例，分析过程及内容如下：

a 参数收集

首先可以利用专用试验室设备可对常见的汽车底盘参数进行准确及可重复性的客观静态数据的收集和描述，例如：

• 整车基本参数、重心高度及转动惯量
• 悬架运动学及弹性运动学（K&C）
• 轮胎力与力矩
• 阻尼特性

b 整车客观试验评价

整车客观试验评价通常是在安装有检测设备的车辆上，按照预定操纵流程，在指定地面上进行的试验。试验项目一般包括：

• 稳态回转试验
• 频域响应
• 转向角阶跃输入

c 整车主观评价

车辆由娴熟的驾驶专家驾驶车辆，对特定的操稳性进行评价。根据驾驶员对每一评价项目的主观感受，对应着不同的主观评价评分基准，完成相应评价项目的打分。如在采用10分等级评分时，感觉极差对应1分，而非常完美则对应10分。

3.2 汽车动力学仿真与分析

• 了解基本构造及原理
• 车辆响应vs系统响应

通过对标，可以提供关于整车的大量数据，但不能深入的了解其内部结构和原理，缺乏能够支持与主观评价及客观试验结果有关的结构设计机制。因此，利用汽车动力学仿真分析工具，结合对标数据，帮助了解整车响应与系统特性之间的关系。

3.3 目标设定

• 车辆性能目标设定

根据对标试验分析结果，结合区域法规要求及公司竞争策略及定位，设计整车性能目标。而系统目标又可被用于指导部件的设计。

3.4 部件设计

• 了解基本构造及原理（明确影响因素）
• 满足系统性能的部件设计

设计工程师从汽车动力学工程师中获取到系统性能目标值后，研究系统特性与具体部件设计之间的机理，随后可设计出相应部件，达到所需系统特性的要求。

例如NVH特性的影响因素，构成整车NVH的子因素包含噪声源及传播路径：

主要噪声源包括：

l 动力总成

l 进排气系统

l 地面或轮胎激励

l 空气动力学

同时通过以下两种传播途径进行传播：

l 空气噪声传递

l 结构噪声传递

3.5 制造和装配

3.6 试验验证及优化校调

四、参数化的系统仿真案例

一个简单的例子 ，例如悬架的运动学特性对汽车的操纵稳定性有着重要的影响，在悬架设计之初必须要考虑的一个重要因素。当汽车遇到不平路面颠簸或汽车加减速时，车身向前或向后纵倾，而汽车转向时车身会发生侧倾，这些都会引起悬架运动特性参数的变化，过大的运动特性参数变化或不合理的变化趋势都会改变操纵稳定性。对悬架运动学特性分析可采用平行轮跳试验这种方法，在ADAMS/Car将悬架置于虚拟的试验台架上，运行一系列的悬架运动学分析，可以得到38个悬架运动学特性参数，如前束角、外倾角、后倾角等，可用于分析和理解悬架的运动学特性，并指导设计。

另一个例子 ，在对标过程中，当我们完成整车侧向瞬态响应试验后，可以得到一个整车目标性能指标，整车响应评定的一个参数是是得到横摆角速度（输出）与前轮转角的比值，即横摆角速度增益，它是在驾驶员输入及不足转向度下对整车总体响应的度量。曲线的形状与车辆对输入的衰减性有关，以及在指定频域输入下整车保持稳定的能力。

如所示为A车关于横摆角速度/转角增益的实测数据与期望的整车性能数据（B车）的对比图。

下一步对整车侧向瞬态响应进行参数化仿真，分析系统特性参数在整车性能上的影响。A车被选为参考车辆用于比较，并建立了该车的整车参数化模型，验证了模型的正确性；接下来，在该车模型基础上，对整车系统参数进行了敏感性分析， 并与目标车辆试验结果进行比较。这种方法能够很好的帮助工程师对整车性能进行分解，了解部件或系统特性与整车响应的关系。

图5、6为试验结果与仿真结果的比对图。其中，实线带圆点标记的曲线为试验结果，点划线曲线为所建整车模型的敏感性仿真分析结果。

图5所示为改变转向系传动比后的试验结果与仿真结果示意图。可知，传动比越小（即前轮转角所需的方向盘输入越小），稳态横摆角速度增益值越大，但曲线变化趋势大致相同。

图6所示为改变前桥侧倾不足转向后的影响。其中减小侧倾不足转向增大了稳态横摆增益，同时响应曲线也变得更加平缓（增大了横摆阻尼比）。