【導(dǎo)讀】隨著汽車的普及，交通事故也日趨頻繁，人們對(duì)汽車安全性的要求也越來越高。對(duì)于這些要求，只有通過對(duì)汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的深入研究才能實(shí)現(xiàn)。在多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。分析軟件中，ADAMS是車輛動(dòng)力學(xué)中應(yīng)用最廣，最為著名的一個(gè)軟件。體動(dòng)力學(xué)ADAMS軟件對(duì)汽車制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。能得到較大改善。

　　

【正文】 制動(dòng)盤的有效制動(dòng)半徑大小受輪輞尺寸的限制，前制動(dòng)盤尺寸的設(shè)計(jì)還必需考慮其與轉(zhuǎn)向節(jié)的相對(duì)位置，制動(dòng)盤有效制動(dòng)半徑可變動(dòng)范圍很小，故不作為優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。 另外，制動(dòng)減速度受地面附著力的限制。地面附著力取決于輪胎與路面間的垂直載荷和附著系數(shù)，這兩方面又會(huì)受很多因素的影響，其中一些因素在汽車的實(shí)際行駛過程中又是隨機(jī)的。如 整車重量和質(zhì)心位置影響著前后車輪的垂直載荷與其轉(zhuǎn)移量的大小，但整車的質(zhì)量、質(zhì)心的位置和軸距在汽車總布置設(shè)計(jì)完成后不能輕易變動(dòng)，因此這些參數(shù)不作為優(yōu)化參數(shù) [12]。 25 圖 51 制動(dòng)系統(tǒng) 優(yōu)化 參數(shù) 優(yōu)化方法與結(jié)果 Adams/Insight模塊是 MSC公司的試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件，利用該模塊用戶可以進(jìn)行單目標(biāo)或多目標(biāo)優(yōu)化，自變量可以是連續(xù)的，也可以是離散的。在 Insight中，將前后制動(dòng)管路油壓分配系數(shù) β 、前制動(dòng)器的摩擦系數(shù)、后制動(dòng)器的摩擦系數(shù)、前輪缸活塞面積、后輪缸活塞面積作為制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)因素，以制動(dòng) 距離最短為響應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 為了在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)尋求最優(yōu)解，本文用響應(yīng)面法，用交互模式來擬合設(shè)計(jì)因素與響應(yīng)之間的關(guān)系。響應(yīng)面方法 (Response surface methodology， RSM)是用一個(gè)超曲面來近似地替代實(shí)際的復(fù)雜結(jié)構(gòu)輸入與輸出的關(guān)系，即通過近似構(gòu)造一個(gè)具有明確表達(dá)形式的多項(xiàng)式來表達(dá)隱式功能函數(shù)。它能在多因素起作用的設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，快速找出主要因素及各因素間的交互作用關(guān)系，擬合出因素與響應(yīng)之間的數(shù)學(xué)模型方程，并且找到最優(yōu)化條件，對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。擬合結(jié)果的可靠性用確定性系數(shù) R2來檢驗(yàn)， R2介于 0～ 1之間，越大越好，通常好的擬合應(yīng)該大于 。 創(chuàng)建設(shè)計(jì)矩陣 ADAMS/Car可以 將 ADAMS/Car實(shí)體里的設(shè)計(jì)因素 導(dǎo)入 到 ADAMS/Insight里。 將制動(dòng)距離 chasss_displacement_longitudinal添加到優(yōu)化目標(biāo)。 26 待選因素 ： 在創(chuàng)建設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)，第一步就是要選擇你需要的 因素 到設(shè)計(jì)矩陣?yán)铮獜臉湫螆D中的候選對(duì)象里選擇 因素 ，然后在將它們放到被選目錄里，將這些 因素 放在被選目錄里。把候選 因素 放在包含目錄里使他們成為設(shè)計(jì)矩陣的一部分。 把所候選的設(shè)計(jì)因素放在包含目錄 里 ： 圖 51 Insight 模塊中影響參數(shù) 更改設(shè)計(jì)因素 當(dāng)把所需要的設(shè)計(jì) 因素 提出來之后，在 因素 設(shè)置面板中定義相關(guān)的參數(shù)，更改設(shè)計(jì) 因素 ： 1） 在樹形圖中，在已選目錄里找到 動(dòng)管路壓強(qiáng)分配系數(shù) β 、前輪缸活塞面積、后輪缸活塞面積、前制動(dòng)器的摩擦系數(shù)、后制動(dòng)器的摩擦系數(shù) ,選擇 因素 設(shè)置面板在視口中顯示如下： 27 圖 52 更改設(shè)計(jì)因素 2） 對(duì) setting進(jìn)行設(shè)定， 變化范圍為 %5? ?其它的部分都采用默認(rèn)設(shè)置。 3） 選擇 。 4） 對(duì)于 2采用與上面相似的設(shè)置，并輸入適當(dāng)?shù)暮喎Q 。 28 提出 并更改 響應(yīng) 將候選的響應(yīng)提到已選名單里： 對(duì)響應(yīng)的更改是非常少的，只需要填上單位，改變其中一個(gè)參數(shù)就行了。提出響應(yīng)的方法與提出 因素 的方法一樣 。 響應(yīng)面法是一套數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，是用一個(gè)超曲面來近似地替代實(shí)際的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的輸入與輸出關(guān)系的方法。其基本思想是數(shù)值仿真分析或試驗(yàn)方法，通過近似構(gòu)造一個(gè)具體有明確表達(dá)形 式的多項(xiàng)式來表達(dá)系統(tǒng)響應(yīng)和系統(tǒng)隨機(jī)輸入變量之間的關(guān)系。 用來尋找考慮 了輸入 變量值的變異或不確定性之后的最佳響應(yīng)值。它能在多 因子 起作用的設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中 ， 快速 找出主 要因子及各 因子之間的交互 作用關(guān)系 ，擬 合 出 因子與響應(yīng)之 間的數(shù)學(xué) 模型 方程 ， 并目找到最優(yōu)化條件 ， 對(duì)結(jié) 果 進(jìn)行 評(píng)估 。 對(duì)多元二階響應(yīng)面模型一般公式為： ????????? ????? ??? ??? jik ji ijiki iiiki iy 2110 （ 51） 式中， k為因素的個(gè)數(shù)， i、 j為 1～ k之間的 整數(shù)， ijiii ???? ,0 為待定系數(shù)可在仿真試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上利用 最小二乘法確定。 ? 占為近似誤差，在滿足工程精度要求的情況下可認(rèn)為 ? ≈ 0。 為了較好的揭示設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)響應(yīng) (評(píng)價(jià)指標(biāo) )之間的定量關(guān)系，并且能夠簡化后續(xù)的優(yōu)化計(jì)算，這里引入響應(yīng)面法，構(gòu)建設(shè)計(jì)變量與 制動(dòng) 性能評(píng)價(jià)指標(biāo) (即優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中子函數(shù) )之間的二階響應(yīng)面模型。 1） 在設(shè)計(jì)輔助工具欄中，選擇工具 set design specification ,或者在樹形圖中，擴(kuò)展 Design/ Define菜單欄，選擇 Experiment Design/Set Design 53所示： 29 圖 53 創(chuàng)建工作空間 2） 點(diǎn)擊 Apply。 3） 選擇菜單 Define/Experiment Design/Create Design 。 4） 選擇菜單 Define/Experiment Design/Create Work Space，來創(chuàng)建工作空間。 運(yùn)行試驗(yàn) 1 ） 在 計(jì) 輔 助 工 具 欄 里 ， 選 擇 工 具 run simulation ， 選 擇 Data 菜單，Simulation/Buildrunload/all. 2） 仿真開始運(yùn)行時(shí)信息窗口出現(xiàn)，選擇 OK。 30 察看仿真結(jié)果 ： 在樹形圖中，選擇 Design/Work Space. ADAMS/Car的仿真結(jié)果顯示如 圖 54所示： 圖 54 Insight模塊計(jì)算結(jié)果 圖 55 制動(dòng)距離波動(dòng)曲線 擬合結(jié)果 ： 當(dāng) ADMAS/Car 完 成 了 在 工 作 空 間 矩 陣 里 定 義 的 試 驗(yàn) 之 后 ， 可 以 通 過 31 ADAMS/Insight用多項(xiàng)式或響應(yīng)曲面來 擬合 結(jié)果。 擬合 仿真結(jié)果的目的在于建立在工作空間矩陣中的 因素 和響應(yīng)之間的關(guān) 系， 擬合 結(jié)果包含多重回歸。 1） 從設(shè)計(jì)輔助工具欄中，選擇工具 Fit results ,也可以通過選擇 Tools/Fit New Model. 2） 在 Regression欄里，選擇響應(yīng) distance。 3） 在 Display欄里，選擇你想要查看的結(jié)果類型。 如 圖 56： 圖 56 計(jì)算結(jié)果可靠度 綠色表示所有的 擬合 結(jié)果都達(dá)到了或超過了最高的 擬合 要求。 黃色表示 擬合 結(jié)果還有待進(jìn)一步的考察。 紅色表示 擬合 結(jié)果必須要在考察一次。 經(jīng)過 32次迭代計(jì)算后可得到 響應(yīng)與因素之間關(guān)系表達(dá)式，擬合方程的確定性系數(shù)R2為 ，說明擬合結(jié)果可靠。將優(yōu)化的結(jié)果用交互式網(wǎng)頁形式輸出，在此網(wǎng)頁中修改設(shè)計(jì)因素值，能觀察制動(dòng)距離的變化情況，還可顯示各設(shè)計(jì)因素對(duì)響應(yīng)的影響程度。在優(yōu)化設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，各因素對(duì)制動(dòng)距離影響大小依次為前后制動(dòng)管路壓強(qiáng)分配系數(shù) β 、前輪缸活塞面積、后輪缸活塞面積、前制動(dòng)器的摩擦系數(shù)、后制動(dòng)器的摩擦系數(shù) [12]。 優(yōu)化后得到最短制動(dòng)距離所對(duì)應(yīng)制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)為：前后制動(dòng)管路壓強(qiáng)分配系數(shù) β=，前輪缸活塞面積 Af=2250 mm??（ φ 53 mm），后輪缸活塞面 積 Ar=1850 mm?（ φ48 mm），前制動(dòng)器的摩擦系數(shù) f? =，后制動(dòng)器的摩擦系數(shù) r? =。 32 參數(shù)優(yōu)化前后制動(dòng)性能對(duì)比分析 在附著系數(shù)為 、后的整車進(jìn)行制動(dòng)仿真對(duì)比試驗(yàn)。工況為：汽車以 80km/h初速行駛 1 s后開始制動(dòng)，制動(dòng)強(qiáng)度為 100%，制動(dòng)器起作用時(shí)間為 s，仿真時(shí)間為 6 s。圖 57為制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化前和優(yōu)化后的縱向位移與時(shí)間關(guān)系曲線。優(yōu)化后的制動(dòng)距離 為 m，制動(dòng)時(shí)間為 s。優(yōu)化后的制動(dòng)距離比優(yōu)化前的 m減小了 %，制動(dòng)時(shí)間也減小了 %。 圖 57 制動(dòng)距離曲線 圖 58 前后輪制動(dòng)力矩曲線 33 圖 59 前后輪滑移率曲線 由圖 58 可見開始制動(dòng)后，前后車輪的制動(dòng)力矩在 s 內(nèi)增加到最大。優(yōu)化前的汽車在制動(dòng)后，前輪的制動(dòng)力矩迅速減小，且出現(xiàn)波動(dòng)，說明前輪在制動(dòng)后很快抱死，這時(shí)，制動(dòng) 器所提供的制動(dòng)力大于地面制動(dòng)力，車輪的制動(dòng)力矩等于地面所能提供的制動(dòng)力矩，該力矩與輪胎的垂直負(fù)荷有關(guān)，制動(dòng)過程中質(zhì)量的轉(zhuǎn)移和懸架的作用，前輪垂直載荷的變化使制動(dòng)力矩出現(xiàn)波動(dòng)。而后輪的制動(dòng)力矩較小。優(yōu)化后的汽車，前后車輪的制動(dòng)力矩在迅速增長之后保持不變，制動(dòng)力矩均大于優(yōu)化前的。由圖 59 可見，優(yōu)化前汽車前 后 輪很快抱死，滑移率為 100%，顯然，前 后 輪的制動(dòng)器制動(dòng)力矩設(shè)計(jì)過大 。 而優(yōu)化后，前后輪的滑移率保持在 15%左右，因而制動(dòng)距離最短，制動(dòng)方向穩(wěn)定性良好。 34 6 結(jié)論與展望 論文主要研究 重點(diǎn) 及 結(jié)論 （ 1） 分析了 ADAMS 軟件制動(dòng)系統(tǒng)模型的工作原理，獲得相關(guān)的制動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)，建立了制動(dòng)系統(tǒng)模型。鑒于汽車制動(dòng)穩(wěn)定性影響因素的多面性和不可預(yù)知性，而該車制動(dòng)系統(tǒng)建模時(shí)左、右車輪施加的是相同的制動(dòng)力矩，因此本文建立的制動(dòng)系統(tǒng)模型僅用于制動(dòng)效能的仿真研究，而不能用于制動(dòng)穩(wěn)定性方面的分析。另外，該制動(dòng)系統(tǒng)模型不含 ABS 功能，僅考察該車在 ABS 系統(tǒng)產(chǎn)生作用之前的制動(dòng)效能。 （ 2） 對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)模型和其他的子系統(tǒng)模型進(jìn)行裝配，建立了能用于制動(dòng)效能仿真研究的整車模型。按照國家標(biāo)準(zhǔn) GB12676— 1999 對(duì)整車 直 線制動(dòng)性能進(jìn) 行了仿真分析。 （ 3） 基于 ADAMS 軟件對(duì)汽車制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 優(yōu)化后的制動(dòng)距離為 m，制動(dòng)時(shí)間為 s。優(yōu)化后的制動(dòng)距離比優(yōu)化前的 m減小了 %，制動(dòng)時(shí)間也減小了 %。 所得匹配參數(shù)能使汽車直線制動(dòng)距離顯著縮短，達(dá)到了優(yōu)化目的。 展望 （ 1） 仿真得到的制動(dòng)過程中前后車輪制動(dòng)力矩、縱向滑移率隨時(shí)間的變化關(guān)系，為下一步對(duì)該車配備 ABS 系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)和基于 ADAMS 和 Matlab 聯(lián)合仿真的 ABS 控制策略制定提供了依據(jù)。 （ 2） 可 以 利用 ADAMS 提供的有限元接口，在有限元軟件中建立制動(dòng)器的制動(dòng)盤、摩擦襯片的彈性變形模型，導(dǎo)入 ADAMS 中考察制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。利用ADAMS/Control 接口，聯(lián)合 EASY MATALAB、 MATRIX X 等控制軟件，進(jìn)行 ABS 的開發(fā)和研究，以便更全面、準(zhǔn)確地考察整車的制動(dòng)性能。 35 參考文獻(xiàn) [1] 陳家瑞 .汽車構(gòu)造（下冊(cè)） [M].北京 ： 機(jī)械工業(yè)出版社 ,2021. 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