1 概述
汽车的操纵稳定性和历来是汽车性能中非常重要的一个问题，它不仅仅表征汽车驾驶的操纵方便程度、乘坐的舒适，更是决定高速汽车安全行驶的一个主要性能。随着现代汽车车速的提高，对汽车操纵稳定性的要求也越来越高。
按传统的方法对新车的操纵稳定特性进行研究时，需要经过设计、试验，试验总结出来的问题反馈到设计，设计通过计算、更改后，再试验，这种完全依靠样车试制后对汽车进行试验达到调整汽车性能的做法已经不能满足开发速度和开发质量的要求，所以有必要在设计中采用虚拟试验技术对汽车的性能进行预测，以在实际样车试制之前就对其性能进行预测，并提出改进意见，达到提高设计质量和加快设计速度的目的，这对于提高我国汽车设计的总体水平也有着重要的意义。
某MPV由于用于特殊目的，整备质量由原来的1260Kg增加到1650Kg后，其操纵稳定性需要重新进行评估。为了在样车试制之前预测其动力学特性，我们利用MSC.ADAMS软件对MPV整车进行了虚拟仿真分析，在概念设计阶段对设计的结果进行评价，找出设计中存在的不足，并提出改进方案。
2 整车动力学仿真模型的建立
根据设计需要，按照该MPV参数定义了所需要的虚拟样车，分别建立了各个子系统的模型：该车前悬架系统为麦弗逊式独立悬架，带横向稳定杆；后悬架为扭转梁式半独立式悬架；转向系统为齿轮齿条式；轮胎形式为195R14。为了简化模型不考虑发动机及传动系统，且假设定前、后悬架均为左右对称。
为了提高仿真精度，将后扭转梁的CAD模型在有限元软件中进行网格划分，并通过MNF中性文件导入到ADAMS软件中，这样在整车动力学分析中考虑了后扭转梁的柔性，使仿真更接近真实情况。在建立好各个子系统模型后，最后组合而成的整车动力学模型如图1所示。
图1 MPV动力学仿真模型
3 整车操纵稳定性仿真
国标GB6323.1～6规定了考察汽车操纵稳定性各项性能指标的试验，相应的我们设定了不同的仿真工况来考察MPV的各项操纵稳定特性，限于篇幅，这里只介绍稳态转向特性仿真试验和蛇行试验。
3.1 稳态回转仿真
汽车的稳态转向特性是汽车操纵稳定性中最基本和最重要的方面，决定了汽车作为一个动力学系统在转向输入下是否稳定的充分条件，在QC/T 480-1999—汽车操纵稳定性指标限值及评价方法 中，明确规定：稳态回转不及格的车辆，其操纵稳定性的总评价为不及格。
3.1.1 稳态回转仿真模拟
在仿真试验的工况设定中，虚拟仿真试验严格按照GB/T 6323.6—94模拟稳态回转性能试验，试验程序沿着如下轨迹进行：稳定起步—沿半径为15m的圆周行驶—固定转向盘不动缓缓连续而均匀地加速（纵向加速度不超过0.25m/s2）?—直至汽车的侧向加速度达到6.5m/s2（或汽车出现不稳定状态）为止。
为改善数值计算的稳定性，虚拟仿真开始后，设定车辆初始速度为0.5m/s，在1s内方向盘转至预定位置，保证转弯半径为15m，然后固定方向盘转角，并且在5s时间内保持匀速行驶直至仿真结束，整个仿真过程中MPV虚拟样车运动轨迹行驶如图2所示。
图2 MPV稳态回转仿真轨迹
3.1.2 稳态回转仿真结果评价
仿真完成后，获得的汽车前后轴侧偏角差值δ1 -δ2 ，车身侧倾角Φ与车身侧向加速度ay关系曲线分别如图5、图6虚线部分所示。
同时可知汽车的不足转向度U = 0.05( °/(m/s2))，车身侧倾度KΦ = 0.97/(m/s2))，按照QC/T-480的计分方法，该车的侧倾度KΦ的计分值为82分，而不足转向度U未达到计分的下限，即计分值为零分，表明该车的不足转向特性不合格国标要求[6]，必须进行改进。
3.2 蛇行试验仿真
蛇行试验属于驾驶员－汽车－外界环境组合而成的闭路系统性能试验，该试验方法可反映出在此闭路系统汽车进行急剧转向的能力，同时可反映出在该工况下乘员的舒适性和安全性。
虚拟样车蛇行试验仿真工况的定义参照GB/T6323.1，通过采用经典的驾驶员预描模型控制虚拟样车的运动轨迹，仿真完成后MPV虚拟样车运行轨迹如图3所示。
图3 MPV蛇行仿真试验运动轨迹
蛇行仿真试验车身质心处横摆角速度时间历程如图7虚线部分所示，计算得出其平均最大横摆角速度
据国标其计分值为81分，表明MPV车的蛇行试验符合国标要求。
3.3 操稳改进及分析
由于MPV的稳态转向特性不合格，因此必须采取措施进行改进。由于整车的布置结构形式不可更改，因此主要通过调整整车力学参数，如悬架弹簧刚度和横向稳定杆的直径，来改善操稳性能。
在经过多轮仿真调试后，将前、后悬架弹簧刚度由原来的22N/mm、20N/mm分别增加到28N/mm，26N/mm，横向稳定杆直径由22mm增加到28mm，此时MPV仿真运动轨迹如图4所示，汽车前后轴侧偏角差值δ1-δ2 ，车身侧倾角Φ与车身侧向加速度ay关系曲线分别如图5、图6所示(实线部分)。
图4 弹簧刚度增加后MPV稳态仿真运动轨迹
图5 刚度增加前、后前后轴侧偏角之差与侧向加速度关系曲线
图6 刚度增加前、后前后轴侧偏角之差与侧向加速度关系曲线
由图5、图6（实线部分）可知，刚度增加后汽车的不足转向度U = 0.3(°/(m/s2))，车身侧倾度KΦ = 0.7 (°/(m/s2))，对应QC/T-480汽车的不足转向度U的计分值为94分，而侧倾度KΦ的计分值侧达到了为100分，因此可以说，增加悬架弹簧刚度后，汽车的稳态回转特性改进明显，同时蛇行仿真试验车身质心处横摆角速度时间历程如图7实线部分所示，此时得平均最大横摆角速度γm=15(°/s)，根据国标计分值为87分，表明悬架刚度增加后MPV的蛇行试验表现更佳。
4 整车平顺性仿真
在前后悬架弹簧刚度增加后，其平顺性能势必会受到影响，因此需要通过对比分析悬架刚度改变前、后整车的平顺特性来校验MPV的平顺性。平顺性仿真工况的定义参照GB 5902—平顺性脉冲输入行驶试验：汽车以50Km/h匀速通过一个长400mm，高60mm的三角形凸块，同时记录下整个过程中汽车垂直加速度的时间历程曲线，弹簧刚度增加前、后汽车质心处垂直加速度时间历程曲线如图7所示。
图7 蛇行仿真试验车身质心处横摆角速度时间历程
图8 刚度增加前、后质心处垂直加速度时间历程曲线
由图8可知，悬架弹簧刚度增加后，加速度曲线和原来相比其正相峰值从0.18g增加到0.2g，但负相峰值却从0.22g降低到0.14g，即垂直方向加速度峰值从0.22g降低到了0.2g。通常使用垂直方加速度曲线的峰值作为评价汽车脉冲输入试验的评价指标，峰值越小平顺性越好，因此可以认为悬架刚度的没有降低整车的平顺性，通过增加悬架刚度来改善MPV操稳特性的方案是可行的。
5 总结
原设计方案弹簧刚度不足是使整车稳态回转呈中性转向的主要原因。通过增加悬架弹簧刚度、增加横向稳定杆的直径可以改善汽车的操纵稳定性能，同时对汽车的平顺性影响较小，且不改变整车的布置结构形式，因此该方案是提高汽车操稳性能的首选方案。
在设计开发初期，通过虚拟仿真试验技术，使用MSC.Software公司的MSC.ADAMS软件能快速、准确的建立整车动力学模型，并通过分析计算能及早发现设计中存在的问题，并针对问题提出改进方案，从而加快了整车开发的进度，提高了设计水平。
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