Amesim底盘仿真：基于Simcenter Amesim的商用车底盘工程应用实践

1 底盘总体应用

底盘组件、子系统和相关控制集成开发的相关 技术涉及多学科领域，在车辆研发中面临诸多挑战。 现今国外的先进车辆企业底盘工程师已在产品过程中的早期及全程普遍采用基于模型的系统工程及其虚拟样机的开发流程，实现真正通过关键品质功能设计优化来驱动产品的开发。 Amesim依据在汽车行业30多年的工程经验，能够满足汽车研发企业在产品开发中的整车动力学仿真分析，并优化产品设计，提高系统性能。

Amesim即可单独仿真分析上述单一性能：支持底盘前期设计与后期车辆系统集成验证，加快底盘与动力总成、制动系统的集成，加快控制系统与底盘的集成验证；还可以综合所有性能进行多属性平衡分析及优化，比如下图所示的不同车重不同路面下的各项操稳性能平衡分析。

1.1 Amesim底盘动力学定位？

Amesim底盘动力学适合于产品开发的早期匹配及后期的优化设计。

1.具有不同颗粒度的模型适用于不同开发阶段的应用

价值

• 模型颗粒度: 模块化和开放的工具可以在设计早期阶段对新概念的快速探索。更好地个人学习和理解车辆设计。基于模板的模型为非专家提供专用的GUI。当与控制器相结合时，可以快速的得到结果。

• 连续性:允许从底盘部到控制部支持过程的连续性。

关键收益

• 利用Amesim的灵活性，非常有效地探索新概念及其影响。

• 从不同角度(底盘和控制部门)使用相同的工具，可以轻松获取和重用知识。

• 由于可能与内部数据库连接，易于资本化和转移到控制部门。

2. Amesim提供了不同阶段建模模板及用户环境，如下图所示。

•  在前期设计阶段，提供了专门的参数化界面GUI，可以方便地在一个界面导入不同车型参数模板列表，进行快速的匹配分析。

•  还可以基于Amesim平台开放的建模环境和模块化的建模思路，细化所需的任何子系统模型比如转向系统：按照结构工作原理，搭建机械及电驱部分模型，考虑机械惯性特性及摩擦、电驱电磁特性及控制逻辑等，进而进行转向系统详细的瞬态特性仿真及优化。

1.2 典型应用

按照动力学方向可以将商用车底盘应用分为纵向、垂向及侧向三个方向的动力学特性，如下图所示。

1.2.1 纵向动力学

•与制动相关

•动力学过程

•制动距离

•制动失效分析

•制动踏板感分析

•与动力总成相关

•驾驶性

•经济性

•Tip in/Tip out

•四轮驱动

•扭矩矢量控制

•软路面爬坡（考虑差速锁），如下动画所示：

1.2.2 垂向动力学

•舒适性

•垂向低频激励响应

•俯仰、侧倾舒适性

•悬架振动噪声 (with MBS Coupling)

•NVH (with MBS Coupling)

•平顺性

•道路激励测试

•风洞激励测试

•通过性

•其他

•悬架杆系疲劳强度分析(with MBS Coupling)

•动力总成疲劳强度分析(with MBS Coupling)

1.2.3 侧向动力学

•操控性

•操纵稳定稳定性

•变道

•弯道刹车

•弯道卷入

•给定路径跟随

•抓地力分析

•侧翻

•功能安全及ADAS系统

•ABS, ESP, 辅助制动

•电子油门控制

•主动防侧翻控制

•ACC自适应巡航

•牵引力控制

•车身稳定控制

•防碰撞系统

•与转向相关

•原地转向

•方向盘抖动

•转向特性

•驾驶 中心感

•横摆稳态、瞬态响应特性

•减摆性能分析（Ame+MBS）

2 纵向动力学——传动

本章主要列举商用车传动方面的典型应用。

2.1 Scania ——缩短传动链开发周期

Scania基于Amesim开发传动链驾驶性、扭振、舒适性及变速器效率损失和润滑，并且将模型实时简化降阶，用于控制器开发标定，具体如下图及动画所示。

Scania仿真了大部分与驾驶车辆相关的物理特性。

• 仿真时间通常比实时快。

• 对各种问题有了深刻的理解。

• 加快了开发模型或解决现有问题的时间。

• 后处理和动画很容易使用。

2.2  Kamaz——全轮驱动应用开发

Kamaz全轮驱动应用开发，如下动画所示：

通过该动画，我们可以看到：

•  极大优化了卡车扭矩分配单元

•  通过混合测试加速变速器控制校准

•  改善车辆在脱困路况下的能源效率

2.3 Voith Turbo ——优化经济性、冷却性能及驾驶舒适性

业务挑战:

• 改善四速自动变速器的液压阀行为

• 引入机电一体化产品的系统开发流程

成功关键:

• 使用一维多领域系统平台预测系统和子系统的动态行为

• 利用Amesim丰富及高品质的库，高效建模分析

Voith的应用如下动画所示：

结果:

• 减少测试时间和原型迭代次数

• 开发改进的液压阀设计

• 缩短上市时间

• 持续改进设计和开发流程

• 传动控制单元直接导入工作算法

• 模型在开发阶段的早期可用性

• 管理各种版本

3 纵向动力学——制动

本章主要列举商用车底盘制动相关应用。

3.1 WAbCO ——制动平台开发

Wabco基于Amesim开发了一整套制动零部件模型库，可以用于不同配置车辆制动系统匹配分析。

• 开发不同阀门的详细模型，包括它们的动力学，以模拟完整的制动回路。

• 开发的每个阀门和元件分别与实验进行校核。

• 基于Amesim超级组件方式生成了一个制动系统零部件库。

上述模型也可以用于各种车辆配置的制动系统布局的设计和优化，用于分析车辆的制动距离甚至稳定性。

3.1 TATA ——制动开发

TATA制动系统仿真平台的建模和验证过程被分为三个级别。如下图所示为整个制动系统建模的过程。

Level 1：基于Amesim这一多物理工具中阀门的物理和结构，对制动回路中使用的各种阀门进行了识别，并建立了每种阀门的数学模型。用实验结果对数学模型进行了验证,并在Amesim中建立了制动元件库。气动制动系统库包含了用于制动系统的所有部件的所有数学模型。这些元件级数学模型可以用来建立从非常简单到最复杂的气动制动系统数学模型。

Level 2：通过使用在第一级中创建的各种组件级模型创建了一个系统级数学模型。用实验结果再次验证了系统级数学模型。

Level 3：采用系统级数学模型建立整车级数学模型，预测动态制动性能，其中包含了传动系、悬架、轮胎等其他重要集合。用实验结果再次验证了车辆数学模型的正确性。该模型能够根据IS11852预测动态制动性能。同一模型已用于优化整个制动回路的性能和成本。

结果：

TATA将零件级、系统级和整车级模型的输出结果与实验结果进行了比较，发现了与实验结果密切相关的关键因素。根据IS11852在静态和动态条件下评估完整的制动系统性能，这将帮助设计者在设计或概念阶段本身根据IS11852冻结制动系统的目标制动性能规格。

• 该模型能够预测各参数对整体制动性能的贡献，从而帮助设计者选择对整体制动性能贡献最大或最小的参数，从而进一步提高整体制动性能。

• 也有可能选择各种阀门的最佳组合和各种阀门之间使用的最佳管径。利用现有的模型，有可能从成千上万的组合中选择一个最好的组合，可以在实际车辆上进行试验。

• 该模型可进一步推广用于评价ABS或ESP等先进制动系统的整车级制动性能。

4 小结

本文先是总体阐述了Amesim在商用车底盘总体应用，并着重阐述了纵向动力学传动及制动的典型应用。 由于篇幅限制，后续会继续更新垂向动力学及侧向动力学的应用，欢迎读者继续关注。

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文章来源Simcenter 1D 系统仿真