汽车工程专业毕业设计(论文).doc

东 北 大 学 再 教 育 学 院 毕 业 论 文摘要随着汽车的普及，交通事故也日趋频繁，人们对汽车安全性的要求也越来越高。对于这些要求，只有通过对汽车系统动力学的深入研究才能实现。在多体系统动力学分析软件中，ADAMS 是车辆动力学中应用最广，最为著名的一个软件。本文基于多刚体动力学ADAMS 软件对汽车制动系统参数进行优化设计。在ADAMS/Car 模块中构建整车动力学模型，进行直线制动仿真，分析了影响制动性能的关键因素；基于响应面法利用ADAMS/Insight 模块对制动系统前、后制动轮缸活塞面积,前、后制动器的摩擦系数和前后制动管路压强分配系数进行优化，得到制动距离最短的制动系统优化参数；并对优化前后的制动性能进行对比分析。结果表明：经过优化后的汽车制动性能得到较大改善。关键词：盘式制动器；仿真；响应面法；参数优化Abstract With the popularization of automobile, Traffic accident becomes more and more. More powerful technology and methods meet them, and they all based on betterly studing system dynamics of automobile. The software ADAMS, which developed with multi-body system dynamics, is the most fashionable and authoritative software in the field of mechanical dynamics simulation.Optimization design for automotive brake system parameters is discussed in this paper based on multi-body dynamic software ADAMS. In ADAMS/Car module, the vehicle dynamic model is built and straight brake simulation is performed, the optimal ranges of main factors are determined after analyzing the factors effecting brake performance. By using response surface methodology a group of optimal parameters is obtained with shortest brake distance in ADAMS/Insight module. The results of simulation are compared with that of the primary is enhanced after optimal design. Keywords: disc brake; simulation; response surface methodology; parameter optimization 目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 本课题来源及意义11.2 国内外研究现状及发展趋势11.3 本课题研究的主要内容32 制动系的主要参数及选择42.1 制动力与制动力分配系数42.2 同步附着系数72.3 制动器最大制动力矩93 ADAMS软件简介113.1 ADAMS软件概述113.2 ADAMS软件基本模块133.2.1 用户界面模块(ADAMS/View)133.2.2 求解器模块 (ADAMS/Solver)143.2.3 后处理模块 (ADAMS/PostProcessor)153.2.4 轿车模块(ADAMS/Car)164 基于ADAMS 的汽车建模174.1 主要系统模型174.1.1 前悬架系统174.1.2 后悬架系统184.1.3 转向系统194.1.4 制动系统194.2 整车模型的建立204.3 原车直线制动仿真214.3.1 仿真标准214.3.2 仿真条件224.3.3 仿真方法225 制动系统参数优化设计245.1 优化目标和设计参数245.2 优化方法与结果255.2.1 创建设计矩阵255.2.2 更改设计因素265.2.3 提出并更改响应285.2.4 运行试验295.3 参数优化前后制动性能对比分析326 结论与展望346.1 论文主要研究重点及结论346.2 展望34致谢35参考文献36 361 绪论1.1 本课题来源及意义课题基于ADAMS的制动系统优化设计来源于东北大学再教育学院毕业设计课题。随着经济和交通的发达，汽车越来越普及，它的安全性能也越来越受重视。汽车的良好制动性能是汽车安全的重要保障1。由制动引起的交通事故，在交通事故中占很大的比例。而且制动稳定性实车试验十分危险。对车辆的制动稳定性的研究受到了人们的广泛重视，尤其对制动稳定性的计算机仿真研究越来越受到关注。因此选择此课题对汽车的制动性能进行优化设计。1.2 国内外研究现状及发展趋势自1885 年卡尔.本茨制造出世界第一辆汽车之后，经过一百多年的迅猛发展，如今汽车已成为人们日常生活和工农业生产中不可缺少的重要交通工具。但随着汽车的普及，公路交通呈现出行驶高速化、车辆密集化和驾驶员非职业化的趋势。频繁的交通事故使公路运输的交通安全成为一个广泛关注的社会性问题。随着交通密集的增加，交通事故呈现出增加的趋势，因此，汽车的安全性研究是摆在汽车专家们面前的一个严峻的课题2。安全问题可分为两大部分：主动安全性和被动安全性。主动安全性是指汽车具有的在所有交通状况下尽可能地避免事故的一种性能；被动安全性是指汽车在发生不可避免的事故时（特别涉及到人员伤亡时），尽可能减小其后果的一种性能，包括外部安全性和内部成员安全性。按照汽车事故诱发因素的比例由大到小的排列，其顺序是操纵稳定性、加速制动性、环境视见性和可靠性。几十年来，如何设计汽车以获得良好的主动安全性，尤其是操纵稳定性，始终是各国学者和设计师们的主要研究方向之一。近年来，电子智能技术的引入如：全电子制动系统、电子控制的动力转向系统、智能悬挂系统、车辆周围的监测系统以及ABS防抱死系统等等，大大提高了汽车的主动安全性3。近十年来，随着计算机技术的飞速发展，以计算机仿真技术为手段，研究汽车的操纵动力学已成为该领域研究中的主要方向之一。新兴的虚拟样机技术是现代计算机仿真技术的一个新的研究方向。虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术（指在某单一系统中零部件的CAD 和FEA技术）揉和在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。它兴起于20 世纪90 年代，广泛应用于各种领域。不同领域对它的定义略有不同，主要区别在于技术的构成及其范畴上。虚拟样机技术的应用可以带来以下优点：1）在实际制造前，设计工程师可以通过虚拟样机方便地修改设计，进而减少物理样机数量，节约成本。2）对于项目管理者，虚拟样机在评估和管理项目风险方面是一个极有价值的工具。3）在设计生产的各阶段，虚拟样机能够主动地影响产品的支持保障，减少产品周期。4）通过在设计的每一个阶段进行虚拟样机测试，使测试者对未来产品进行评价，减少工装费用。5）借助虚拟样机，并行工程应用在设计过程中，加快了产品的上市时间。6）通过使用虚拟样机，将使传统的系统、子系统、制造过程的理解得到扩展和深入，并且使为技术要求、制造性能、可实现性和可维护性而进行的设计变得可能和容易，从而提高企业市场竞争能力。7）虚拟样机是分析对于物理样机来说极其危险的工况的最佳手段，如汽车的碰撞试验，越野车的抗翻倾试验，飞机乘员的安全性试验等。此外，虚拟样机技术还可用于产品的概念设计阶段、设计细化阶段、试验规划阶段以及工作状态再现等的全过程（虚拟样机的建立步骤见图1.1）。总之，机械系统虚拟样机技术作为进行机械系统样机设计、仿真分析研究复杂机械系统动力学问题的有效手段，可以帮助产品制造商摆脱对物理样机的过度依赖，对于提高产品质量、缩短设计开发周期、降低成本都可以起到显著的作用。从产品开发的发展趋势来看，未来的机械产品开发必将是基于虚拟样机技术的开发4。而作为虚拟样机分析软件的杰出代表，机械系统动力学自动分析软件ADAMS(Automatic Dynamic AnalysisMechanicaI systems)已经被世界各行业许多主要制造商采用，占据了机械系统动态仿真软件51的市场份额。在汽车设计制造业中，广泛应用于汽车零部件设计与优化、整车性能分析评价与预测、新技术开发以及制造。本文首先在ADAMS中建立了汽车整车模型，然后对其进行了制动性能的分析研究。1.3 本课题研究的主要内容本课题即是在某汽车的设计阶段，根据整车的结构特征及其性能参数，在ADAMS/CAR 里建立整车模型，根据国家标准及国际标准要求，对该车的制动效能进行了仿真分析和评价，对该车的制动性能进行了优化。车辆的制动稳定性直接关系到其安全性能，对车辆的操纵控制有重要影响，对车辆的主动安全性亦有否决权。由制动引起的交通事故，在交通事故中占很大的比例。而且制动稳定性实车试验十分危险。对车辆的制动稳定性的研究受到了人们的广泛重视，尤其对制动稳定性的计算机仿真研究越来越受到关注，已成为车辆制动稳定性理论研究与样车性能预测的重要手段。但制动稳定性本身是一个十分复杂的问题，因此，较为简单的模型只能用于理论的定性分析，很难指导具体的产品设计与开发，产品的设计与开发需要更加精确的模型，适合采用虚拟样机的仿真试验进行研究。汽车的制动性是指汽车在行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在狭长坡时能维持一定车速的能力。汽车制动性主要由以下三个方面来评价：1）制动效能，即制动距离和制动减速度；2）制动效能的恒定性，即抗衰退性能；3）制动时汽车的方向稳定性，即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能。鉴于汽车制动稳定性影响因素的多面性和不可预知性，而该车制动系统建模时左、右车轮施加的是相同的制动力矩，因此不能用于制动稳定性方面的分析。制动效能的恒定性本文也不予讨论5。本文仅对第一项“制动效能”进行仿真研究，主要是直线制动性能仿真分析。另外该制动系统模型不含ABS 功能，仿真时逐渐增大踏板力，待前轮刚发生抱死时停止仿真，考察该车在ABS 系统产生作用之前的制动效能。2 制动系的主要参数及选择2.1 制动力与制动力分配系数汽车制动时，如果忽略路面对车轮的滚动阻力矩和汽车回转质量的惯性力矩，则任一角速度0的车轮，其力矩平衡方程为: （2-1）式中Tf 制动器对车轮作用的制动力矩，即制动器的摩擦力矩，其方向与车轮旋转方向相反，Nm； FB 地面作用于车轮上的制动力，即地面与轮胎之间的摩擦力，又称为地面制动力，其方向与汽车行驶方向相反，N； re车轮有效半径，m。 （2-2）并称之为制动器制动力，它是在轮胎周缘克服制动器摩擦力矩所需的力，因此又称为制动周缘力。Ff与地面制动力FB的方向相反，当车轮角速度0时，大小亦相等，且Ff仅由制动器结构参数所决定。即Ff取决于制动器的结构型式、尺寸、摩擦副的摩擦系数及车轮有效半径等，并与制动踏板力即制动系的液压或气压成正比。当加大踏板力以加大Tf，Ff和FB均随之增大。但地面制动力受着附着条件的限制，其值不可能大于附着力Fj,即FB Fj=Zj，FB= Fj=Zj （2-3）式中轮胎与地面间的附着系数； Z地面对车轮的法向反力。 当制动器制动力Ff和地面制动力FB达到附着力Fj值时，车轮即被抱死并在地面上滑移。此后制动力矩Tf即表现为静摩擦力矩，而Ff= Tf / re即成为与相平衡以阻止车轮再旋转的周缘力的极限值。当制动到F=0以后，地面制动力FB达到附着力Fj值后就不再增大，而制动器制动力Ff由于踏板力Fp的增大使摩擦力矩Tf增大而继续上升。根据汽车制动时的整车受力分析，考虑到制动时的轴荷转移，可求得地面对前、后轴车轮的法向反力Z1，Z2为：Z1= （2-4）Z2= （2-5）式中 G汽车所受重力； L汽车轴距； L1汽车质心离前轴距离； L2汽车质心离后轴距离； hg汽车质心高度； g重力加速度； 汽车制动减速度。 汽车总的地面制动力为FB= =Gq （2-6）式中 q（q=）制动强度，亦称比减速度或比制动力； FB1，FB2前后轴车轮的地面制动力。由以上两式可求得前、后轴车轮附着力为F1= （2-7）F2= （2-8）上式表明：汽车在附着系数为任意确定值的路面上制动时，各轴附着力即极限制动力并非为常数，而是制动强度q或总制动力FB的函数。当汽车各车轮制动器的制动力足够时，根据汽车前、后轴的轴荷分配，前、后车轮制动器制动力的分配、道路附着系数和坡度情况等，制动过程可能出现的情况有三种，即(1)前轮先抱死拖滑，然后后轮再抱死拖滑； (2)后轮先抱死拖滑，然后前轮再抱死拖滑； (3)前、后轮同时抱死拖滑。 在以上三种情况中，显然是最后一种情况的附着条件利用得最好。 由式(7)、式(8)不难求得在任何附着系数的路面上，前、后车轮同时抱死即前、后轴车轮附着力同时被充分利用的条件是= （2-9） = = （2-10）式中 Ff1前轴车轮的制动器制动力， Ff2后轴车轮的制动器制动力， FB1前轴车轮的地面制动力； FB2后轴车轮的地面制动力； Z1，Z2地面对前、后轴车轮的法向反力； G汽车重力； L1 ，L2汽车质心离前、后轴距离；hg汽车质心高度。 由式(9)可知，前、后车轮同时抱死时，前、后轮制动器的制动力Ff1，Ff2是的函数。 由式(9)中消去，得 Ff2= （2-11）式中 L汽车的轴距。 将上式绘成以Ff1，Ff2为坐标的曲线，即为理想的前、后轮制动器制动力分配曲线，简称I曲线。如果汽车前、后制动器的制动力Ff1，Ff2能按I曲线的规律分配，则能保证汽车在任何附着系数的路面上制动时，都能使前、后车轮同时抱死。然而，目前大多数两轴汽车尤其是货车的前、后制动器制动力之比值为一定值，并以前制动Ff1与汽车总制动力Ff之比来表明分配的比例，称为汽车制动器制动力分配系数： （2-12）又由于在附着条件所限定的范围内，地面制动力在数值上等于相应的制动周缘力，故又可通称为制动力分配系数14。 图2-1 某载货汽车的I曲线和曲线2.2 同步附着系数式(2-12)可表达为 （2-13）上式在图2-1中是一条通过坐标原点且斜率为(1-)/的直线，它是具有制动器制动力分配系数为的汽车的实际前、后制动器制动力分配线，简称线。图中线与I曲线交于B点，可求出B点处的附着系数=0,则称线与I曲线交点处的附着系数0为同步附着系数。它是汽车制动性能的一个重要参数，由汽车结构参数所决定。同步附着系数的计算公式是： 0= （2-14）对于前、后制动器制动力为固定比值的汽车，只有在附着系数等于同步附着系数0的路面上，前、后车轮制动器才会同时抱死。当汽车在不同值的路面上制动时，可能有以下情况： (1)当0，线位于I曲线上方，制动时总是后轮先抱死，这时容易发生后轴侧滑使汽车失去方向稳定性。 (3)当=0，制动时汽车前、后轮同时抱死，是一种稳定工况，但也失去转向能力。 为了防止汽车的前轮失去转向能力和后轮产生侧滑，希望在制动过程中，在即将出现车轮抱死但尚无任何车轮抱死时的制动减速度，为该车可能产生的最高减速度。分析表明，汽车在同步附着系数0的路面上制动(前、后车轮同时抱死)时，其制动减速度为du/dt=qg=0g，即q=0，q为制动强度。而在其他附着系数的路面上制动时，达到前轮或后轮即将抱死时的制动强度q0的良好的路面上（例如=0.7）能够制动到后轴和前轴先后抱死滑移（此时制动强度=q），前、后轴的车轮制动器所能产生的最大制动力力矩为 （2-19） （2-20）对于选取较大0值的各类汽车，则应从保证汽车制动时的稳定性出发，来确定各轴的最大制动力矩。当时，相应的极限制动强度q ，故所需的后轴和前轴的最大制动力矩为 （2-21） （2-22）式中该车所能遇到的最大附着系数；q制动强度，由式(22)确定；re车轮有效半径。一个车轮制动器应有的最大制动力矩为按上列公式计算结果的半值13。3 ADAMS软件简介本章对基于虚拟样机技术的商业软件ADAMS进行扼要介绍，并分类介绍ADAMS软件的主要模块，包括基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块和工具箱。通过本章的学习，可以对ADAMS软件的主要模块有个概要性的了解，便于以后对各模块具体内容的学习掌握6。3.1 ADAMS软件概述ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件销售总额近八千万美元、占据了51%的份额。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。ADAMS软件有两种操作系统的版本：UNIX版和Windows NT/2000版。本书将以Windows 2000版的ADAMS l2.0为蓝本进行介绍。ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成，如表3.1所示。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。 表3.1 ADAMAS软件模块基本模块用户界面模块ADAMSView求解器模块ADAMSSolver后处理模块ADAMSPostProcessor扩展模块液压系统模块ADAMS/Hydraulics振动分析模块ADAMS/Vibration线性化分析模块ADAMS/Linear高速动画模块ADAMS/Animation试验设计与分析模块ADAMS/Insight耐久性分析模块ADAMS/Durability数字化装配回放模块ADAMS/DMU Replay接口模块柔性分析模块ADAMS/Flex控制模块ADAMS/Controls图形接口模块ADAMS/ExchangeCATIA专业接口模块CAT/ADAMSPro/E接口模块Mechanical/Pro专业领域模块轿车模块ADAMS/Car悬架设计软件包Suspension Design概念化悬架模块CSM驾驶员模块ADAMS/Driver动力传动系统模块ADAMS/Driveline轮胎模块ADAMS/Tire柔性环轮胎模块FTire Module柔性体生成器模块ADAMS/FBG经验动力学模型EDM发动机设计模块ADAMS/Engine配气机构模块ADAMS/Engine Valvetrain正时链模块ADAMS/Engine Chain附件驱动模块Accessory Drive Module铁路车辆模块ADAMS/RailFORD汽车公司专用汽车模块ADAMS/Pre工具箱软件开发工具包ADAMS/SDK虚拟试验工具箱Virtual Test Lab虚拟试验模态分析工具箱Virtual Experiment Modal Analysis钢板弹簧工具箱Leafspring Toolkit飞机起落架工具箱ADAMS/Landing Gear履带/轮胎式车辆工具箱Tracked/Wheeled Vehicle齿轮传动工具箱ADAMS/Gear Tool3.2 ADAMS软件基本模块3.2.1 用户界面模块(ADAMS/View)ADAMS/View是ADAMS系列产品的核心模块之一，采用以用户为中心的交互式图形环境，将图标操作、菜单操作、鼠标点击操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、XY曲线图处理、结果分析和数据打印等功能集成在一起。ADAMS/View采用简单的分层方式完成建模工作。采用Parasolid内核进行实体建模，并提供了丰富的零件几何图形库、约束库和力/力矩库，并且支持布尔运算、支持FORTRAN/77和FORTRAN/90中的函数。除此之外，还提供了丰富的位移函数、速度函数、加速度函数、接触函数、样条函数、力/力矩函数、合力/力矩函数、数据元函数、若干用户子程序函数以及常量和变量等。自9.0版后，ADAMS/View采用用户熟悉的Motif界面(UNIX系统)和Windows界面(NT系统)，从而大大提高了快速建模能力。在ADAMS/View中，用户利用TABLE EDITOR，可像用EXCEL一样方便地编辑模型数据，同时还提供了PLOT BROWSER和FUNCTION BUILDER工具包。DS(设计研究)、DOE(实验设计)及OPTIMIZE(优化)功能可使用户方便地进行优化工作。ADAMS/View有自己的高级编程语言，支持命令行输入命令和C+语言，有丰富的宏命令以及快捷方便的图标、菜单和对话框创建和修改工具包，而且具有在线帮助功能。ADAMS/View模块界面如图3 -1所示。 图3 -1 ADAMS/View模块ADAMS/View新版采用了改进的动画/曲线图窗口，能够在同一窗口内可以同步显示模型的动画和曲线图；具有丰富的二维碰撞副，用户可以对具有摩擦的二维点曲线、圆曲线、平面曲线，以及曲线曲线、实体实体等碰撞副自动定义接触力；具有实用的Parasolid输入/输出功能，可以输入CAD中生成的Parasolid文件，也可以把单个构件、或整个模型、或在某一指定的仿真时刻的模型输出到一个Parasolid文件中；具有新型数据库图形显示功能，能够在同一图形窗口内显示模型的拓扑结构，选择某一构件或约束(运动副或力)后显示与此项相关的全部数据；具有快速绘图功能，绘图速度是原版本的20倍以上；采用合理的数据库导向器，可以在一次作业中利用一个名称过滤器修改同一名称中多个对象的属性，便于修改某一个数据库对象的名称及其说明内容；具有精确的几何定位功能，可以在创建模型的过程中输入对象的坐标、精确地控制对象的位置；多种平台上采用统一的用户界面、提供合理的软件文档；支持Windows NT平台的快速图形加速卡，确保ADAMS/View的用户可以利用高性能OpenGL图形卡提高软件的性能；命令行可以自动记录各种操作命令，进行自动检查。3.2.2 求解器模块 (ADAMS/Solver)ADAMS/Solver是ADAMS系列产品的核心模块之一，是ADAMS产品系列中处于心脏地位的仿真器。该软件自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。ADAMS/Solver有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种工程应用问题。ADAMS/Solver可以对刚体和弹性体进行仿真研究。为了进行有限元分析和控制系统研究，用户除要求软件输出位移、速度、加速度和力外，还可要求模块输出用户自己定义的数据。用户可以通过运动副、运动激励，高副接触、用户定义的子程序等添加不同的约束。用户同时可求解运动副之间的作用力和反作用力，或施加单点外力。ADAMS/Solver新版中对校正功能进行了改进，使得积分器能够根据模型的复杂程度自动调整参数，仿真计算速度提高了30%；采用新的S12型积分器(Stabilized Index 2 intergrator)，能够同时求解运动方程组的位移和速度，显著增强积分器的鲁棒性，提高复杂系统的解算速度；采用适用于柔性单元(梁、衬套、力场、弹簧阻尼器)的新算法，可提高S12型积分器的求解精度和鲁棒性；可以将样条数据存储成独立文件使之管理更加方便，并且spline语句适用于各种样条数据文件，样条数据文件子程序还支持用户定义的数据格式；具有丰富的约束摩擦特性功能，在Translational, Revolute, Hooks, Cylindrical, Spherical, Universal等约束中可定义各种摩擦特性。3.2.3 后处理模块 (ADAMS/PostProcessor)MDI公司开发的后处理模块ADAMS/Postprocessor，用来处理仿真结果数据、显示仿真动画等。既可以在ADAMS/View环境中运行，也可脱离该环境独立运行。如图3 -2所示。ADAMS/PostProcessor的主要特点是：采用快速高质量的动画显示，便于从可视化角度深入理解设计方案的有效性；使用树状搜索结构，层次清晰，并可快速检索对象；具有丰富的数据作图、数据处理及文件输出功能；具有灵活多变的窗口风格，支持多窗口画面分割显示及多页面存储；多视窗动画与曲线结果同步显示，并可录制成电影文件；具有完备的曲线数据统计功能：如均值、均方根、极值、斜率等；具有丰富的数据处理功能，能够进行曲线的代数运算、反向、偏置、缩放、编辑和生成波特图等；为光滑消隐的柔体动画提供了更优的内存管理模式；强化了曲线编辑工具栏功能；能支持模态形状动画，模态形状动画可记录的标准图形文件格式有：*.gif，*.jpg，*.bmp，*.xpm，*.avi 等；在日期、分析名称、页数等方面增加了图表动画功能；可进行几何属性的细节的动态演示。图3 -2 ADAMS后处理模块 ADAMS/PostProcessor的主要功能包括：为用户观察模型的运动提供了所需的环境，用户可以向前、向后播放动画，随时中断播放动画，而且可以选择最佳观察视角，从而使用户更容易地完成模型排错任务；为了验证ADAMS仿真分析结果数据的有效性，可以输入测试数据，并测试数据与仿真结果数据进行绘图比较，还可对数据结果进行数学运算、对输出进行统计分析；用户可以对多个模拟结果进行图解比较，选择合理的设计方案；可以帮助用户再现ADAMS中的仿真分析结果数据，以提高设计报告的质量；可以改变图表的形式，也可以添加标题和注释；可以载入实体动画，从而加强仿真分析结果数据的表达效果；还可以实现在播放三维动画的同时，显示曲线的数据位置，从而可以观察运动与参数变化的对应关系7。3.2.4 轿车模块(ADAMS/Car)ADAMS/Car是MDI公司与Audi、BMW、Renault和Volvo等公司合作开发的整车设计软件包，集成了他们在汽车设计、开发方面的专家经验，能够帮助工程师快速建造高精度的整车虚拟样机，其中包括车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等，工程师可以通过高速动画直观地再现在各种试验工况下(例如：天气、道路状况、驾驶员经验)整车的动力学响应，并输出标志操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性的特征参数，从而减少对物理样机的依赖，而仿真时间只是进行物理样机试验的几分之一。ADAMS/Car采用的用户化界面是有成效的开发工作。ADAMS/Car中包括整车动力学模块(Vehicle Dynamics)和悬架设计模块(Suspension Design)，其仿真工况包括：方问盘角阶跃、斜坡和脉冲输入、蛇行穿越试验、漂根据汽车工程师的习惯而专门设计的。工程师不必经过任何专业培训，就可以应用该软件开展卓移试验、加速试验、制动试验和稳态转向试验等，同时还可以设定试验过程中的节气门开度、变速器档位等。4 基于ADAMS 的汽车建模基于ADMAS 软件建立的整车虚拟模型由前悬架系统、后悬架系统、转向系统、车身系统、发动机及传动系统、制动系统以及轮胎系统组成。本文重点讨论制动系统、轮胎系统和车身系统的建模和参数设置。4.1 主要系统模型 4.1.1 前悬架系统该车的前悬架为双横臂独立悬架，简化后的前悬架系统模型由上横臂、下横臂、立柱、前横向稳定杆、连杆、转向横拉杆、减震器支座、轮心轴、前副车架以及减震器的上、下端组成。减震器上端与车身由弹性衬套（ 不考虑弹性衬套时为万向节铰链）相连，减震器的上、下端由圆柱副和弹簧、阻尼器力元相连；上横臂与车身由2个弹性衬套（不考虑弹性衬套时为转动铰链）相连，上横臂与立柱由球铰相连；连杆和减震器支座由球铰相连；转向横拉杆与转向齿条由恒速副相连，转向横拉杆与立柱由球铰相连；轮心轴与立柱由转动铰链相连；下横臂与立柱由球铰相连；轮心轴与驱动轴由恒速副相连；驱动轴和发动机动力输出轴由恒速副相连；下横臂与前副车架由2 个弹性衬套（ 不考虑弹性衬套时为转动铰链）相连；前副车架与车身由6个弹性衬套（不考虑弹性衬套时为固定铰链）相连；动力输出轴与驱动轴由恒速副相连；减震器支座与下横臂由弹性衬套（不考虑弹性衬套时为万向节铰链）相连，减震器支座与减震器下端由固定副相连。前横向稳定杆分成左、右对称的2个部分，2部分之间由1个旋转副和1个扭转弹簧阻尼器相连，以该扭转弹簧阻尼器的扭转刚度和阻尼来模拟实际横向稳定杆的扭转刚度和阻尼。横向稳定杆与连杆由恒速副相连，横向稳定杆与前副车架由1 个弹性衬套相连，如图4-1 所示9。图4-1 前悬架总成4.1.2 后悬架系统该车的后悬架系统为双横臂独立悬架，简化后的后悬架模型由上横臂、下横臂、立柱、动力输出轴、轮心轴以及减震器的上、下端组成，如图4-2 所示。图4-2 后悬架系统4.1.3 转向系统该车的转向系统是一个齿轮齿条式液压助力转向系统，简化后的转向系统由方向盘、转向轴、转向传动轴、转向输出轴、转向齿轮、转向齿条以及转向齿条套组成。当转向齿轮转过一个角度时，液压动力活塞上会产生压强差，从而产生帮助转向的助力。该液压系统输出的动力是通过编辑特性文件来实现的。方向盘与转向轴间为旋转副，转向轴与车身间为旋转副，这2个旋转副之间为复合铰链；转向传动轴与转向轴之间为万向节铰链，转向输出轴与转向传动轴之间为万向节铰链；转向输出轴与转向齿条套间为旋转副，转向齿轮与转向齿条套间为旋转副，这2个旋转副之间为复合铰链；转向齿条与转向齿条套间为滑动副，该约束副和转向齿轮与转向齿条套间为旋转副之间为复合铰链；转向齿轮与转向输出轴由弹性衬套相连，转向齿条套与车身之间由2个衬套（不考虑弹性衬套时为固定铰链）相连；转向齿条与转向横拉杆之间为球副10。4.1.4 制动系统该车前、后轮制动器均采用液压盘式制动器。在ADAMS 中将盘式制动器简化成制动钳和制动盘两部分，其中制动钳通过输入通讯器与悬架的立柱连接，制动盘通过输入通讯器安装在车轮上。制动盘和制动钳之间以一个单作用力矩制动器定义制动力矩。制动力矩由公式（4-1）计算得到： T= （4-1）式中： A 制动轮缸活塞面积， mm2 ；P 制动轮缸的制动液压； 制动钳摩擦衬片和制动盘之间的摩擦系数；R 有效制动半径， mm； （4-2）式中： 前制动器液压与前、后制动器液压总和的比值，仿真分析时输入的踏板力， N ； 从输入的踏板力到前、后制动器液压的转换系数。鉴于汽车制动稳定性影响因素的多面性和不可预知性，而该车制动系统建模时左、右车轮施加的是相同的制动力矩，因此本文建立的制动系统模型仅用于制动效能的仿真研究，而不能用于制动稳定性方面的分析。另外，该制动系统模型不含ABS 功能，仅考察该车在ABS 系统产生作用之前的制动效能。4.2 整车模型的建立各子系统建立完成后，在标准模式(Standard interface)下将所建各子系统模型与整车测试台(MDI_SDI_TESTRIG)组装在一起，得到整车多体动力学仿真模型，如图4-4所示。表4.1为该车满载时整车及制动系统原始设计参数。 图4-3 建立整车模型 图4-4 整车模型表4.1 整车及制动系统参数整车总质量/kg1528轴距/mm2608质心距前轴距离/mm1482重心离地高度/mm432前制动盘作用半径/mm140后制动盘作用半径/mm125前卡钳油缸直径/mm53后卡钳油缸直径/mm48前、后制动器摩擦系数0.42前后制动管路油压分配系数0.64.3 原车直线制动仿真4.3.1 仿真标准本文直线制动性能仿真分析的进行步骤参照中华人民共和国国家标准（GB126761999），此标准适合于轿车、客车及货车11。4.3.2 仿真条件在附着系数为0.8的良好路面上，对整车进行直线制动仿真试验。4.3.3 仿真方法仿真时间为6 s，汽车以80 km/h初速度运动1 s后开始制动，制动强度为100%，制动器起作用时间为0.22 s。分析仿真结果发现前后制动器制动力分配严重不合理，有必要对制动系统参数进行重新设计，以减小制动距离，满足法规要求。 图4-5 直线制动仿真图4-6 仿真结果在附着系数为0.8的路面上进行制动仿真试验。以80km/h初速行驶1 s后开始制动，强度为100%，制动器起作用时间为0.22 s，仿真时间为6 s。制动距离46.16 m。5 制动系统参数优化设计5.1 优化目标和设计参数汽车制动距离越短，则制动效能越高，故将制动系统参数优化设计的目标定为制动距离最短。决定汽车制动距离的主要因素是：制动器起作用的时间、制动减速度以及起始车速。由于整车制动器型式不变，仿真初始制动车速设定后，只需考虑影响最大制动减速度的汽车参数。制动器制动力矩的大小直接影响制动减速度的大小。由公式（1）可知，制动器制动力矩的大小与制动软管油液的压强有关。而制动软管油液压强P 又与前后制动管路压强分配系数密切相关，增加，前制动器制动力矩增加，后制动器制动力矩减小，因此，将作为优化参数之一。该车为发动机前置前轮驱动，前轮要求的制动器制动力较大，将变化范围定在0.600.73 之间。由式（1）又知，增大摩擦系数、制动轮缸活塞面积和制动盘的有效制动半径，会使制动器制动力矩增大。摩擦系数主要取决于摩擦材料种类，根据零件的供应情况，有三种摩擦系数的制动块可供选择，摩擦系数分别为0.38、0.40、0.42，因此将前、后制动器的摩擦系数作为优化参数。另外，将前、后制动轮缸活塞面积也作为优化参数，前轮缸活塞面积变化范围为22002600 mm2（缸径为5356mm）, 后轮缸活塞面积变化范围为18002000mm2（缸径为4850mm）。由于制动盘的有效制动半径大小受轮辋尺寸的限制，前制动盘尺寸的设计还必需考虑其与转向节的相对位置，制动盘有效制动半径可变动范围很小，故不作为优化设计参数。 另外，制动减速度受地面附着力的限制。地面附着力取决于轮胎与路面间的垂直载荷和附着系数，这两方面又会受很多因素的影响，其中一些因素在汽车的实际行驶过程中又是随机的。如整车重量和质心位置影响着前后车轮的垂直载荷与其转移量的大小，但整车的质量、质心的位置和轴距在汽车总布置设计完成后不能轻易变动，因此这些参数不作为优化参数12。图5-1 制动系统优化参数5.2 优化方法与结果Adams/Insight模块是MSC公司的试验设计软件，利用该模块用户可以进行单目标或多目标优化，自变量可以是连续的，也可以是离散的。在Insight中，将前后制动管路油压分配系数、前制动器的摩擦系数、后制动器的摩擦系数、前轮缸活塞面积、后轮缸活塞面积作为制动系统优化设计因素，以制动距离最短为响应进行优化设计。为了在设计范围内寻求最优解，本文用响应面法，用交互模式来拟合设计因素与响应之间的关系。响应面方法(Response surface methodology，RSM)是用一个超曲面来近似地替代实际的复杂结构输入与输出的关系，即通