硕士学位论文-气悬架大客车的多体动力学仿真分析.pdf

分类号：u 2 7 ；u 4 6 1 0 7 1 0 0 8 2 2 0 0 2 谖步犬海 硕士学位论文 空气悬架大客车的多体动力学仿真分析 辉 导师姓名职称刘晶郁教授 申请学位级别工学硕士学科专业名称车辆工程 论文提交日期2 0 1 1 年0 5 月1 5 日论文答辩日期2 0 1 1 年0 6 月1 7 日 学位授予单位长安大学 答辩委员会主席 学位论文评阅人 余强教授 张晓康高工 张德鹏副教授 m u l t i - - b o d yd y n a m i c ss i m u l a t i o no fb u s w i t h a i rs u s p e n s i o n ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l i uh u i s u p e r v i s o r ：p r o f l i uj i n g y u c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 蝴糍：泰v 1 鸨训制”日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 敝储躲籼嘲硼训月，7 日 铷签名：5 t 【门年m 口日 l 摘要 空气悬架是一种新型的悬架系统，能够明显地改善汽车的操纵稳定性、行驶平顺性 和安全性。空气悬架具有良好的弹性特性和固有频率低等优点，为空气悬架的应用提供 了广阔的平台，使得大客车装备空气悬架系统成为发展的必然趋势。 本文以某空气悬架大客车为原型，多体系统动力学理论方法为依据，运用多体动力 学分析软件h y p e r w o r k s m o t i o n v i e w 进行建模仿真分析。通过建立大客车的转向系统与 前空气悬架系统( 包含前轮和前轴) 模型，进行了四种极限工况下各导向杆件的静力学 分析，为空气弹簧支座强度分析提供了依据；研究了前轮跳动对前轮定位参数的影响， 并进行了转向系统与前空气悬架系统的运动干涉分析，在此基础上进行d o e 分析，找 出对干涉量影响较大的变量，对其进行了优化，提出了相应改进措施；论文还在前悬架 和转向系统模型的基础上，建立了空气悬架大客车的整车模型，按照汽车操纵稳定性试 验方法对大客车模型进行了三种典型的操纵稳定性仿真试验，并对仿真试验结果进行分 析研究。 关键词：大客车，空气悬架，多体动力学，d o e 分析，操纵稳定性 a b s t r a c t t h ea i rs u s p e n s i o na san e wt y p eo fs u s p e n s i o ns y s t e mc a i lo b v i o u s l yi m p r o v et h ev e h i c l e h a n d i n gs t a b i l i t y , r i d ep e r f o r m a n c ea n ds a f e t y t h e a i rs u s p e n s i o nh a sg o o de l a s t i c i t y c h a r a c t e r i s t i ca n dt h ei n h e r e n tf r e q u e n c ye t c ，p r o v i d i n gab r o a dp l a t f o r mf o rt h ea p p l i c a t i o no f a i rs u s p e n s i o n ，m a k i n gb u se q u i p m e n ta i rs u s p e n s i o ns y s t e mb e c o m ea ni n e v i t a b l et r e n do f t h es u s p e n s i o ns y s t e md e v e l o p m e n t t h i sp a p e rt a k e sab u so fa i rs u s p e n s i o nf o rp r o t o t y p e ，m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o na n a l y s i s o fi tb ym u l t i - b o d yd y n a m i c sa n a l y s i ss o f t w a r eh y p e r w o r k s m o t i o n v i e wa n du s e dm u l t i b o d y s y s t e md y n a m i c st h e o r ym e t h o da st h et h e o r yb a s i s b u i l d i n gt h em o d e lo fb u ss t e e r i n g s y s t e ma n df o r m e ra i rs u s p e n s i o n ( i n c l u d i n gt h ef r o n tw h e e la n df r o n ta x l e ) ，a n a l y z e sf o u r e x t r e m ec o n d i t i o n so fa i rs p r i n gb e a t i n gf o r c ep e a ks ot h a tt h er e s u l t sd op r o v i d eab a s i sf o r a n a l y s i st h ed e f o r m a t i o no fa i rs p r i n gb e a r i n g su s i n gf i n i t ee l e m e n t ；r e s e a r c ht h ee f f e c t so f f r o n tw h e e lp o s i t i o n a lp a r a m e t e r sw h e ns i n g l ew h e e lb e a t i n g c h e c k i n ga n da n a l y z i n g s t e e r i n ga n ds u s p e n s i o nm o v e m e n ti n t e r f e r e n c er e s p e c t i v e l y ，b a s e do ni t f o rt h ed o e a n a l y s i s ，t h e nf i n d i n go u tt h eb i ga f f e c t sv a r i a b l ei n t e r f e r e n c e ，i t so p t i m i z e dm o d e li sd e s i g n e d a n di m p r o v i n gm e a s u r e sa r ep u tf o r w a r d b a s e do nt h ef r o n ts u s p e n s i o na n ds t e e r i n gs y s t e m ， b u i l d i n gt h ew h o l ev e h i c l em o d e l ，a n dt h e nt h r e ek i n d so ft y p i c a lh a n d i n gs t a b i l i t ys i m u l a t i o n w a st e s t e da c c o r d i n gt ot h ev e h i c l eh a n d i n gs t a b i l i t yt e s tm e t h o da n dt h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ea n a l y z e da n ds t u d i e d k e y w o r d s ：b u s ，a i rs u s p e n s i o n ，m u l t i b o d yd y n a m i c s ，d o ea n a l y s i s ，h a n d l i n gs t a b i l i t y 目录 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2 国内外空气悬架技术研究现状及趋势l 1 3 选题背景3 1 4 研究意义及主要内容4 第二章大客车三维整车数字化模型的建立5 2 1m o t i o n v i e w 建模原则及操作步骤5 2 2 整车模型参数的确定5 2 3 前悬架子系统仿真模型的建立6 2 3 1 前轴及前轮模型的建立7 2 3 2 前悬架各导向杆件模型的建立8 2 3 3 横向稳定杆的建立9 2 3 4 前空气弹簧模型的建立1 0 2 3 5 前减振器的建立1 2 2 3 6 前悬子系统模型1 3 2 4 转向系子系统模型的建立1 3 2 4 1 传动杆系及方向盘模型的建立1 3 2 4 2 角传动轴模型的建立1 4 2 4 3 循环球式转向器模型的建立1 4 2 4 4 转向系模型1 4 2 5 后悬架子系统仿真模型的建立1 5 2 6 整车模型1 7 2 7 本章小结1 8 第三章前悬架空气弹簧支座的静力学分析。1 9 3 1 水平弯曲工况h 1 9 3 2 紧急制动工况2 3 3 3 转弯工况2 6 3 3 1 左转弯2 7 3 3 2 右转弯3 0 3 4 极限扭转工况3 3 3 4 1 右轮悬空3 3 3 4 2 左轮悬空3 6 i i i 3 5 本章小结4 0 第四章车轮跳动时前轮定位参数的变化4 1 4 1 车轮定位参数4 1 4 2 右轮跳动时前轮定位参数的变化4 3 4 2 1 右轮跳动时右轮定位参数的变化4 3 4 2 2 右轮跳动时左轮定位参数的变化4 4 4 3 左轮跳动时前轮定位参数的变化4 5 4 3 1 左轮跳动时左轮定位参数的变化4 6 4 3 2 左轮跳动时右轮定位参数的变化4 7 4 4 本章小结4 8 第五章前悬架及转向系统的运动校核及优化4 9 5 1 模型优化前分析4 9 5 2 模型d o e 分析5 0 5 3 模型运动学干涉分析一5 3 5 4 转向系和悬架导向杆系的优化布置5 4 5 5 本章小结5 9 第六章整车操纵稳定性仿真试验及分析。6 0 6 1 转向盘角阶跃输入仿真试验及结果分析6 0 6 1 1 仿真试验方法6 0 6 1 2 仿真试验结果及分析6 0 6 2 转向盘角脉冲输入仿真试验及结果分析6 2 6 2 1 仿真试验方法6 2 6 2 2 仿真试验结果6 2 6 2 3 试验结果评价6 4 6 3 双移线仿真试验及结果6 6 6 3 1 仿真试验方法6 6 6 3 2 仿真试验结果及分析6 6 6 4 本章小结6 8 结论及展望6 9 参考文献7 1 攻读硕士学位期间的学术成果7 4 致谢7 5 i v 长安大学硕七学位论文 1 1 引言 第一章绪论 十九世纪中期以来，应用空气悬架的汽车越来越多，尤其是在中高级大客车上的应 用1 1 1 。截止目前，在欧美、日本等发达国家中级以上客车( 含中级) 已全部装备空气悬 架。2 0 0 2 年6 月，国家交通部也为此出台了相应的行业标准，在营运客车的等级评定中 提出了高级大中型客车必须采用空气悬架的硬性要求【2 1 。空气悬架克服了钢板弹簧等悬 架乘坐舒适性和通过性差、对路面冲击大、寿命短等缺点。随着高速公路通车罩程的增 加，汽车工业和合成橡胶工业的迅猛发展，人们对汽车的操纵稳定性、平顺性、安全性 要求越来越高，加上国家政策的引导，为空气悬架的大规模应用提供了平台，使大客车 装备空气悬架成为必然。 空气悬架主要特剧3 】： 1 ) 理想的反“s 型弹性刚度。空气弹簧的刚度是非线性的，可以确保载荷变化时车譬 辆拥有良好的行驶平顺性。 2 ) 载荷变化对固有频率变化影响小。相对恒定的低振动频率有利于改善来自路面 不平度引起的激励向车架( 或车身) 的传递，可以提高汽车行驶的平顺性，同时还可以 减少汽车零部件和路面由不良振动造成的损坏，提高汽车零部件和路面的使用寿命。 3 ) 汽车载荷变化及处在不同运动状态时，可实现车身高度的自动调节。当载荷变 化时，通过空气压缩机向空气弹簧的气室输送压缩空气的多少来改变其内部的空气压 力，使得车身高度变化不大。 4 ) 同一空气弹簧可以适应不同的承载能力。当气囊中的压力改变时，可以得到不 同的承载能力，使得多种载荷可以在一种空气弹簧上适应，因此经济性好。 5 ) 质量轻，内部摩擦小，工作噪声小，对高频振动的隔振和隔音效果好。 6 ) 空气弹簧的寿命较金属弹簧长。目前空气弹簧的使用寿命在3 0 0 万次左右，大 概是钢板弹簧的两倍。 但是，空气弹簧也有制造成本高、维修不方便、工艺复杂、密封性要求严格等缺点。 1 2 国内外空气悬架技术研究现状及趋势 自2 0 世纪4 0 年代客车首次装配空气悬架以来，通用汽车公司于1 9 5 3 年开始批量 第一章绪论 生产，实现了装备空气悬架的客车的商业化，随后欧美及日本等汽车工业发达国家开始 了深入广泛的应用研究。比较具有代表性如德国的m e r c e d e s b e n z 、m a n 、k a s s b o h r e r 、 n e o p l a n ，美国的g m 、f o r d ，瑞典v o l v o 、s c a n i a ，日本的h i n o 等。汽车工业发达国家 的车用空气悬架经历了“钢板弹簧与空气气囊的复合式悬架一被动全空气悬架- 主动全 空气悬架( 即e c a s 电控空气悬架系统) ”的型式变化。b e n j a m i nb e l l 第一次提出了空 气弹簧有效面积的概念并设计出了一种膜式空气弹簧；a e f o r s y t h 和r o yb r o w nb e l l 通过对不同形状的活塞做试验提出了空气弹簧有效面积的概念；a r th i r t r e i t e r s 受e l m e r k i m m i c h 发明助力转向和制动软管的启发，发明了d 型膜式空气弹簧；j r e v a n s 等人通过空气弹簧垂直特性试验建立了空气弹簧垂直动态特性模型，并于1 9 9 4 年做了 空气弹簧的侧向特性试验，测出了空气弹簧在不同载荷下的侧向力和形变。k a t s u y a y o y o f u k u 等人研究了弹簧反应与振动频率的关系，分析了空气管道与储气室对空气弹簧 特性的影响。j o nb u n n e 等研究了空气悬架对传动系统的振动影响【4 】。j o h nw o o d r o o f f e 通过试验分别研究了重型载货汽车在空气弹簧悬架和钢板弹簧悬架下的路面附着情况 和行驶平顺性【5 1 。a l fh o m e y e r 等人采用了有限元方法优化空气弹簧结构，提出了新的 空气弹簧设计思路【6 1 。国际上也出现了生产空气弹簧的大型公司，如n e w a y 、g o o d y e a r 、 r e y c o 、r i d e w e l l 、b p w 等。 伴随着制造业与电子行业的高速发展，电控技术在空气悬架上的应用越来越广泛， 人们把目光投向了电控空气悬架，目前最先进的电控空气悬架就是e c a s ( e l e c t r o n i c o n t r o l l e d a i rs u s p e n s i o n ) 电控空气悬架系统，早在1 9 8 6 年，美国的威伯科 汽车控制系统公司( w a b c ov e h i c l ec o n t r o ls y s t e m s ) 就开始了对电子控制空气悬架系 统e c a s 的研究开发和应用，它被公认为世界上的最为先进的电控空气悬架控制系统， 在其市场上占有率达到了9 5 。电子控制系统和许多辅助系统在主动全空气悬架的应 用，使得汽车在复杂工况条件下能实现主动调节及控制，很大程度的改善了空气悬架系 统性能。随着人们对汽车平顺性和操纵稳定性的要求越来越高，不久的将来，e c a s 电 控空气悬架系统将在汽车上的普及程度会越来越高。 上世纪五十年代，我国就开始了空气悬架技术的研究t t 。但是直到八十年代，对空 气悬架的研究才步入正轨。长春汽车研究所相继为国内的客车厂家设计了配套空气悬 架，使得汽车性能大为改善；东风汽车公司设计了混合式空气悬架；重庆公路科学研究 所的丁良旭教授通过计算机模拟法得到了空气弹簧悬挂的一些振动特性，具有较高的实 用价值【8 1 ；北京理工大学的王书镇对日野r c 4 2 0 客车空气弹簧的静、动特性和气室容积 2 长安大学硕七学位论文 特性进行了试验分析【9 】；西南交通大学李芾等提出了确定空气弹簧参数的计算方法，通 过分析得出了影响空气弹簧主要性能的因素【l o l ；四方车辆研究所的张广世利用有限元法 研究了结构和材料参数对空气弹簧特性的影响1 1 1 j ；吉林大学的陈燕虹等通过试验对大客 车空气弹簧的动态特性进行了分析【1 2 】；吉林大学的杨兴龙和郭二生分别对空气悬架大客 车的行驶平顺性和操纵稳定性进行了研究，为空气悬架大客车的整车研究提供了宝贵的 经验【1 3 1 【1 4 1 ；江西九江学院与英国格拉斯哥大学共同申报了“磁流变( 弹性体) 橡胶空气 弹簧的研究及其应用”项目，以平衡车辆悬架存在的稳定性和舒适性不能兼顾等问题。 总的来看，我国的空气悬架生产厂商普遍缺乏自主研发能力，与欧美日等发达国家 相比，我国的空气悬架技术的研究与应用还处于明显的落后状态。目前国内商用车厂所 面临的问题：是否能够独立开发空气悬架技术并研发出与成熟车型相配套的空气悬架， 关系到未来商用车市场的主动权和市场占有率。因此，就国内汽车业而言，若想巩固和 扩大国产商用车的市场占有率，减小与国外商用车的技术差距，提升国产商用车的档次、 技术水平和市场竞争力，就必须研究商用车的空气悬架系统技术。据相关资料显示，2 0 1 0 年国内空气悬架市场需求已达到l o 万套，而目前只有不足4 万套产能，存在着很大的 市场缺口，而汽车空气悬架在我国才刚刚起步，前景广阔。 1 3 选题背景 随着高速公路和汽车工业的快速发展，客车的速度越来越高，车速在1 0 0 k m h 是常 见的，大客车作为高速客运的重要载体，直接关系到乘客的生命安全。客车操纵稳定性 与安全性、舒适性紧密相联，国家为此制定了车辆的操纵稳定性相应的试验和评价指标 标准。在客车操纵稳定性能研究中，尤其是针对国产大客车在这方面性能研究，显得越 来越重要。汽车的操纵稳定性不仅关系到汽车驾驶过程中的操纵方便性而且是决定汽车 的高速行驶安全的最主要性能之一，被人们称为“高速车辆的生命线”。 空气悬架大客车在使用过程中可能会出现空气弹簧支座断裂及转向系统与前空气 悬架系统发生运动干涉的问题，从而影响大客车的操纵稳定性等整车性能。大客车悬架 系统与转向运动杆件之间存在运动干涉，直接影响到车辆的操纵稳定性。若干涉量过大， 将会导致车辆行驶过程中发生车轮的摆振和轮胎的过度磨损、进行制动时跑偏以及稳态 转向特性变差等现象发生。将车轮跳动过程中转向运动杆件与悬架之间的运动干涉量控 制在合理范围内成为研究汽车操纵稳定性的一项重要内容。借助多体动力学软件对大客 车悬架系统与转向运动杆件进行运动校核及优化，使得求解两系统的干涉量变得容易且 3 第一章绪论 准确。空气悬架结构比较复杂，因此空气悬架各导向杆件受力和运动也比较复杂。 针对上述问题，课题研究分为两个方向： 1 ) 通过静力学分析来研究空气悬架各导向杆件受力特点。传统的做法主要是通过 在有限元分析软件中加入边界条件自动计算出空气悬架各导向杆件的受力，导致结果不 够精确。本论文主要是通过多体动力学软件模拟出空气悬架各导向杆件在恶劣行驶工况 下的运动，从而求得各导向杆件的具体受力，为空气弹簧支座的结构强度分析提供相对 精确的载荷依据。 2 ) 通过动力学分析来研究转向系统与前空气悬架系统的运动干涉，进而研究大客 车的操纵稳定性。传统的方法是通过作图法完成该校核，但是由于转向纵拉杆和转向节 臂的连接点在车轮运动过程中做空间运动，因此作图法使得校核工作既费时又费力且准 确性差，最终难以实现对设计参数进行优化选择。本论文主要进行左、右轮单独跳动时 前轮定位参数的变化分析和转向系统与空气悬架各导向杆件的运动校核，并对大客车的 操纵稳定性进行了仿真试验分析。 1 4 研究意义及主要内容 应用多体动力学软件( h y p e r w o r k s m o t i o n v i e w ) 进行前空气悬架各导向杆件的静 力学分析、前悬架系统与转向系统之间的运动校核及优化和操纵稳定性仿真试验分析， 为空气悬架的设计开发提供理论依据，为进一步研究空气悬架大客车的整车性能、缩短 新产品开发周期和建立三维数字化模型设计平台打下基础。 论文的主要研究内容有： 1 ) 建立大客车三维数字化前桥模型，分析在水平弯曲工况、紧急制动工况、转弯 工况、扭转工况四种极限工况下各导向杆件的受力情况，为空气弹簧支座的结构强度分 析提供载荷依据； 2 ) 定量分析左右轮单独跳动时前轮定位参数的变化； 3 ) 通过d o e 分析找出对干涉量影响大的变量，对f j 空气悬架与转向系统进行运动 学干涉分析，并对转向系统进行优化布置； 4 ) 建立大客车整车模型，按照汽车操纵稳定性试验方法进行仿真试验，输出仿真 结果，并对试验结果进行分析。 4 长安大学硕士学位论文 第二章大客车三维整车数字化模型的建立 建模软件环境是h y p e r w o r k s 软件中的m o t i o n v i e w 模块。在整车建模过程中，分别 建立前悬架系统、后悬架系统、转向系统三个子系统，同时加入了多种分析工况和路面 等外部约束条件。汽车的结构除了转向系统外，左半部分与右半部分基本对称，因此， 只需建立左侧模型，右侧模型在h y p e r w o r k s m o t i o n v i e w 中根据对称的特性自动生成。 2 1m o t i o n v i e w 建模原则及操作步骤 m o t i o n v i e w 建模遵循的原则如下： 1 ) 从实际工程的角度不断的理解所需建模机构的工作原理； 2 ) 借鉴过去成功建立的m o t i o n v i e w 模型和积累的建模技巧分步的建立模型； 3 ) 定期测试，不断改进所建的m o t i o n v i e w 模型； 4 ) 在建立空气悬架大客车的动力学模型之前先建立其运动学模型； 5 ) 在使用载荷驱动模型之前最好先用强制运动驱动模型； 6 ) 使用起始速度为0 的强制运动： 7 ) 借助简单的小模型来调试复杂模型。 ”骱4 h y p e r w o r k s m o t i o n v i e w 建立整车动力学仿真模型的操作步骤如下【1 6 1 ： 1 ) 将整车分为多个机械系统和简化物理模型； 。：” 2 ) 通过纸质图纸、c a d 图、尺寸链、c a t i a 三维模型图等测量出各子系统的结构及 几何等参数，利用这些数据在h y p e r w o r k s m o t i o n v i e w 中建立模板文件； 3 ) 将各模板文件中有用的部分在s y s t e m a n a l y s i s 选项中保存成前悬、后悬和转向 系等单独的m d l 文件； 4 ) 将各个子系统的m d l 文件再通过s y s t e m a n a l y s i s 导入到整车模型t h em o d e l 文件中。 5 ) 根据仿真目的不同进行部分系统或者整车系统仿真，根据m o t i o n v i e w 软件的要 求不断进行修改参数设置； 6 ) 对仿真结果后处理。 2 2 整车模型参数的确定 对于建模来说，参数的确定是非常重要的，主要有五类：几何定位参数( 模型的点 5 第- 二章大客车三维整车模型的建证 等) 、整车技术参数( 最高车速等) 、质量特性参数、力学特性参数( 如空气弹簧的刚度 和阻尼等) 和外部参数( 路面谱等) 。几何定位参数是通过c a d 图纸测量得到；质量特 性参数是由三维建模软件c a t i a 获取；力学特性和外部参数是由试验获得。 本论文的研究样车为某大客车，根据厂家提供的数据，其整车的主要结构特点如下： 1 ) 转向器为循环球式转向器； 2 ) 非承载式车身结构，三段式中段桁架； 3 ) 发动机后置，前后悬架均为空气悬架，前悬有两个空气弹簧和减振器，后悬架 有四个空气弹簧和四个减振器； 4 ) 整车整备质量为1 2 0 0 0 k g ，满载总质量为18 0 0 0 k g 。 整车其它主要技术参数如表2 1 所示： 表2 1 某大客车整车相关技术参数 项目参数 项目参数 前悬后悬( m m )2 3 4 5 3 2 0 0总长( m m ) 1 2 0 0 0 轴距( m m ) 6 0 0 0 最小转弯半径( m ) 1 2 轮距( 前后) ( m m ) 2 0 5 3 18 3 0 整车允许最大质量( k g ) 1 8 0 0 0 车轴载荷( 前后) ( k g ) 6 5 0 0 11 5 0 0 最小离地间隙( m ) 2 0 2 底盘整备质量( k g ) 6 0 0 0 轮胎规格 2 9 5 8 0 r 2 2 5 本文整车模型坐标系的基准线：以前轮中心线为x 轴，以汽车中心线为y 轴，以车 架上平面为z 轴。 2 3 前悬架子系统仿真模型的建立 前悬架采用的是非独立式五连杆空气悬架，如图2 1 所示。主要是由空气弹簧1 、 上推力杆2 、吊杆3 、下推力杆4 、横向稳定杆5 、减振器6 、气囊支座7 以及横向推力 杆8 等组成。本文在建立前悬架模型时，把相应的前轴和前轮模型一并建立。 6 长安大学硕士学位论文 图2 1 悬架总成 2 3 1 前轴及前轮模型的建立 按照大客车的实际结构建立大客车的f i f 轴和车轮模型，由于实际上主销、转向节以 及梯形臂是固定连接在一起，因此统一用一个b o d y k i n g p i n 来表示，为了保证车轮可以 正常转动，因此将主销与轮毂用旋转铰链连接，方向指向主销中心，然后再将轮毂与车 轮用固定铰接连接在一起，然后再根据已知的车轮定位参数定义好主销及车轮的方向。 本文论述的大客车的轮胎型号是2 9 5 8 0 r 2 2 5 l 2 2 t 2 3 1 ，根据m o t i o n v i e w 对整车操纵稳 定性分析的要求，本文中的轮胎模型采用的是针对操纵稳定性而专门设计的p a t 2 0 0 2 轮”“ 胎模型。可以根据已有的轮胎模板，修改其t i r e 文件中有关轮胎的特性参数。在 m o t i o n v i e w 中建立轮胎模型的步骤如下所示：。 1 ) 在t i r e 文件中确定轮胎的类型、几何尺寸参数、胎压、质量特性参数、高宽比、 径向及外倾角刚度等刚度、阻尼比、滚动阻力系数等； 2 ) 在f o r m t i r ed a t a 定义轮胎模型的自由半径、滚动半径，指定调用的前、后轮 胎模型； 3 ) 在m o t i o n v i e w 界面中定义轮胎的安装位置及质量。 建立的f i 轴及f j 轮动力学模型如图2 2 所示。 图2 2 前轴及前轮模型 7， l 第二章大客车三维整车模型的建证 2 3 2 前悬架各导向杆件模型的建立 根据实际大客车上的连接方式，空气弹簧支座与前轴固定连接，吊杆的上端采用带 橡胶衬套的万向节铰接与横向稳定杆相连，下端通过带橡胶衬套的球铰接与空气弹簧支 座相连。除横向推力杆外，其它导向杆件是左、右是对称的，因此建立三维模型时选择 对称方式建立，各导向杆件的连接方式如表2 2 所示。 表2 2 前空气悬架各导向杆件的连接方式 导向杆件与车架的连接方式与空气弹簧支座的连接方式衬套类型 左侧万向节铰接球铰接橡胶衬套 上推力杆 右侧万向节铰接球铰接 橡胶衬套 左侧力向节铰接球铰接橡胶衬套 下推力杆 右侧力向节铰接球铰接橡胶衬套 横向推力杆万向节铰接球铰接橡胶衬套 如图2 3 所示。 图2 3 各导向杆件的模型 前悬架各个橡胶衬套在各个方向上的刚度如表2 3 中所示。 8 长安大学硕：学位论文 表2 3 前悬架各推力杆件橡胶衬套各方向的刚度 方向 径向x 径向y 轴向z 弯曲x 弯曲y 扭转z 豸越 ( n m m )( n m m )( n m m )( n m m r a d )( n m m r a d ) ( n m m r a d ) 0 度 衬套l 1 0 0 0 0 01 0 0 0 0 02 5 0 0 02 5 7 8 3 1 02 5 7 8 3 1 02 5 7 8 3 1 0 衬套21 0 0 0 0 01 0 0 0 0 02 5 0 0 02 5 7 8 3 1 02 5 7 8 3 1 0 2 5 7 8 3 1 0 衬套3 1 0 0 0 0 01 0 0 0 0 02 5 0 0 02 5 7 8 3 1 02 5 7 8 3 1 02 5 7 8 3 1 0 衬套41 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 2 5 0 0 0 2 5 7 8 3 l o 2 5 7 8 3 1 02 5 7 8 3 1 0 衬套5 1 0 0 0 0 01 0 0 0 0 02 5 0 0 02 5 7 8 3 1 02 5 7 8 3 1 02 5 7 8 3 1 0 衬套6 1 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 2 5 0 0 02 5 7 8 3 1 02 5 7 8 3 1 02 5 7 8 3 1 0 衬套7 1 0 0 0 0 01 0 0 0 0 02 5 0 0 02 5 7 8 3 1 02 5 7 8 3 1 02 5 7 8 3 1 0 衬套8 1 0 0 0 0 01 0 0 0 0 02 5 0 0 02 5 7 8 3 1 02 5 7 8 3 1 02 5 7 8 3 1 0 衬套91 0 0 0 0 01 0 0 0 0 02 5 0 0 03 5 9 9 9 5 l3 5 9 9 9 5 1 3 5 9 9 9 5 1 衬套l o 1 0 0 0 0 01 0 0 0 0 02 5 0 0 03 5 9 9 9 5 13 5 9 9 9 5 13 5 9 9 9 5 1 衬套1 1 1 0 0 0 0 01 0 0 0 0 02 5 0 0 02 5 7 8 3 1 02 5 7 8 3 1 02 5 7 8 3 1 0 衬套1 2 1 0 0 0 0 01 0 0 0 0 02 5 0 0 02 5 7 8 3 1 02 5 7 8 3 1 02 5 7 8 3 1 0 衬套1 3 1 0 0 0 0 01 0 0 0 0 02 5 0 0 02 5 7 8 3 1 02 5 7 8 3 1 02 5 7 8 3 1 0 衬套1 4 1 0 0 0 0 01 0 0 0 0 02 5 0 0 02 5 7 8 3 1 02 5 7 8 3 1 0 2 5 7 8 3 1 0 2 3 3 横向稳定杆的建立 现代车辆普遍装有横向稳定杆，尤其是前悬架，有很多车辆前、后悬架均装有横向 稳定杆【1 睨1 1 。加装横向稳定杆的主要目的是： 1 ) 通过加大悬架的侧倾刚度以改善车辆的行驶稳定性； 2 ) 改善前后悬架的侧倾角刚度比值以获得良好的不足转向特性； 当横向稳定杆两端受到大小相等、方向相反的垂直力p 作用时，如图2 4 ，其端点 的垂直位移厂可用材料力学的办法求出，具体为： 厂= 刍昕- a 3 口+ 6 ) 2 + 4 譬( m ) 】 图2 4 横向稳定杆的角刚度计算图 9 ( 2 1 ) 1 一 第一二章大客车二三维整车模型的建立 e 一材料的弹性模量，此处的e = 2 0 6 x1 0 5 m p o ； ，横向稳定杆的截面惯性矩，= 等，m m 4 ； d 一横向稳定杆的直径，m m o p 端点作用力，n ； 厂端点位移，m m 。 横向稳定杆的角刚度= 1 2 _ v 厂l 2 将公式( 2 1 ) 中的厂带入公式( 2 2 ) 中，得 横向稳定杆的角刚度 2 净2 f 再3 硐e i l 2 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 根据公式( 2 3 ) 最终求得，横向稳定杆的角刚度c 柚2 2 1 4 8 8 8 7 1 5n m m r a d 。 建立如图2 5 所示的横向稳定杆模型，其上有三个铰接，均为旋转副( r e v o l u t e j o i n t ) 。中间的铰接连接稳定杆的左、右部分，另外两个转动铰接与车身相连。 图2 5 横向稳定杆模型 2 3 4 前空气弹簧模型的建立 空气弹簧根据气囊形状的不同可分为膜式空气弹簧、囊式空气弹簧和混合式空气弹 1 0 y l 长安大学硕：学位论文 簧三种【1 7 】【1 9 1 ，本试验大客车中的空气弹簧均为膜式空气弹簧。 在m o t i o n v i e w 软件中共有两种方法可以实现空气弹簧的非线性特性。具体有： 1 ) 用e x p r e s s i o n 来确定空气弹簧的非线性特性。首先应用m a t l a b 对空气弹簧的试 验数据进行曲线拟合，得到该空气弹簧的刚度公式。然后在弹簧上端和下端分别建立一 个车身和车轴的m a r k e r ，用两个m a r k e r 之间的距离d z ( pm a r k e r l ，pm a r k e r 2 ) 来 确定空气弹簧的实际长度，因此弹簧的变形量： a d , = 一彪( p m a r k e r l ，p m a r k e r 2 ) ( 2 4 ) 墨= a k i s p l i n e ( a 4 ，0 , s p l i n e ，o ) ( 2 5 ) 由此得到的瞬时刚度即为空气弹簧的刚度。 由弹簧力的公式可知 f = 屯以 ( 2 6 ) 将公式( 2 4 ) 的a d , 和公式( 2 5 ) 中的k ，分别代入到( 2 6 ) 中得弹簧力 f = 向z = a k i s p l i n e ( 她，0 , s p l i n e ，o ) ( l d m ) ( 2 7 ) 最终在f k 中输入该表达式，空气弹簧垂直方向受力表达式如图2 6 所示。 一岫哆 一翌： i 鲤竖j 翌：i 广h 吐n t - 图2 6 空气弹簧垂直方向受力表达式 厂1 一_ _ - _ - _ - _ 一 曼：竺l 2 ) 用c u r v e 直接来确定空气弹簧的非线性特性。根据空气弹簧的试验数据编制刚 度随d z ( p m a r k e r l ，p _ m a r k e r 2 ) 变化的曲线，在弹簧刚度中导入该曲线，空气弹簧 刚度曲线如图2 7 所示。 一 第二章大客车三维整车模型的建、上 图2 7 空气弹簧刚度曲线 本文是利用e x p r e s s i o n 来实现空气弹簧的弹性特性。空气弹簧模型如图2 8 所示。 国 图2 8 空气弹簧模型 2 3 5 前减振器的建立 减振器的上端通过带橡胶衬套的万向节与车体相连，下端是通过带橡胶衬套的万向 节与前轴相连，并且用一个圆柱副限制减振器的运动方向，限制其只沿着两个铰接点的 方向运动。如图2 9 所示。根据实验结果，得出减振器的阻尼特性曲线如图2 1 0 所示。 蕾破麓嚣瞳是再惶蕾攘 图2 9 前减振器模型 图2 1 0 前减振器的阻尼特性曲线 1 2 长安大学硕士学位论文 2 3 6 前悬子系统模型 建立的前悬架模型如图2 1 1 所示。 图2 1 l 前悬架仿真模型 2 4 转向系子系统模型的建立 该大客车转向器为循环球式转向器，主要是由方向盘、上传动轴、下传动轴、角传 动器输入轴、角转向传动轴、转向器输入轴、循环球式转向器、摇臂、转向直拉杆、转 向横拉杆和转向节臂组成。 2 4 1 传动杆系及方向盘模型的建立 传动杆系主要有上传动轴、下传动轴、角传动器输入轴、角传动器输出轴、转向器 输入轴、转向直拉杆等，各传动杆系之间只有相对转动，因此均由万向节连接。方向盘 用固定铰与上传动轴连接，同时用旋转铰与车架相连，这样既保证了方向盘的转动向下 传递又限制了方向盘与车架的连接。由于转向直拉杆是在空间的位移变化，只需要限制 杆自身绕轴线方向的转动，因此两端分别用万向节和球铰连接。建立的模型如图2 1 2 所示。 图2 1 2 转向杆系及方向盘模型 1 3 第一二章大客车三维整车模型的建证 2 4 2 角传动轴模型的建立 角转向传动轴两端皆用万向节相连，角转向传动轴与车体相连，因此用一个圆柱副 和一个圆柱模拟，根据角转向传动轴的实际结构及原理建立如图2 1 3 所示模型。 图2 1 3 角传动轴模型 2 4 3 循环球式转向器模型的建立 循环球式转向器的模型建立主要是通过两个 旋转铰接与一个c o u p l e r 实现的，c o u p l e r 是将转矩 从p i n i o ni o i n t 以2 3 2 7 ：1 的传动比传递给r a c k j o i n t ，然后再将转矩传递给摇臂。由于摇臂轴与转 向器输出轴为固连，因此简化为一个体。根据实际 结构型式建立的模型如图2 1 4 所示。 2 4 4 转向系模型 转向系模型如图2 1 5 所示。 图2 1 4 转向器模型 图2 1 5 转向系模型 1 4 长安大学硕七学位论文 2 5 后悬架子系统仿真模型的建立 后空气悬架结构如图2 1 6 所示。主要是由空气弹簧l 、减振器2 、缓冲块3 、下推 力杆4 、斜上推力杆5 、c 型架6 、横向稳定杆7 、吊杆8 组成【1 7 2 。 图2 1 6 后悬架模型 由上图可以看出，空气弹簧两端连接车身和c 型架，c 型架与后桥固定连接。 建立的后桥及后轮模型如图2 1 7 所示。 图2 1 7 后轮胎及后桥模型 在该后