文献综述-双横臂独立悬架ADAMS建模及运动特性分析

2 0 0 7 年 第 3 期双 横 臂 独 立 悬 架 A D A M S 建 模 及 运 动 特 性 分 析于 海 波1 , 2李 幼 德1门 玉 琢1邓 阳 庆1 , 2( 1 . 吉 林 大 学 ; 2 . 中 国 第 一 汽 车 集 团 公 司 技 术 中 心 )【 摘 要 】 利 用 A D A M S 建 立 了 某 轻 型 车 完 整 的 双 横 臂 独 立 悬 架 运 动 学 仿 真 模 型 , 为 反 映 车 辆 的 真 实 行 驶 工 况 , 对左 、 右 车 轮 测 试 平 台 分 别 创 建 了 随 机 激 励 。 通 过 仿 真 分 析 , 揭 示 了 运 动 特 性 参 数 在 悬 架 运 动 过 程 中 的 变 化 规 律 , 并 对原 导 向 机 构 存 在 的 问 题 进 行 了 优 化 计 算 。 结 果 表 明 , 前 轮 定 位 参 数 在 优 化 前 、 后 的 变 化 量 较 小 , 均 在 设 计 要 求 的 范 围内 ; 轮 距 和 前 轮 侧 向 滑 移 量 的 变 化 较 大 , 优 化 后 二 者 都 在 理 想 的 范 围 内 变 动 , 达 到 了 预 期 优 化 目 标 。主 题 词 : 独 立 悬 架 运 动 特 性 仿 真 优 化中 图 分 类 号 : U 4 6 3 . 3 3+1 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1 0 0 0 - 3 7 0 3 ( 2 0 0 7 ) 0 3 - 0 0 0 5 - 0 3M o d e l i n g a n d K i n e m a t i c C h a r a c t e r i s t i c s A n a l y s i s o fD o u b l e - W i s h b o n e I n d e p e n d e n t S u s p e n s i o n o n A D A M SY u H a i b 2, L i Y o u d M e n Y u z h u D e n g Y a n g q i n 2( 1 . J i l i n U n i v e r s i t y ; 2 . F A W G r o u p C o r p o r a t i o n R & D C e n t e r )【 A b s t r a c t 】 T h e w h o l e d o u b l e - w i s h b o n e i n d e p e n d e n t s u s p e n s i o n m o d e l o f a l i g h t v e h i c l e w a s b u i l t b y u s i n g A D A M Ss o f t w a r e , i n o r d e r t o r e f l e c t t h e a c t u a l r u n n i n g c o n d i t i o n o f t h e v e h i c l e , t h e r a n d o m e x c i t a t i o n o f t h e t e s t p l a t f o r m o f t h e l e f ta n d r i g h t w h e e l w a s c r e a t e d s e p a r a t e l y . T h e c h a n g e r e g u l a r i t y o f t h e k i n e m a t i c c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s w a s u n c o v e r e d i nt h e p r o c e s s o f t h e s u s p e n s i o n m o t i o n t h r o u g h s i m u l a t i o n a n d a n a l y s i s , a n d t h e e x i s t e n t p r o b l e m o f t h e o r i g e n a l g u i d i n gm e c h a n i s m w a s o p t i m i z e d a n d c a l c u l a t e d . T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e f r o n t w h e e l o r i e n t a t i o n p a r a m e t e r s c h a n g e s a r e l e s sb e f o r e a n d a f t e r o p t i m i z a t i o n , a n d a l l t h e y a r e w i t h i n t h e d e s i g n r e q u i r e m e n t r a n g e s . T h e c h a n g e s o f t h e w h e e l - c e n t e r -d i s t a n c e a n d t h e f r o n t w h e e l s i d e s l i p p a g e a r e b i g g e r , a n d a r e s t i l l w i t h i n t h e i d e a l r a n g e s a f t e r o p t i m i z a t i o n , t h e a n t i c i p a t e do p t i m i z a t i o n g o a l i s a c h i e v e d .K e y w o r d s : I n d e p e n d e n t s u s p e n s i o n , K i n e m a t i c c h a r a c t e r i s t i c , S i m u l a t i o n , O p t i m i z a t i o 言现 代 汽 车 悬 架 有 多 种 结 构 形 式 , 其 中 双 横 臂 独立 悬 架 是 广 泛 应 用 的 一 种 结 构 。 常 见 的 双 横 臂 独 立悬 架 是 一 组 空 间 R S S R 四 连 杆 机 构 , 运 动 关 系 比 较复 杂 且 运 动 直 观 性 差 , 对 其 进 行 性 能 分 析 困 难 较大 , 合 理 地 选 择 导 向 机 构 位 置 参 数 是 保 证 双 横 臂 独立 悬 架 具 有 良 好 性 能 的 重 要 因 素 。悬 架 的 运 动 学 特 性 是 指 当 车 轮 上 、 下 跳 动 时 ,前 轮 定 位 参 数 、 轮 距 、 前 轮 侧 向 滑 移 量 等 参 数 相 应的 变 化 规 律 , 这 一 规 律 是 由 导 向 机 构 所 决 定 的 , 它直 接 影 响 到 汽 车 的 使 用 性 能 , 特 别 是 影 响 操 纵 稳 定性 、 舒 适 性 、 转 向 轻 便 性 和 轮 胎 的 使 用 寿 命 等 。本 文 应 用 A D A M S 软 件 建 立 了 双 横 臂 独 立 悬 架运 动 学 分 析 模 型 , 利 用 该 模 型 对 悬 架 运 动 特 性 参 数进 行 了 优 化 计 算 。2 悬 架 仿 真 模 型 的 建 立2 . 1 运 动 特 性 参 数 确 定当 车 轮 上 、 下 跳 动 时 , 车 轮 定 位 参 数 的 变 化 反 映了 悬 架 的 性 能 。 在 正 常 车 轮 跳 动 行 程 内 , 应 使 车 轮 运动 特 性 参 数 变 化 量 保 持 在 合 理 的 范 围 内 , 以 保 证 汽车 具 有 设 计 所 期 望 的 行 驶 特 性 。 图 1 为 左 侧 双 横 臂独 立 悬 架 空 间 拓 扑 结 构 示 意 。图 1 左 侧 双 横 臂 独 立 悬 架 空 间 拓 扑 结 构 示 意设 计 计 算 研 究 5 汽 车 技 术图 1 中 , A 为 上 横 臂 外 接 点 , B 为 下 横 臂 外 接 点 ,C 为 上 横 臂 内 接 点 , D 为 下 横 臂 内 接 点 , E 为 转 向 节 内接 点 , F 为 转 向 梯 形 断 开 点 , G 为 转 向 节 外 接 点 , H 为转 向 拉 臂 铰 点 , M 为 减 振 器 上 支 点 , N 为 减 振 器 下 支点 , K 为 车 轮 上 的 接 地 点 , 面 上 与 K 重 合 点 。由 于 左 、 右 车 轮 的 对 称 性 , 本 文 只 研 究 左 侧 悬 架运 动 特 性 参 数 ( 除 了 轮 距 变 化 量 ) 的 变 化 特 性 。 参 考图 1 并 结 合 汽 车 设 计 知 识 可 知 , 当 车 轮 处 于 任 一 位置 时 , 前 轮 定 位 参 数 、 轮 距 变 化 量 H 及 前 轮 侧 向 滑移 量 可 通 过 下 列 公 式 计 算 。 = a r c t a n ( z) / ( y) ( 1 ) = a r c t a n ( x) / ( y) ( 2 ) = a r c t a n ( x) / ( z) ( 3 ) = a r c t a n ( y) / ( z) ( 4 )式 中 , 为 车 轮 外 倾 角 ; 为 车 轮 前 束 角 ; 为 主 销 后倾 角 ; 为 主 销 内 倾 角 ; z, 表 示 E 、 G 、 A 、 B 点 在 x 、 y 、 z 坐 标 轴上 的 值 。 H = y - L ( 5 )式 中 , 为 右 侧 车 轮 上 与 点 的 坐 标 ; L 为 轮距 的 初 始 值 。 = 0 y( 6 )2 . 2 运 动 学 仿 真 模 型 建 立由 于 本 文 是 对 双 横 臂 独 立 悬 架 的 运 动 学 问 题 进行 仿 真 计 算 , 不 考 虑 其 动 力 学 特 性 , 因 此 应 用A D A M S 建 模 时 做 如 下 简 化 与 假 设 :a . 悬 架 中 各 零 部 件 以 及 轮 胎 均 为 刚 体 ;b . 减 振 器 阻 尼 特 性 为 线 性 ;c . 零 部 件 之 间 的 所 有 连 接 都 简 化 为 铰 链 , 内 部间 隙 不 计 , 各 运 动 副 内 的 摩 擦 力 忽 略 不 计 ;d . 选 择 测 试 平 台 作 为 地 面 移 动 副 , 添 加 直 线驱 动 来 表 示 车 轮 受 地 面 的 激 励 作 用 。基 于 上 述 简 化 与 假 设 , 根 据 表 1 提 供 的 悬 架 导向 机 构 空 间 主 要 位 置 点 坐 标 , 建 立 了 A D A M S 运 动学 仿 真 模 型 , 如 图 2 。表 1 悬 架 导 向 机 构 空 间 主 要 位 置 点 坐 标 值 m 双 横 臂 独 立 悬 架 A D A M S 中 的 仿 真 模 型模 型 中 包 括 1 8 个 部 件 ( 不 包 括 地 面 ) 、 6 个 固 定副 、 3 个 移 动 副 、 8 个 球 副 、 4 个 转 动 副 , 2 个 点 面 约束 、 2 个 直 线 驱 动 , 自 由 度 数 为 2 。3 悬 架 运 动 学 仿 真 及 优 化 设 计3 . 1 运 动 学 仿 真 分 析考 虑 前 轮 的 上 、 下 最 大 跳 动 量 , 仿 真 时 在 地 面 和测 试 平 台 之 间 移 动 副 上 创 建 驱 动 。 为 能 真 实 反 映 车辆 的 实 际 行 驶 条 件 , 对 左 、 右 车 轮 分 别 施 加 随 机 位 移激 励 模 拟 汽 车 通 过 不 平 路 面 时 的 工 况 。随 机 激 励 产 生 的 具 体 步 骤 是 :把 实 际 测 得 的 左 、 右 车 轮 空 间 路 面 不 平 度 数 据转 化 成 一 定 车 速 下 的 时 间 - 路 面 不 平 度 关 系 , 利 用A D A M S 中 的 样 条 函 数 C U B S P L 拟 合 生 成 时 间 - 随机 位 移 激 励 。 图 3 和 图 4 是 驱 动 左 、 右 车 轮 的 时 间 曲 线 。图 3 左 侧 车 轮 的 驱 动 位 移 曲 线图 4 右 侧 车 轮 的 驱 动 位 移 曲 线通 过 仿 真 分 析 , 得 到 了 前 轮 定 位 4 个 参 数 、 轮 距及 前 轮 侧 向 滑 移 量 随 车 轮 上 下 跳 动 的 变 化 特 性 曲线 , 如 图 5 图 1 0 所 示 。从 仿 真 结 果 看 , 前 轮 定 位 参 数 随 车 轮 上 下 跳 动变 化 较 小 , 均 在 设 计 目 标 范 围 内 , 保 证 了 汽 车 具 有 不足 转 向 特 性 和 自 动 回 正 能 力 , 行 驶 过 程 中 有 很 好 的操 纵 稳 定 性 及 行 驶 安 全 性 。 坐 标 点 x y 臂 外 接 点 A 1 2 2 8 . 5 2 9 8 . 2 6 5 3 . 3上 横 臂 内 接 点 C 1 2 1 1 . 2 6 6 0 . 1 6 2 0 . 7下 横 臂 外 接 点 B 1 1 8 6 . 7 3 1 2 . 5 4 5 2 . 8下 横 臂 内 接 点 D 1 2 4 8 . 2 5 3 2 . 4 4 8 8 . 5转 向 节 内 接 点 E 1 1 5 9 . 6 3 0 8 . 2 5 8 6 . 3转 向 梯 形 断 开 点 F 1 2 5 5 . 1 2 0 6 . 6 6 1 2 . 2转 向 节 外 接 点 G 1 0 0 8 . 3 8 1 0 . 0 7 7 8 . 0转 向 拉 臂 铰 点 H 1 3 2 5 . 4 2 6 6 . 3 5 4 2 . 3减 振 器 上 支 点 M 1 2 8 8 . 6 5 5 8 . 4 6 6 0 . 5减 振 器 下 支 点 N 1 0 5 6 . 8 4 4 1 . 5 4 2 1 . 81 0 05 00- 5 0- 1 0 00 1 2 3 4 5时 间 / 05 00- 5 0- 1 0 00 1 2 3 4 5时 间 / 设 计 计 算 研 究 6 2 0 0 7 年 第 3 期图 8 优 化 前 、 后 主 销 内 倾 角 图 9 优 化 前 、 后 轮 距 随 车 轮 图 1 0 优 化 前 、 后 前 轮 侧 向 滑 移 量随 车 轮 跳 动 对 比 曲 线 跳 动 对 比 曲 线 随 车 轮 跳 动 对 比 曲 线图 5 优 化 前 、 后 车 轮 外 倾 角 图 6 优 化 前 、 后 前 束 角 随 车 轮 图 7 优 化 前 、 后 主 销 后 倾 角随 车 轮 跳 动 对 比 曲 线 跳 动 对 比 曲 线 随 车 轮 跳 动 对 比 曲 线轮 距 的 变 化 从 1 8 4 9 . 9 7 m m 增 加 到 1 8 9 6 . 9 8m m ( 图 9 ) ; 侧 向 滑 移 量 从 - 6 . 9 9 m m 增 加 到 1 6 . 4 8m m ( 图 1 0 ) 。 二 者 变 化 量 较 大 , 不 但 影 响 了 汽 车 转 向轻 便 性 、 直 线 行 驶 稳 定 性 , 还 会 导 致 轮 胎 的 早 期 磨损 , 降 低 轮 胎 的 使 用 寿 命 。对 于 独 立 悬 架 , 要 求 轮 距 的 变 化 尽 量 小 。 因 为 轮距 变 化 使 轮 胎 产 生 侧 偏 角 , 从 而 产 生 侧 向 力 输 入 , 使操 纵 稳 定 性 发 生 变 化 。 尤 其 汽 车 侧 倾 时 , 两 侧 车 轮 的横 向 滑 移 方 向 可 能 相 同 , 轮 距 变 化 带 来 的 侧 向 力 不能 抵 消 , 从 而 使 操 纵 稳 定 性 变 差 。 按 照 悬 架 的 设 计 要求 , 当 车 轮 上 下 跳 动 时 , 轮 距 变 化 量 应 为 - 1 0 1 0m m , 该 轮 距 的 仿 真 结 果 显 然 超 过 了 这 个 范 围 , 所 以有 必 要 进 行 改 进 设 计 。3 . 2 运 动 特 性 参 数 优 化A D A M S 软 件 为 用 户 提 供 了 强 大 的 参 数 优 化 分析 功 能 。 用 户 可 通 过 参 数 化 建 模 , 对 模 型 的 设 计 变 量取 不 同 的 参 数 值 进 行 仿 真 。 为 减 轻 轮 胎 磨 损 , 同 时 提高 汽 车 的 操 纵 稳 定 性 , 本 文 定 义 轮 距 变 化 量 与 前 轮侧 向 滑 移 量 的 绝 对 值 之 和 作 为 目 标 函 数 , 即 :Fo b j= H + ( 7 ) H = D Y ( LW h e e l. M A R _ K , RW h e e l. M A R _ K ) - D Y ( W h e e l . M A R _ K , G r o u n d . M A R _ 中 , LW h e e l. M A R _ K 、 RW h e e l. M A R _ K 分 别 表 示 左 、 右车 轮 上 的 K 点 和 K 点 在 y 坐 标 轴 上 的 坐 标 值 ;W h e e l . M A R _ K 、 G r o u n d . M A R _ 表 示 左 侧 车 轮上 的 K 点 和 地 面 上 的 y 坐 标 轴 上 的 坐 标 值 ;D Y 为 A D A M S 中 的 位 移 函 数 。运 动 特 性 参 数 与 悬 架 导 向 机 构 的 空 间 位 置 及 结构 有 关 , 经 过 分 析 , 选 取 左 、 右 车 轮 上 横 臂 与 下 横 臂及 转 向 节 内 外 接 点 的 坐 标 作 为 设 计 变 量 。 为 满 足 悬架 的 设 计 要 求 , 设 计 变 量 的 坐 标 值 被 约 束 在 如 下 的取 值 范 围 内 :Xi m i n Xi m a m i n Yi m a m i n Zi m a , i 为 左 、 右 车 轮 的 上 横 臂 与 下 横 臂 及 转 向 节 内外 各 接 点 。当 设 计 变 量 在 允 许 范 围 内 变 化 时 , A D A M S 软 件能 自 动 地 选 择 设 计 变 量 , 使 目 标 函 数 式 ( 7 ) 获 得 最 小值 。 悬 架 的 运 动 特 性 参 数 优 化 前 、 后 对 比 曲 线 参 见 图5 图 1 0 , 前 轮 定 位 参 数 变 化 值 与 设 计 值 对 比 结 果 见表 2 。从 优 化 结 果 看 , 前 轮 定 位 4 个 参 数 在 优 化 前 、 后变 化 较 小 , 基 本 保 持 不 变 ; 轮 距 、 前 轮 侧 向 滑 移 量 变动 较 大 : 轮 距 的 变 化 在 1 8 5 8 . 4 6 1 8 6 6 . 7 4 m m 之 间 ,变 化 量 为 8 . 2 8 m m , 满 足 轮 距 变 化 量 - 1 0 1 0 m m 的设 计 要 求 , 车 轮 上 跳 时 轮 距 适 当 增 加 , 有 利 于 提 高 汽车 操 纵 稳 定 性 ; 前 轮 侧 向 滑 移 量 从 1 6 . 4 8 m m 减 小 到优 化 前优 化 后0 . 2 50 . 1 50 . 0 5- 0 . 0 5- 0 . 1 5- 0 . 2 5- 0 . 3 5- 0 . 4 5- 0 . 5 5- 0 . 6 5- 0 . 7 5- 1 0 0 - 5 0 0 5 0 1 0 0车 轮 跳 动 量 / m )优 化 前优 化 后- 1 0 0 - 5 0 0 5 0 1 0 0车 轮 跳 动 量 / m 51 . 00 . 50- 0 . 5车轮外倾角/()优 化 前优 化 后4 . 03 . 53 . 02 . 52 . 0- 1 0 0 - 5 0 0 5 0 1 0 0车 轮 跳 动 量 / m )优 化 前优 化 后1 1 . 51 1 . 01 0 . 51 0 . 09 . 5 0- 1 0 0 - 5 0 0 5 0 1 0 0车 轮 跳 动 量 / m )优 化 前优 化 后1 9 0 01 8 9 01 8 8 01 8 7 01 8 6 01 8 5 0- 1 0 0 - 5 0 0 5 0 1 0 0车 轮 跳 动 量 / m 前优 化 后2 01 51 050- 5- 1 0- 1 0 0 - 5 0 0 5 0 1 0 0车 轮 跳 动 量 / m 设 计 计 算 研 究 7 汽 车 技 术1 回 正 控 制 方 法电 动 助 力 转 向 系 统 主 要 由 信 号 传 感 装 置 、 转 向助 力 机 构 及 电 子 控 制 装 置 等 组 成 。 电 子 控 制 装 置 接收 扭 矩 传 感 器 的 扭 矩 信 号 和 车 速 传 感 器 的 车 速 信号 , 由 此 计 算 出 输 出 电 压 , 控 制 电 动 机 的 运 行 。 回 正2 . 2 3 m m , 滑 移 量 的 减 小 可 以 大 大 降 低 轮 胎 的 磨 损 ,保 证 汽 车 具 有 直 线 行 驶 的 稳 定 性 。4 结 束 语从 提 高 计 算 精 度 出 发 , 考 虑 到 随 机 激 励 对 左 、 右悬 架 运 动 特 性 参 数 变 化 的 相 互 影 响 , 用 A D A M S 软件 建 立 了 完 整 的 双 横 臂 前 独 立 悬 架 运 动 学 仿 真 模型 。 针 对 轮 距 及 前 轮 侧 向 滑 移 量 随 车 轮 上 下 跳 动 变化 量 偏 大 的 问 题 进 行 了 优 化 计 算 , 优 化 后 悬 架 的 运动 特 性 参 数 均 达 到 理 想 的 变 化 范 围 。参 考 文 献1 王 其 东 等 . 汽 车 双 横 臂 式 独 立 悬 架 机 构 运 动 特 性 分 析 . 合肥 工 业 大 学 学 报 , 2 0 0 1 , 2 4 ( 6 ) 义 杰 等 . A D A M S / V I E W 在 汽 车 前 悬 架 仿 真 应 用 及 优 化分 析 . 西 华 大 学 学 报 , 2 0 0 5 , 2 4 ( 6 ) 军 . A D A M S 实 例 教 程 . 北 京 : 北 京 理 工 大 学 出 版 社 , 2 0 0 2 黎 卿 等 . 基 于 A D A M S 的 双 横 臂 扭 杆 独 立 悬 架 操 纵 稳 定性 分 析 . 合 肥 工 业 大 学 学 报 , 2 0 0 5 , 2 8 ( 4 ) 建 荣 . A D A M S - 虚 拟 样 机 技 术 入 门 与 提 高 . 北 京 : 机 械 工业 出 版 社 , 2 0 0 1 .( 责 任 编 辑 辛 民 )修 改 稿 收 到 日 期 为 2 0 0 7 年 1 月 2 2 日 。前 轮 定 位 参 数优 化 前 优 化 后设 计 初 始 值 设 计 目 标 变 化 量变 化 范 围 变 化 量 变 化 范 围 变 化 量车 轮 外 倾 角 - 0 . 3 7 1 . 0 9 1 . 4 6 - 0 . 1 3 1 . 1 8 1 . 3 1 0 1 . 5 1 . 5前 束 角 - 0 . 7 1 0 . 2 1 0 . 9 2 - 0 . 5 2 0 . 2 0 0 . 7 2 - 1 0 . 5 1 . 0主 销 后 倾 角 2 . 2 4 3 . 7 5 1 . 5 1 2 . 1 5 3 . 4 2 1 . 2 7 2 . 5 3 . 8 1 . 8主 销 内 倾 角 9 . 9 1 1 1 . 4 3 1 . 5 2 1 0 . 3 8 1 1 . 2 8 0 . 9 0 9 . 5 1 2 . 1 2 . 0表 2 优 化 前 、 后 前 轮 定 位 参 数 变 化 值 与 设 计 值 对 比 ( )电 动 助 力 转 向 系 统 回 正 控 制 策 略 研 究程 勇1王 锋2罗 石2苏 清 祖2( 1 . 中 国 汽 车 技 术 研 究 中 心 ; 2 . 江 苏 大 学 )【 摘 要 】 在 分 析 电 动 助 力 转 向 系 统 回 正 模 型 的 基 础 上 , 提 出 了 电 动 助 力 转 向 回 正 控 制 算 法 。 尝 试 直 接 采 用 扭 矩 信号 作 为 转 向 盘 转 角 估 计 的 依 据 , 并 以 此 为 基 础 提 出 不 需 配 置 转 角 传 感 器 的 回 正 控 制 策 略 。 在 m a t l a b 中 建 立 了 电 动 助力 转 向 系 统 的 模 型 , 并 利 用 S i m u l i n k 工 具 箱 对 算 法 进 行 了 仿 真 。 仿 真 结 果 表 明 , 所 提 出 的 回 正 控 制 策 略 能 提 高 转 向盘 的 回 正 性 能 , 并 为 台 架 试 验 打 下 了 基 础 。主 题 词 : 电 动 助 力 转 向 回 正 性 控 制 算 法中 图 分 类 号 : U 4 6 3 . 4 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1 0 0 0 - 3 7 0 3 ( 2 0 0 7 ) 0 3 - 0 0 0 8 - 0 3S t u d y o n R e t u r n C o n t r o l S t r a t e g y f o r E l e c t r i c P o w e r S t e e r i n g S y s t e mC h e n g Y o n W a n g F e n L u o S h S u Q i n g z 1 . 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