（光学工程专业论文）基于adams和响应面理论的整车悬架阻尼优化与试验.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 悬架是现代汽车重要总成之一，悬架阻尼对车辆平顺性、操纵稳定性 和车身姿态等有重要影响。研究悬架阻尼对车辆性能的影响，对悬架阻尼 进行优化匹配，对于半主动悬架可调阻尼减振器设计开发具有重要意义。 为获得多工况下整车悬架阻尼的优化方案，本文引入响应面理论，运用 a d a m s 软件中的虚拟试验功能，解决响应面优化过程中的试验方案设计 问题。针对c h 7 1 4 0 整车前后悬架阻尼进行优化，主要做了以下工作： 通过实际测量、计算、试验等手段获得c h 7 1 4 0 整车参数，建立了包 括前后悬架系统、转向系统、制动系统、车身系统、轮胎和发动机系统在 内的整车虚拟样机模型，并通过实车道路试验验证了模型的正确性。 在所建整车模型的基础上，进行了行驶平顺性和操纵稳定性仿真分 析，研究了悬架阻尼对车辆垂向振动响应和俯仰振动响应的影响；通过整 车稳态回转试验、蛇形试验、方向盘转角试验，对整车操纵稳定性进行了 计分评价，在此基础上仿真分析了前后左右悬架阻尼变化对车辆操纵稳定 性的影响，研究发现悬架阻尼对车辆各操纵稳定性试验评价计分值影响较 小，对车身侧倾有较大影响。 运用构造近似模型的响应面理论和方法，对多种工况下的悬架阻尼进 行了优化匹配。将虚拟样机仿真技术与试验优化技术相结合，选择合适的 优化变量和试验因子，分别进行了随机输入、加速、制动、转向工况下的 悬架阻尼优化匹配，构造出多工况下优化变量与试验因子之间的响应面模 型，进而得到了多工况下悬架阻尼最优特性值。 对c h 7 1 4 0 原车被动减振器做了结构改动，研制了步进电机驱动变节 流口式可调阻尼减振器，着重介绍了后悬架可调阻尼减振器的设计与研制 工作，通过台架试验对可调阻尼减振器进行了性能测试，台架试验表明所 研制的减振器阻尼值基本达到预期要求。最后，将设计的可调阻尼减振器 江苏大学硕士学位论文 代替原车被动减振器进行实车试验，分别进行了随机路面输入试验和双移 线试验，按照阻尼优化方案调节前后悬架阻尼值，实车试验对比试验结果， 随机路面输入下，阻尼优化以后峰值和加权加速度均方根值2 0 k m h 时较原 车分别改善了1 0 2 和6 5 ，6 0 k m h 时分别改善了1 2 6 和6 7 ，双移线 试验的侧倾角速度也有所降低，说明整车悬架阻尼优化方案是正确有效 的。 关键词：悬架，平顺性，操纵稳定性，优化，响应面模型，可调阻尼减振 器 a b s t r a c t s u s p e n s i o na s s e m b l ya so n eo f ak e yp a r to fv e h i c l e ，h a v eam a jo r 皿p a c t o nt h ev e h i c l es t e e r i n gs t a b i l i t y , r i d e c o m f o r ta n db o d yp o s t u r e ，s o t h e d 锄p i n gi n f l u e n c eo n v e h i c l e p e r f o r m a n c e i ss t u d i e d t h es u s p e n s l o n d a m p i n gi so p t i m i z e d ，a n dt h ed e s i g n o fa d j u s t a b l ed a m p i n gs h o c ka b s o r b e r 1 s m e a n i n g f u l l y i no r d e rt og e to p t i m a ls u s p e n s i o nd a m p i n g u n d e rv a n o u sr o a d c o n d i t i o n s ，t h er e s p o n s es u r f a c et h e o r yi si n t r o d u c e d ， a n dv i r t u a ls 蚰u l a t l o n t e d m o l o g yi su s e dt os o l v et h et e s td e s i g no fr e s p o n s es u r f a c eo p 咖z a t l o n a i mt ot h ef r o n ta n dr e a rs u s p e n s i o nd a m p i n go p t i m i z e do fc h 7 1 4 0 ，d ot h e f o l l o w i n gw o r k s n ep a r a m e t e r so fv e h i c l ea r eo b m i n e dt h r o u g ha c t u a l m e a s u r e m e n t ， c a l c u l a t i o na n dt e s t t h ev i r t u a lp r o t o t y p ev e h i c l e m o d e li sb u i l tw h i c h i n d u d e ss u s p e n s i o ns y s t e m ，s t e e r i n gs y a e m a n db r a k es y s t e m ，t h eb o d y s v s t e m ，t i r e sa n de n g i n es y s t e m t h e n ，r e 。1v e h i c l et e s t sa r ec a r d e do u t u n d e r t y p i c a lw o r k i n g c o n d i t i o nt ov e r i f yt h em o i ：l e l b a s e do nt h es i m u l a t i o nm o d e l ，v e h i ，z l er i d ea n dh a n d i n gt e s t s i sc a r d e d o u t 毗r e f o r e ，s u s p e n s i o nd a m p i n go nv e h i c l ev i b r a t i o na n dp i t c h v i b r a t l o n a r es t u d i e d b ys t e a d y s t a t ec i r c u l a rt e s t ，p y l o n c o u r s es l a l o mt e s t ，a n ds t e e n n g t e s t ，v e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t ys c o r ee v a l u a t i o ni s c o n d u c t e d a n de f i e c t s o fd 锄p i n go nh a n d l i n gs t a b i l i t y a r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y f o u n dt h a t ， d a m p i n ge f f e c to n v e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t ys c o r ei st i n y h o w e v e r ，h a v e a m o r ee f f e c t so nr o l lo fb o d y t h er e s p o n s es u r f a c et h e o r ya n dm e t h o di si n t r o d u c e d ，a n da p p l i e d t ot h e o p t i i l l i z a t i o n o f s u s p e n s i o nd a m p i n g o p t i m i z a t i o n v a r i a b l e sa n d t h e a p p r o p r i a t et e s tf a c t o ra r es e l e c t e d a n ds u s p e n s i o nd a m p i n g o p t l m i z a t l o n1 s c a r r i e do u tu n d e rr a n d o mi n p u t ，a c c e l e r a t i o n ，b r a k i n g ，s t e e r l n g r o a d c o n d i t i o n s t h e nr e s p o n s es u r f a c em o d e l i sc o n s t r u c t e d f i n a l l y , t h eo p t i m a l d a m p i n g u n d e rm u l t i r o a dc o n d i t i o ni so b t a i n e d i i i 江苏大学硕士学位论文 o nt h eb a s i so ft h eo r i g i n a lp a s s i v es h o c ka b s o r b e ro fc h 71 4 0 ，a no r i f i c e a d j u s t a b l ed a m p i n gs h o c ka b s o r b e ri sd e s i g n e d t h es t r u c t u r ea n dt h ew o r k i n g p r i n c i p l ea r ee x p l a i n e d t h ei m p r o v e dd a m p e ri s t e s t e do nt h eb e n c h t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ed a m p i n gf o r c ec h a n g e sa c c o r d i n gt ot h eo r i f i c e ，a n di s c o r r e s p o n d i n gt ot h ea n g l eo fs t e pm o t o r t h ed e s i g n e da d j u s t a b l ed a m p i n g s h o c ka b s o r b e rm e e t st h er e q u i r e m e n tv a l u e f i n a l l y , t h eo r i g i n a ld a m p e r sa r e r e p l a c e db yt h ed e s i g n e d o r i f i c ea d j u s t a b l ed a m p i n gs h o c ka b s o r b e r b y r a n d o mi n p u tt e s ta n dd o u b l el a n ec h a n g et e s t ，f r o n ta n dr e a rs u s p e n s i o n d a m p i n gi sc h a n g e d b a s e do no p t i m i z a t i o nv a l u e s i nr a n d o mi n p u tt e s t ，a f t e r o p t i m i z a t i o nt h ep e a ka n dr m so fa c c e l e r a t i o ni n d u c e d 1 0 2 a n d6 5 w 1 1 i l e2 0 k m h a n dr e d u c e d1 2 6 a n d6 7 w h i l e6 0 k m h i nd o u b l el a n e c h a n g et e s t ，t h er o l la n g u l a rv e l o c i t yi sa l s or e d u c e d i n d i c a t i n gt h a tv e h i c l e s u s p e n s i o nd a m p i n go p t i m i z a t i o ni sc o r r e c ta n d e f f e c t i v e k e yw o r d s ：s u s p e n s i o n ，r i d ec o m f o r t ，h a n d l i n g a n ds t a b i l i t y , o p t i m i z a t i o n r s m ，a d j u s t a b l ed a m p i n g s h o c ka b s o r b e r i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学 位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密团。 学位论文作者签名：柑 指导教师虢溉歹彳广 2 0 1 0 年6 月1 0 日2 0 1 0 年6 月1 0 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以 外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：毋螅1 孝 日期：2 0 1 0 年6 月1 0 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 悬架是现代汽车重要总成之一，它是车架( 或车身) 与车桥( 或车轮) 之间弹性 连接的机构，一般由弹性元件、导向机构和减振器三部分组成，轿车的悬架还多装有 横向稳定杆【1 】o 弹性元件用来承受并支撑垂直载荷，缓和由不平路面引起的对车身的 冲击。导向机构用来传递车轮和车身之间的一切力和力矩，并确定车轮相对车身的运 动规律。减振器则用以衰减、限制由冲击载荷引起的车身振动。横向稳定杆的作用是 提高车身的侧倾刚度并使汽车具有不足转向特性，以改善汽车的操纵稳定性，保证汽 车正常行驶。悬架系统对汽车的行驶平顺性、乘坐舒适性、操纵稳定性、通过性、安 全性等诸多性能都有很大影响，因此悬架系统一直是汽车设计、研究人员关注的焦点 问题之一。 随着汽车工业的快速发展和全社会消费水平的提高，人们对车辆性能要求也越来 越高。由于传统的被动悬架无法兼顾车辆行驶平顺性和安全性的要求，因此许多学者 开始研究性能可控的主动半主动控制悬架。主动悬架性能优良，但其结构复杂，造价 昂贵，限制了其推广应用。1 9 7 3 年，k a m o p p 和c r o s b y 等人提出半主动悬架的概念【2 】， 相对于全主动悬架，这种半主动悬架结构比较简单，造价相对低廉。因此，从实际应 用前景来看，半主动悬架更具有优势，因此半主动悬架已成为近年来国内外汽车企业 和科研人员的研究热点。 半主动悬架的研究集中于两个方面，可调阻尼减振器和控制器。本课题针对 c h 7 1 4 0 原车被动悬架展开研究，运用多体动力学软件a d a m s 建立整车虚拟样机模 型，研究多种工况下悬架阻尼的最佳匹配方案，进而研制车用可调阻尼减振器，对半 主动悬架的开发和应用有一定的借鉴意义和参考价值。 1 2 多体动力学及其软件介绍 1 2 1 多体动力学基本理论 多体系统是指由多个物体通过运动副连接的复杂机械系统。多体系统动力学，包 江苏大学硕士学位论文 括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学，是研究多体系统运动规律的学科。这种多 体系统一般都是由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成，其结构和连接方式多种多 样，因而动力学方程式一般都是高阶非线形方程，特别是多柔体系统动力学的动力学 方程是强偶合、强非线形方程，这种方程目前只能通过计算机用数值方法进行求解。 多体系统动力学首先是经典的动力学理论同现代计算机技术相结合的产物，为此，称 之为计算多体系统动力学【3 】o 多体系统动力学的核心问题是建模和求解问题，多体系统中最简单的情况自由 质点和少数多个刚体，是经典力学的研究内容。多刚体系统动力学则是为多个刚体组 成的复杂系统的运动学和动力学分析建立适宜于计算机程序求解的数学模型，并寻求 高效、稳定的数值求解方法。2 0 世纪8 0 年代，h a u g 等人确立了“计算多体动力学”这 门新的学科，多体系统动力学的研究重点由多刚体系统走向侧重多柔体系统，多柔体 系统动力学成为计算多体系统动力学的重要内容【4 】。 多刚体系统动力学各种方法的数学模型可归纳为纯微分代数方程组和微分一代 数混合方程组两种类型。对于数学模型的数值计算方法也有两种，即直接数值方法和 符号一数值方法。 对于由多个刚体组成的复杂系统，理论上可以采用经典力学的方法，即以牛顿 欧拉方程为代表的矢量力学方法和以拉格郎日方程为代表的分析力学方法。这种方法 对于单刚体或者少数几个刚体组成的系统是可行的，但随着刚体数目的增加，方程复 杂度成倍增长，寻求其解析解往往是不可能的。随着人们在航天领域和机械领域对于 多刚体系统动力学的研究的深入，形成了不同派别的研究方法，如图论方法；凯恩方 法；旋量方法；最大数量坐标法；变分方法等。归纳起来，柔性多体系统动力学方程 的建立有三类方法【4 j ：( 1 ) 牛顿一欧拉方法。在推导动力学方程时直接应用动量定理 和动量矩定理列出隔离的单个物体的动力学方程，方程中包含有理想约束力( 矩) ， 然后以约束条件为依据消除约束力( 矩) ，这种方法对于半柔体系统比较合适。( 2 ) 虚位移方法。从虚位移或虚速度原理出发，演变出拉格朗日方程或进一步根据变分原 理建立拉格朗同第二类方程的形式。这种方法是现在普遍应用的同时也是经过实践证 明比较有效的方法。( 3 ) 牛顿一欧拉方法和虚位移方法的各种变形方法，大部分是虚 位移方法的变形方法。 由于多柔体系统动力学涵盖了多刚体系统动力学，现在人们不再特意强调系统中 的物体是否为刚体，而统称这两类系统为多体系统。目前多体系统动力学已称为计算 2 江苏大学硕士学位论文 机辅助设计和计算机辅助工程中虚拟样机技术的重要组成部分f 5 1 。 随着多体动力学理论的发展与成熟，机械系统运动学、动力学分析软件也得到了 迅速发展。国外多体系统动力学软件的商品化过程已经完成。目前比较有影响的产品 包括美国m s c 公司的a d a m s ，比利时l m s 公司的v i r t u a l l a bm o t i o n ( 其前身为 d a d s ) 以及德国航天局的s i m p a c k 等。 a d a m s ，即机械系统动力学自动分析( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a l s y s t e m s ) ，它最早是由美国m i c h i g a n 大学的n o r l a n d e a 和m a c h a n c e 等人于1 9 7 3 研制，后经美国m d i 公司( 已被m s c 公司收购) 开发的虚拟样机软件。目前，a d a m s 已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采田。根据1 9 9 9 年机械系统动态仿真分 析软件国际市场份额的统计资料，a d a m s 软件销售总额近八千万美元、占据了5 1 的份额【6 】。 a d a m s 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 7 1 。a d a m s 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。a d a m s 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。a d a m s 一方面 是虚拟样机分析的应用软件，另一方面，它还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类型 开发工具用。 具体地说，a d a m s 软件具有如下特点【8 】： 分析类型包括运动学、静力学、准静力学分析，以及线性和完全非线性动力学分 析；具有二维和三维建模能力；包含刚体和柔体分析；具有五十多种联结副、力和运 动发生器组成的库；具有组装、分析和动态显示小同模型或同一个模型的某一变化过 程；具有一个强大的函数库，供用户自定义力和运动发生器；具有开发式结构，允许 用户集成自己的子程序；具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使求解快速、 准确。具有与c a d 、f e a 、r e n d i n g ( 广告动画) 和控制系统建模软件之间的专用接 江苏大学硕士学位论文 口；具有易于使用的图形界面一- a d a m s v i e w ； 1 3 基于a d a m s 的悬架系统研究进展 在悬架系统的建模及理论设计方面，国外发达国家开始的比较早。1 9 5 6 年，s e g e l 等首先创建了“线性二自由度”和“线性三自由度”的悬架数学模型【9 】；美国和日本分别 在六十年代末、七十年代初建立了多种多自由度非线性的悬架数学模型【1 0 l 。德国的米 奇克在其专著汽车动力学里采用了坐标变换的方法将车轮坐标系变换为车身坐标 系来计算车轮定位参数的变化。k n m o r m a n 在汽车前悬架静力学和动力学分析的 非线性模型和方程一文中采用了坐标变换的方法对汽车悬架进行了运动学和动力学 分析。 七十年代后，随着计算机技术的广泛应用，应用多体动力学理论分析车辆动力学 的软件逐步出现，如八十年代初美国的通用公司和德国的奔驰公司都已有了专门的汽 车多刚体系统动力学分析软件及其应用成果【1 1 】；随后出现了多体动力学软件a d a m s 、 d a d s 、s i m p a c k 等，其中a d a m s 应用较广泛，有很多成功应用案例。近年来， 国内外出现了很多应用多体动力学及软件a d a m s 研究汽车悬架系统的文献。 国外，2 0 0 0 年h i d e k is u g i u r a 在悬架设计中应用a d a m s ，分析厂悬架安装点位 置、悬架弹性元件、阻尼原件等对悬架运动学的影响【1 2 1 。 2 0 0 6 年m i c h e l ei e l u z z i ，p a t f i z i ot u r c o ，m a u r om o n t i g l i o 利用a d a m s 软件建立了 某重型卡车的虚拟样机模型，并在m a t l a b 环境当中建立控制器，进行联合仿真分析 和实车试验。分析了带挂车和不带挂车半主动悬架对车辆乘坐舒适性和操纵稳定性的 影响，研究发现挂车同样会对车辆控制效果产生影响，也应当对其悬架进行控制【1 3 】。 2 0 0 7 年e e u y s ，p s e l s ，m t h o r e s s o n 以提高车辆的乘坐舒适性为出发点，针对 不同的道路和车辆速度，利用a d a m s 软件对油气悬架参数进行了优化，获得了车辆 较好的的乘坐舒适性【1 4 1 。 国内对悬架系统运动学、动力学的研究较晚，七十年代中期，郭孔辉院士在国内 首先提出了根据概率统计原理来优选汽车悬架系统参数的设计方法，这一方法后来被 国内的学者广泛采用【1 5 】。1 9 8 9 年，吉林工业大学的林逸运用r w 方法，建立了对汽 车悬架中的单摆臂及摆柱式悬架进行空间运动分析的通用计算程序【1 6 】。1 9 9 7 年，清 华大学的张越今采用多刚体系统动力学方法，应用a d a m s 软件进行了前后悬架系统 4 江苏大学硕士学位论文 和整车动力学性能仿真及优化研究【1 7 1 。近来来，应用多体动力学及a d a m s 软件开展 对汽车悬架的研究得到了进一步的发展。 2 0 0 4 年吉林大学的蔡章林运用a d a m s c a r 软件，对悬架和整车动力学几个方面 进行详细。在论证模型可行性的基础上，讨论了悬架结构对操纵稳定性的影响，对影 响操纵稳定性的若干因素进行了研究 1 8 1 。 2 0 0 4 年南京理工大学的苏小平以依维柯汽车为研究对象，运用多体系统动力学理 论和方法，进行了整车性能分析悬架优化设计研究，运用传统优化方法对多种车速工 况下悬架参数进行了匹配设计【1 9 1 。 2 0 0 5 年，合肥工业大学的乔明侠利用a d a m s v i e w 建立整车多刚体模型，对车 辆进行了平顺性分析，为改善车辆平顺性，结合a d a m s 中自带的试验优化技术，对 悬架参数进行了优化设计【捌。 2 0 0 6 年吉林大学的郭猛利用a d a m s 建立了某轻型货车的虚拟样机模型，对整 车做了操纵稳定性道路和仿真试验，在验证模型正确性的基础上对该车的前轮定位参 数进行了优化设计【2 i 】。 2 0 0 9 年江苏大学的喻广强基于a d a m s 熏立某客车虚拟样机模型，对车辆的操 纵稳定性进行了评价，对其前悬架做了前轮定位参数的优化设计，对优化前后的车辆 操纵稳定性进行了仿真对比，验证了优化结果的正确性【钩。 1 4 悬架参数优化匹配方法 传统的悬架优化方法有单目标规划，复合形法、分枝定界法，最优化方法，遗传 算法等。然而，由于悬架系统的的复杂性，基于系统动力学分析所建立的反映悬架结 构及特性参数与汽车操纵稳定性和平顺性能评价指标间的定量关系的数学模型，其表 达形式极为复杂且涉及微分方程的求解，若直接嵌入于优化设计的迭代格式中，必将 导致计算效率的极度低下以及对计算环境要求的显著提高，显然不适于工程领域的推 广应用，必须寻求有效方法对此加以解决【2 3 1 。而响应面法以多项式超曲面近似描述变 量间的复杂映射关系，形式简单，计算方便。 目前响应面方法多用于结构优化设计、食品生物技术当中，随着多体动力学的发 展及较成熟仿真软件a d a m s 的运用，近年来响应面方法结合虚拟样机技术在汽车悬 架优化中的研究开始出现。王延克等基于响应面方法做了悬架结构的优化设计【冽。董 5 江苏大学硕士学位论文 恩国等建立整车虚拟样机模型，采用响应面技术建立了转向定位参数与转向回j r 性能 两者之间的二阶响应面模型，并对其进行了优化【强。本文把响应面理论与多体动力学 软件a d a m s 结台起来，研究整车悬架阻尼的优化匹配。 1 5 可调阻尼减振器研究现状 目前，半差动悬架的研究是个热点问题研究丰要集中在两个方面，可调阻尼减 振器和控制器。可调阻尼减振器作为半主动悬架的核心部件，是近年来汽车技术领域 的热点研究问题之一。可调阻尼减振器的型式很多，实现阻尼调节的方式主要有两种： 调节减振器工作介质的粘度特性，调节节流孔的面积。通过调节油液粘度特性而改变 阻尼的有电流变液减振器、磁流变液减振器；通过调节节流口面积的实现阻尼可调的 减振器主要自机械控制式、气压控制式、电子控制式等。 近年柬，国内外在电流变液减振器和磁流变液减振器方面取得了较人的发展，如 图1 _ 1 和12 所示其工作原理是通过改变电流和磁场的强弱，使减振器内部的电流变 液和磁流变液的粘度特性发生变化，进而改变减振器的阻尼力。 簿冀 图l _ 1d c n 蚣司生产的磁流变减振器固1 2l d r d 套司生产的e r f 和m r f 战振器 f i 9 1 1 m r f d a r a p e rp r o d u c e db y d e l t h f i 9 12 e r f d 衄p e ra n d m r f d a m p e r p r o d u c e x lb yl o r d 机械控制式可调阻尼减振器一般根据车轮载荷的变化而调节阻尼的大小，其结构 与悬架形式有关。2 0 0 4 年1 0 月份。奔驰公司在其a 级轿车中采用了两卷机械阻尼可调减 振器，如訇1 3 所示。该减振器内有附加阀室，活塞将阀室分为两音【1 分，当减振器处于较缓 和的运动状态时。活皋处于阀室的中间，一部分油渣从其中流过。此时，减振器处于“软” 阻尼状态。当减振器受到较大的冲击运动时( 例如高速转弯) 油液将活塞向上、或向下 推动，自动关闭油液支路，减少流通面积，减振器阻尼达到最大值脚i 。 江苏大学硕士学位论文 瞒，需 围1 3 两态机械阻尼可调减振器 h l 3 t w o s t a t e s m a c h a n i c a l a d j u s t a b l es h o c k a b r b e r 电子控制式可调阻尼减振器通常由传感器以及执行机构等组成，国外许多高档轿 车上已出现这类减振器。国内各厂家和高校在电子控制减振器的研制方面也取得了很 大进展，其执行机构一般采用置于减振器上方的步进电机驱动阻尼调节杆改变节流 口面积，从而调节减振器的阻尼特性。常见的可变节流口主要有两种形式：圆形小孔 节流和矩形孔节流，如图1 4 所示【勰l 。这类减振器具有结构简单、控制方便的优点， 可在被动式减振器基础上改制，研发周期短，成本较低。 幻圆形小孔节流形式b ) 矩形小孔节流形式 囤1 4 两种亮型节流口彤式 f i g 1 a t w o f o r m s o f o i m 国外还出现了涡流式减振器、应变感应式减振器、频率感应减振器和压电阻尼 t e m s 式减振器等，这些减振器通过传感元件可实现阻尼的实时可调。国内在可调阻 尼减振器研究方面也做了大量工作，主要集中在节流口式、电流变和磁流变式可调阻 尼减振器，如北京理工大学的曾志华、章一鸣设计了一种三级可调阻尼减振器 2 9 j 。吉 林大学、北京理工大学、江苏大学等高校也对可调阻尼减振器做了比较深入的研究， 并取得了一些进展，如江苏大学研究的电子控制式可调阻尼减振器【2 b 】吉林大学研究 的行程相关可调阻尼减振器删等。 江苏大学硕士学位论文 1 6 本文研究内容 关于悬架优化匹配及可调阻尼减振器的研究前人做了很多的工作，在优化匹配方 法及理论方面积累了一些经验，现有的文献多是针对车辆某一行驶工况下，系统研究 悬架阻尼变化对整车性能影响分析的较少，并且假设左右阻尼的对称的，这样的话有 可能会带来一些误差，对悬架阻尼与车辆平顺性与操纵稳定性各试验的关系描述的不 够清晰，大多停留在仿真阶段，针对这一情况，本文做了以下一些工作。 1 、在获取c h 7 1 4 0 整车参数的基础上，建立了整车多体动力学模型，并通过实车 道路试验验证模型的正确性。 2 、在建立整车模型的基础上，进行车辆垂向振动和俯仰振动响应分析，分析整 车悬架阻尼对车辆行驶平顺性的影响。 3 、通过整车的操纵稳定性试验，对实车的操纵稳定性进行评价，分析前后左右 悬架阻尼对车辆操纵稳定性的影响。 4 、在整车平顺性和操纵稳定性分析的基础上，运用响应面理论对多工况下的车 辆悬架阻尼进行了优化匹配研究，寻求其最优悬架阻尼参数。 5 、在原车被动减振器的基础上，研制可调阻尼减振器，进行台架和实车道路试 验以验证仿真模型、优化方案和可调阻尼减振器的正确性和有效性。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章整车多体动力学模型的建立 本文研究悬架阻尼对整车性能的影响及多工况下悬架阻尼的优化匹配，首先要建 立能较为精确地反映实车的整车模型，因此本章应用多体动力学软件a d a m s 建立 c h 7 1 4 0 整车模型。 2 1a d a m s c a r 建模方法 在a d a m s c a r 下用户有两种工作模式：专家( e x p e r t ) 和标准用户( s t a n d a r d ) 。专家用 户可以创建和修改模板，标准用户只能基于现有模板进行建模和仿真【3 1 1 。 a d a m s c a r 里模型有三级：模板( t e m p l a t e ) 、子系统( s u b s y s t e m ) 禾i 总成( a s s e m b l y ) 。 a d a m s c a r 建模的一个主要特点就是基于模板。模板定义了车辆模型的拓扑结构。 子系统是基于模板创建的，也可以认为是特殊的模板，即对模板的某些特性做了调整， 在子系统里可以修改模板的某些属性。总成就黾一系列的子系统加上一个试验台所构 成的整车或者悬架总成。试验台的作用是给模! 曼施加激励。所以综合来说，a d a m s c a r 的建模方法是从模板到子系统然后到总成，如图2 1 所示。 模 板匕爿 子系统e = 二令总成 l 前恳架卜一一前悬架系统卜- 一 后悬架卜_ 爿后悬架系统i i 转向卜一 转向系统 l通 整 车 l轮胎卜- _ 爿轮胎糸统 i 品 模 l 车身卜一 车身系统 l 型 l制动卜_ 爿 制动系统卜_ 一 2 2 整车模型参数 图2 1a d a m s c 乱- 建模过程 f i g 2 1p r o c e s so f b u i l dm o d e lu s i n ga d a m s c a r 要建立整车多体动力学模型，模型参数的获取至关重要，它是建模的基础，也是 模型精确与否的的关键因素【翊。整车模型参数主要包括：几何参数( 运动学参数) ， 这部分参数主要由厂家提供；质量参数( 整车质量、质心、转动惯量等) ；力学参数 9 江苏大学硕士学位论文 ( 弹簧刚度、减振器阻尼等) 。模型参数的获取方法主要有测量法、实验法、计算法、 c a d 建模法、查图法等。 2 2 1 几何参数 整车模型主要几何参数如表2 1 。 表2 1 整车模型主要几何参数 t a b 2 1 v e h i c l eg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r e 参数( 单位)数值规格 车长( m m ) 车宽( m m ) 车高( m m ) 轴距( m m ) 前轮距( m m ) 后轮距( n u n ) 最小转弯半径( m ) 最小离地间隙( r a m ) 轮胎 3 4 0 0 1 5 7 5 1 6 7 0 2 3 3 5 1 3 6 0 1 3 5 5 4 9 1 6 3 ( 空载) 1 6 5 6 5 r 1 3 子午线 前轮定位参数可以通过试验获得。 2 2 2 减振器性能测试 力学参数主要包括减振器阻尼和弹簧刚度。减振器阻尼系数通过台架试验获得。 减振器试验方法参照q c 厂r5 4 5 1 9 9 9 汽车筒式减震器台架试验方法，试验所获得 减振器示功图和速度特性图如图2 2 2 3 。 2 兰 l - r ( a ) 示功图( b ) f - v 特性图 图2 2 前减振器实验结果 f i g 2 2t e s tr e s u l t so f f r o n td a m p e r 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 2 3 质量参数 ( a ) 示功图( b ) f - v 特性图 图2 3 后减振器实验结果 f i g 2 3t e s tr e s u l to fr e a rd a m p e r 整车质量数据由厂家提供，整车整备质量为9 0 0 k g ，最大总质量1 3 3 0 k g 。 整车质心高度未知，可借助空载汽车质心高度。与空载汽车高度比来估算，即： 空载汽车质心高度= ( 0 3 8 - + 0 0 2 ) 空载汽车高度。 由上式估算出的空载整车质心高度为6 0 1 6 6 8 m m 。 整车转动惯量的估算可以采用经验公式【3 = 1 ，经过估算， k = ( ( 础+ 玩) 水邢木m k x ) 宰l e 6 = 3 0 4 x 1 0 8 l r y = ( ( r h + h g ) 木l 宰m k y ) 术l e 6 = 1 0 8 x 1 0 9 t = ( 邢术w b 木m k z ) 宰l e 6 = 1 5 x1 0 9 以上结果单位均是g m m z 。 2 3 悬架系统建模 2 3 1 前悬架建模 所研究车辆的前悬架为麦弗逊式独立悬架，由减振器、转向节总成、螺旋弹簧、 下控制臂( 本车为单斜臂) 等组成，结构如图2 4 所示。 江苏大学硕士学位论文 卜下控制臂；2 一转向节总成；3 轮轴；4 一车轮；5 一减振器；6 一螺旋弹簧； 7 一车体；8 一转向横拉杆；9 一转向器齿条 图2 4 麦弗逊悬架结构图 f i g 2 4t h es t r u c t u r eo fm c p h e r s o ns u s p e n s i o n 定义各部件之间铰接时，轮轴与转向节总成通过转动副连接；下控制臂一端通过 转动副与车身相连，一端通过球副与转向节总成相连；减振器内外筒间为移动副；转 向横拉杆一端与转向节总成通过球副相连，另一端通过万向节与转向器齿条相连；螺 旋弹簧下端套在减振器外筒上，上端与车身相连，各主要部件连接拓扑结构如图2 5 。 图2 5 前悬架拓扑结构框图 f i g 2 5f r o n ts u s p e n s i o nm o d e lt o p o l o g ) r 经过实际测量和计算得到前悬架的关键硬点坐标如表2 2 。单位l m l l ( 下同) 。 表2 2 前悬架关键硬点坐标 t a b 2 2t h ec r i t i c a lp o i n tc o o r d i n a t e so fm c p h e r s o ns u s p e n s i o n 硬点名称 坐标值( x ，y ，z ) 前悬臂内点 前悬臂外点 横拉杆内点 横拉杆外点 减振器支柱上点 减振器支柱下点 弹簧下点 车轮中心 1 2 o 0 o o 0 o 0 0 6 3 3 3 o 9 6 3 2 2 3 3 8 3 5 3 ， ， ， ， ， ， ， ， o 5 0 5 4 5 1 0 5 2 5 2 l 2 8 1 3 6 4 6 5 6 5 7 一 一 一 一 一 一 一 一 ， ， ， ， ， ， ， ， 2 7 0 o 7 7 7 7 5 6 o 9 7 7 7 6 3 2 4 3 2 2 2 2 扛苏大学硕士学位论文 a d a m s 中建立的前悬架模型如图2 6 。 2 3 2 后悬架模型 图2 6 前悬架模型 f i f r 2 6 t h e m o d e lo f m a c p h e r s o ns u s p e n s i o n 后悬架为单纵臂式非独立悬架，主要由后车轴，纵臂，横向推力杆、螺旋弹簧、 减振器组成，各主要部件铰接关系：纵臂前端通过橡胶衬套( 球铰) 与车身相连，后 端通过固定副与后轴相连：后轴和减振器支柱之间为移动副，减振器支柱通过橡胶衬 套与车身相连，横向推力杆左端通过球副与纵臂相连，右端通过球副与车身相连，轮 毂通过旋转副与后轴相连。后悬架系统拓扑结构框图如图2 7 所示 堑 身 圉2 7 后悬架拓扑结构田 f i f p 27 f r o n t s u s p e m i o n m o d e l t o p o l o g y 经过实际测量与计算，后悬架的关键硬点坐标如表2 3 所示。 ，- 1 s 江苏大学硕士擘住论文 袁2 3 后悬槊关键硬点坐标值 t a b 2 3 t h e c d t i c a p o i n t o o o r d i n a t s o f i - e 蛊】ts u s p e n s i o n 硬点名称坐标值( x ，y z ) 纵臂前点1 7 8 0 。一5 5 5 ，3 1 0 纵臂后点2 3 1 0 。一5 5 5 ，2 4 0 车轮中心2 3 6 0 ，一6 7 7 ，3 1 0 减振器支柱上点2 2 8 0 ，_ 4 7 5 ，5 8 0 减振器支柱f 点2 2 8 0 ，叫7 5 ，2 4 0 弹簧下点 2 3 6 0 ，一5 2 0 ，3 1 0 弹簧上点2 3 6 0 。一5 2 0 ，5 7 0 横向推力杆内点 2 3 6 0 ，5 5 5 ，3 1 0 横向推力杆外点2 4 7 0 ，5 5 5 3 1 0 a d a m s 中建立的后悬架模型如图2 8 。 2 4 转向系统模型 图2 8 后悬架多体动力学模型 f i g , 2 8 t i m m o d e l o fr e a rs u s p e n s i o n 转向系统为齿轮齿条式转向系统，基本部件包括方向盘、转向轴、小齿轮、齿条、 转向器壳体。模型经过简化后，在各个零件之间施加以下约束： 转向盘通过转动副与车身和转向轴相连；转向轴与车身为圆柱副；转向小齿轮与 转向嚣壳体之间为转动副；转向小齿轮与转向齿条之间为齿轮副；转向齿条与转向器 壳体之间为滑移副；齿条与转向横拉杆之间为万向副；转向器壳体固定副连在车身上。 转向系统结构拓扑框图如图2 9 所示。 江苏大擘硕士学位论文 圉2 9 转向系统拓扑结构框圉 f i g 2 9s t e e r i n g s y s t e m m o d e l t o p o l o g y 实际测量计算后得到了转向系统关键设计点，关键设计点坐标值如表2 4 所示 袁2 4 转向东统关键硬点坐标值 t a b 2 4 m c r i t i c a l p o i n t c o o r d i n a t e s o f s t e e t h g s y s t e m 硬点名称坐标值( x