（光学工程专业论文）基于adams的双横臂悬架运动学及整车操纵稳定性的研究.pdf

主 委员： 学 查，确认符合合肥工业大 位、职称) 向佗z 掳六季秘援 1 哞铅垠 导师： 棒日为z 詹咿多也农芬敬後 0 基行红。忱鲁 咋 -_ij 7：刨 席名 的研究工作及取得的研究成果。 文中不包含其他人已经发表或撰 其他教育机构的学位或证书而使 贡献均已在论文中作了明确的说 期：列1 年4 - 月2 - 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月巴王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权金目垦王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：霸蛐 签字日期：压年年月2 - - f1 3签字日期：细1 1 年牛月l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地妇e ： 导师签名： 签字日期：矽f f 年平月i7 日 电话： 邮编： 基于a d a m s 的双横臂悬架运动学及整车操纵稳定性的研究 摘要 本文以多体系统动力学为理论基础，利用多体系统动力学软件a d a m s c a r 模块，首先建立了某大型客车双横臂悬架刚柔耦合模型，进行了悬架运动学仿 真，分析并评价了悬架在运动过程中主要性能参数的变化规律及其对操纵稳定 性的影响，通过比较悬架系统多刚体模型和刚柔耦合模型的仿真分析结果，证 明刚柔耦合模型更加准确；同时对悬架进行了评价，针对悬架出现的问题，利 用多体系统动力学软件a d a m s i n s i g h t 模块对悬架某些不合理的参数进行优 化，改善了悬架的性能使其达到最优。 其次，根据原型车的相关结构和技术参数，在a d a m s c a r 模板中建立了 四连杆式后悬架、前后横向稳定杆、前后轮胎、发动机、车身等整车多体动力 学仿真模型，对操纵稳定性试验方法、评价指标及数据处理方法进行了详细的 介绍，利用整车动力学模型进行了转向盘角阶跃、稳态回转、转向回正、单移 线仿真四项操纵稳定性仿真分析，评价了该车的操纵性能。 然后，介绍了实车操纵稳定性的试验条件、试验场地和设备以及试验方法，对转 向角阶跃、稳态回转以及转向回正进行了实车试验，对虚拟仿真结果和实车试验结果 进行了对比分析，结果表明虚拟仿真曲线和实车试验曲线基本吻合，该车的各项操 纵稳定性性能均较好。 最后，分析了汽车前后悬架结构参数、前后悬架空气弹簧刚度、转向传动 比、整车载荷对汽车操纵稳定性的影响。通过分析可知，改变前、后悬架部分 结构参数后该车的侧向加速度、横摆角速度、车身侧倾角峰值以及稳态值降低， 瞬态响应时间缩短，转向回正时间减小：适当增加前悬架空气弹簧刚度、降低 整车载荷有利于该车的操纵稳定性。 关键词：双横臂悬架操纵稳定性刚柔耦合仿真 a t i c s o f b a s e do nt h et h e o r yo fm u l t i b o d ys y s t e md y n a m i c sf i r s t l y , r i g i d - - f l e x i b l e c o u p l i n go fd o u b l ew i s h b o n es u s p e n s i o no fac e r t a i nl a r g ep a s s e n g e rc a ri sb u i l tb y u s i n ga d a m s c a r , a n dt h ek i n e m a t i c ss i m u l a t i o no fd o u b l ew i s h b o n es u s p e n s i o n i sc a r r i e do u t a m o n gm o v e m e n tp r o c e s st h ei n f l u e n c eo fs u s p e n s i o nm o v e m e n t r e g u l a t i o na n dm a j o rv a r i a b l et ot h eh a n d l i n gs t a b i l i t ya r ea n a l y z e da n de s t i m a t e d b yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l to ft h er i g i da n dr i g i d f l e x i b l em o d e l ，i ts h o w s t h a tt h er i g i dm o d e li sm o r ee x a c t t h ep e r f o r m a c eo ft h es u s p e n s i o ni se v a l u a t e d i n a l l u s i o nt ot h ep r o b l e mo fs u s p e n s i o n ，t h ec e r t a i nu n r e a s o n a b l ep a r a m e t e r sa r e o p t i m i z e db ya p p l y i n gs o f t w a r ea d a m s i n s i g h t ，s ot h ep e r f o r m a n c eo fs u s p e n s i o n i si m p r o v e da n da c h i e v e do p t i m u m s e c o n d l y a c c o r d i n gt om e c h a n i c sa n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fp r o t o t y p e v e h i c l e ，i na d a m s c a raf u l lv e h i c l em u l t i - b o d yd y n a m i c sm o d e li n c l u d i n g f o u r l i n kr e a rs u s p e n s i o n ，f r o n ta n dr e a rs t a b i l i z eb a r ，f r o n ta n dr e a rt i r e s ，b o d ya n d p o w e r t r a i na n ds o o na r eb u i l t a s s e s s m e n tc r i t e r i aa n dt e s td a t ao fh a n d l i n g s t a b i l i t ya r ei n t r o d u c e dd e t a i l e d ly u s i n gt h ef u l l v e h i c l em u l t i - b o d yd y n a m i c s m o d e lf o u rs i m u l a t i o nt e s t so nh a n d l i n gs t a b i l i t yi n c l u d i n gs t e ps t e e rt e s t ，c o r n e r i n g w i t hs t e e rr e l e a s et e s t ，s t e a d yc o r n e r i n gt e s ta n ds i n g l el a n et e s ta r ec a r r i e do u t ，t h e p e r f o r m a n c eo fh a n d l i n gs t a b i l i t yi se v a l u a t e d t h e n ，t e s tc o n d i t i o n ，t e s ts i t e sa n de q u i p m e n t s ，t e s tm e t h o da r ei n t r o d u c e d ，t h e t e s to fr e a lv e h i c l ei n c l u d i n gs t e ps t e e rt e s t ，c o r n e r i n gw i t hs t e e rr e l e a s et e s t ，s t e a d y c o r n e r i n gt e s t a r ec a r r i e do u t ，a n dv i r t u a ls i m u l a t i o nr e s u l ta n dt e s tr e s u l to n h a n d l i n gs t a b i l i t yo fr e a lv e h i c l ea r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wv i r t u a ls i m u l a t i o n c u r v ea n dr e a lv e h i c l et e s tc u r v ea r ec o i n c i d eb a s i c a l l ya n dh a n d l i n gs t a b i l i t yi s g o o d f i n a l l y , t h eg u i d em e c h a n i s mo fs u s p e n s i o n ，t h ea i rs p r i n gr a t e ，t h es t e e r i n g r a t i oa n dl o a dc o n d i t i o n sa r ec o n s i d e r e dt oa n a l y s ev e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t y t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ep e a ko fl a t e r a la c c e l e r a t i o n ，y a wv e l o c i t y , r o l la n g l ea n d s t e a d y s t a t ev a l u er e d u c e ，r e s p o n s et i m eo ft r a n s i e n tr e s p o n s ec u ts h o r t ，m e a n w h i l e s t e e r i n g r e v e r s a l t i m ed e c r e a s ea f t e rm e c h a n i c sp a r a m e t e r so fs u s p e n s i o na r e c h a n g e d ；t h eh a n d l i n gs t a b i l i t yw i l lb em o r eb e n e f i c i a li f a i rs p r i n gs t i f f n e s so f f r o n ts u s p e n s i o ni si n c r e a s e dp r o p e r l y , l o a di sr e d u c e dp r o p e r l y k e y w o r d s ：d o u b l ew i s h b o n es u s p e n s i o n h a n d l i n gs t a b i l i t y r i g i d f l e x i b l ec o u p l i n g s i m u l a t i o n 致谢 三年的研究生学习随着论文的答辩即将结束，有许许多多的感谢。首先要 感谢尊敬的导师王其东教授和陈无畏教授，在您们的指导下，我在各方面的能 力都得到了提高，您们渊博的知识、严谨的治学态度、高尚的品质和无私奉献 的工作精神令我终身难忘；您们对教育的热爱、执着与奉献深深激励着我；您 们的宽容、豁达教会了我如何做人。从您们身上，我不仅学到了扎实、宽广的 专业知识，也学到了做人的道理，在今后的学习、生活和工作中我将切实铭记 导师们的教诲。 衷心感谢张良、姜武华、赵林峰等老师多年在学习上对我的无私指导和帮 助。 感谢秦炜华、刘翔宇、梅雪晴、朱茂飞、汪明磊、黄鹤、王家恩、王金波、 罗凯杰、钱海清、赵甲运、王海波、肖灵芝、郝芳芳、李超、韦端利、周磊磊、 汪静娴、孙琼、吴刚、张荣芸、毕玲峰、朱耀文以及格物楼4 1 2 、4 1 0 和1 0 8 所有的兄弟姐妹们在我的研究课题及论文写作期间给予我的帮助，在此，祝愿 他们快乐人生、事业有成! 我要感谢我的父母及亲人，他们不仅给与我物质上的支持，而且给予我精 神上鼓励，他们的关心和支持一直是我求学路上的动力，时刻鼓励和鞭策着我 一直向前。 感谢合肥工业大学，在这里我度过了人生中最美好的三年时光! 最后，谨向所有在攻读硕士学位期间曾经关心和帮助过我的老师和同学表 示最诚挚的谢意! 作者：梁媛媛 2 0 11 年4 月 l 1 的发展概况1 2 3 1 5 本章小结4 第二章双横臂悬架仿真模型的建立一5 2 1 多体系统动力学简介。5 2 1 1 多体系统概述5 2 1 2 多刚体系统动力学5 2 1 3 柔性多体系统动力学5 2 2a d a m s c a r 模块及仿真建模简介6 2 3a d a m s f l e x 中的柔性体一6 2 4 在a n s y s 中生成a d a m s 专用的模态中性文件的方法“7 2 5 双横臂式独立悬架系统模型的建立7 2 5 1 悬架多刚体模型一7 2 5 2 悬架刚柔耦合模型1 l 2 6 本章小结1 3 第三章双横臂悬架运动学分析1 4 3 1 悬架运动学参数的确定1 4 3 1 1 坐标系的建立”1 4 3 1 2 参数的确定1 4 3 2 悬架基本参数的介绍1 4 3 2 1 车轮外倾角1 5 3 2 2 主销后倾角1 5 3 2 3 主销内倾角1 5 3 2 4 前束1 6 3 2 5 抗制动点头率1 6 3 2 6 轮距1 6 3 3 悬架左右车轮平行跳动分析1 6 3 3 1 车轮外倾角的变化曲线1 7 3 3 2 主销后倾角变化曲线1 7 3 3 3 主销内倾角的变化曲线一18 3 3 4 前束角的变化曲线1 8 1 9 1 9 e l ol 2 0 2 0 2 l 2 3 2 6 第四章整车操纵稳定性仿真2 7 4 1 整车虚拟仿真模型的建立2 7 4 1 1 前悬架模型的建立2 7 4 1 2 后悬架模型的建立2 7 4 1 3 转向系模型的建立2 8 4 1 4 横向稳定杆模型的建立2 8 4 1 5 轮胎模型的建立2 9 4 1 6 发动机模型的建立2 9 4 1 7 车身模型的建立3 0 4 1 8 整车模型的建立3 0 4 2 操纵稳定性评价方法。3 0 4 3 整车操纵稳定性仿真分析3 0 4 3 1 转向盘角阶跃输入试验一3 0 4 3 1 1 试验方法3 0 4 3 1 2 评价指标3 0 4 3 1 3 仿真结果3 1 4 3 2 稳态回转试验3 4 4 3 2 1 试验方法3 4 4 3 2 2 评价指标3 4 4 3 2 3 数据处理3 4 4 3 2 4 仿真结果3 4 4 3 3 转向回正试验“3 6 4 3 3 1 试验方法3 6 4 3 3 2 评价指标3 6 4 3 3 3 仿真结果3 7 4 3 4 单移线试验3 7 4 3 4 1 试验方法及评价指标3 7 4 3 4 2 仿真结果3 7 4 3 5 操纵稳定性总结一3 8 5 3 1 转向盘角阶跃试验”4 2 5 3 2 稳态回转试验4 4 5 3 3 回正试验4 5 5 3 4 试验小结4 5 5 4 本章小结4 5 第六章操纵稳定性若干影响因素分析4 6 6 1 前悬架有关参数的变化对操纵稳定性的影响”4 6 6 2 后悬架有关参数的变化对操纵稳定性的影响”4 7 6 2 1 后悬架侧倾特性分析4 7 6 2 2 侧倾灵敏度分析“4 9 6 2 3 后悬架结构参数的变化对汽车操纵稳定性的影响一4 9 6 3 悬架空气弹簧刚度的变化对操纵稳定性的影响“5 l 6 4 转向传动比对汽车操纵稳定性的影响”5 3 6 5 整车载荷对汽车操纵稳定性的影响“5 4 6 6 本章小结5 6 第七章全文总结与展望5 7 7 1 全文总结5 7 7 2 工作展望5 8 参考文献5 9 8 o o o o 1 2 3 4 4 4 4 4 4 图2 5 横向稳定杆橡胶元件各向扭转刚度曲线1 0 图2 6 前空气弹簧特性文件曲线1 0 图2 7 定义双横臂悬架主销轴线1 l 图2 8 设定双横臂悬架前束角与外倾角1 1 图2 9 上摆臂的有限元模态分析模型1 2 图2 1 0 下摆臂的有限元模态分析模型1 2 图2 1 1 横向稳定杆的有限元模态分析模型1 2 图2 1 2 双横臂悬架刚柔耦合模型1 3 图3 1 双横臂悬架空间拓扑结构简图1 4 图3 2 车轮外倾角1 5 图3 3 主销后倾角1 5 图3 4 主销内倾角1 6 图3 5 车轮前束1 6 图3 6 悬架平行跳动参数设置1 7 图3 7 车轮外倾角与车轮跳动的关系曲线1 7 图3 8 主销后倾角与车轮跳动的关系曲线1 8 图3 9 主销内倾角与车轮跳动的关系曲线1 8 图3 1 0 前束角与车轮跳动的关系曲线1 9 图3 一1 1 抗制动点头率与车轮跳动的关系曲线1 9 图3 1 2 轮距与车轮跳动的关系曲线2 0 图3 一1 3 车轮前束角设计目标的创建2 l 图3 一1 4 试验因子和响应的选取2 l 图3 1 5 试验因子水平取值的范围2 2 图3 一1 6 设计策略的选取2 2 图3 1 7 设计矩阵2 2 图3 1 8 网页表形式输出结果2 3 图3 1 9 优化前后车轮外倾角对比图2 4 图3 2 0 优化前后主销后倾角对比图2 4 图3 2 l 优化前后主销内倾角对比图2 4 图3 2 2 优化前后前轮前束角对比图2 5 图4 8 整车模型3 0 图4 94 0k m h 时方向盘转角变化曲线3 l 图4 1 04 0l ( m h 时横摆角速度变化曲线3 2 图4 1 l4 0l ( h i h 时侧向加速度变化曲线3 2 图4 1 24 0l ( m h 时车身侧倾角变化曲线3 2 图4 1 35 0l ( m h 时方向盘转角变化曲线3 2 图4 一1 45 0l ( m h 时横摆角速度变化曲线3 3 图4 1 55 0l ( m h 时侧向加速度变化曲线3 3 图4 1 65 0i ( m h 时车身侧倾角变化曲线3 3 图4 1 7 侧向加速度变化曲线3 5 图4 1 8 横摆角速度变化曲线3 5 图4 1 9 车厢侧倾角变化曲线3 5 图4 2 0 转弯半径比与侧向加速度的关系曲线3 5 图4 2 1 前后轴侧偏角差值与侧向加速度的关系曲线3 6 图4 2 2 车厢侧倾角与侧向加速度的关系曲线3 6 图4 2 34 0i ( m h 时横摆角速度响应曲线3 7 图4 2 41 0 0k m h 时横摆角速度响应曲线3 7 图4 2 5 转向盘输入过程3 8 图4 2 6 横摆角速度变化曲线3 8 图4 2 7 侧向加速度变化曲线3 8 图5 1 试验样车4 0 图5 2 实验场地4 0 图5 3 方向盘力矩传感器4 1 图5 4 车速显示器4 1 图5 5 车外光电仪4 l 图5 6 陀螺仪4 1 图5 7 笔记本电脑4 1 图5 8 数据采集与分析软件4 1 图5 94 0l ( m h 时侧向加速度变化曲线4 2 图5 一1 04 0l ( h 时横摆角速度变化曲线4 2 图5 1 14 0l ( m h 时车身侧倾角变化曲线4 2 图5 1 25 0l ( m h 时侧向加速度变化曲线4 3 图5 一1 35 0k w h 时横摆角速度变化曲线4 3 图5 1 45 0k m h 时车身侧倾角变化曲线4 3 图5 1 5 转弯半径比与侧向加速度的关系曲线4 4 图5 一1 6 前后轴侧偏角差值与侧向加速度的关系曲线4 4 图5 1 7 车厢侧倾角与侧向加速度的关系曲线4 4 图5 1 84 0i ( m h 时横摆角速度响应曲线4 5 图6 1 悬架优化前后的横摆角速度对比曲线4 6 图6 2 悬架优化前后的侧向加速度对比曲线4 6 图6 3 悬架优化前后的车身侧倾角对比曲线：4 7 图6 4 悬架优化前后的横摆角速度对比曲线4 7 图6 5 后悬架模型4 8 图6 6 后悬架侧倾中心高度变化曲线4 8 图6 7 后悬架侧倾转向系数变化曲线4 8 图6 8 后悬架侧倾刚度变化曲线4 8 图6 9 后悬架参数变化时的横摆角速度对比曲线5 0 图6 1 0 后悬架参数变化时的侧向加速度对比曲线5 0 图6 1 1 后悬架参数变化时车身侧倾角对比曲线5 0 图6 1 2 后悬架参数变化时横摆角速度对比曲线5 0 图6 1 3 前空气弹簧不同刚度下的横摆角速度对比曲线5 1 图6 1 4 前空气弹簧不同刚度下的侧向加速度对比曲线5 1 图6 1 5 前空气弹簧不同刚度下的车身侧倾角对比曲线5 1 图6 1 6 后空气弹簧不同刚度下的横摆角速度对比曲线5 2 图6 1 7 后空气弹簧不同刚度下的侧向加速度对比曲线5 2 图6 1 8 后空气弹簧不同刚度下的车身侧倾角对比曲线5 2 图6 1 9 前空气弹簧不同刚度下的横摆角速度对比曲线5 2 图6 2 0 后空气弹簧不同刚度下的横摆角速度对比曲线5 3 图6 2 1 转向传动比不同情况下的横摆角速度对比曲线5 3 图6 2 2 转向传动比不同情况下的侧向加速度对比血线5 4 图6 2 3 转向传动比不同情况下的车身侧倾角对比曲线5 4 图6 2 4 转向传动比不同情况下的横摆角速度对比曲线5 4 图6 2 5 不同载荷下的横摆角速度对比曲线5 5 5 l r u 6 l r u c u c u 表3 一l 优化前后悬架部分硬点坐标变化图2 3 表4 1 转向盘角阶跃评价结果3 3 表4 2 稳态回转评价结果3 6 表4 3 回正试验基本评价参数值3 7 表5 l 转向盘角阶跃评价结果4 3 表5 2 稳态回转评价结果4 5 表6 一l 灵敏度分析：4 9 8 9 l 3 1上，工 第一章绪论 1 1 课题研究目的和意义 中国自从加入w t o 后，汽车的发展进入了快速时期。汽车的产量从2 0 0 0 年的2 0 0 多万辆增加到2 0 1 0 年的1 5 0 0 万辆，目前中国已经成为世界第二大汽 车生产国，随着汽车工业的发展，汽车已被人们作为日常生活以及工农业生产 中非常重要的交通工具。汽车在获得良好的动力性和经济性的同时，还要保证 汽车具有良好的操纵稳定性和平顺性。 汽车悬架系统对汽车性能( 操纵稳定性、行驶平顺性等) 有非常重要的影响 【1 1 。汽车悬架系统的空间机构是比较复杂，并且车辆的运动工况是多种多样的， 在实际行驶过程中会有各种各样的外在激励及内在控制，由于这些的存在，因 此在给悬架的运动学与弹性动力学的分析时会带来大的困难【2 】。提高汽车的操 纵稳定性和平顺性是悬架系统的主要研究目的【3 】，汽车悬架系统的研究课题包 括两大领域：悬架特性研究领域以及悬架运动学和弹性运动学研究领域h j 。对 悬架的弹性元件和阻尼元件的特性的研究是前一领域研究的内容，故称之为悬 架系统动力学研究；对悬架的导向机构的研究是后一领域的研究内容，主要研 究在运动过程中，车轮定位以及影响转向运动的一些悬架参数的运动学特性如 何被悬架导向机构引导和约束的，因此称为悬架的运动学研究p j 。 现代高级大客车广泛应用双横臂独立悬架，其采用的转向传动机构实际相当于梯 形机构和四连杆机构的组合，该结构既能提高汽车的操纵稳定性和平顺性，又能解决 性能和布置之间的矛盾【6 j 。 汽车操纵稳定性是影响汽车安全性能的因素之一，特别是在高速情况下尤 为重要，被称为高速汽车的生命线，因此对汽车操纵稳定性的研究一直是汽车 研究人员所探讨的课题。 1 2 汽车悬架运动学及动力学和操纵稳定性研究的发展概况 汽车悬架运动学和动力学国外研究较早。五十年代中期，包括“线性二自 由度”和“线性三自由度”的悬架数学模型被s e g e l 等创建；在六十年代末、 七十年代初，美国和日本分别建立了多种多自由度非线性的悬架动力学模型； 安培正人的汽车的运动与操纵【7 】和阿达姆措莫托的汽车行驶性能 j 系统地分析了悬架弹性运动学对汽车操稳的影响；八十年代末，德国w o l f g a n g m a t s c h i n s k y 从理论上研究了悬架弹性运动学特性一j 。 进入9 0 年代，随着计算机的普及，车辆悬架系统动力学的研究得到进一步 发展，很多基于多体系统动力学理论开发的仿真分析软件被国外研制，如 a d a m s 和d a d s 等，用于建立车辆及悬架系统的复杂动力学仿真模型。 我国在六、七十年代开始着手对汽车悬架运动学和动力学进行研究。八十 年代中后期，我国部分高校在汽车悬架运动学和动力学研究中引入多刚体系统 动力学方法，其中清华大学、吉林工业大学、上海交通大学、同济大、北京理 工大学等高校应用多体动力学开展汽车悬架运动学和动力学研究。逐渐地，包 含柔性体的系统运动学和动力学研究就从开始的刚体系统的研究扩展开来，很 多学者的研究成果对我国的汽车制造企业的产品开发起到了一定的指导性作用 【5 】 o 汽车的操纵稳定性包括两个部分：一是操纵性，二是稳定性，两者密不可 分，称为汽车操纵稳定性。汽车操纵稳定性即影响汽车的操纵方便程度，又是 汽车高速行驶安全稳定性的重要影响因素【1 0 1 。 早在2 0 世纪3 0 年代，就已经开始对汽车操纵稳定性进行了系统的研究， 将悬架和转向机构的运动学引入到汽车操稳中。1 9 2 5 年，法国工程师发现了轮 胎的侧偏特性，因此开始建立起汽车操纵动力学的观念；1 9 3 1 年，轮胎在转向 系振动中起的作用被b e c k e r 、f r o m m 和m a r u h n 所分析，进一步研究了轮胎特 性 1 1 1 。 2 0 世纪3 0 年代，不足转向和过多转向首次被通用公司c a d i ll a c 悬架研究 小组所提出；2 0 世纪4 0 年代，线性二自由度车辆模型被r e k e r t 和s c h u n c k 所 建立；2 0 世纪5 0 年代，简单的汽车动力学模型被建立，运用汽车动力学性能仿 真来分析汽车的操纵稳定性；2 0 世纪5 0 年代中期，开始用相关的汽车数学模 型，建立比较精确的轮胎数学模型：2 0 世纪6 0 年代，开环系统瞬态响应和系 统稳定性理论设计等被用在汽车的总成系统中；2 0 世纪7 0 年代，在对大量实 验和理论分析基础上，以驾驶员主观评价为主，客观评价指标限制为辅的方法逐 渐被人们采用；2 0 世纪8 0 年代，开始进行汽车闭环特性的研究，至今为止， 该领域依然是国际汽车动力学领域的前沿技术【l 2 1 。 1 3 虚拟样机技术及动力学仿真技术概况 虚拟样机技术是面向系统级设计的、基于仿真的设计过程中应用到的技术， 其中包括数字化物理样机( d i g i t a lm o c k u p ) 、虚拟工厂仿真( v i r t u a lf a c t o r y s i m u l a t i o i l ) 以及功能虚拟样机( f u n c t i o n a l v i r t u a lp r o t o t y p i n g ) 三方面内 容【1 3 】。 随着计算机的发展，许多商业仿真软件相续出现，典型的软件是由美国m s c 公司开发的c a r s i m 软件，c a r s i m 软件是专门针对车辆动力学的仿真软件，车 辆对驾驶员、路面及空气动力学输入的响应都可以被仿真，c a r s i m 能用来预测 和仿真汽车整车的操纵稳定性、制动性、平顺性等性能，同时被广泛地应用于 现代汽车控制系统的开发i l 4 1 。 随着多刚体动力学的发展，多刚体动力学被用于汽车动力学的研究中，更 为复杂的面向结构的车辆仿真模型被建立起来。汽车动力学仿真软件中的代表 2 宝马、奥迪、沃尔沃和雷诺等公 们在汽车设计、开发等方面相关 图1 1a d a m s c a r 中整车模型和悬架总成模型 1 4 课题的主要研究内容 本课题来源于某公司与合肥工业大学合作的“以空气弹簧为弹性元件的客 车前、后悬架系统开发”工作的一部分，其主要内容如下： 1 ) 采用图纸查阅与i n v e n t o r 软件建模相结合的方法来获取整车动力学建模 需要的基本参数。 2 ) 根据相关参数和结构，利用a d a m s c a r 建立了前双横臂悬架系统的多刚 体模型；在前悬架系统中，将横向稳定杆以及上、下摆臂作为柔性体处理，结 合a n s y s 软件，利用a n s y s 与a d a m s 的接口，对前悬架上、下摆臂和横向稳定杆 进行模态分析，在a n s y s 软件中生成模态中性文件，导入到a d a m s 中，建立前双 横臂悬架刚柔耦合模型。 3 ) 利用悬架系统多刚体模型和刚柔耦合模型，对大客车双横臂悬架进行 了运动学仿真对比分析，得到了悬架多项性能参数随轮跳的变化曲线。针对悬 架存在问题，利用a d a m s i n s i g h t 模块对悬架进行优化，使其达到最优。 4 ) 基于前悬架刚柔耦合模型以及前横向稳定杆柔性体模型，建立了包括 后悬架、转向系、后横向稳定杆、前后车轮、发动机、车身等主要部分模块的 整车虚拟样机模型，进行了转向盘角阶跃、稳态回转、转向回正、单移线仿真 四项操纵稳定性仿真分析。 5 ) 对该车进行了转向盘角阶跃、稳态回转、转向回正三项实车试验，并对 该车各项性能进行评价，同时用仿真结果和实车试验结果进行了对比，验证了虚拟模 型的正确性。 6 ) 以操纵稳定性中的转向角阶跃试验和转向回正试验为例，对比分析了前 后悬架优化前后的汽车操纵稳定性能；同时分析了前后悬架空气弹簧刚度、转 向传动比、整车载荷对汽车操纵稳定性的影响。 1 5 本章小结 本章阐述了该课题研究的意义，介绍了汽车悬架运动学及动力学和操纵稳 定性研究的发展概况，叙述了虚拟样机技术及动力学仿真技术的概况，并说明 了本课题的主要研究内容。运用多体系统动力学理论和软件对车辆进行动力学 仿真，可以在产品设计阶段对整车性能的进行预测和评估，是提高产品质量、 降低成本的重要方法。本论文对于空气弹簧悬架豪华型大客车的研究开发具有 一定的指导意义。 4 架仿真模型的建立 在现代悬架设计过程中，很多柔性较大的构件存在于悬架结构中，如本文 研究的前双横臂悬架的横向稳定杆和上、下摆臂。本章充分考虑横向稳定杆和 上、下摆臂的弹性变形，利用有限元软件a n s y s 的柔性体定义相关功能，对横 向稳定杆和上、下摆臂进行模态分析，从而建立前横向稳定杆和上、下摆臂的 柔性体模型，然后替换a d a m s 悬架模型中刚体构件，最后建立刚柔耦合的悬架 系统。 2 1 多体系统动力学简介 2 1 1 多体系统概述 在空间机器、机器人以及飞行器等当代科技发展相应的推动下发展了多体 系统动力学，多体系统动力学是与机器人学、运动生物力学、机械动力学、航 天器控制等领域紧密相关且起着非常重要的学科。因为它的巨大应用价值和理 论意义，在国际上把这个领域认为“目前应用力学方面最活跃的领域之一u 6 1 。 将多个物体通过运动副联结起来以完成预期动作的机械系统称为多体系 统。多刚体系统是将系统中每个物体都看作是不变的刚性体；如果系统中有一 些物体必须计及其变形，称之为多柔体系统或者柔性多体系统【l7 1 。 在研究汽车的行驶性能时，一个非常关键性问题是汽车动力学研究对象的 建模、分析与求解【1 8 】。汽车本身作为一个复杂的多体系统，该学科由于理论方 法和计算手段等方面的限制，发展比较缓慢，模型一般被简化，这样就能用古 典力学的方法对问题进行人工求解，从而导致汽车许多重要特性的定量分析无 法很精确，由于计算机技术的迅速发展，使我们在处理上述问题方面产生了质 的飞跃【19 1 。 2 1 2 多刚体系统动力学 两个世纪以来，在陀螺理论、天体运动研究和简单机构的定点运动研究等 经典刚体动力学方面，取得了相当多成果。但现代工程技术中，很多实际问题 是由多个物体组成的复杂系统，要进行分析，如果只单纯地靠古典的理论和方 法非常难解决，