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东北大学硕士学位论文 摘要 基于a d a m s 的汽车转向和悬架系统动力学 分析与仿真研究 摘要 随着高速公路的发展，汽车的速度越来越高，人们对汽车转向和悬架系统要 求也越来越高。由于汽车转向和悬架系统对整车行驶动力学( 如操纵稳定性、行 驶平顺性等) 有举足轻重的影响，因此转向和悬架系统的动力学仿真分析在汽车 转向和悬架系统的设计和开发中占有很重要的地位。 转向和悬架系统是汽车的重要组成部分，是一个复杂的多体系统，其构件之 间的运动关系十分复杂，这就给通过传统的计算方法分析悬架的各种特性带来许 多的困难。随着数学、力学和计算机信患科学技术等学科的发展而发展起来的多 体系统动力学为解决汽车悬架的分析、设计和控制等问题提供了有力的工具。 基于a d a m s 的虚拟样机技术，在汽车等领域中有着广泛的应用，在汽车 行业中导入虚拟样机技术，是新型汽车开发的一个重要工具。 本文以某型号轿车为研究对象，运用多体系统动力学的理论和方法，采用 a d a m s 仿真软件，进行该型号轿车转向和悬架系统的优化设计研究和面向整车 性能分析的动力学仿真。 本文利用a d a m s 软件，在模型的建立过程中，根据一些简单的设计点， 如车轮定位参数；通过计算获取其它参数，修改铰链、衬套、减振器阻尼特性、 零部件的质量以及减振器的运动行程等，搭建出转向和悬架系统的多体动力学模 型。该模型接近车辆的实际工况，在该模型中可以做各种仿真试验，检验模型的 有效性，比如稳定性、平顺性试验等，还可以在模型上施加载荷分析其受力，检 验连杆强度，为后续工作做准备。 本文以车轮前束和车轮外倾角作为评价曲线，在a d a m s 中对搭建的多体动 力学模型进行仿真计算，得到和实际轿车运动参数致的优化结果；并在车轮跳 动和转向时，对前束、外倾角、主销内倾角、主销后倾角和轮距等参数的变化进 行仿真分析。本文还研究了该模型悬架系统动力学特性和其它参数随车轮中心跳 i i 东北大学硕士学位论文 摘要 动时的变化规律。通过道路试验与仿真结果对比，验证了模型的可信性，充分利 用了a d a m s 软件的特点，通过改变模型的有关参数，进行大量的动力学仿真计 算，最后得出这些参数对汽车的影响规律。 通过该模型可以在新车开发阶段比较全面的了解转向和悬架系统的各项性 能，为转向和悬架系统进一步工作提供相当有效的方法。为该车的改进设计或同 类型汽车的设计提供了参考。 关键词：多体动力学；转向与悬架系统；仿真；a d a m s 东北大学硕士学位论文 d y n a m i c sa n a l y s i sa n d s i m u l a t i o nr e s e a r c h o f a u t o m o b i l es t e e r i n ga n d s u s p e n s i o n s y s t e m b a s e do na d a m s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff r e e w a y s ，t h ev e l o c i t yo fa u t o m o b i l eh a si n c r e a s e d c o n s i d e r a b l y , t h ea u t o m o b i l es t e e r i n ga n ds u s p e n s i o ns y s t e mh a sb e c o m em o r ea n d m o r ei m p o r t a n t ，i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei na u t o m o b i l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t ya n d a u t o m o b i l ec o m f o r to rb r a k i n gs t a b i l i t y s oa u t o m o b i l es t e e r i n ga n ds u s p e n s i o n d y n a m i c ss i m u l a t i o nh a v eb e e nav e r yi m p o r t a n tt a s ki na u t o m o b i l ed e s i g na n d d e v e l o p m e n t t h es t e e r i n ga n ds u s p e n s i o ns y s t e mi sav e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n to fa n a u t o m o b i l e ，a n di sac o m p l i c a t em u l t i b o d ys y s t e m t h em o t i o nr e l a t i o n s h i pa m o n g t h ep a r t si sv e r yc o m p l i c a t e ，s oi t b r i n g sm a n yd i f f i c u l t i e st oc o m p u t et h ev a r i o u s c h a r a c t e r i s t i c sw i t ht r a d i t i o n a l c o m p u t a t i o nm e t h o d s t h et h e o r yo fm u l t i b o d y d y n a m i c st h a td e v e l o p e dw i t hm a t h e m a t i c s ，m e c h a n i c sa n dc o m p u t e rs c i e n c es u p p l i e s ag o o dt o o lf o ri ti na n a l y s i s ，d e s i g na n dc o n t r o lp r o b l e m se t c b a s e do nt h ea d a m sv i r t u a lm o d e lt e c h n o l o g y , i sw i d e l yu s e di na u t oa s p e c te t c ， t h r o u g hu s i n gv i r t u a lm o d e lt e c h n o l o g yi na u t oi n d u s t r y i ti sa l li m p o r t a n tt o o li n d e v e l o p i n gn e wc a rm o d e l s t h i sd i s s e r t a t i o nt a k e sat y p eo fs o m ec a ra st h er e s e a r c ho b j e c t ，a n da d a p t st h e m u l t i b o d ys y s t e md y n a m i c st h e o r ya n dt h ea d a m ss o f t w a r e t h eo p t i m i z a t i o n d e s i g nf o rt h es t e e r i n ga n ds u s p e n s i o ns y s t e mi ss t u d i e d ；t h ed y n a m i c ss i m u l a t i o nf o r t h ew h o l ec a rp e r f o r m a n c ei sa l s oi n v e s t i g a t e d a c c o r d i n gt o s o m es i m p l e d e s i g np o i n t s ，s u c ha st h ew h e e lo r i e n t a t i o n p a r a m e t e r s ，i nt h ep r o c e s so f b u i l d i n gm o d e lw i t ht h eh e i po f a d a m sa n dt h er e a lc a r , t h em e t h o do fc o m p u t e rt oa c q u k eo t h e rp a r a m e t e r si su s e d ，t h em u l t i b o d yd y n a m i c s b o d ym o d e li se s t a b l i s h e db ym o d i f y i n gj o i n t ，b u s h i n g ，t h ea b s o r b e rd a m ps p e c i a l t y , t h eq u a l i t yo fp a r t sa n dt h em o t i o no fd a m p e r s b yt h i sw a yt h em o d e lc a l la p p r o a c h t h ep r a c t i c a li n s t a n c e i nt h i sm o d e l ，w ec a nd om a n ye x p e r i m e n t si no r d e rt ot e s tt h e v a l i d i t yo ft h em o d e l ，s u c ha ss t a b i l i t ya n dc o m f o r te x p e r i m e n t se t c w ec a l ll o a d ， 东北大学硕士学位论文 f o r c e si nt h em o d e la n dt e s ti t si n t e n s i t yi no r d e rt op r e p a r ef o rt h en e x tw o r k t h i sd i s s e r t a t i o nt a k e st h et o ea n g l ea n dc a m b e ra n g l ec u r v e sa st a r g e tc u r v e s ， o b t a i n sa ni d e a lr e s u l tw i t ha d a m ss o f t w a r et h r o u g hm a n ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ， i n c l u d i n gt h ec u r v e so f t h ec a m b e ra n g l e ，t o ea n g l e ，k i n g p i ni n c l i n a t i o na n g l e ，c a s t e r a n d ea n dw h e e ld i s t a n c ew h e nw h e e lt r a v e lo rt u r na r es t u d i e d t h i sd i s s e r t a t i o na l s o s t u d i e sd y n a m i c sc h a r a c t e r so fs u s p e n s i o ns y s t e ma n do t h e rp a r a m e t e r sa sc h a n g e so f w h e e l t h r o u g hc o m p a r i n gt h er o a de x p e r i m e n t sw i t ht h er e s u l to fs i m u l a t i o n ，t h i s d i s s e r t a t i o na d e q u a t e l yu t i l i z e st h et r a i to f a d a m st od oal o to fd y n a m i c ss i m u l a t i o n c a l c u l a f i o nt oa c q u i r et h ea f f e c tr u l eo f t h e s ep a r a m e t e r s t h e r e f o r e ，i ng a g eo fd e v e l o p i n gan e wc a r , w ec a nh a v eg e n e r nu n d e r s t a n d i n g o nt h es t e e r i n ga n ds u s p e n s i o n sc a p a b i l i t yt h o u g ht h em o d e l i tw i l lp r o v i d ea e f f i c i e n tw a yt oo p t i m i z ep a r a m e t e r so fs t e e r i n ga n ds u s p e n s i o ns y s t e m ，i tw i l lb e n e f i t p e o p l ew h e nd o i n gt h ei m p r o v ed e s i g no f t h i sv e h i c l eo rd e s i g n i n g as i m i l a rv e h i c l e k e yw o r d s ：m u l t i b o d yd y n a m i c s ；s t e e r i n g a n ds u s p e n s i o ns y s t e m ；s i m u l a t i o n ； a d a m s v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：哥撑投 日期：2 0 l ，6 、9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校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，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：殊娑龙 签字日期：1 口o6 、f 。扩 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1 国内、外悬架的研究和发展 1 1 1 概述 悬架是保证车轮或车桥与汽车承载系统( 车架或承载式车身) 之间具有弹性 联系并能传递载荷、缓和冲击、衰减振动以及调节汽车行驶中的车身位置等有关 装置的总称。 悬架最主要的功能是传递作用在车轮和车架( 或车身) 之间的一切力和力矩， 并缓和汽车驶过不平路面时所产生的冲击，衰减由此引起的承载系统的振动，以 保证汽车行驶的平顺性。为此必须在车轮与车架或车身之间提供弹性连接，依靠 弹性元件来传递车轮或车桥与车架或车身之间的垂向载荷，并依靠其变形来吸收 能量，达到缓冲的目的。采用弹性连接后，汽车可以看作是由悬挂质量( 即簧载 质量) 、非悬挂质量( 即非簧载质量) 和弹簧( 弹性元件) 组成的振动系统，承 受来自不平路面、空气动力及传动系、发动机的激励。为了迅速衰减不必要的振 动，悬架中还必须包括阻尼元件，即减振器。此外，悬架中确保车身与车架或车 身之间所有力和力矩可靠传递并决定车轮相对与车架或车身的位移特性的连接 装置统称为导向机构。导向机构决定了车轮跳动时的运动轨迹和车轮定位参数的 变化，以及汽车前后侧倾中心及纵倾中心的位置，从而在很大程度上影响了整车 的操纵稳定性和抗纵倾能力。在这些悬架中还有缓冲块和横向稳定杆。 尽管一百多年来汽车悬架从结构型式到作用原理一直在不断地演进，但从结 构功能而言，它都是由弹性元件、减振装置和导向机构三部分组成。在有些情况 下，某一零部件兼起两种或三种作用，比如钢板弹簧兼起弹性元件及导向机构的 作用，麦克弗逊悬架( m c p h e r s o ns t r u ts u s p e n s i o n ，或称滑柱摆臂式独立悬架) 中的减振器兼起减振器及部分导向机构的作用，有些主动悬架中的作动器则具有 弹性元件、减振器及部分导向机构的功能。 根据导向机构的结构特点，汽车悬架可分为非独立悬架和独立悬架两大类。 非独立悬架的鲜明特色是左、右车轮之间由一刚性梁或非断开式车桥连接，当单 边车轮驶过凸轮时，会直接影响另一侧车轮。独立悬架中没有这样的刚性梁，左、 右车轮各自“独立”地与车架或车身相连或构成断开式车桥，按结构特点又可细 】 东北大学硕士学位论文第一章绪论 分为横臂式、纵臂式、斜臂式等。 按照弹性元件的种类，汽车悬架又可以分为钢板弹簧悬架、螺旋弹簧悬架、 扭杆弹簧悬架、空气悬架以及油气悬架等。 按照作用原理，可以分为被动悬架、主动悬架和介于二者之间的半主动悬架。 介于独立悬架和非独立悬架之间的是复合式悬架。它非常节省空间，但仅可 用作为前轮驱动车辆的后悬架。 在所有非独立悬架中，车桥在整个弹簧的行程范围内运动，为此必须提供车 桥上方的空间。对于后桥来说，这就要减小行李箱的空间，使备胎困难；而对于 前桥来说，车桥要布置在发动机下方，为了获得足够的弹簧压缩行程，就不可避 免地要抬高发动机或者是把它后移。由于这个原因，非独立悬架用于前桥在载货 汽车以及全轮驱动的多用途轿车中( 图1 1 ) 。 1 1 2 独立悬架 图1 1g w b 公司的双联式结构 f i 9 1 1t w o _ j o i n ts t r u c t u r eo f g w bc o m p a n y 轿车底盘的发展应该比发动机发展的快，加速性能不断改善，最高车速和转 弯车速愈来愈高以及行驶减速度愈来愈大，要求有更加安全的底盘。独立悬架正 是适合于此要求。 它的主要优点： ( 1 ) 需要空间小； ( 2 ) 前束的运动学变化及弹性运动学变化产生不足转向趋势； ( 3 ) 易于实现驱动轮的转向； ( 4 ) 质量小； 2 。 东北大学顾士学位论文 第一章绪论 f 5 ) 左右车轮互不影响。 后两个特点对于获取良好的地而附着性特别是在起伏的路面做曲线行 驶时尤为重要， 两横臂可使车轮的上下跳动符合所需的运动学特性，并由横臂传力给车身 ( 见图1 2 ) 侧向力产生一个附加力矩，该力矩使得曲线行驶时汽车车身的侧倾 度增大，这是一个缺点。摆臂需用支座支承，这些支座会在载苟作用下变形，芳 影响悬架刚度，或者是由于支座中的橡胶件的扭转使得刚度增大；或者是由于部 件之间的相互滑动增大了摩擦。 冈1 2 独立悬架中的力分析匿1 3 车身衙斜变化分析 f i 9 1 2 f o r c ea n a l y s i so f h l d e p e n d e n ts u s p e n s i o r lf i 9 1 3 a n a l y s i so f v e h i c l eb o d ya n g l oc h a n g e s 随着车身的倾斜，车轮也倾斜( 图1 3 ) 。车身外倾车轮承受较大的侧向分量， 其外倾角沿正值方向变化，而车身山侧车轮的外倾角则沿负值方向变化，这会产 生增大轮胎侧偏角的缺点。为避免这种情况，外倾角的运动学变化应弥补这一缺 点。此外，还要尽可能地减小曲线行驶时车身的倾斜。通过采用较硬的弹簧，附 加横向稳定杆或者是增大侧倾中心的高度都町以达到这一【| 的。 1 1 3 非独立悬架 非独立悬架有一系列缺点。这对轿车影响较大，这些缺点是： ( 1 ) 如果差速器布置在车桥壳内，会使质量较大； ( 2 ) 车桥会倾斜； ( 3 ) 左右两侧车轮相互影响( 图1 4 ) ； ( 4 ) 在坑洼路段作直线行驶时( 即车身两侧车轮反向跳动或只有- - 倾r j 车轮跳 动时) ，存在不利的轴转向特性： ( 5 ) 车桥上方空间要求须与弹簧行程相适应； ( 6 ) 驱动转矩会引起轮载变化( 图1 5 ) 。 ( 6 ) 驱动转矩会引起轮载变化( 图1 5 ) 。 一3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 4 非独立悬架 f i g l ，4n o n - i n d e p e n d e n ts u s p e n s i o n 盟篓型 t - 。一鱼 图1 5 转距变化分析 f i 9 1 5a n a l y s i so f t o r q u ec h a n g e s 1 2 车辆动力学仿真技术国内外研究现状 汽车是一个包含惯性、弹性和阻尼等动力学特征的复杂非线形机械系统，如 转向、悬架、传动机构等之间的相互耦合作用，使组成汽车的动态特征非常复杂。 特别是汽车的前悬架与转向系统，是多杆式机构，而且确定了主销内倾角、主销 后倾角等车轮定位角。车轮定位角对车辆的行驶状态起着非常重要的作用，在运 动学分析中必须获得车轮定位角的变化情况。车辆的运动工况也是多种多样，在 实际行驶过程中，会有各种各样的外在激励及内在控制，不同的工况下车辆各个 零件的空间位置及受力情况均有变化。这些都给运动学和动力学的分析带来很大 的困难，以前用简化条件下的图解法等方式分析车辆这样复杂的空间机构是非常 困难的，不仅误差大，而且费时费力。 在研究汽车诸多的行驶性能时，汽车动力学研究对象的建模、分析和求解始 终是一个关键问题。汽车本身是一个复杂的多体系统，外界载荷的作用更加复杂， 加上人车环境的相互作用，给汽车动力学研究带来了很大的困难。由于 理论方法和计算手段的限制，该学科曾一度发展较为缓慢。主要障碍之一在于无 法有效的处理复杂受力下多自由度分析模型的建立和求解问题。许多情况下，不 得不把模型简化，以便使用古典力学的方法人工求解，从而导致汽车的许多重要 的特性无法得到较精确的定量分析。计算机技术的飞速发展，使我们在处理上述 复杂问题上产生了质的飞跃。有限元技术、模态分析技术以及随后出现的多体系 统动力学正是在这种情况下发展起来的。这些理论方法出现以后，很快在汽车技 术领域中得到了应用。 国外汽车动力学的研究经历了由试验研究到理论研究，由开环研究到闭环研 究的发展过程。力学模型逐渐由线形模型发展到非线形多体系统模型；模型的自 由度由两个自由度发展到数十个自由度，文献 4 6 1 概述了这一发展过程。模拟计 一4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 算也由稳态响应特性的模拟发展到瞬态响应特性和转弯制动特性的模拟研究。文 献【4 7 1 介绍了多体动力学程序在汽车中的模拟应用情况，但几乎都是采用多刚体 系统模型，文献h 剐考虑了弹性车架的汽车模型，但也仅仅建立了只含两个物体 的汽车模型。 到y 8 0 年代初，不仅有许多通用的软件可以对汽车系统进行分析计算，而且 还有各种针对汽车某一类问题的专用多体软件。研究的范围从局部结构到整车系 统，涉及汽车系统动力学的方方面面。8 0 年代中期是多体系统动力学在汽车工程 上应用发展最快的时期。国外各主要汽车厂家和研究机构在其c a d 系统中安装 了多体系统动力学分析软件，并与有限元、模态分析、优化设计等软件一起构成 一个有机的整体，在汽车设计开发中发挥了重要作用。商品化的多体软件的销售 量呈上升趋势。目前市场上占有率最高的是美国m d i 公司开发的a d a m a s ，其 在汽车行业中的使用率为4 3 ，该软件在为客户提供通用平台时，还专门提供了 用于车辆分析的专门模块( a d a m s c a r ) ，使用起来非常方便。 国内在汽车动力学的研究中，采用多刚体系统动力学进行分析和计算的工作 起步较晚。七十年代初，长春汽车研究所和清华大学同时发展了汽车动力学的研 究。研究工作集中在平顺性、操纵稳定性性能指标的评价方法、试验方法及操纵 稳定性力学模型的建立、模型的计算方法、性能预测方法和优化设计方法等。力 学模型从七十年代研究汽车侧偏和横摆运动的二自由度线形模型，发展到包括侧 倾和转向系在内的三至五自由度乃至十三个自由度的非线形模型。其功能也从对 汽车稳定性的稳态响应和瞬态响应的分析，发展到汽车转弯制动性能的分析。此 外文酬l l 】首次分析了汽车悬置以上结构弹性体的一阶扭转振动对摆振性能的影 响。 1 9 8 6 年，吉林工业大学的温吾凡等人利用多刚体系统动力学方法，对二维刚 体系统进行运动学分析，并编制了一个人机对话型的分析程序。1 9 8 9 年，吉林工 业大学的林逸利用r - w 方法，建立了对汽车独立悬架中的单横臂及摆柱式悬架进 行空间运动分析的通用计算程序。1 9 9 1 年，第二汽车制造厂的上宫文斌等人，采 用自然坐标的概念，利用虚功原理建立汽车转向系统和悬架运动学分析方法。北 京农业工程大学的周一鸣教授等研制了广义机构计算机辅助设计软件 g m a c d s ，用于分析平面和空间机构的运动学及动力学性能。 1 9 9 2 年，清华大学的张海岑采用多刚体动力学中的牛顿欧拉方法，建立了 汽车列车七十四个自由度的非线形数学模型，其中包括多种轮胎模型、悬架系统 模型、转向系统模型及带有比例阀、防抱死装置及考虑制动热衰退的制动系统模 型，深入研究了汽车列车操纵稳定性和制动性。 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 9 9 4 年，清华大学的刘红军在管迪华教授指导下用虚拟刚体结构法和弹性结 构法把弹性问题纳入整车多体系统动力学的分析中，对汽车摆振系统进行了建模 和计算。 1 9 9 7 年，清华大学的张今越采用多体系统动力学的理论方法，应用机械系统 分析软件a d a m s ，进行了汽车前后悬架系统和整车动力学性能仿真及优化研 究，分析了汽车中柔性元素( 橡胶减振元件) 对动力学性能的影响。 9 0 年代初，人们开始把多柔体系统动力学理论和方法用于汽车技术领域，这 标志着汽车多体系统动力学向新的层次发展，许多有益的工作值得借鉴。在文 献【l2 j 中，把车身处理为柔性体，为了减少自由度采用了集中质量法的离散化过 程，并考虑了转动惯量的影响。在文献【4 3 中采用了子结构的分析技术，汽车悬 架处理为子结构，采用模态综合方法用模态坐标描述车身的变形，通过约束条件 把整个系统组装起来联合求解。文献【4 4 】中讨论了离散化过程中各阶模态的选择 对计算精度的影响。在文献h 4 】【4 5 1 中讨论了悬架系统中广泛采用弹性约束( 橡胶 铰链) 对汽车性能的影响及处理方法。在不少文献中还研究了汽车碰撞过程中座 椅安全带的变形对人体运动的影响。总之，人们试图用各种有效的方法将柔性体 的力学效应并入多体动力学方程中进行分析和求解。这些方法既有探索直接建立 和求解刚柔混合的多体动力学方程的方法，也有采用现有的多刚体系统动力学软 件来近似对多柔体系统进行分析的方法。 从整个汽车c a e ( 计算机辅助工程) 的角度来说，汽车多体系统分析软件可 完成三项任务：( 1 ) 对直接设计的系统进行性能预测：( 2 ) 对已有的系统进行性 能测试评估；( 3 ) 对原有的设计进行改进。分析的范围包括：运动分析、静态分 析、准静态分析、动态分析、灵敏度分析等。此外，还对前、后处理提出了较高 的要求，如建模、曲线( 频域和时域) 、表格、图形( 包括动画) 的输出等等， 以便高效率地完成上述三项任务。 多柔体系统动力学是一种普遍的方法，但在各行各业的应用中对分析对象的 结构和性能要求有很大的差异，所以在分析内容上也有侧重。汽车系统与航天器、 机器人以及其它机械系统有明显的不同，在汽车多体动力学的研究中要充分考虑 其特殊性，进行有针对的分析，才能达到理想的效果。 近年来，随着计算机技术、图形学技术及计算方法的不断提高，在机械系统 仿真( m m s ) 领域，国外研制了很多基于多体系统动力学理论开发的仿真分析 软件，如i m p ，a d a m s ，d a m n 等。所谓m s s 技术，即把分散的零部件设计与分 析技术结合在一起，以提供一个全面了解产品性能的方法，并通过仿真分析中的 反馈信息指导设计。其中由美国机械动力公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c s n c ) 开发 6 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 的a d a m s ( 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 ls y s t e m ) 最有代表性，它采 用模拟样机技术，将强大的大位移、非线形分析求解功能与使用方便的用户界面 相结合，并提供与其它c a e 软件如控制分析软件m a t r i x s ，有限元分析软件a n s y s 等的集成模块扩展设计手段。a d a m s 是当前求解机械系统空间位移运动力学的 主要软件，在汽车、航空等领域有广泛的应用。最近两年，国内主要的汽车厂家： 汇众、北汽福田、天津汽车技术中心等单位已经在其开发新产品、改型等工作中 使用a d a m s 。2 0 0 0 年，北汽福田的许先锋等工程师利用a d a m s 对某轻卡货车 进行了汽车操纵稳定性仿真分析，上海汇众的周俊龙等利用a d a m s c a r 对某轿 车的悬架进行了仿真分析。 1 3 课题研究目的及意义 汽车转向和悬架系统对整车行驶动力学( 如操纵稳定性、行驶平顺性等) 有 举足轻重的影响，是汽车总布置、运动校核的重要内容之一，由于汽车转向和悬 架系统是比较复杂的空间机构，这些就给运动学、动力学分析带来较大困难。人 们采用不同的途径或手段对其进行分析研究，包括试验、简化成理想约束条件下 的机构分析。过去多用简化条件下的图解法和分析计算法对汽车和转向系统的运 动学及动力学性能进行分析计算，用多自由度的质量一阻尼刚体数学模型对汽车 行驶状况进行仿真。所得的结果误差较大，并且费时费力。随着计算机技术的长 足进步，特别是二十世纪八十年代以来。这种情况缛到了改变，而多体系统动力 学的成熟，使汽车动力学的建模与仿真产生了巨大的飞跃，特别是a d a m s 软件 的成功应用使虚拟样机技术脱颖而出。基于a d a m s 的虚拟样机技术，可把悬架 视为是由多个相互联结、彼此能够相对运动的多体运动系统，其运动学及动力学 仿真比以往通常用几个自由度的质量一阻尼刚体( 振动) 数学模型计算描述更加 真实反映悬架特性及其对汽车行驶动力学影响，也比图解法更为直接。 在传统悬架系统设计、试验、试制过程中必须边试验边改进，从设计到试制、 试验、定型，产品开发成本较高，周期长。运用虚拟样机技术，可以大大简化悬 架系统设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本， 明显提高产品质量，提高产品的系统及性能，获得最优和创新的设计产品。 本课题利用在某汽车公司新车型开发阶段所获得的转向和悬架系统的基本 参数( 即设计点) ，运用机械动力学分析软件a d a m s v i e w ，建立悬架系统和转 向机构的计算机仿真分析模型，进行悬架系统和转向机构的运动学弹性运动学 特性分析，悬架多体运动仿真分析模型为整车操纵稳定性和行驶平顺性提供了参 一7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 考，可以预测悬架对汽车行驶性能( 操纵稳定性、行驶平顺性) 的影响，为汽车 转向和悬架系统开发提供了一种现代化的手段。 1 4 课题研究的内容 本课题的主要任务是在新车型的开发过程中，建立整车模型，对悬架系统和 转向机构进行分析，确定定位参数，为整车的相关零部件的设计与布置提供理论 依据；对建立的模型进行仿真与分析，对仿真后的结果进行评价，确定各种参数 对车辆操纵稳定性的影响。 ( 1 ) 模型的建立，根据给定的一些设计点，对前、后悬架、弹簧、减振器、 转向机构进行建模。 ( 2 ) 优化设计，使得前轮定位参数和实际的评价参数的曲线基本一致。 ( 3 ) 运动学分析，在车轮变化的不同情况下，整个悬架一转向系统的运动情 况，以及定位参数的变化情况。 ( 4 ) 受力分析，分析各个杆件的受力，为杆件的强度设计提供参数。 ( 5 ) 不同工况的仿真结果对比分析。 一8 ， 东北大学硕士学位论文第二章车辆运动学及动力学仿真 第二章车辆运动学及动力学仿真 2 1 机械系统动态仿真技术 机械工程中的动态仿真技术又称为虚拟样机技术，是2 0 世纪8 0 年代随着计算 机技术的发展而迅速发展起来的一项新技术，其核心是机械系统运动学和动力学 仿真技术，同时包括三维c a d 建模技术、有限元分析技术、机电液控制技术、 最优化控制技术等相关技术。 虚拟样机技术源于多体系统动力学的研究。工程中的对象是由大量零部件构 成的系统，对它们进行设计优化与性态分析时可以分为两大类，一类称为结构， 它们的特征是在正常的工况下构件问没有相对运动，如房屋建筑、桥梁、航空航 天器与各种车辆的壳体以及各种零部件的本身。人们关心的是这些结构在受到载 荷时的强度、刚度与稳定性；另一类称为机构，其特征是系统在运行过程中这些 部件间存在相对运动。如航空航天器、机车与汽车、操作机械臂、机器人等复杂 机械系统。此外，在研究宇航员的空间运动、在车辆的事故中考虑乘员的运动以 及运动员的动作分析时，人体也可认为是躯干与各肢体间存在相对运动的系统。 上述复杂系统的力学模型为多个物体通过运动副连接的系统，称为多体系统。 应用机械系统动态仿真技术，工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行 各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机 实验。运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品费用的设计开发过程，大幅度 缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产 品的系统性能，获得最优化和创新的设计产品。因此，该技术一出现，立即受到 了工业发达国家、有关科研机构和大学、公司的极大重视，许多著名制造厂商纷 纷将虚拟样机技术引入各自的产品开发中，取得了很好的经济效益。 根据国际权威人士对机械工程领域产品性能试验和研究开发手段的统计和 预测，传统的机械系统实物试验研究方法，将在很大程度上会被迅速发展起来的 计算机数字化仿真技术取代。 机械系统动态仿真技术的研究对象是机械系统，在这里，机械系统可以视为 是由多个相互连接、彼此能够相对运动的构件的组合。 在机械系统设计中有3 种性质不同的分析： ( 1 ) 机械系统的静力学分析。在一定条件下，机械系统变成一个刚性系统， 系统中的各构件之间没有相对运动。此时主要是分析在各种力的作用下，各构件 q 东北走学硕士学位论文 第二章车辆运动学及动力学仿真 的受力后强度问题。 ( 2 ) 机械系统的运动学分析。主要涉及系统及其各构件的运动分析，而与引 起运动的力无关。在运动学分析中，系统中一个或多个构件的位置或相对位置与 时间的关系是规定好的，其余构件的位置、速度和加速度与时间的关系，可以通 过求解位置的非线形方程组和速度、加速度的非线形方程组来确定。 ( 3 ) 机械系统的动力学分析。主要涉及由外力作用引起的系统运动分析，有 两种情况：一种是确定与时间无关的力作用下系统的平衡位置。在外力作用下系 统的运动与运动学关系式相一致，这些关系是通过连接系统构件的运动副施加给 系统。可以运用动力学方程问题或微分方程与代数方程的组合求解，确定系统的 运动。另一种情况是运动学分析和动力学分析的混合形式。 虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析，其核心是利 用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各 构件在任意时刻的位置、速度和加速度，同时，通过求解代数方程组确定引起系 统及其各构件运动所需的作用力及其反作用力。 尽管虚拟样机技术的核心是机械系统运动学、动力学和控制理论，但没有成 熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，虚拟样机技术也不会成 熟。虚拟样机技术在技术与市场两个方面也与计算机辅助技术( c a d ) 技术的成熟 及大规模推广应用分不开。 虚拟样机技术的发展也直接受其构成技术的制约。一个明显的例子是它对于 计算机硬件的依赖。这种依赖在处理复杂系统时尤其明显。例如火星探测器的动 力学及控制系统模拟是在惠普7 0 0 i 作站上进行的，c p u 时间用了7 5 0 h 。另一个 例子，数值方法上的迸步发展也会对基于虚拟样机的仿真的速度及精度有积极的 影响。 综上所述，虚拟样机技术是许多技术的综合。它的核心部分是多体系统运动 学与动力学建模理论及其技术实现。 2 2 机械系统动态仿真技术的相关技术 机械系统的种类繁多，虚拟样机分析软件在进行机械系统运动学和动力学分 析时，还需要融合其它相关的技术。图2 1 给出了机械系统动态仿真技术的相关 技术。 1 0 一 东北大学硕士学位论文 第二章车辆运动学及动力学仿真 图2 1 虚拟样机及其相关技术 f i 9 2 1v i s u a lp r o t o t y p ea n dr e l e v a n tt e c h n o l o g y 一个优秀的机械系统动态仿真分析软件除了可以进行机械系统运动学和动 力学分析外，还应该包含以下技术： ( 1 ) 几何形体的计算机辅助设计( c a d ) 软件和技术。用于机械系统的几何建 模，或者用来展现机械系统的仿真分析结果。 ( 2 ) 有限元分析( f e a ) 软件和技术。可以利用机械系统的运动学和动力学 分析结果，确定进行机械系统有限元分析( f e a ) 所需的外力和边界条件。或者利 用有限元分析对构件应力、应变和强度进行进一步的分析。 ( 3 ) 模拟各种各样作用力的软件编程技术。虚拟样机软件运用开放式的软件 编程技术来模拟各种力和动力，例如：电动力、液压气动力、风力等等，以适用 各种机械系统的要求。 ( 4 ) 利用实验装置的实验结果进行某些构件的建模。实验结果经过线形化处 理输入机械系统，成为机械系统模型的一个组成部分。 ( 5 ) 控制系统软件与分析软件和技术。虚拟样机软件可以运用传统的和现代 的控制理论，进行机械系统的运动仿真分析。或者，可以应用其它专用的控制系 统分析软件，进行机械系统和控制系统的联合分析。 ( 6 ) 优化分析软件和技术。运用虚拟样机分析技术进行机械系统的优化设计 和分析，是一个重要应用领域，通过优化分析，确定最佳设计机构和参数值，使 机械系统获得最佳的综合性能。 虚拟样机技术的核心理论是多体系统动力学，多体系统动力学是由多刚体系 统动力学与多柔体系统动力学组成的。 东北大学硕士学位论文 第二章车辆运动学及动力学仿真 2 3 多体系统动力学简介 2 3 1 多体系统动力学的诞生 多体系统动力学包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( 一般由若干柔性和刚性物体相互连接所组成) 运动规律的科学。多体动力学 是在经典力学基础上发展起来的与运动、生物力学、航天器控制、机器人动力学、 车辆设计和机械动力学等领域密切相关且起着重要作用的新的分支。 在航天器、机器人、车辆、机械与兵器等工程领域中，系统的研究面临两大 问题。一类是这些复杂系统的结构强度分析。多少年来，由于计算结构力学的理 论与计算方法的研究不断深入，加之f e a 应用软件系统的成功开发并已应用于工 程结构的计算机辅助分析，因而大大地缩短了新产品的开发与设计的周期。另一 类问题是要解决这类复杂系统的运动学、动力学与控制的性态问题。这类系统的 特征是系统的各部件存在大范围的相对运动，这些部件相互连接方式的拓扑与约 束形式多种多样，受力的情况除了外力与系统各部件的相互作用外，还可能存在 复杂的控制环节，其共性是系统由存在相对运动的多个物体组成，故称为多体系 统。 上个世纪六十年代至七十年代初，美国的r e 罗伯森、t r 凯恩，联邦德国 j 维登伯格，苏联的e h 波波夫等人先后提出了各自的方法来解决复杂系统的动 力学问题，于是，将古典的刚体力学、分析力学与现代的电子计算机技术相结合 的力学新分支多刚体系统动力学便诞生了。 以欧拉( l e u l e r1 7 0 7 1 7 8 3 ) 为代表的经典刚体动力学发展至今已有二百年 的历史了。两个多世纪以来，经典刚体动力学在天体运动研究、陀螺理论以及简 单机构的定点运动研究方面，取得了众多的成果。但由于现代工程技术中大多数 实际问题的对象是由多个物体组成的复杂系统，要对它们进行运动学分析和动力 学分析，仅靠古典的理论和方法已很难解决。迫切需要发展新的理论来完成这个 任务。 二十世纪中期，航天、机器人、车辆工程等领域的迅速发展对刚体动力学提 出了新的要求，而电子计算机技术的发展为新的力学方法的产生提供了必要条 件。六十年代末至七十年代初，美国的r e r o b e r s o n ，t r k a n e ，e j h a u g 、 p e n i k r a v e s h 和德国的j w i t t e m b u r g ，苏联的e j i 波波夫等人先后提出了各自的方 法来解决这些复杂系统的动力学问题。他们的方法虽然各不相同，但有一个共同 点：所推导出的数学模型都适用于电子计算机进行建模和计算。于是，将古典的 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章车辆运动学及动力学仿真 刚体力学、分析力学与现代的电子计算机技术相结合的力学分支多体系统动 力学便诞生了。这门新兴的交叉学科，是刚体力学、分析力学、弹性力学、矩阵 理论、图论、计算数学和自动控制等多学科相结合的产物，是目前应用力学和机 械、车辆等工程领域最活跃的分支之一。 2 3 2 多体系统动力学国内外发展概况 近二十年来，多体系统动力学理论得到了长足的发展，其应用也日益广泛。 在汽车系统动力学、航天飞行器动力学、生物力学、机构学、机器人动力学等领 域中都报道了大量多体系统动力学的研究成果。随着其自身的发展和完善，多体 系统动力学日益受到力学界和工程界的重视。1 9 7 7 年由国际理论和应用力学联合 会( i u t a m ) 主持召开了第一次国