（光学工程专业论文）微型客车运动学动力学仿真研究.pdf

矧糊燃翮 砭2 5 6 9 9 摘要 本文采用多刚体系统动力学的理论方法，应用a d a m s v i e w 模块建立了 某种微型车整车多自由度模型，通过对车辆进行多体动力学的研究，对车辆的 平顺性进行了评价，并对影响车辆平顺性的主要因素进行了研究探索运用 a d a m s 软件评价整车平顺性的方法。应用a d a m s _ c a r 模块建立了前悬架运 动学模型，探讨了前轮定位参数的变化规律。 本文在模型建立过程中，采用试验与计算相结合的办法获取各种参数，前 轮定位参数、减振器阻尼特性、零部件的质量均通过实际测量获得，弹簧刚度 等通过计算获得。使模型更接近车辆的实际工况。 运用a d a m s 软件建立与实际悬架系统相对应的整车动力学模型，通过道 路试验与仿真结果的对比，验证了模型的可信性；充分利用a d a m s 软件的特 点，通过改变悬架有关参数，进行大量的悬架动力学仿真计算，并进行灵敏度 分析，最后得出这些参数对平顺性的影响规律。对前悬架进行了运动学仿真分 析，得到了悬架结构对前轮定位参数的影响规律。 关键词：多刚体系统动力学a d a m s 软件 平顺性汽车悬架 南京理工大学硕士研究生学位论文 堡型查圭堡垫堂! 垫垄堂堕壅竺塞 a b s t r a c t b a s e do nt h et h e o r yo f m u l t i _ b o d yd y n a m i c s ，t h i st h e s i su s ea d a m s e w t oe s t a b l i s ht h em u l t i p l ef r e e1 i m i tm o d e lo fac e r t a i nk i n do fs u b m i n i a t u r ev e h i c l e a n de v a l u a t et h ev e h i c l er i d e t h r o u g hs t u d y i n g t h ev e h i c l e m u l t i p l eg e o s t a t i c s ， m o r e o v e r , i ts t u d yt h em a j o ra f f e c tf a c t o ro fv e h i c l er i d ea n dr e s e a r c ht h em e t h o d so f u s i n ga d a m s t oe v a l u a t et h ev e h i c l er i d e i ta l s ou s ea d a m s c a rt ob u i l dt h e k i n e m a t i c sm o d e lo ff r o n ts u s p e n s i o n ，s t u d y i n gt h ev a r y i n gr o l eo ff r o n tw h e e l o r i e n t a t i o np a r a m e t e r i nt h e p r o c e s s o fb u i l d i n g m o d e l ，t h em e t h o d o fu s i n g e x p e r i m e n t s t o c o l l a b o r a t ew i mc o m p u t e rt o a c q u i r ep a r a m e t e r s w a su s e d t h ef r o n tw h e e l o r i e n t a t i o np a r a m e t e r , t h ea b s o r b e rd a m p s p e c i a l i t ya n d t h eq u a l i t yo f p a r t sw e r ea l l a c q u i r e db ya c t u a lm e a s u r e t h es p r i n gr i g i d i t ye t ca r ea c q u i r e db yc a l c u l a t i o n b y t h i sw a yt h em o d e lc a r la p p r o a c ht h ep r a c t i c a li n s t a n c e t h r o u g hc o m p a r i n gt h e r o a d e x p e r i m e n t sw i t ht h e r e s u l to fs i m u l a t i o nt h e c o r r e s p o n d i n gv e h i c l ek i n e m a t i c sm o d e l t h a tw a sb u l i tb ya d a m sw a sc o n f i r m e d t ob er e l i a b l e ；t h i sa r t i c l ea d e q u a t e l yu t i l i z et h et r a i to fa d a m st od oal o to f s u s p e n s i o nk i n e m a t i c ss i m u l a t i o nc a l c u l a t i o na n dd e a lw i t l lt h es e n s i t i v i t yd e g r e et o a c q u i r et h ea f f e c tr o l eo ft h e s ep a r a m e t e r s i tu s ea d a m s t os i m u l a t et h ef r o n t s u s p e n s i o nk i n e m a t i c sa n dg a i nt h er u l eo fs u s p e n s i o nf r a m ea f f e c t i n gt h e f r o n t w h e e lo r i e n t a t i o np a r a m e t e r k e y w o r d s ：m u l t i _ b o d yd y n a m i c s a d a m sr i d ev e h i c l e s u s p e n s i o n 南京理工大学硕士研究生学位论文 微型客车运动学动力学仿真研究 1 绪论 1 1 研究目的 近年来，并行工程的概念在工程应用中日益受到广泛重视，按照并行工程 概念组织产品的设计到生产，可以实现优化的系统设计，而不是优化的零部件 设计。8 0 年代以来，零部件的c a d 技术以及有限元分析技术( f e a ) 在国内已 有长足的发展，随着产品开发周期的不断缩短，单独零部件的分析技术无法满 足开发的要求，对整体系统的设计、分析与优化逐渐放在首位。机械系统仿真 分析( m s s 即m e c h a n i c a ls y s t e ms i m u l a t i o n ) 技术将分散的零部件设计和分析 技术，如单一系统零部件的c a d 和f e a 技术揉合在一起，以提供一个更全面的 了解产品工作性能的方法，从而真正地实现并行工程设计要求。9 0 年代，随 着计算机技术、图形学技术及计算方法的不断提高，m s s 技术在汽车工业的应 用得到广泛发展。 我国的汽车工业基础薄弱，由于设计、制造工艺等诸多方面原因产品质量 仍然远远落后于世界上发达国家。所以国内许多汽车厂家只能通过组建合资企 业，引进、吸收国外汽车设计、制造技术。这虽然也能提高我国的汽车设计、 制造技术水平，缩短与国外汽车工业的差距，但是，由于大多数厂家为了保持 技术优势，对关键技术保密，这使得国内生产厂家只能依靠国外技术，照图生 产与装配，无法完全独立解决产品的设计和制造问题，更无法进行自主的新产 品开发。 目前，随着我国加入世界贸易组织，我国汽车产业在所有各产业中面临最 严峻的考验，迫使我们必须加快发展自己的汽车工业。国家对车辆的安全性、 排放污染等都有了新的标准，如碰撞性能的要求，3 5 吨以下车辆化油器发动 机的停产等，都表明我国对汽车工业这一国家支柱产业能够跟上国际汽车工业 南京理工大学硕士研究生学位论文第1 页 微型客车运动学动力学仿真研究 发展，入世后能有立足之地的迫切要求。 1 9 9 9 年我国参照欧洲e c er 9 4 0 0 制定了我国的第一个机动车设计法规关 于正面碰撞乘员保护的设计法规，我国在2 0 0 0 年4 月1 日已经对新定型的m 1 类汽车实行了该项法规，而对现生产或新设计定型的m 1 类汽车将在2 0 0 1 年1 0 月1 日起必须满足该项法规要求。 在新的形势下，南京长安汽车有限公司与我校合作，以国外某微型客车( 以 下简称样车，见图1 1 ，图1 2 ) 为基础，结合国产s c 6 3 5 0 微型客车成熟的底 盘总成件技术进行新车型开发设计( 以后简称新车型) 。这一新车型的开发，一 方面是企业不断改进产品和开发新产品，以满足市场的要求，从而保证企业的 生存和更大的发展；另一方面也是为了满足即将实施的实车碰撞标准。 长安新车型设计与开发的宗旨是：新车型综合性能应优于s c 6 3 5 0 的性能， 技术水平处于国内同档次汽车的领先水平，要求轴荷分配合理、易操纵、整车 平顺性好、轮胎寿命长、乘坐舒适、成本较低、维修方便；同时要考虑产品的 系列化，考虑系列变型车，零部件的通用化和设计的标准化，以实现大批量生 产。 图1 1 样车外形图一 南京理工大学硕士研究生学位论文 第2 页 微型客车运动学动力学仿真研究 图1 2 样车外形图二 新车型总体开发思路是：以样车为目标，以s c 6 3 5 0 微型客车为基础，参 照样车车身形式，参考s c 6 3 5 0 进行车身内饰件设计，利用s c 6 3 5 0 电喷发动机， 并且充分利用s c 6 3 5 0 微型客车的底盘件，要求其操纵稳定性、平顺性、制动 性、动力性和经济性等综合性能良好。外形美观，保持样车豪华、流畅和舒适 的性能，视实际需求作局部改动，以适应竞争日益激烈的市场需求。 新车型底盘开发的原则是：对于与s c 6 3 5 0 底盘件结构相近件，尽量采用 s c 6 3 5 0 底盘件；对于与s c 6 3 5 0 底盘件结构相差较大的分总成采用仿制样车分 总成结构：而对于仿制不了的复杂结构件或为满足新增功能需求的结构，需进 行重新设计，以利于降低成本和加快研制进度。 新车型既有样车的车身与部分总成，又有s c 6 3 5 0 车的总成及零部件，也有 新设计的零部件，其性能不同于样车，也不同于s c 6 3 5 0 。 为缩短开发周期，保证产品优越的性能，在开发过程中，以并行工程的概 念为指导，利用a d a m s 机械仿真软件对整车进行系统仿真分析，特别是改型后 的平顺性、操稳性、前轮定位参数等，都要进行分析、评价，并提供相应的理 论指导，以开发出性能优越的国产微型客车。 南京理工大学硕士研究生学位论文 第3 页 微型客车运动学动力学仿真研究 1 2 主要内容 本课题的主要任务是在新车型开发过程中，建立整车运动学动力学仿真模 型，对车辆进行仿真与分析，对车辆的平顺性进行评价，确定各种参数对车辆 平顺性的影响，并进行实车道路试验，对仿真结果进行验证；对前悬架进行运 动学分析，确定前轮定位参数的影响因素，提供降低轮胎偏磨的理论基础，为 整车相关零部件的设计与布置提供理论依据。 具体如下： 1 ) 整车模型建立，对前、后悬架、弹簧、减振器、轮胎、车身进行建模， 并建立合理的路面模型，以给车辆提供与实际相符的激励。 2 ) 车辆的平顺性试验。评价车辆的平顺性，确定前后悬架的参数( 弹簧、 减振器、橡胶块及悬架杆系的布置位置) 对车辆平顺性的影响。 3 ) 道路试验。对车辆进行平顺性试验，测量实车的平顺性能，并与仿真结 果比较分析。 4 ) 前悬架与转向杆系的运动学分析。了解不同的车轮跳动量的情况下，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。此外我们要 了解该系统在运动过程中是否发生干涉。 1 3 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、阻尼等动力学特征的复杂非线性系统，其特 点是运动零件多、受力复杂。由于组成汽车各机械系统( 如转向、悬架、传动 机构) 之间的相互偶合作用，使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， 南京理工大学硕士研究生学位论文第4 页 燮型查主垩垫兰! 垫垄堂堕塞堕塑 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。这些都给运动学与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 仅误差较大，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、分析与求解 始终是一个关键性问题。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。3 。 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。计算机技术的迅猛发展， 使我们在处理上述复杂问题方面产生了质的飞跃。有限元分析技术、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0 1 。 国外汽车动力学中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。力学模型逐渐由线性模型发展到非线性多体系统模型；模 型的自由度由二个自由度发展到数十个自由度，文献e 4 3 概述了这一发展过程。 模拟计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 5 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e 6 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。 到了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 南京理工大学硕士研究生学位论文第5 页 垡型查兰墨垫兰! 垫垄兰堕壅型塞 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 s ，其中汽车行业的使用率为4 3 ，该软件在为客户提供通用平台同时， 还专门提供了用于车辆分析的专门模块( a d a m sc 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性模型， 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性模 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。3 ，发展到汽车转 弯制动性能的分析。此外，文献 1 6 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 。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 c a 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力学中的牛顿一欧拉方法，建立了 汽车列车七十四个自由度的非线性数学模型，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。 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 子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 南京理工大学硕士研究生学位论文第6 页 一 垡型查兰兰垫堂! 塑苎! 兰堕壅堕塑 了建模和计算。吉林工业大学的陈欣在博士论文中，着重研究了汽车悬架中的 柔性体对悬架性能的影响。 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。1 。 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 1 0 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 1 1 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 1 2 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 1 2 和 1 3 中讨论了悬架系统中广泛采用 的弹性约束( 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 了汽车碰撞过程中坐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 些方法即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 较高的要求，如建模功能；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分析对象的 结构和性能要求有很大差异，所以在分析内容上也有侧重。汽车系统同航天器、 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 南京理工大学硕士研究生学位论文 第7 页 壁型查圭垩塑兰! 垫垄堂堕塞竺塑 虑其特殊性，进行有针对的分析，才能得到理想的效果。 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 s 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“1 。其中由美国机械动力公司( m e c h n i c a ld y n a m i c s i n c ) 开发的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、非线性分析求解功能与使用方 便的用户界面相结合，并提供与其他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“。 南京理工大学颂士研究生学位论文 第8 页 微型客车运动学动力学仿真研究 2 车辆运动学动力学仿真理论及软件 2 1 多体动力学简介 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和生物力学、航天器控制、机器 人动力学、车辆设计、机械动力学等领域密切相关且起着重要作用的新的分支。 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 力学新分枝多刚体系统动力学便诞生了。 近二十年来，由于各种复杂机械系统的高性能、高精度的设计要求，加之 高速度、大容量、多功能现代计算机的发展及计算方法的成熟，多体力学由早 期的多刚体系统动力学发展为多柔体系统动力学。这门边缘学科以当代航天事 业的发展为标志，研究的领域包括了宏观世界机械运动的主要问题“。 多刚体系统动力学中有以下几种研究方法： ( 1 ) 牛顿一欧拉方程法：对作为隔离体的单个刚体列写牛顿一欧拉方程 时，铰约束力的出现使未知变量的数目明显增多，故即使直接采用 牛顿一欧拉方法，也必须加以发展，制定出便于计算机识别的刚体 联系情况和铰约束形式的程式化方法，并致力于自动消除铰的约束 能力。德国学者s c h i e h l e n 在这方面做了大量工作。其特点是在列 写出系统的牛顿一欧拉方程后，将不独立的笛卡尔广义坐标变换成 独立变量，对完整约束系统用a l e m h e r t 原理消除约束反力，对非完 整约束系统用j o u r d a i n 原理消除约束反力，最后得到与系统自由度 数目相同的动力学方程，希林等人编制了符号推导的计算机程序 南京理工大学硕士研究生学位论文 第9 页 微型客车运动学动力学仿真研究 ( 2 ) 拉格朗日方程法；由于多刚体系统的复杂性，在建立系统的动力学 方程时，采用系统独立的拉格朗日坐标将十分困难，而采用不独立 的笛卡尔广义坐标比较方便，对于具有多余坐标的完整或非完整约 束系统，用带乘子的拉氏方程处理是十分规范化的方法。导出的以 笛卡尔广义坐标为变量的动力学方程是与广义坐标数目相同的带乘 子的微分方程，还需要补充广义坐标的代数约束方程才能封闭。 c h a n c e 等人应用吉尔( g e a r ) 的刚性积分算法并采用稀疏矩阵技术 提高计算效率，编制了a d a m s 程序；h a u g 等人研究了广义坐标分类、 奇异值分解等算法，编制了d a d s 程序。 ( 3 ) 图论( r - w ) 方法：r e r o b e r s o n 和j w i t t e n b u r g 创造性的将图 论引人多刚体系统动力学，利用其中的一些基本概念和数学工具成 功地描述了系统内各刚体之间的联系状况，即系统的结构。r w 方法 以十分优美的风格处理了树结构的多刚体系统。对于非树系统，则 必须利用铰切割或刚体分割方法转变成树系统处理。r w 方法以相邻 刚体之间的相对位移作广义坐标，对复杂的树结构动力学关系给出 了统一的数学模式，并据此推导了系统的运动微分方程，相应的程 序有m e s a v e r d e 。 ( 4 ) 凯恩方法：r - w 方法提出了解决多刚体系统动力学统一公式；而凯 恩方法提供了分析复杂机械系统动力学性能的统一方法，并没有给 出一个适合于任意多刚体系统的普遍形式的动力学方程，广义速度 的选择也需要一定的经验和技巧，这是它的缺点，但这种方法不用 动力学函数，无需求导计算，只需进行矢量点积、叉积等计算，节 省时间。 ( 5 ) 变分方法：在经典力学中，变分原理只是对力学规律的概括，而在 计算技术飞速发展的现代，变分方法已成为可以不必建立动力学方 南京理工大学颂士研究生学位论文第l o 页 燮型堡兰垩垫兰! 垫塑兰堕墨竺窒 程而借助于数值计算直接寻求运动规律的有效方法。变分方法主要 用于工业机器人动力学，有利于结合控制系统的优化进行综合分析， 对于变步态系统，可以避免其它方法每次需重建微分方程的缺点。 多刚体系统动力学理论有很多优点： 1 适用对象广泛。由于多刚体系统动力学由计算机按程式化方法自动 建模和分析，并且只要输入少量信息就可对多种结构及多种连接方 式的系统进行计算，因此其通用性非常强，同一程式可对各类复杂 系统进行分析。 2 可计算大位移运动。多刚体系统动力学的公式推导是建立在有限位 移基础上的，因此既可做力学系统微幅振动的分析，又可做系统大 位移运动分析，这更符合系统实际运动状况，并且给研究非线性问 题带来了很大方便，能够使计算结果更符合实际。 3 模型精度高。研究汽车动力学的困难之一就是建立准确的动力学方 程，模型越复杂，困难越大，有时甚至是无法实现的。而多刚体系 统动力学的数学模型可由计算机自动生成，不必考虑推导公式的难 易程度，所以不但适用于较简单的平面模型，而且更适用于复杂的 三维空间模型。对悬架动力学而言，可将垂直方向、前后水平方向 及横向的动力学分析统一在同一个模型中，把悬架对汽车平顺性、 制动性、操纵稳定性的影响综合起来研究。 柔体系统不同于多刚体系统，它包含有柔性部分，其变形不可忽略，其逆 运动学是不确定的：它与结构力学不同，部件在自身变形运动同时，空间中经 历着较大的刚性移动和转动，刚性运动和变形运动相互影响、强烈耦合：与一 般系统不同，它是一个时变、高度耦合、高度非线性的复杂系统。 归纳起来，柔性多体系统动力学方程的建立主要有三类方法：( 1 ) 牛顿一 欧拉法；( 2 ) 虚位移法；( 3 ) 上述二种方法的各种变形方法。如较有影响的k a n e 方法等。 南京理工大学硕士研究生学位论文第1 i 页 微型客车运动学动力学仿真研究 2 2 多刚体力学软件概述 1 9 6 0 年，美国通用汽车公司研制了一个动力学分析软件一一d y a n a ( d y n a m i ca n a l y z e r ) ，该软件主要是解决多自由度、无约束的机械系统动力学 问题。1 9 6 4 年，i b m 公司为汽车工业研制了运动学分析软件k a m ( k i n e m a t i c a n a l y s i sm e t h o d ) ，该软件采用了m a c h a n c e 矢量代数方法，对单运动链单自 由度机械进行位置、速度、加速度分析。随着多刚体系统动力学的诞生和发展， 1 9 7 2 年，美国的w i s t o n s i m 大学的j j u i c k e r 等人研究出了a d a m s ( a u t o m a t i c a n a l y s i sd y n a m i co fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 机械系统的自动动力学分析软件， 它能分析软件，它能分析二维、三维、开环或闭环机构的运动学、动力学问题， 侧重于解决复杂系统的动力学问题。1 9 7 7 年，美国i o w a 大学的c a d 中心在 e j h a u y 教授的引导下，研制了d a d s ( d y n a m i ca n a l y s i sa n dd e s i g ns y s t e m 动力学分析和设计系统) 目前，世界上已经约有十七种基于不同方法的多 体运动分析软件问世。 总体来说，多体系统动力学的方法是种高效率、高精度的分析方法。然 而在解决实际问题时，如果处理不当，不仅使工作量增加，而且也得不到满意 的结果，应用中要根据具体情况和所研究的问题性质选择最有效的分析方法， 这一点对于较复杂的汽车系统来说尤为重要，应用多刚体系统动力学理论解决 实际问题时，一般要经过以下几个步骤： ( 1 )实际系统的多体模型简化； ( 2 ) 自动生成动力学方程； ( 3 ) 准确地求解动力学方程，最终得到准确的结果。 2 3a d a m s 软件简介 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 sm e c h a n i c a ls y s t e m ) 是较权威的 南京理工大学硕士研究生学位论文第1 2 页 垡型查至堡垫兰! 垫垄兰堕壅堡塑 机械系统仿真设计软件，工程中利用a d a m s 交互式图形环境和零件约束、力库 等，进行仿真分析和比较，研究“虚拟样机”可供选择的多种设计方案。a d a m s 自动输出位移、速度、加速度和作用力，其仿真结果可显示为逼真的动画或x y 曲线图形，a d a m s 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，支持a d a m s 同大多数c a d 、f e a 及控制设计 软件包之间的双向通讯。 a d a m s 软件提供了多种可选模块，核心软件包包括交互式图形环境a d a m s v i e w 和a d a m ss o l v e r ( 仿真求解器) ，还有a d a m s f e a ( 有限元接口) 、a d a m s a n i m a t i o n ( 高级动画显示) 、a d a m s i g e s ( 模型交换) 等模块。 a d a m s 软件的功能如下： 1 ) 可有效地分析三维机构的运动与力。例如可以利用a d a m s 来模拟作用在轮 胎上的垂直、转向、牵引、制动、力与力矩；可以分析前悬架、转向系统 在跳动、转向时各前轮定位角的变化、有没有运动干涉；还可以应用a d a m s 进行整个车辆或悬架系统道路操纵性的研究。 2 ) 利用a d a m s 可模拟有较大位移动作的系统。a d a m s 很容易处理这种模型的非 线性方程。 3 ) 可分析运动学静定( 对于非完整约束或速度约束一般情况的零自由度) 系 统。对于一个或多个自由度机构，a d a m s 可完成某一时间上的静力学分析或 某一时间间隔内的静力学分析“。 a d a m s 的核心配置方案是核心仿真软件包，它包括交互式图形环境 a d a m sv i e w 和仿真核心的求解器a d a m ss o l v e r 等。 a d a m s v i e w ( 图形用户界面) a d a m s _ v i e w 是a d a m s 系列产品的交互式图形环境，采用简单的分级方式 或建模工作。仿真结果采用强有力的、 性能，并将分析结果进行形象化输出。 形象直观的方式描述虚拟样机的动力学 c a d 几何造型可通过i g e s 接口输入进 a d a m s v i e w ；a d a m s v i e w 的输出选项可以是曲线图、着色的或线框式的动画显 南京理工大学硕士研究生学位论文第1 3 页 壁型查兰堡垫兰! 垫查兰堕塞堕塑 示及输出到e x c h a n g e 接口视频显示器或w a v e f r o n t 软件接口。 a d a m ss o lv e r ( 求解器) a d a m s _ s o l v e r 是a d a m s 产品系列的核心。该软件包自动形成机械系统模 型的动力学方程，并提供静力学、运动学和动力学的解算结果。a d a m ss o l v e r 有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种问题。 a d a m s _ s o l v e r 可以对刚体和弹性体进行仿真研究，为了进行有限元分析和 控制系统研究，用户除了要求输出位移、速度、加速度和外力，还要求模块输 出用户自己定义的数据。用户可以通过运动幅、随机运动、用户自己定义的子 程序等添加不同的约束。用户可同时求解运动幅之间的作用力和反作用力，或 施加任意方向的单向外力。 a d a m s - f l e x 是集成可选模块，是a d a m s 与f l e x 之间进行双向数据通讯的 接口。 a d a m s f l e x 可研究柔性体对机械系统性能的影响，该模块利用模态频率 生成柔性体的a d a m s 模型，由于系统仿真研究考虑了柔性体的影响，因此可以 明显提高仿真精度，f l e x 是合成柔性体的有效途径。a d a m s f l e x 支持a n s y s 、 m s c n a s t r a n 和i d e a s 的中性文件( n e u t r a lf i l e ) 格式。通过柔性体节点增 加适当的约束和力，就可以使柔性体与其它刚体共同形成一个有机的a d a m s 模 型。 a d a m s c a r ( 车辆模块) a d a m s _ c a t 赋予工程师精确建立整套虚拟样机的能力，其中包括悬架、传 动系、发动机、转向机构、a b s 系统以及其它复杂总成。用户可以在各种不同 的道路条件下运行a d a m s _ c e r r 模型，执行驾驶操作，使车辆在试验道路上正常 行驶，用户可以准确模拟汽车的操纵稳定性、乘坐舒适性、安全性及其它各项 性能参数。仿真功能还包括牵引性能控制、a b s 等控制系统。这为汽车工程师 提供了前所未有的仿真能力，世界五大汽车制造公司a u d i 、b m w 、f o r d 、r e n a u l t 和v o l v o 形成了一个国际性合作集团，共同成功开发了a d a m s c a t 模块。 南京理工大学硕士研究生学位论文第1 4 页 微型客车运动学动力学仿真研究 a d a m st i r e ( 轮胎模块) a d a m s _ t i r e 是研究轮胎与道路相互作用的建模可选模块。该模块可更完 善地计算侧向力、自动回正力矩及由于路面坑洼等障碍而产生的力，a d a m st i r e 可计算轮胎因克服滚动阻力而受到的垂直、纵向和横向载荷，可仿真研究车辆 在制动、转向和滑行、滑移等大变形位移下的动力学特性；可与a d a m s v i e w 结合共同研究车辆的稳定性，计算汽车的偏移、俯冲和侧倾。输出力和加速度 数据可供有限元分析软件包进行应力和疲劳研究；计算由于制动力矩和转动力 矩产生的反作用力。 此外，a d a m s 还包括l i n e a r ( 线性分析模块) 、e x c h a n g e ( 图形接口模块) 、 c o n t r o l s ( 控制模块) 、m e c h a n i s m p r o ( 机构分析模块) 、v e h i c l e ( 车辆模块) 、 a n i m a t i o n ( 动画模块) 、d r i v e r ( 驾驶员模块) 等。 南京理工大学硕士研究生学位论文第1 5 页 微型客车运动学动力学仿真研究 3 车辆结构分析与建模 车辆在行驶过程中，来自地面的激励是影响乘员乘坐舒适性的主要因素， 平顺性主要根据乘员的舒适性来评价“”。汽车以一定的车速驶过随机的路面， 路面不平度经轮胎、悬架、坐垫等弹性、阻尼元件和非悬挂质量、悬挂质量构 成的振动系统传递到人体，则前后车桥( 非悬挂质量) 、车身、和人体的加速度 是平顺性的评价对象，因此仿真模型中必须包括以下几部分：前悬架( 前减振 器、前螺旋弹簧、横摆臂等) 、后悬架( 后减振器、后螺旋弹簧、纵向推力杆等) 、 车身、车轮等。 在a d a m s 中建立以上模型时，影响平顺性的主要零部件的参数必须准确， 如减振器的阻尼，弹簧的刚度、橡胶块的刚度、轮胎的参数、车身的质量及分 配、各部件的位置关系、零部件之间的连接等。 3 1 新车型的结构分析 新车型整车总体布置形式如下： 传动系：发动机前置后驱动 制动系：前盘后鼓，装备感载比例阀，选装a b s 转向系：齿轮齿条机械式转向系 行驶系：前悬采用麦弗逊式独立悬架，后悬采用螺旋弹簧的非独立悬架结 构，轮胎采用1 5 5 r 1 3 c 子午胎 新车型部分技术参数列表如下； 表3 1 新车型主要技术参数表 参数数值 轴距( m m ) 2 4 3 0 前轮距 1 3 0 0 轮距( m m ) 后轮距 1 3 1 0 汽车整各质量( k g ) 1 1 0 0 南京理工大学坝士研究生学位论文第1 6 页 微型客车运动学动力学仿真研究 汽车总质量( k g )1 5 9 0 空载 前桥5 1 0 轴荷分 后桥5 9 0 配( k g ) 前桥 6 5 0 满载 后桥 9 4 0 前悬麦弗逊式 悬架形式 后悬非独立悬架 空载时质心位置m m 1 3 0 3 ( 距前轴中心距离) 转向器形式齿轮齿条式 3 2 主要部件结构形式及建模 3 2 1 弹簧 无论在车辆平顺性分析还是在车辆操纵稳定性分析中，弹簧刚度k 都是主 要考虑参数之一，必须确定前后悬架弹簧刚度k 的大小。 新车型前悬架螺旋弹簧参数 材料直径a e l 2 m m 弹簧中径d ，= 9 5 m m 有效圈数n = 6 自由长度1 = 2 2 5 m m 切变模量庐7 8 5 g p a ( 见g b l 3 5 8 7 8 ) 弹簧刚度 k ，：羔生：3 9 5 n m m( 3 1 ) 8 d , 3 n 新车型车辆后悬架弹簧参数 材料直径庐1 4 m m 弹簧中径班1 l o m m 南京理工大学硕士研究生学位论文第1 7 页 微型客车运动学动力学仿真研究 有效圈数n = 7 自由长度= 3 1 0 m m 切变模量仁7 8 5 g p a ( 见g b l 3 5 8 7 8 ) 弹簧刚度 t = 蒜划4 川删 3 2 2 减振器 减振器是悬架系统的主要阻尼元件，与弹性元件并联安装，车轮与车身间 的相对振动，主要是通过减振器衰减的，即由于悬架匹配了适当的阻尼车身的 自由振动被迅速衰减，车身的强迫振动也会受到抑制。 在a d a m s 中建立减振器模型时，必须建立前减振器的速度特性曲线。a d a m s 中有几种减振器速度特性文件，但没有与本车所用减振器相匹配的，因此要建 立前后减振器的特性文件。 减振器的阻尼特性由试验获得，图3 1 为前减振器试验获得的示功图。 d i s p l a c e m e n t ( m ) 图3 1 前减振器示功图 表3 2 为速度与力的对应关系。 南京理工大学硕士研究生学位论文第1 8 页 微型客车运动学动力学仿真研究 表3 2 速度一阻尼力对应表 v e l ( m m l s e c )一1 2 4 l一“) 2 07 3 85 2 83 1 7 一1 2 31 2 ：3 l75 2 8 7 3 81 0 2 0 1 2 4 1 f o r c e ( n ) 5 0 04 6 2 3 8 4 j 3 5 2 8 0一1 8 41 8 d2 8 03 3 5 3 8 44 6 2 5 0 0 根据上表，在a d a m s 中建立曲线s p l i n e 2 如图3 2 。 z v 长 皇 图3 2 减振器速度特性曲线 速度( “3 2 ) 在建立减振器模型时，其p r o p e r t yf i l e 选项用曲线文件s p l i n e 2 。 同样可建立后减振器的特性曲线文件s p l i n e 3 ( 略) 。 3 2 3 前悬架动力学模型 前悬架为麦弗逊式独立悬架悬架，它是由弹性元件( 圆柱螺旋弹簧) 、减震 器、导向元件( 与横摆臂一体的纵向推力臂) 以及导向元件支架组成。 图3 3 样车前悬架结构 南京理工大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 微型客车运动学动力学仿真研究 其结构形式如图3 3 所示。 结构简图如图3 4 所示。 车身与横摆臂通过旋转铰链连接，减振器固定在车身上，横摆臂与转向节 通过球铰链连接，螺旋弹簧套在减振器壳上，减振器与转向节固定连接。 图3 5 为所建前悬架动力学模型。 图35 前悬架动力学模型 南京理工大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 堕型查主垩垫兰! 垫垄堂堕塞婴塑 模型中，转向节与车轮通过c y l i n d r i c m 铰链( 车轮与转向节可以沿铰链轴 线旋转，转向节也可沿轴线横向移动) 连接，与车身通过弹簧、减振器连接( 弹 簧和减振器的具体参数见前两节) ，横摆臂与转向节通过旋转铰链连接，与车身 通过一个旋转铰链连接。忽略了由于轮胎滑动摩擦和其侧偏刚度引起的横摆臂 与车身连接铰链承受的垂直方向的力，即由弹簧承受前轴载荷。 3 2 4 后悬架动力学模型 样车后悬包括弹性元件( 螺旋弹簧) 、减震器、纵向推力杆、横向稳定杆以 及这些组件的连接件。 新车型后悬布置形式见图3 6 。 图3 6 新车型后悬布置形式 由图3 6 可以看出，新车型将弹簧置于后桥两端上部，纵向推力杆置于车 桥正下方，且通过铰链连接，减震器直接与纵向推力杆相连，这样因路面对轮 胎引起的冲击载荷将首先通过车桥传递到纵向推力杆，再由纵向推力杆传递到 减震器、