（光学工程专业论文）轿车多车型共享底盘悬架操稳性仿真方法研究.pdf

口is。1t一i0昌譬1bl暑ito盘一。_zilejia暑ij譬ivoi寸。叶tenll譬010 f01tho口。旧1oo o叶】譬tel 刃吲喇刃n毒。嘲lizo尸hzo呵圈州o刃歹裔zo圆 一暮dathzo富胃一墨0皂吗。刃一li黑ij勺图z一0z o 恻 岁商ij两hn刃ii刃圈_d n毒h n=盘一(1譬一一口。暑内)(nll皇譬暑峭 ifi、，is01昌阳oiunllo昌阳 zin掩)(iaofin n。一一oge idi叶i。nil蓦ic譬一一警in。oiin畸 ，_ _ ，、， nlloii譬嗡ij墨ivdl才。叶teoll墨0109v 善no_10i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：专却状 日期：z 。卜年6 月) 日 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 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保涮 ( 请在以上相应方框内打“ ) 日期：1 j j 年月7 日 日期：加0 年i 月日 浙江工业大学硕士学位论文 轿车多车型共享底盘悬架操稳性仿真方法研究 摘要 汽车底盘共享是指将同一套整车开发技术应用于不同车型，派生或衍生出多款车型， 意味着不同档次的车型在理论上可以在同一条生产线上生产，从而节省设计开发的成本， 提高生产效率。 为分析共享底盘对不同车型操纵稳定性的适应性，在w i n d o w s 环境下，本文以 v c + + 6 o 和a d a m s c a r 为平台，开发了基于操稳性的共享底盘悬架专用分析模块，该模 块实现了以下五大功能：整车各个子系统参数化建模：悬架仿真模型的整车仿真模型的自 动化装配；悬架仿真模型的快速运动学分析；整车仿真模型的快速操稳性分析和评价；仿 真结果的自动化后处理及保存。该模块能在较大程度上提高了分析的效率，汽车工程师只 需花较少的精力就可完成悬架以及整车的建模、仿真分析和评价，从而降低汽车开发的成 本。 应用开发的模块，以万向集团提供的两款采用共享底盘的车型w l 、w 2 为例，首先建 立起两款车型前、后悬架的仿真模型，并对其进行运动学仿真分析；然后建立该两款车型 的整车仿真模型，并根据国家标准进行5 项操纵稳定性仿真分析和评价，包括稳态回转仿 真、转向阶跃仿真、转向脉冲仿真、转向回正仿真和蛇行仿真。仿真结果表明，该共享底 盘能较好的适用于这两款车型，其操稳性都达到了要求。 本文开发的模块对采用共享底盘车型的操稳性分析具有较大的优势，通过改变底盘的 轮距、轴距、整车质量、轮胎型号以及悬架弹簧刚度和减振器阻尼等就可以获得不同车型 的仿真模型，无需再重新建模，可以在较短时间内开发一款基于共享底盘的新车型，为共 享底盘的研究提供了参考。 关键词：共享底盘，仿真，悬架，操纵稳定性，多体动力学 浙江工业大学硕士学位论文 r es e a r c ho fh a n d l i n gp e r f o r m a n c e s i m u l a t i n gm e t h o d sf o rt h es u s p e n s i o no f m u i j i c a rs h a r e dc h a s s i s a b s t r a c t c a rc l l a s s i ss h a r i n gr e f e r st oas a m es e to fd e v e l o p i n gt e c l l n i q u e sc a l lb ea p p l i e dt oc a r so f d i 行e r e n t 帅e s ，s ot l l ed e r i v e dc a r so fd i 丘e r e m 够p e sc o u l db em a l l u f a c t u r e df 如mo n es l l a r e d p l a t f o r m a n d l e o r e t i c a l l yi tm e 龇1 sc a r so fd i 仃e r e n tl e v e l sc o u l db em a j l l l f 如t u r e df b m l e s 锄ep r o d u c t i o nl i n et or e d u c ed e v e l o p i n gc o s ta 1 1 dt oi n c r e a s ep r o d u c t i v i 吼 i i lo r d e rt oa n a l y s i sm ea d 叩t a t i o no f h a n d l 吨s 切b i l i 够f o rd i 腩r e n t 够p ec a r s 诚t 1 1s 锄e， c h a s s i s ，t l l es t u d yu s e d v c + + 6 0a n da d a m s c a r 嬲p l a t f 0 m l st od e v e l o pam o d l l l ee x c l u s i v e l y f o ra m l y z i i l go fs u s p e i l s i o nk i n e m a t i cp e r f o r i n a n c ea i l dv e k c l eh a n d l i n gp e r f b n n a i l c ei 1 1m e w h d o 、se n v i r o 姗e m a n dt h em o d u l ec a na c c o m p l i s h5f h c t i o i l sa l sf o l l o w ：p a r a i ne t e r i z e d m o d e l i n go f t l l ee a c hs u b s y s t e m so fm l l - v e m c l e ；a u t o m a t i c l y 弱s e m b l i l l go f l es i m u l a t m gm o d e l o fs u s p e i l s i o na n dm l l - v e m c l e ；q u i c h ya 1 1 a l y z i i l go ft l l ek i n e m a t i cp e r f o 肌锄c eo fs u s p e i l s i o n ； q u i c “ya n a l y z i n g 觚de v a l u a t i n go f 吐1 el m d l i l l gp e 响m a i l c eo f 如l l - v e l l i c l e ；a u t o m a t i c l y p o s t p r o c e s s i n g 趾ds a v i n go ft l l es i i i l u l a t i n gr e s u l t s t h em o d u l ec a ng r e a t l ye i l 圭1 a n c et h e e f f i c i e n c yo fa i l a l y s i s ，v e k c l ee n g i n e e r sc a na c c o m p l i s ht l l em o d e l i i l g ，s i m u l a t i n ga i l de v a l u a t i l l g o fs u s p e i l s i o na n d 允l l v e m c l ei 1 1l e s s e rt 油e ，s ot l l ed e v e l o p i i l gc o s ti sr e d u c e d i i lm es t u d y 咖c a r sc a l l e dw 1 ，w 2m a tu s i n gs h a r e dc h a s s i sp r o v i d e d b yw a r d ( i a n gg r o u p w e r eu s e da s 锄e x 锄p l e b yl l s i n gm em o d u l e ，l es 乱l d yf i r s t l yb u i l tp a r a m e t e r i z e dm o d e l so f t h e 舶n t ，r e a rs u s p e i l s i o n so fw 1 ，w 2 ，a i l dc 硎e do u th n e m a t i cs 妇u l a t i o no ft h es u s p e l l s i o i l st o a i l a l y s i st l l e i rk i n e m a t i cp e 而m 柚c e ；l e np a r 锄e t e r i z e dm o d e l so fw l ，w 2 、r eb u i nt o p r o c e e d5 虹n d so fh 鲫l d l i i l gs i i n u l a t i o i l sa j l de v a l 叫i o n sa c c o r d i n gt o 也ec l l i n e s en a t i o n a l s t a i l d a r di n c l u d i n gs t e a d yc o 喊gs i l n u l a t i o 玛s t e ps t e e 血g s i i n u l a t i o 玛i m p u l s e s t e e 血1 9 s i m m a t i o i l ，s t e e rr e l e a s i n gs 妇u l a t i o na 1 1 dp y l o nc o u r s es i m u l a t i o n 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dn l a tt l l e 浙江工业大学硕士学位论文 s h a r e dc h a s s i s 印p l y e dt ot h et w oc a r sw e l l ，a n dt h et 、v oc a r sb o 廿1m e e tt l l e r e q u i r e m e m sf o r h a i l d l i n gp e r f b m a i l c e 1 1 1 em o d u l ed e v e l o p e di nt 1 1 e s t u d yh a sg r e a t l ya d v a l l t a g ei nh a n d l i n gp e o m a n c e a n a l y z i n go fc a r st h a tu s i n gs h a r e dc h a s s i s ，w ec a ng a i nc a rm o d e l so fn e wt y p e sb ya d j i i s t i n gm e w h e e l b a s e ，w r h e e l 饿l c k ，m a s s ，t i r e s ，s p r i n gs t i 丘h e s s ，s h o c ka b s o r b e rd 锄p i n g ，e t c o f 吐i ec h a s s i s ， 、v ed o n t1 1 a v et ob u i l dt h ec a rm o d e l so fn e wt ) ，p e s 行o mt l l e i 1 1 i t i a l t e m p l a t e ，t h u s 、v ec a i l d e v e l o pac a ro fn e wt ) ，p eb a s e do ns h a r e dc h a s s i si i l l e s s e rt i m e s o 协es t u d yp r o v i d e sa r e f e r e n c ef o rt 1 1 er e s e a r c ho fs h a | dc h a s s i s k e yw o r d s ：s h a r e dc h a s s i s ，s i m u l a t i o n ，s u s p e n s i o n ，h a n d l i n g s t a b i l i 饥m u l t i b o d y d y l 瑚1 i c s 浙江工业大学硕士学位论文 摘要 第l 目录 童 1 1 1 2 1 3 1 4 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 第3 章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 绪论l 研究背景1 汽车底盘共享平台及悬架的研究现状。l 课题来源、研究内容及意义3 1 3 1 课题来源和研究内容3 1 3 2 课题研究的意义。4 本章小结5 汽车多体动力学建模理论6 汽车多体动力学建模方法6 2 1 1牛顿矢量力学体系6 2 1 2分析力学体系j 一7 2 1 3 虚功率原理8 2 1 4 高斯原理8 a d a m s 简介8 a d a m s 基本算法1o 2 3 1 广义坐标的选择l o 2 3 2 运动学方程1 0 2 3 3 运动学方程的求解算法一l l 2 3 4 动力学方程l l 2 3 5 初始条件分析l3 2 3 6 动力学方程的求解1 5 2 3 7 静力学及线性化分析一l6 2 - 3 8 动力学求解算法介绍l7 a d a m s 二次开发1 8 2 4 1 宏命令的应用18 2 4 2 循环命令与条件命令的应用2 0 2 4 2用v c h l 6 o 生成锄d 文件2 2 本章小结2 3 共享底盘悬架分析模块的开发2 4 前言2 4 模块的功能介绍2 4 模块的主界面2 4 模块的对话框2 5 3 4 1子系统建模对话框2 5 3 4 2仿真模型装配对话框2 8 3 4 3 悬架运动学仿真对话框2 9 3 4 4 整车操稳性仿真对话框3 0 本章小结3l 浙江工业大学硕士学位论文 第4 章 4 1 4 2 4 3 4 4 第5 章 w 1 、w 2 车型前后悬架运动学仿真研究3 2 前言3 2 w 1 、w 2 车型前悬架建模和仿真3 2 4 2 1前麦弗逊悬架仿真模型的建立3 2 4 2 2 前麦弗逊悬架仿真分析3 6 w l 、w 2 车型后悬架建模和仿真4 1 4 3 1后双连杆悬架仿真模型的建立4 l 4 3 2后双连杆悬架仿真分析4 4 本章小结4 6 w l 、w 2 车型操稳- 陛仿真研究4 7 5 1 前言4 7 5 1 1悬架对汽车操纵稳定性的影响4 7 5 1 2 操纵稳定性的研究方法4 7 5 1 3 操纵稳定性试验方法4 9 5 1 4 汽车操纵稳定性的评价方法一5 3 5 2w l 、w 2 车型整车仿真模型的建立5 3 5 2 1整车总体参数的获取5 3 5 2 2 整车仿真模型的建立5 4 5 3w l 、w 2 车型操稳性仿真与评价5 6 5 3 1稳态回转仿真与评价5 6 5 3 2 转向阶跃仿真与评价5 9 5 3 3转向脉冲仿真与评价6 l 5 3 4转向回正仿真与评价。6 4 5 3 5 蛇行仿真与评价6 7 5 4 本章小结7 l 第6 章结论与展望 6 1结论7 2 6 2 展望7 3 参考文献。 附录l 附录2 附录3 致谢 攻读学位期间参加的科研项目和成果 7 4 7 7 8 2 8 4 8 9 9 0 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 操纵稳定性是汽车的重要使用性能之一，不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，而且 也是决定高速汽车行驶安全的一个重要性能，被称为“高速车辆的生命线”【1 】。随着道路 条件的不断改善，汽车在公路上的行驶速度也不断提高。因此汽车的高速操纵稳定性日益 受到人们的重视，如何研究和评价汽车的操纵稳定性，以获得良好的汽车主动安全性也成 为个重要的课题。 随着自主品牌汽车的快速发展，国内汽车产业正在从“开发车身、借用成熟底盘”向 “自主开发、多车型共享底盘”过渡，国产汽车企业对底盘总成系统的需求目益强烈，共 享底盘平台的水平成为衡量一个企业技术成熟度的标志。多车型共享底盘平台是当前国际 主要汽车制造商的技术优势之一，他们可以在共用平台的基础上，针对具体车型的细分市 场分析，对共用平台进行局部调整，甚而沿用现有平台，开发出能满足不同市场需求的车 型，快速占领市场，赢得更大的市场份额和利润【2 1 。但是，国产汽车行业面临的问题是缺 乏相关技术与人才的积累，没有形成完善的底盘系统总体设计能力和评价手段。 从现实意义看，发展多车型共享底盘平台开发技术不仅仅是某个企业的产品发展战 略，更重要的是能够带动整个汽车零部件产业的有效整合，形成具有国际竞争力的汽车底 盘产品。尤其是针对中级车市场而言，通过多车型共享底盘平台的开发，可以掌握其中的 关键技术，形成具有自主知识产权的核心技术产品，对国内汽车零部件产业的提升具有十 分重要的战略意义。 1 2 汽车底盘共享平台及悬架的研究现状 汽车底盘共享平台是一个复杂的平台，涉及学科广泛，主要包括汽车工程、软件工程、 人工智能、c a e 仿真分析等专业学科。从专业角度来说，平台共享是指同一套整车开发技 术应用于不同车型，派生或衍生出多款车型。它意味着不同档次的车型在理论上可以在同 一条生产线上生产，从而节省设计开发成本，提高生产效率。底盘的部件占据了一个车的 5 0 ，如果不同的车型采用相同的底盘，那么就发挥了规模经济的优势，必然会大大节省 研究开发和生产制造的成本。 1 浙江工业大学硕士学位论文 最早的时候，国外一些汽车公司为了提高生产效率，把原有汽车的底盘作为一个“平 台”，进而开发出一种全新的车型，例如雪铁龙a m i 和d y a l l e 就是在采用雪铁龙2 c v 底盘 的基础上开发出来的，大众甲壳虫车型的开发也是采用了原有k 锄n a l l l l 叫a 车型的底盘。 8 0 年代的时候，克莱斯勒公司生产的k 型车上都印有字母“k ，表示它们是由共享平台 生产出来的，之后该“k 平台又通过修改轴距来应用到几种不同的车型中去。类似地， 通用汽车公司在1 9 7 8 年开发了“j ”平台，之后又开发了至今为止在通用汽车公司中产量 最多的n j l 平台，通用的四个子公司在8 0 年代和9 0 年代一直都采用该平台生产出各种 不同的汽车。 很多国外大型汽车公司都已成功的应用了底盘共享平台技术，其中最为成功的是大众 汽车公司，它从7 0 年代开始开发汽车共享平台，至今为止开发了一系列的共享平台，例 如帕萨特b 5 和奥迪a 6 就是从同一平台生产出来的；目前大众较新的p q 3 5 平台，生产的 基础车型就是大众汽车的新甲壳虫、途安、宝来、速腾等，但也在其基础上开发出了一系 列高端车型，如奥迪t t 、奥迪a 3 ；以及s u v 共享平台p l 7 1 ，可以生产奥迪q 7 、保时捷 卡宴和大众途锐。而长安福特旗下的福特福克斯，沃尔沃s 4 0 与马自达3 也是共享平台。 可见，基于同一技术平台上的不同产品，可以产生出品质、档次、外观、性能、功用等方 面有着巨大差异的不同车型。 目前，国产合资车型共享平台的情况越来越多，威姿、威乐、威驰就属于同一平台； 第五代高尔夫和帕萨特b 6 也都将在一汽大众p q 3 5 平台上生产。汽车平台主要意味着汽车 底盘悬架的设计方式，一个平台可能会衍生出很多车型，但它们一般具有相似的驾驶感受。 例如，斯柯达速派与上海大众p a s s a t 领驭无论在动力、外观再到内饰都有接近之处，因 为二者共用同一底盘，轴距同为2 8 0 3 m m ；而斯柯达法比亚与目前的上海大众p o l o 也是 同一底盘；北京现代的索纳塔与东风悦达起亚的远舰是同一底盘；这种情况多出现在同一 个公司，同一个集团或者同一个品牌之下。此外，在国际上，一些集团之间的合作开发也 会让同一底盘的情况出现，例如标致1 0 7 、丰田a y g o 与雪铁龙c 1 都是采用丰田汽车统一 提供的底盘。 由于悬架在底盘中的重要作用，悬架性能的好坏将直接影响到整车平顺性和操纵稳定 性，因此在多车型共享底盘开发中悬架的设计就显得非常重要。国外在这方面已经比较成 熟，在被动悬架的设计上欧美各大汽车公司都已拥有非常成熟的技术，他们现在的研究对 象主要半主动和主动悬架。而我国由于汽车工业发展较晚，目前国内大多数整车及零部件 制造企业均不具备主动悬架系统的自主设计和开发能力，因此现阶段的主要工作还在被动 悬架系统的自主设计和开发上。许多高校和科研单位都做了大量相应的研究，最具代表的 2 浙江工业大学硕士学位论文 是吉林大学，清华大学，武汉理工大学，重庆大学和同济大学等。其中，中国工程院院士 郭孔辉所著的汽车操纵动力学【3 】对悬架运动学作了最为系统的分析，并且在国内首次 提出了从侧向力、纵向力转向的角度研究悬架运动学。吉林大学的林逸教授等人在9 0 年代 也先后在各报刊发表文章阐述了橡胶元件的基本性能，着重分析了独立悬架中橡胶元件对 汽车操纵稳定性的和平顺性的影响，并提出了处理弹性运动学问题的一般思路和方法【4 】。 清华大学工学博士张越今著的汽车多体动力学及计算机仿真【5 】一书，重点介绍了整车 多体系统弹性模型的建立方法。 从2 0 0 0 年开始，国内开始研究悬架系统集成开发平台的构建。万向集团自2 0 0 1 年开 始，每年投入大量资金用于开展底盘集成开发平台特别是悬架集成开发方面的研究，旨在 为企业提供悬架产品自主设计开发的核心技术解决方案，同时也是企业实现从汽车零部件 分散供应到系统集成配套这一跨越的切入点，取得了不少研究成果【6 】。同济大学博士后吴 宪进行了基于虚拟设计环境的轿车悬架系统设计平台的研究【| 刀，初步建立了包括双横臂悬 架、麦弗逊悬架、空间五连杆悬架在内的轿车悬架系统平台，但该平台只是悬架结构的参 数化设计，没有实现悬架性能的虚拟样机设计。 近年来对于悬架的研究主要集中在基于虚拟样机的运动学和弹性运动学分析上，吉林 大学的杨树凯在其硕士学位论文【8 】中详细地阐述了悬架运动学性能的评价指标、评价方法 以及影响悬架运动学性能的若干因素。江苏大学的夏长高【9 1 和西北工业大学的姚艳在悬 架动力学建模时考虑到了柔性体的影响，建立了刚柔耦合悬架模型，提高了仿真的精度。 基于悬架对整车操稳性的重要影响，因此越来越多的学者通过对整车操稳性的仿真分 析来评价悬架的性能。吉利大学的蔡章林【l l 】针对某s u v 样车满载稳态回转试验中出现的过 度转向趋势问题，应用a d 舢s c a r 软件建立了该车的虚拟样机模型，探讨了影响车辆稳态 回转特性的结构参数，提出了加粗前悬架横向稳定杆，调整前后悬架侧倾角刚度匹配的方 法，并在虚拟样车上进行了多种匹配的对比分析。北京理工大学的刘光斛1 2 】建立的多连杆 悬架车辆的虚拟样机模型并考虑了橡胶衬套的刚度特性，分析了多连杆悬架的运动学特性 和橡胶衬套的刚度特性对整车操纵稳定性的影响。吉利大学的杨兴龙【13 】对某微型客车前、 后悬架系统中的刚度和阻尼进行了正交d o e 优化，通过对优化结果的分析提出前、后悬架 系统刚度值和阻尼值3 组合理匹配。 1 3 课题来源、研究内容及意义 1 3 1 课题来源和研究内容 本课题来源于浙江省科技厅重大科技专项工业项目多车型共享底盘平台数字化开发 浙江工业大学硕士学位论文 技术及应用，并得到了浙江工业大学科学研究基金资助项目的支持，本文的主要研究内 容如下： ( 1 ) 以v c + + 和a d a m s c a r 为平台开发了悬架专用分析模块，运用该模块可以快速地 建立前麦弗逊悬架子系统、后双天梯连杆悬架子系统、转向子系统、前后横向稳定杆子系 统、轮胎子系统、车身子系统和发动机子系统的参数化模型，快速地完成前、后悬架仿真 模型和整车仿真模型的装配，并将建好的模型自动保存在数据库中，然后根据用户要求快 速完成悬架的运动学仿真和整车的操纵稳定性仿真，且在仿真结束后自动完成仿真结果的 后处理和存储。 ( 2 ) 以采用共享底盘的某两款车型为例，应用该分析模块建立该两款车型前麦弗逊悬 架和后双天梯连杆悬架的仿真模型，然后进行上下平行跳动5 0 m m 运动学仿真，通过获 得的仿真结果分析其运动学性能。 ( 3 ) 应用该分析模块，通过修改共享底盘的轴距、轮距、整车质量、质心位置、轮胎 型号以及前、后悬架的弹簧刚度和减振器阻尼等建立该两款车型的仿真模型。 ( 4 ) 根据国家操纵稳定性试验标准g b 厂r6 3 2 3 9 4 ，应用该分析模块对这两款车进行5 种操稳性仿真，包括稳态回转仿真、转向阶跃仿真、转向脉冲仿真、转向回正仿真和蛇行 仿真。 ( 5 ) 按照国家操纵稳定性评价标准q c t4 8 卜1 9 9 9 对该两款车型的操稳性仿真结果 进行评价计分。 1 3 2 课题研究的意义 随着汽车工业的发展，汽车的行驶速度不断提高，因而对汽车操纵稳定性的试验和评 价方法也提出了更高的要求。但是传统的研究分析方法己无法满足现代汽车的研究要求， 利用虚拟样机技术，我们可以在计算机上完成对汽车操纵稳定性的精确仿真，使汽车开发 设计过程中对汽车操纵稳定性能分析和校核工作尽可能多的转移到虚拟平台上，从而减少 物理样机的试制次数，减少场地试验和经验设计的工作量，其本质和最终目的是要缩短产 品的开发周期，降低开发费用，增强产品的竞争力。 本文在w i n d o w s 环境下，用v c + + 开发的汽车共享底盘悬架的专用分析模块，该模块 以菜单和对话框的形式通过调用多体动力学软件a d a m s c a r 自动快速地完成悬架和共享 底盘建模，悬架运动学仿真和整车操纵稳定性仿真，仿真结果后处理和提取，以及性能 的优化。从而大大地减少了基于共享底盘整车的开发周期，降低开发成本，增强企业的市 场竞争力，能在共享底盘基础上开发不同的车型满足市场的需求，对国产汽车行业自主开 4 浙江工业大学硕士学位论文 发共享底盘平台具有一定的指导意义。 1 4 本章小结 本章在广泛阅读国内外多车型共享底盘和悬架的研究资料、充分了解国内外该领域研 究现状和发展趋势的基础上，以及在浙江省科技厅重大科技专项工业项目和浙江工业大学 科学研究基金资助项目的背景下，提出了本文的研究课题，并为后面的工作打好基础，然 后介绍了本文的主要研究内容和研究的意义。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章汽车多体动力学建模理论 2 1 汽车多体动力学建模方法 在车辆动力学研究中，建立系统运动微分方程的方法主要有四种：一是利用牛顿矢量 力学体系的动量定理及动量矩定理，二是利用拉格朗日的分析力学体系，三是利用j o w d a i n 的虚功率原理，四是利用高斯原理【1 4 】。本节将简单的介绍一下这四种方法。 质点系动量矢p 对时间的导数等于作用于质点系的所有外力f 的矢量和，其表达式 誓：e ( 2 1 ) 一= 7 ， t ，一ii 出厶一 m 尹= e ( 2 2 ) 粤：此 ( 2 3 ) 一= ， t 一j 出 式中，角速度投影矩阵彩= ( 薹 ；其反对称矩阵面= 三乏 浙江工业大学硕士学位论文 利用动量定理和动量矩定理推导车辆动力学方程时，物理意义比较直观，但存在以下 问题：一是需要先对系统取分离体，引入铰链的约束力和力矩，然后再将其消去，因而较 为繁琐；二是需要进行接地参考基、车辆参考基和车轮参考基之间的坐标转换，描述系统 位移所需的坐标数量较多，公式推导繁杂。 2 1 2 分析力学体系 分析力学是用分析的方法来讨论力学问题，较适合处理受约束的质点系。 ( 1 ) 动力学普遍方程 动力学普遍方程由拉格朗日于1 7 6 0 年给出的，方程建立的基本依据是虚位移原理， 表达式如下： 既( 一所西+ f 。) = o ( 2 - 6 ) 式中，一所西为作用于第f 个质点的惯性力；月4 为作用于第f 个质点的主动力；舐为第 f 个质点的虚位移。 实际上，采用动力学普遍方程来解决复杂系统的动力学问题并不方便，因为方程中系 统各质点坐标的变分不完全是独立的，因而在方程求解过程中还需要附加一系列的几何约 束方程组。 ( 2 ) 拉格朗日方程 拉格朗日法的基本思想是将系统的总动能和总势能均以系统变量的形式表示，然后将 其代入拉格朗日方程，再对其求偏导数，即可得到系统的运动方程。拉格朗日方程表达式 如下： 要f 等卜誓+ 拿+ 孥：q ( 江l ，2 ，玎) ( 2 - 7 ) 一l l 一一十一十一= u = i z 一刀j 二。， m 8 4 i ) a 矗ia q la 4 l 。 、 一一 式中，刀为系统方程的阶数；毋为描述系统的广义坐标( 即主变量) ；q 为作用于系统 的广义力( 包括力和力矩) ；易为总动能；邑为总势能；岛为总的耗散能。 其中，广义力q 可由下面的表达式导出： 万彬= q ，万g ， ( 2 - 8 ) 式中，彤为沿广义坐标绣方向的小位移万毋作用于系统的功，并且当f 时，鼬，= o 。 利用此方程推导车辆动力学方程时，因采用广义坐标，从而使描述系统位移的坐标数 量大大减少，并可以自动消去无功内力。但也存在以下问题：应用拉格朗目方程时， 有赖于广义坐标选取是否得当，而适当地选择广义坐标有时要靠经验；拉格朗日能量 7 浙江工业大学硕士学位论文 函数对于刚体系统的表达式可能非常复杂，代入拉格朗日方程后要作大量运算，而对于复 杂的车辆系统，写出能量函数的表达式就更加困难。 2 1 3 虚功率原理 若丹( j o u r d a i l l ) 于1 9 0 8 年推导出另一种形式的动力学普遍方程，其所依据的原理称 之为虚功率原理。虚功率形式的动力学普遍方程为： 西( 一脚z + f 。) = o ( 2 9 ) ，箸l 式中，以为质点的虚速度，因而上式也称为虚速度原理。 虚功形式的动力学普遍方程特别适用于带有非完整约束的质点系。 2 1 4 高斯原理 1 8 2 9 年，高斯( g a u s s ) 提出动力学普遍方程的又一形式，称为高斯原理，其表达式 为： 硝( 一m 开+ e 4 ) = o ( 2 1 0 ) ，= l 式中，蹦为高斯加速度变分。 2 2a d a m s 简介 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n 锄i ca n a l y s i so fm e c h a m c a ls y s t e m ) 软件是美国m d i ( m e c t 洲c a ld v n a n l i ci n c ) 公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，它使用交互式图形 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朗曰方程方法，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。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 。气m s 软件包括核心模块a d a m s 厂e w 和a d a m s s o l v e r ，以及其他扩展模块。 a d a m s 朋e w ( 界面模块) 是以用户为中心的交互式图形环境，它提供丰富的零件几 何图形库、约束库和力库，将便捷的图标操作、菜单操作、鼠标点取操作和交互式图形建 模、仿真计算、动画显示、优化设计、尽y 曲线处理、结果分析和数据打印等功能集成在 一起。 8 浙江工业大学硕士学位论文 a d a m s s o l v e r ( 求解器) 是a d a m s 软件的仿真“发动机 ，它自动形成机械系统模 型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。a d a m s s 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工程问题。 a d 蝴s c o n t r o l s ( 控制模块) 可以通过简单的继电器、逻辑与非门、阻尼线圈等建立 简单的控制机构，或者利用在通用控制系统软件( 如：m a t l a b 、m a l 限、e a s y 5 ) 中 建立的控制系统框图，建立包括控制系统、液压系统、气动系统和运动机械系统的仿真模 型。 a d a m s l i n e a r ( 系统模态分析模块) 可以在进行系统仿真时将系统非线性的运动学 或动力学方程进行线性化处理，以便快速计算系统的固有频率( 特征值) 、特征向量和状 态空间矩阵，更快更全面地了解系统的固有特性。 a d a m s f l e x ( 柔性分析模块) 提供a d a m s 软件与有限元分析软件之间的双向数据 交换接口。利用它与a n s y s 、m s c n a s t r a n 、a b a q u s 、i d e a s 等软件的接口，可以 方便地考虑零部件的弹性特性，建立多体动力学模型，以提高系统的仿真精度。 m e c h a n i s m p r o ( p r o e 接口】堤连接p r o e 与a d 气m s 之间的桥梁，二者采用无缝 连接的方式，不需要退出p r o e 应用环境，就可以将装配好的总成根据其运动关系定义为 机构系统，进行系统的运动学仿真，并进行干涉检查、确定运动锁止的位置，计算运动副 的作用力等。 a d 舢s c a r ( 汽车模块) 是m d i 公司于a u 凼、b m w 、r e l l a u l t 和v o l v o 等公司合作 开发的整车设计模块，它能够快速建造高精度的整车虚拟样机，包括车身、悬架、传动系 统、发动机、转向机构和制动系统等。可以通过高速动画直观地再现在各种试验工况下( 如： 天气、道路状况、驾驶员经验等) 整车的动力学响应，并输出标示操纵稳定性、制动性、 乘坐舒适性和安全性的特性参数。 a d 蝴s d r i v e r ( 驾驶员模块) 是在德国的p g d r i v e r 基础上，经过二次开发而形成 的成熟产品，它可以确定汽车驾驶员的行为特征，确定各种操纵工况( 如：稳态转向、转 弯制动、i s o 变线试验等) ，同时确定转向盘转角或转矩、加速踏板位置、作用在制动踏板 上的力、离合器的位置、变速器档位等，提高车辆动力学仿真的真实感。a d 舢s d r i v e r 还可以通过调整驾驶员行为适应各种汽车特定的动力学特性，并具有记忆功能。 a d 耻s r a i l ( 铁道模块) 是由美国m d i 公司、荷兰铁道组织( n s ) 、d e l r 工业大学 以及德国a r g ec 舢迮公司合作开发的，专门用于研究铁路机车、车辆、列车和线路相互 作用的动力学分析软件。利用a d a m s r a i l 可以方便快速地建立完整的参数化的机车车辆 或列车模型以及各种子系统模型和各种线路模型，并根据分析目的不同而定义相应的轮 浙江工业大学硕士学位论文 轨接触模型，可以进行机车车辆稳定性临界速度、曲线通过性能、脱轨安全性、牵引制动 特性、轮轨相互作用力、随机响应性能和乘坐舒适性以及纵向列车动力学等问题的研究。 2 3a d a m s 基本算法 2 3 1 广义坐标的选择 动力学方程的求解速度很大程度上取决于广义坐标的选择。a d a m s 软件用刚体f 的 质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标，即g i = x ，少，z ，y ，p ，妒】7 ， g = g j ，g ；，g j 1 。由于采用了不独立的广义坐标，系统动力学方程虽然是最大数量，但 却是高度稀疏耦合的微分代数方程，适用于稀疏矩阵的方法高效求解。 2 3 2 运动学方程 利用a d a m s 建立机械系统仿真模型时，系统中构件与地面或构件与构件之间存在运 动副的链接，这些运动副可以用系统广义坐标表示为代数方程，这里仅考虑完整约束。设 表示运动副的的约束方程数为1 1 l l ，则用系统广义坐标矢量