（光学工程专业论文）多连杆式独立悬架参数化建模及优化设计.pdf

武汉理1 = 大学硕士学位论文 摘要 悬架是汽车的重要总成，是传递作用在车轮与车身之间各种力和力矩的连接 装置，对汽车的多项性能有重要影响。 随着科学技术以及汽车行业的发展，人们对汽车操纵稳定性的要求越来越 高，传统的分析方法已经不能满足现代汽车的研究要求，新的虚拟样机技术已经 广泛的应用于各个领域，本文正是利用动力学仿真软件a d a m s 研究分析了优 化后的悬架系统对整车操纵稳定性的影响。 论文首先着重介绍了五连杆悬架，它作为一种新型的悬架机构，五连杆悬架 具有其他悬架所没有的优势，已经逐渐在一些轿车上得到广泛应用。 本文是基于a d a m s c a r 这一个平台，在双横臂的模板基础上，设计了五连 杆独立后悬架。首先对其进行了运动学仿真试验分析，然后根据所得到的车轮定 位参数图( 如主销内倾角、主销后倾角等随车轮跳动的变化曲线图) ，然后对悬 架进行优化设计，通过对比可以看出，优化后的悬架运动学性能有较大的提高。 其次在a d a m s c a r 中在优化后的后悬架基础上，建立整车模型，其中包括 前悬架模型、后悬架模型、转向系、动力系统、车身系统、轮胎系统。对所建立 的整车模型在标准i s o4 1 3 8 2 0 0 4 下进行操纵稳定性分析，其中包括稳态回正、 转向盘角阶跃输入仿真、转向回正性能仿真、转向轻便性能仿真和蛇形线仿真， 对比分析得出经过优化设计后的五连杆悬架使整车具有更好的稳态特性。 关键词：五连杆悬架；a d a m s c a r ；优化设计；稳态特性 武汉理工大学硕十学位论文 a b s t r a c t s u s p e n s i o ni s t h e i m p o r t a n tv e h i c l ea s s e m b l y ，i st h ec o n n e c t i o nd e v i c et o t r a n s f e rt o r q u eb e t w e e nt h ew h e e l sa n db o d y ，h a v ea ni m p o r t a n te f f e c to nm a n yo ft h e v e h i c l ep r o p e r t i e s w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，a sw e l la st h ea u t o m o t i v e i n d u s t r y ，p e o p l eh a v eh i g h e rd e m a n do nt h ev e h i c l eh a n d l i n ga n ds t e e r i n gs t a b i l i t y s o t r a d i t i o n a la n a l y t i c a lm e t h o d sh a v eb e e nu n a b l et om e e tt h er e s e a r c hr e q u i r e m e n t so f t h em o d e mc a r s ，t h en e wv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di n v a r i o u sf i e l d s ，t h i sa r t i c l ej u s tu s et h ed y n a m i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ea d a m st oa n a l y s i s t h es u s p e n s i o ns y s t e mw h i c hi so p t i m i z e do nt h ev e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y t h e p a p e r f i r s tf o c u s e so nt h ef i v e - l i n ks u s p e n s i o n ，a san e w t y p eo fs u s p e n s i o n m e c h a n i s m ，f i v e l i n ks u s p e n s i o nh a st h ea d v a n t a g eo v e ro t h e rs u s p e n s i o n s ，w h i c hh a s g r a d u a l l yb e e nw i d e l yu s e di ns o m ec a r s t h i sa r t i c l ei sb a s e do nap l a t f o r mo f a d a m s c a r ，a n dd e s i g nf i v e l i n ki n d e p e n d e n tr e a rs u s p e n s i o nc o m i n gf r o mt h e d o u b l ew i s h b o n es u s p e n s i o n f i r s t ，a n a l y s i si t sk i n e m a t i cs i m u l a t i o n ，a n dt h e n a c c o r d i n gt ot h ed i a g r a mo f t h ew h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e r s ( s u c ha sk i n g p i n i n c l i n a t i o na n dk i n g p i na n g l ec h a n g ec u r v ew i t l lt h ew h e e lh o p ) a n dt h e no p t i m i z e a n dd e s i g nt h es u s p e n s i o n t h r o u g ht h ec o n t r a s tc a nb es e e nt h a tt h eo p t i m i z e d s u s p e n s i o nk i n e m a t i c sh a v eb e e ng r e a t l yi m p r o v e d s e c o n d l y ，o nt h eb a s i so ft h e o p t i m i z e dr e a rs u s p e n s i o ni na d a m s c a r , w e e s t a b l i s ht h ev e h i c l em o d e l ，i n c l u d i n g t h ef r o n ts u s p e n s i o nm o d e l ，r e a rs u s p e n s i o nm o d e l ，s t e e r i n gs y s t e m ，p o w e rs y s t e m ， b o d ys y s t e m ，t i r es y s t e m u n d e rt h es t a n d a r di s o4 13 8 2 0 0 4 ，a n a l y s i st h eh a n d l i n g a n ds t e e r i n gs t a b i l i t yo ft h ev e h i c l em o d e l ， i n c l u d i n gt h es t e a d y - s t a t eb a c ka n ds t e p a n ds i n ei n p u to fs t e e rw h e e la n g l es i m u l a t i o n , s i m u l a t i o no f s t e e r i n gr e t u r n a b i l i t y ， s t e e r i n gp o r t a b i l i t ys i m u l a t i o na n dt h es e r p e n t i n el i n es i m u l a t i o n ，f r o mt h er e s u l t so f t h ef i g u r eo b t a i n e da f t e ro p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h ef i v e - l i n ks u s p e n s i o n ，t h a tt h e v e h i c l eh a sb e t t e rs t e a d y s t a t ec h a r a c t e r i s t i c s k e y w o r d s ：f i v e l i n ks u s p e n s i o n , a d a m s c a r ，o p t i m i z e dd e s i g n ，v e h i c l eh a n d l i n g a n ds t e e r i n gs t a b i l i t y i l 武汉理1 = 大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 悬架是现代汽车上的重要总成之一，主要包括车架( 或承载式车身) 与车桥 ( 或车轮) 之间的传力装置，其主要是功能将作用在车轮的一切力和力矩传递给车 架上，并缓和不平路面产生的对车体的冲击，以保证汽车的正常行驶。汽车在 不平路面行驶时，当不平路面度激励汽车使汽车的振动达到一定振幅时，乘客会 感到不舒适，运载货物也将受到一定损坏。同时，车轮与路面之间产生的动载荷， 对车轮的附着效应也会产生影响，汽车的操纵稳定性、安全性也会受到影响以及 路面也会有破坏。另外，悬架性能也会引起车身的俯仰和侧倾变化，对于乘客乘 坐舒适性能和安全性能都有一定影响。因此，研究汽车振动，并且将其控制在最 低水平，改进悬架装置的结构对改善车辆的操纵稳定性和提高汽车产品质量具有 非常重要的意义。 汽车自出现以来，就具有运动零部件比较多，受力复杂的特点，而且汽车是 一个复杂的非线性系统，具有惯性、弹性、阻尼等动力学特征。组成汽车的各机 械系统( 如转向、悬架、传动机构) 间的相互耦合作用，使得汽车的动态特征比较 复杂。 近些年在高档轿车上逐渐出现的多连杆式独立悬架系统，主要是因为传统的 悬架系统存在诸多弊端。对于多连杆悬架系统这一种新型的悬架形式，它首先出 现在1 9 8 3 年m e r c e d e s b e n z w 2 0 1 上。这种悬架系统由布置在空间的3 - 5 根连杆将转 向节与车身连接起来，连杆的外端与转向节通过球铰连接，连杆的内端与车身通 过橡胶衬套连接。相比传统的悬架系统，多连杆悬架系统提供了更大的设计自由 度，如果各个连杆的位置以及橡胶衬套的刚度能够巧妙的设计，那么就可以利用 纯机械的机构，被动且精确地控制主销轴线和车轮定位角的变化，改善汽车舒适 度及操控性能心1 。可以说多连杆悬架特别是五连杆式独立悬架系统是被动式悬架 系统中最先进的技术。因其独特的优点，多连杆式独立悬架现今已广泛用于高档 轿车上。 汽车在行驶过程中，驾驶员的心理状况、路面状况都是不断变化的，这种外 在的条件加上内在的控制，使得汽车的各个零部件在实际行驶过程中的空间位置 和受力情况也不断变化。给汽车运动学以及汽车动力学的分析都带来了困难。多 连杆悬架机构的特征相对来说比较复杂，在运动分析过程中，要获得车轮定位角 的变化规律，用传统的图解法等方式已经难以解决这些复杂的空间结构问题，为 武汉理上大学硕士学位论文 了此，表现出了一些新的研究悬架的方法。 从八十年代开始，我国逐步开展对汽车悬架运动学的研究，取得了不少成果。 中国工程院院士郭孔辉1 所著的汽车操纵稳定性，全面详尽地分析了悬 架系统运动学。 吉林大学的孙海林h 1 ，利用a d a m s c a r 软件建立某多连杆独立悬架模型，分 析了多连杆式独立悬架各参数对整车操纵性和平顺性的影响。 同济大学和上海大众汽车有限公司的梁骏、李文辉旧。等通过对一般结构悬架 的力学分析，建立了四连杆式悬架多刚体系统模型，并对杆件位置姿态和车轮定 位参数等特性进行了仿真。 奇瑞汽车股份有限公司的孙礼、瞿元呻1 等人利用a d a m s c a r 建立了某车的多 连杆悬架模型，结合o p it m u s 软件，对悬架的k & c 性能进行优化，调校过程中发现， 多连杆后悬架的侧向刚度、纵向刚度和制动前束变化等k & c 特性与设计目标存在 一定的差距，就此提出了改进建议，希望通过对相关硬点位置或衬套刚度等参数 的适当调整，来提高车辆的操纵性能。 吉林大学和河北工程人学的姬鹏、杨树凯m 等学名从研究导向机构入手，建 立了多连杆悬架模型，进行了轮跳试验的仿真分析，得出了导向机构的不同对多 连杆悬架起着重要的作用。 清华大学的宋健、石磊1 采用瞬时螺旋轴方法建立了多连杆前悬架的数学模 型，编制了仿真计算软件，研究了主销和前轮定位角随车轮上下跳动的变化规律。 其结果与a d a m s c a r 仿真结果基本一致，不仅验证了a d a m s c a r 模型的正确性和准 确性，而且也说明了瞬时螺旋轴方法也是计算多连杆前悬架主销轴线的行之有效 的方法。 一汽轿车股份有限公司的吴红燕、瞿润国、井绪文旧1 利用d a m s c a r 模块中建 立了某款轿车双横臂式独立前悬架与e 型多连杆独立后悬架模型，对其进行运动 学仿真分析，结果表明多连杆后悬架能够提高汽车的横向稳定性，减少轮胎磨损。 合肥工业大学汽车工程学院的王毅n 们利用a d a m s c a r 软件对悬架和整车动力 学进行了详细的研究。建立了某轿车的前双横臂独立悬架和后四连杆独立悬架系 统，并对此进行了运动学和动力学仿真分析。在此基础上建立了包括发动机、转 向系、前后轮胎等在内的整车模型，对稳态回转、转向回正、阶跃输入和脉冲输 入进行了仿真分析试验验证。 1 2 汽车操纵稳定性国内外研究现状 2 0 世纪3 0 年代，国外的一些汽车研究机构开始对汽车的操纵稳定性进行研 究，但5 0 年代以后发展速度较快。c o r n e l la e r o n a u t i c a l 实验室的w i l l i a m 2 武汉理工大学硕士学位论文 f m i l l i k e n 1 门等人在1 9 5 6 年期刊上发表了一篇关于汽车操纵稳定性的理论和分析 方法的文章，文中有很多经典理论一直被后人用于汽车操纵稳定性的研究。1 9 6 1 年，m a r t i no o l a n d 和f r e d e r i c kj i n d r a “羽建立了两自由度模型，用以对汽车的 操纵稳定性的研究。他们采取用侧倾自由度来模拟轮胎上的垂直载荷的方法，考 虑轮胎载荷转移的情况，分析了轮胎的力学特性随着轮胎载荷的变化状况。分析 结果表明，汽车的操纵稳定性不仅随着整车质心的变化而变化，并且轮胎所受到 的压力和轮胎宽度也随之发生了变化。1 9 8 0 年s a c h s n 封在其发表的文章中论述了 对1 4 车的悬架模型进行了自适应控制研究，并优化了刚度和阻尼。1 9 8 6 年r j a n t o u n n 钔在其发表的文章中讨论了应用a d a m s 建立的车辆操纵稳定性模型。他应 用标准的a d a m s 模块和用户自定义模块( p 0 轮胎) ，建立了1 9 8 5 年福特公司的一种 客货两用轿车模型。文章详尽的讨论了前后悬架运动学模型，及橡胶衬套的顺从 性和减振器的非线性。试验结果与仿真结果十分相近。由阿达姆措莫托n 副著的 汽车行驶性能和安培正人n 剐著的汽车的运动与操纵介绍了悬架运动学对 汽车行驶性能的影响，并对悬架弹性运动学对汽车操纵稳定性的影响进行了较为 系统的分析。由德国w o l f g a n gm a t s c h i n s k y n 编写的车辆悬架从恳架的理论 建模、橡胶支撑的模型出发对悬架弹性运动学特性的理论分析作了较为深入的研 究。在悬架运动学分析中，将悬架简化成多连杆机构，用图解法来分析轮胎的跳 动所引起的悬架变形；在悬架弹性运动学分析中，则对悬架模型作了受力分析， 推导出变形与力的关系，并将橡胶衬套铰接的处理简化成三根两两垂直的弹簧。 8 0 年代初期，人们着重从理论和试验两方面考虑，开始重新进一步地研究人 一车闭环系统。在理论上，在给定路径的情况下，有效地仿真了人一车闭环系统， 在这仿真的跟随过程充分地考虑到人的适应能力和学习能力，建立了大量确定驾 驶员行驶方向的控制模型。在试验方面，考虑到以下缺陷：驾驶员模型的进展程 度不能满足主动安全性闭环控制的要求，安全试验设计方法只能在样车试制后采 用，而且容易受自然条件限制。这些限制条件急切的需要研制和开发新型的驾驶 模拟器。新型的驾驶模拟器采用先进的技术，将现实中的驾驶员和模型化的汽车 相结合，运用计算机仿真技术取代场地试验，这样极大地缓和了理论研究的发展 程度与汽车主动安全性闭环设计要求之间的矛盾。9 0 年代以后，利用开发型驾驶 模拟器进行人一车闭环系统主动安全性的研究，以改进汽车运动性能。这逐渐成 为国际上汽车的主要的研究方向之一。1 9 9 1 年至1 9 9 3 年间日本马自达汽车和美国 的福特汽车公司都研发出了开发型驾驶员模拟器n 町n 钉啪1 。 我国对汽车操纵稳定性的研究始于上个世纪7 0 年代初。汽车企业和汽车研究 团队根据自身的需要，进行了一系列汽车操纵稳定性的试验和分析研究。其中， 郭孔辉院士在汽车操纵动力学一书中，明确给出了汽车操纵稳定性的定义， 3 武汉理工大学硕十学位论文 讲述了几种常见的操纵稳定性试验与评价方法，并讨论了各设计参数对汽车操纵 稳定性的影响，得到了国内外一些汽车企业的一致认可，并在工程实际中得到了 广泛应用。 9 0 年代初期，吉林大学的林逸口教授等人从弹性运动学角度出发，先后在国 内外的期刊上发表了关于橡胶组件的文章，着重分析了独立悬架中橡胶组件对汽 车操纵稳定性和平顺性的影响，并提出了处理弹性问题的一般思路和方法，为国 内关于弹性运动学的研究奠定了理论基础。最近几年来，吉林大学、清华大学、 上海同济大学、湖南大学等高校都通过国家项目在不同程度上开展了关于汽车操 纵稳定性的研究。 1 3 本课题研究目的、意义及内容 汽车的操纵稳定性一直是汽车产业的研究热点之一。汽车是一包含惯性、弹 性、阻尼等动力学特征的复杂非线性系统，具有运动部件多、受力复杂的特点。 由于组成汽车的各子系统( 如转向、悬架、传动机构) 之间的相互耦合作用，使汽 车的动态特征非常复杂。车轮定位参数对车辆的行驶状态起着重要的作用，在确 定了主销内倾角、主销后倾角等车轮定位角后，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的，在实际行驶过程中也会有各 种各样的外在激励及内在控制，不同工况下车辆各零部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，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，外界载荷的作用更复杂，加上人一车一环境的相互 作用，给汽车动力学研究带来了很大的困难晗别。 传统的方法用于新车操纵稳定特性研究时，需要经过一系列设计、试验，然 后把试验总结出来的问题反馈到设计，再对设计进行计算、更改，试验。为了达 到提高设计质量和加快设计速度的目的，在设计过程中采用虚拟试验技术对汽车 的性能进行预测，在实车试验前可以进行预测。 2 0 世纪末数字化虚拟样机技术开始兴起，主要目的是缩短车辆研发周期、降 低开发成本、提高产品设计和制造质量心引。这对于提高我国汽车设计的总体水平 也有着重要的意义。随着虚拟产品开发、虚拟制造技术的逐渐成熟，计算机仿真 技术得到了广泛应用，而系统动力学仿真就是数字化虚拟样机技术的核心和关键 技术。就汽车而言，车辆动力学性能、驾驶操纵稳定性能、平顺性能均为汽车的 基本特性，在实际的研发生产过程中主要研究、测试这些性能。在样车制造出之 前，利用数字化样机对这些上述性能进行计算机仿真，一个优点就是可以优化其 参数以及降低产品开发风险。 4 武汉理工大学硕士学位论文 对操纵稳定性的研究常常采用试验和仿真分析相结合的方法。仿真分析是在 计算机上建立一定程度的简化模型，输入各种操纵控制信号，计算出系统的时域 响应和频域响应，以此来表征汽车的操纵稳定性能。因为仿真分析花费时间短， 可以在计算机上重复进行，对各种设计方案进行快速优化与对比，可实现实车试 验条件下不能进行的严酷工况分析，因此逐渐广泛地被人们采用。几乎所有汽车 生产设计厂家都采用仿真分析的方法来分析汽车的某些性能。美m d i ( m e c h a n i c a l d y n a m i c s ，i n c ) 开发的机械系统动力学仿真软件a d a m s 正是应这些要求而诞生 的。特别是专门应用于汽车动力学分析的a d a m s c a r 专用模块，极大地方便了汽 车设计人员的设计工作旧引。 本课题研究主要内容包括以下几个方面： 1 ) 利用虚拟样机技术，在a d a m s c a r 软件里，建立双横臂前悬架和五连杆式 悬架后悬架，针对原车的几个后轮轮定位参数主销内倾角、主销后倾角、前束、 车轮外倾角以及轮距变化量随车轮上下跳动变化情况，分别进行了运动学仿真和 分析，利用a d a m s c a r 软件针对某些不理想参数进行了硬点的优化设计。 2 ) 利用a d a m s c a r 建立其他各个子系统的仿真模型，包字苫后悬架模型、前 轮胎模型、后轮胎模型、转向系统模型、车身系统模型； 3 ) 将建立的全部子系统装配成整车模型，根据相关国家标准，对所建立的整 车模型进行操纵稳定性仿真分析，输出需要的仿真试验曲线。 5 武汉理工人学硕士学位论文 第2 章a d a m s 软件介绍 2 1a d a m s 软件介绍 鉴于本文所要进行机械系统动力学仿真分析，选择了机械系统动力学自动分 析软件a d a m s ，a d a m s 憧别是英文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 的缩写。是美国m s c 公司开发的虚拟样机分析软件，已经是全世界各行各 业主要的制造商所使用的软件。a d a m s 可以直接在计算机上建立机械系统的模 型，对复杂机械系统的运动学和动力学性能进行接近真实情况的仿真分析，并且 可以模拟有些极端情况下的试验分析。仿真分析后，可以提供各阶段、全方位、 高精度的仿真计算分析结果，在虚拟分析仿真过程中，可以不断调整参数，进行 优化分析，可缩短产品开发周期、降低产品开发成本、提高产品的质量。 a d a m s 软件有五个主要模块，这五个模块分别是基本模块、扩展模块、接 口模块、专业模块以及工具箱。核心模块包括a d a m s v i e w ( 用户界面模块) 、 a d a m s s o l v e r ( 求解器模块) 、a d a m s p o s tp r o c e s s o r ( 后处理模块) ；功能扩展模 块包括a d a m s i n s i g h t ( 实验设计与分析模块) 、a d a m s d u r a b i l i t y ( 可靠性分析模 块) 、a d a m s v i b r a t i o n ( 振动分析模块) 、a d a m s h y d r a u l i c s ( 液压模块) 、 a d a m s l i n e a r ( 系统模态分析模块) 、a d a m s a u t of l e x ( 通用柔性体自动生成 器) 、a d a m s a n i m a t i o n ( 高速动画模块) ；专业模块包括a d a m s c a r ( 汽车模块) 、 a d a m s c h a s s i s ( 底盘模块) 、a d a m s a i r c r a f t ( 飞机模块) 、a d a m s r a i l ( 机车模 块) 、a d a m s e n g i n e ( 发动机模块) 、a d a m s t i r e ( 轮胎模块) ； 接i z l 模块包括a d a m s e x c h a n g e ( 图形接口模块) 、m e c h a n i s m p r o ( p r o e 接口) 、a d a m s f l e x ( 柔性分析模块) 、a d a m s c o n t r 0 1 s ( 控制接口模块) 、 c a t a d a m s ( c a t 执专业接口模块) ； 工具箱包括v i r t u a lt e s tl a b ( 虚拟试验工具箱) 、m o d a ls t r e s sr e c o v e r ya n d f a t i g u et o o l k i t ( 模态应力恢复与疲劳工具箱) 、l e a fs p r i n gt o o l k i t ( 钢板弹簧 工具箱) 、a d a m s t r u c kt o o l k i t ( 卡车工具箱) 、a d a m s s d k ( 软件开发工 具箱) 、t r a c k e d w h e e l e dv e h i c l e ( 履带式车辆工具箱) 、a d a m s g e a rt o o l ( 齿 轮传动工具箱) 。 2 2a d a m s c a r 软件 a d a m s c a r 是前l v l d i 公司与奥迪a u d i 、宝马b m w 、雷诺r e n a u l t 和沃尔沃 v o l v o 等公司合作开发的轿车专用分析软件包，集成了他们在汽车设计、开发 6 武汉理工大学硕十学位论文 方面的专家经验，在a d a m s c a r 中融合了轮胎模块、解算器模块和后处理模块。 它允许汽车工程师建造汽车各个子系统的虚拟原型，并如同试验真实样机一样对 其进行计算机仿真分析，输出表示操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性的 性能参数。 a d a m s c a r 模块分为s t a n d a r d ( 标准) 和t e m p l a t eb u i l d e r ( 模板建模器) 两 种模式，并对应不同的菜单界面功能。其中，标准模式是以模板为基础对已存在 的半车模型和整车模型进行仿真分析。 利用a d a m s c a r ，用户可以方便、快速的在标准模式下创建悬挂组合和整 车装配。建造的各种组合在a d a m s c a r 中称为汽车子系统，相当于俗称的总成， 如前后悬挂、转向器、稳定杆和车身等。用户可以利用a d a m s c a r 提供的子系 统标准模版进行建模，a d a m s c a r 为用户提供了大量在轿车上常用组件模板， 如双叉臂悬挂、麦弗逊悬挂和齿轮齿条转向系统等。 当用户拥有a d a m s c a r 专家级权限时，就可以利用模板建模器建立自定义 的模板，直至建立企业内部专用模板库。通常情况下，a d a m s c a r 采用自下而 上的建模顺序，即装配组合( 包括整车) 模型建立在子系统模型的基础上，子系 统则需要在模版中建立。因此，模板是建模的主要基础。 当若干个子系统组装成装配组合后，就可以在标准模式下进行各种形式的仿 真分析。 1 ) 在车轮上施加上跳回弹运动，测量前束、垂直刚度、侧倾刚度和横摆臂 长度。 2 ) 在轮胎接地处施加侧向力，测量前束的变化和悬挂的侧向变形。 3 ) 正反方向转动方向盘到两端极限位置，测量转向角。 当用户对分析得到的结果不满意时，还可以在a d a m s c a r 界面中对悬架部 件的几何尺寸和空间连接位置、弹簧刚度甚至悬挂的种类等进行快速修改，重复 仿真分析，评估修改的结果。仿真分析完成后，可以将悬挂特性曲线和动力学响 应曲线打印输出，也可以通过网络与他人共享。 采用a d a m s c a r 软件，用户可以在标准模式下方便、快速的创建出所需要 的悬架模型，在a d a m s c a r 中采用自顶向下的建模顺序，将汽车的子模块，如 悬架系统、转向系统、动力系统、车身等装配组合成整车模型。 模板作为子系统的基础，其重要性不言而喻，但是建立模版是一个细致、复 杂的过程，在a d a m s c a r 中给用户提供了模板可以使用，也可以通过修改模板 参数使模版符合自己的使用要求。还有一种导入模型的方法，即是在c a d c a e 中画好需要的三维立体模型，通过a d a m s c a r 的专用接口导入模型。一般建立 模型的大致过程如下所述： 7 武汉理t 大学硕十学位论文 1 ) 简化物理模型。根据实际车辆的各个部件相对运动关系，定义各部件的 拓扑结构( t o p o l o g i c a ls t r u c t u r e ) ，对部件进行整合，把没有相对运动关系的不 见定义为一个一般部件( g e n e r a l ) 。 2 ) 确定硬点。硬点( h a r d p o i n t ) 为了保证零部件之间的协调和装配联系， 这些联系之间的关键几何点是相对于坐标原点的重要点。 3 ) 确定部件的动力学参数。计算或测量部件的质心、质量以及围绕质心坐 标系3 个坐标轴的转动惯量，需要说明，这3 个坐标轴分别与全局坐标系的3 个坐 标轴平行。 4 ) 创建几何体。在硬点的基础上建立部件的几何模型。由于部件的运动学 参数已经确定，因此模型的形状对动力学仿真结果实际上毫无影响，但在运动学 分析时，部件的外廓直接关系到机构运动校核，而且考虑到模型的直观性，部件 的几何形状还是要尽可能的接近实际机构。 5 ) 定义约束( c o n s t r a i n ) 。按照各个部件的运动关系确定约束的类型，通 过约束将各个部件连接起来，从而构成子系统结构模型。 6 ) 定义模板的参数变量( p a r a m e t e r sv a r i a b l e ) 、制动器( a c t u a t o r s ) 。对 于子系统中常见的修改，包括运动、几何尺寸、位置都可以通过参数变量定义， 便于在标准界面中对其进行调整。制动器用于定义子系统中部件之间力与运动传 递复杂的表现型式( 如扭力杆传力等) 。 7 ) 定义、测量通讯器( c o m m u n i c a t o r ) 。创建、核对与外部连接的通讯器 的类型、名称、对称性。 在模板层级，对不见赋予力、质量特性不是关键，因为在子系统中还可以对 其进行修改，这里最重要的是正确的定义部件的约束和通讯器，因为这些定义在 子系统中是不能修改的。 利用a d a m s c a r 可以使工程师们的工作快速而精确，有更多的时间集中精 力去研究如何改进设计获得理想的汽车性能。虚拟分析、试验的优势有： 1 ) 在制造和测试实物样机以前对处于设计阶段的产品进行分析，了解其工 作特性并指导设计的改进。 2 ) 与物理样机的试验相比，使用a d a m s c a r 评价改进设计后的效果，快捷 而且成本低廉。 3 ) 快速、方便的改变试验的种类，无需重新装置仪表、试验设备。 4 ) 由于是在计算机上进行的仿真试验，所以无须担心因仪器失效和气候的 影响而耽搁时间。 5 ) 与真实试验相比，虚拟试验没有任何危险。 8 武汉理- 丁火学硕十学位论文 2 3 本章小结 a d a m s c a r 是本文进行仿真分析的重要软件，而本文主要研究对象是悬架， 通过本章的介绍，了解了悬架的特点，掌握了a d a m s c a r 创建和修改模板的思 路和方法，为后面的多连杆悬架建模以及整车建模做好了准备。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章多连杆式独立悬架建模与优化 3 1 多连杆式独立悬架 多连杆式悬架由3 5 根以上杆件连接组成，杆件的增多能够增加对车轮的控 制，使车轮运动保持良好的轨迹变化。一般，前悬架选用3 连杆或者4 连杆式独 立悬架，后悬架一般选用4 连杆或者5 连杆式悬架，现代高档车较多采用5 连杆 式后悬架阳6 | ，而本文也是基于这个原因选用了5 连杆式独立后悬架进行仿真分 析。多连杆式悬架具体结构如图3 1 所示。 图3 1 多连杆独立悬架 3 2 五连杆后悬架建模 在a d a m s c a r 模块中自下而上建立五连杆式独立后悬架悬型。在建模的过程 中，所有的分总成都建立在模板的基础上，其中模板是整个模型中最基本的模块。 然而模板又是整个建模过程中最重要的部分，各总成的绝大部分建模工作都是在 模板阶段完成的。在建立模板阶段，正确建立零部件间的连接关系和信号器是非 常重要的，在以后的子系统和总成阶段虽然这些数据无法修改，但是零部件的位 置和特征参数在后续过程中则是可以更改的“。 建立的五连杆式后悬架模型，如图3 2 所示。 1 0 武汉理二l ：大学硕七学位论文 图3 - 1 五连杆后悬架模型 五连杆悬架结构简图如图3 2 所示。 g k z 图3 2 五连杆悬架结构简图 其中的约束关系如表3 一l 所示 表3 一l 五连杆悬架约束副表 武汉理丁大学硕士学位论文 构件1 前纵臂e f 后纵臂b g 前纵臂c i r 后纵臂b g 横拉杆t l 【 横拉杆t l 【 上横臂c e 下横臂a h 上横臂c e 下横臂a h 构件2 车架 车架 转向节a b c t 转向节a b c t 转向节a b c t 车架 车架 车架 转向节a b c t 转向节a b c t 约束副名称 万向节副 万向节副 球副 球副 球副 万向节副 万向节副 万向节副 球副 球副 约束自由度数 4 4 3， 3v 3， 4 4 4 3v 3u 本文中的五连杆后悬架共有构件6 个，球副5 个，万向节副5 个，总的自由度 数为( 单侧) ( 3 1 ) 悬架总体自由度为1 ，是车轮的上下跳动。 3 3 五连杆后悬架运动学分析 空间变换基本理论是悬架运动的理论基础，有着重要的作用。对麦弗逊悬架 和双横臂悬架来说，许多学者都在这方面做了大量的研究，但是很少有学者在五 连杆悬架的空间变换上进行了研究，下面，将对五连杆悬架进行坐标变换基本理 论分析。 3 3 1 空间坐标变换基础 悬架是空间多连杆机构，特别是本文研究的五连杆式悬架，其空间复杂的运 动学关系主要由杆件之间的相互关系决定。在各构件上固联了一个坐标系( 称为 杆件坐标系) ，然后通过坐标变换的方法，研究这些空间机构，首先详细列出各 杆件坐标系之间的关系，然后采取一定的求解方法进行解答。一般对于自由度为 1 的机构，求解未知量，可以求解类似，b j 2 u 的高阶代数方程；而对于多自由 度机构，未知量的求解为解多元非线性方程组。 1 ) 坐标回转的变换矩阵陉铂 1 2 武汉理上人学硕士学位论文 图3 4 中的两个坐标系中，令d t 一而乃毛为坐标系1 ，0 2 一恐儿乞为坐标系2 ， 未转动坐标轴前，两坐标系1 与2 各轴重合。坐标系2 绕而轴旋转口角以后，坐 标系1 间的回 x l 图3 - 3 绕z 轴旋转的坐标示意图 垆嵴； 一s i n o o i c o s o 0l 1 01l j 与坐标系2 转矩阵为： 同样，绕m 轴旋转的回转矩阵e 妒和绕五轴旋转的回转矩阵e 加分别为： 陋妒】：c 苫口：s i 三9 陋妒】_ l olo l i s i l l 口0 c o s ol - 1 陋印】：l0 l0 l o c o s o s i n o ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 武汉理工人学硕士学位论文 一_ 一 设某点在坐标系l 下的坐标为r ，绕某轴旋转0 角后在坐标系1 中的坐标 为尺，则尺与r + 的关系为： 【r 】_ 陋p 】 ( 3 5 ) 图3 5 为空间体位置变换示意图 y 3 一 图3 5 空i 司体位置焚挟图 设空间体在未运动之前，连体坐标系吼掣乒2 与其坐标系q 再以气各坐标 轴相互平行，露为空间体上一点( 位置变换参考点) 。其在基坐标下的坐标为( ， ，气) 。空间体运动后坐标2 系到达坐标3 系岛。x 3 洋3 的位置，露到达忍。设 岛点在基坐标系下的坐标为( ，墨，气) 。空间体运动过程中的变换过程为 分别绕z l ，y l ，笈，轴旋转盘，声，角度，并使最与最重合。设在运动前空间 体上有一点a ，初始时在基坐标下的坐标为( 屯，冬，屯) ，运动后在基坐标系 下的坐标为( 氏，如) ，则运动后a 点在基坐标系下的关系为： 彳2 ， a 2 y 么2 ： l a l ia 1 2 口2 la 2 2 a 3 1 a 3 2 oo 1 4 4 ， 4 y 4 = 1 ( 3 6 ) 武汉理1 ：大学硕士学位论文 记式( 3 - 6 ) 右边的4 x 4 矩阵为 b 2 = 口1 1q 1 2 g 2 1a 2 2 g 3 11 2 3 2 o0 = 瞄 r c o s 口c o s s i n 口s i n , a 陋】= ls m 口c o s 7 + c o s 口s 洫s 血yc o s a c o s 7 - s i n a s i n f l s i n y s i n as i n 7 + c o s a s i n f l c o s yc o s a s i n 7 + s i n as i n , 3 c o s 7 2 ) 五连杆后悬架运动学分析 ( 口鼻，+ 口1 2 鼻 仁：，e ，+ 口：e g ，鼻，+ 口。：e ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) 在上一章节中，主要介绍了空间机构的坐标变化基本理论。本节将主要研究 在微小位移输入下，五连杆悬架的运动学变换矩阵。图3 6 五连杆悬架的车轮跳 动模型。 ( 1 ) 假设车辆底盘是刚性的； ( 2 ) 假设连杆是刚性的； ( 3 ) 不考虑橡胶衬套弹性的影响。 峪邮墓 咖叫印 s 吣 n 川川u r 鼻只 睁 黔 驺 口 口 口 + + + y y y 一 一 一 ， y ：足b ，b 。l = y 武汉理工人学硕士学位论文 p p l ：= 0 ： 图3 5 五连杆悬架的车轮跳动模型 悬架各点的初始位置坐标假设已给出，而且设转向节上各点的坐标为 b , o ( i = 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ) ，车身各点毕标为4 。( f = 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ) 。 对于车轮跳动，以车轮中心的坐标改变出为输入，则车轮中心点p 在运动 前后z 坐标为： 只：= r ：+ 出 ( 3 一l o ) 转向节和车身上的坐标眈、4 ：数值保持不变的时候，车轮位置正好处于乞。 因为转向节的运动满足空间坐标变换理论，那么该变换关系同样满足式( 3 6 ) ，即： 雕醢 浯 在以车轮中心为参考点的情况下，要确定运动后转向节在各点的坐标吃， 必须确定未知参数口、卢、y 、名、b 、r 。由于连杆为刚性体，五根连杆在 运动过程中保持长度不变。设五连杆长度分别为厶，厶，厶，三4 ，三s ，则五连杆的运 动约束方程为： 上式为个关于口、7 、乓、岛、足五个参数的约束方程，其中运动输入足 1 6 o 厶、卜j 厶厶厶厶厶 = = i | = = jijiiiiiiiiiiii 历历历历及 属如如如如 怕肛怕恤怯 武汉理t 大学硕士学位论文 为已知，方程组有口、y 、& 、0 这五个未知数，而此方程组有五个方程， 故可以求解。求出这五个参数后，由式( 3 7 ) 可以确定齐次变换矩阵【d o ，j ，再由 式( 3 6 ) 可以求出转向节上个点的运动坐标。 车轮外倾角和前束角对于五连杆后悬架来说，是能体现车辆性能的重要参 数，对这两个参数的数值计算过程如下： a ) 车轮外倾角 知道车轮轴上两点的位置后可以计算出车轮的外倾角。如图3 6 所示，设置 尸为车轮中心，假设车轮轴上有一固定在转向节上的点，我们令其为s 。假设s 点的初始位置为s o ，悬架运动后s 点的坐标为s ，则s 与s o 应满足式( 3 6 ) 。 s = 慨，慨 ( 3 1 3 ) 当s 和p 坐标为y 、z 分量时，车轮外倾角会受到影响。得到左侧车轮外倾 角为： 右侧外倾角为： ( 3 1 4 ) ( 3 - 1 5 ) b ) 车轮前束角 如图可以看出前束角与s 点和p 点坐标在z ，y 轴上的分量的关系式如下。左 侧悬架前束角为： 铲叫糟 p 旧 右侧悬架前束角度为： 胪叫嚣 1 7 ( 3 - 1 7 ) 武汉理1 二人学硕士学位论文 3 4 五连杆悬架仿真分析 3 4 1 优化设计方法 在大多数机械类产品包括车辆悬架系统的优化设计中，无论是采用物理样机 还是虚拟样机技术，一般都有自底向上或自顶向下两种思路四3 。其中，自底向上 的设计方法就是在零件特征模型的基础上进行系统的装配建模。它不仅提供了一 个装配建模环境，而且提供了一种描述零件之问连接关系的方法。装配建模的目 标主要是在保持零件空间适应性的前提下，在系统分层式装配模型中确定单个零 件的位置。 9 0 年代初期，m f m t y l a z 针对复杂系统中装配的零件建模问题提出了自顶向 下的产品设计思想。自顶向下设计就是从产品的顶层开始，通过在装配中建立零 件来完成整个产品设计的方法。自顶向下的产品设计是从产品功能要求出发，选 用一系列的零件去实现产品的功能。其设计的主要过程是：先设计出初步方案及 其装配结构草图，建寺约束驱动的产品模型；再通过设计计算，确定每个设计参 数，进行零件的详细设计，通过几何约束求解将零件装配成产品；最后对设计方 案进行分析，返回修改不满意之处，直到得到满足功能要