（载运工具运用工程专业论文）微型汽车转向系统仿真分析与优化.pdf

摘要 ! 摘要 随着高速公路的发展，汽车的行驶速度明显提高，人们对汽车悬架及转向系 统的要求也越来越高。悬架及转向系统作为汽车的重要组成部分，对整车的转向 轻便、转向回正性能、操纵稳定性和行驶平顺性有举足轻重的影响，因此，悬架 转向系统仿真分析在汽车设计开发、制造和汽车改装车中占有很重要的地位。 本文对模型样车的实际悬架及转向系统进行了分析，在结合实际的基础上对 模型做了些理想假设和简化，根据所获得模型的运动学参数，在a d a m s v i e w 中建立了样车的多体仿真模型，并根据各部件之间的实际运动情况及研究需要， 在部件之间加上理想的约束副和必要的作用力。通过对模型的仿真分析研究，可 以获得：随着作用于转向轮垂直作用力的增加，两转向轮的附加转角也增大，而 模型的前轮定位参数除车轮外倾角有些变化外，其它参数如主销内倾角和主销后 倾角基本上没变化；内外轮载荷的分配也能引起转向轮附加转角的变化，随着两 轮上垂直作用力大小差别越大，转向轮附加转角也越多，且模型的主销后倾角和 主销内倾角基本没变化，而车轮外倾角变化在l 度左右；当汽车前后轴产生的载 荷转移与左右车轮产生的载荷转移值大小相同时，后者所引起转向轮的附加转角 比前者导致转向轮的附加转角还要大；通过改变转向机构杆件参数等对转向性能 及参数的影响，得到了如，转向节臂在水平面内的倾斜角增大，左轮的外倾角要 减小，右轮的外倾角却增加，转向轮的附加转角减小等研究结果。 最后，采用优化设计的方法，对转向机构进行参数优化，获得了较好的转向 特性结果。 、 关键词：a d a m s ；悬架；转向系统；仿真；优化 摘要一2 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f f r e e w a y s ，t h em e 8 2 1v e l o c i t y o fa u t o m o b i l e sh a si n c r e a s e d c o n s i d e r a b l y t h e c o n s u m e r sh a v eg r e a t e rd e m a n df o rt h es u s p e n s i o na n ds t e e r i n g s y s t e m s a ss o m ei m p o r t a n tp a r t s o fa u t o m o b i l e ，t h es u s p e n s i o na n ds t e e r i n gs y s t e m p l a ya 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 i n ga n ds t a b i l i t ya n da u t o m o b i l ec o m f o r to r b r a k i n gs t a b i l i t y s ot h es i m u l a t i o no f a u t o m o b i l es u s p e n s i o na n ds t e e r i n gs y s t e mh a s g r e a te f f e c to n a 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 o ra u t o m o b i l em o d i f i c a t i o n t h i sp a p e ra n a l y s e st h ea u t o m o b i l es u s p e n s i o n s t e e r i n gs y s t e m ，a n dm a k e ss o m e i d e a lh y p o t h e s e sa n ds i m p l i f i c a t i o n sf o ra u t o m o b i l em o d e l so nt h eb a s eo fw h a ti s a c t u a l l yh a p p e n i n g ，a n db u i l d sp r o t o t y p ev e h i c l e s m u l t i b o d ys i m u l a t i o nm o d e l si n a d a m s v i e wa c c o r d i n gt ok i n e m a t i c p a r a m e t e r s o ft h em o d e l s ，a n da d d si d e a l s a n c t i o n sa n d n e c e s s a r yf o r c e sb e t w e e nc o m p o n e n t so f t h em o d e l sa c c o r d i n gt ot h er e a l m o v e m e n to fc o m p o n e n t sa n ds t u d yd e m a n d s b ya n a l y z i n gt h em o d e l s ，w ed i s c o v e r s u c h p h e n o m e n a a sf o l l o w ：w i t hi n c r e a s i n gt h ev e r t i c a lf o r c eo ns t e e r i n gw h e e l s ，i nt h e s a m et i m et h ea d d i t i o n a ls t e e r i n ga n g l eo f s t e e r i n gw h e e l sw i l li n c r e a s ea n df r o n tw h e e l a l i g n m e n tp a r a m e t e r ss u c ha sk i n g p i ni n c l i n a t i o na n g l em a dc a s t e ra n g l ed on o tc h a n g e a l m o s te x c e p tc a m b e r a n g l ec h a n g e s ；t h e v e r t i c a ll o a dd i s t r i b u t eo no u t s i d e i n s i d ew h e e l c a na l s or e s u l ti nt h ec h a n g eo f s t e e r i n gw h e e le x t r aa n g l e w i t ht h ed i s t i n c t i o no f t h e v e r t i c a lf o r c eo ft h et w os t e e r i n gw h e e l si n c r e a s i n g ，t h ea d d i t i o n a ls t e e r i n ga n g l ew i l l i n c r e a s ea n dt h e r ea r eh a r d l yc h a n g eo nt h ek e yp i ne x c e p tt h ew h e e lc a m b e ra n g l e c h a n g ea b o u to n ed e g r e e ；w h e nt h el o a dd i v e r s i o no f t h ef r o n t r e a ra x l e si se q u a lt ot h e l o a dd i v e r s i o no ft h el e f t - r i g h tw h e e l s ，t h el a t t e rc a nb r i n gb i g g e ra d d i t i o n a l s t e e r i n g a n g l e ；b yc h a n g i n gs u c hp a r a m e t e r so fs t e e r i n gl i n k a g ea sp u l l a l t nt o e x p l o r et h e i n f l u e n c eo ni t s s t e e r i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dp a r a m e t e r s a n do b t a i ns u c hr e s u l t s ：b y i n c r e a s i n gt h el e a na n g l eo f t h ep u l la r mi nh o r i z o n t a lp l a n e ，t h el e f tw h e e lc a m b e r a n g l ew i l ld e c r e a s ea n dt h er i g h tw h e e lc a m b e ra n g l ew i l li n c r e a s e ，a l s ot h ee x t r aa n g l e o f s t e e r i n gw h e e l w i l ld e c r e a s e f i n a l l y ，b yu s i n gt h eo p t i m i z i n gm e t h o d sa n do p t i m i z i n gt h ep a r a m e t e r so f s t e e r i n gs t r u c t u r e ，t h i sp a p e rh a so b t a i n e dg o o dr e s u l t s k e y w o r d s ：a d a m s ；s u s p e n s i o n ；s t e e r i n gs y s t e m ；s i m u l a t i o n ；o p t i m i z a t i o n 重庆交通学院学位论文原创性声明 本人郑重声明：所里交的学位论文，是本人在导师的指导下。独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：百瘴秒 日期：刀睦年中月玷日 第一章绪论! 第一章绪论 1 1 引言 汽车是一个包含惯性、弹性、阻尼等动力学特性的复杂非线性系统，其特点 是运动零件多、受力复杂。由于组成汽车各机械系统( 如转向机构、悬架、传动 机构) 之间的相互耦合作用，使得汽车的动态特性非常复杂。要想真实地描写汽 车的动态特性，必须考虑尽可能多的零件的运动，来获得精确的数学模型。然而 太复杂的模型方程又给求解带来了巨大的困难，甚至可能得不到结果。因此，各 国学者在这一领域中研究的传统方法是通过试验或人为地把汽车各子系统加以简 化，提取出能够代表系统或总成特征的本质因素，建立较简单的数学、力学模型 来进行求解，并把求得的结果再进行试验验证。经过大量学者的努力，力学模型 逐渐由线性模型发展到非线性复合参数模型；模型的自由度也由两个自由度发展 到十几个自由度。如美国密西根大学建立的十七自由度模型，m i c h a c ls a y e r s 建立 的十八自由度模型，d j s e g a l 建立的十五自由度模型。 这些模型的共同特点是将整车简化成三个集中质量予系统：簧载质量( 车身) ， 前非簧载质量( 前悬架、前轴、前轮总成) ，后非簧载质量( 后悬架、后轴、后轮 总成) ，并对轮胎和悬架的非线性特性进行不同程度的简化描述。在对受力和运动 综合分析的基础上，利用拉格朗臼或牛顿力学方法建立动力学微分方程，然后在 计算机上进行数值求解。模型中采用较少的易测量的复合参数来描述悬架特性， 缩短仿真前处理时间，同时也降低了悬架参数测量的难度、避免了求解复杂的运 动学、动力学方程。此外，选闵不同的参数组就等于改变了悬架的形式，因而保 证了模型的通用性。但是，这类模型中，许多总成是通过试验或人为的简化，用 一组拟合参数来代替和表达的。获得这些参数一般都是系统静态或准静态试验参 数，与汽车运动状态中的动态参数有一定误差，这样对计算精度有所影响。所以 要想得到高精度的计算模型就要经过反复的试验验证和修正，工作周期较长。 经过近二十年发展起来的多体动力学理论，为建立多自由度汽车动力学模型 提供了一个强有力的工具。应用多体动力学的仿真模型将汽车悬架转向系统的每 部件看作是刚性体或弹性体，同时包括刚体的所有节点。整个模型自由度非常 多( 可达到上百个) ，更全面地描述汽车各子系统的运动及相互耦合作用，可用于 汽车操纵性、动力性、制动性的研究。以多体系统动力学为基础编写的大型通用 软件为工程技术人员提供了方便的建模手段。应用大型通用软件能自动生成运动 学和动力学方程，并利用软件内部的数学求解器来准确地求解，无须人工建立和 求解方程、及编写子程序，因而能够节省大量时间，提高工作效率。【1 1 1 2 1 1 3 1 第一章绪论 1 2 系统仿真与虚拟样机技术 现今社会已进入“后工业信息时代”，以计算机技术、信息技术、系统理论、 通信技术和图像处理技术为基础的系统仿真技术得到了前所未有的发展a 系统仿 真是利用模型对实际系统进行试验研究的过程。这里的系统是广义的，一般是指 按照某些规律结合起来，互相作用、互相依存的所有实体的集合或总和。系统的 表示方法不是唯一的，可根据研究目的采取不同类型和数量的信息来描述同一系 统。模型是对系统的一种简化表示方法，是对实际系统本质的抽象和简化，它抓 住般的、抽象的、规律性的主要部分来表示系统。模型一般分为两类，数学模 型和物理模型。其中，数学模型是充分运用已有的基本物理原理通过数学表达式 描述系统的内在规律的描述方法；物理模型是另种采用与真实物理系统相同的 属性、结构和运行方式研究系统特性的描述方法。仿真是指在计算机上通过数学 模型或者物理模型对系统的本质进行实验，o r e n 于1 9 8 4 年给出了仿真的基本概念 框架“建模实验分析”。【4 j 可以看出，系统、模型和仿真三者问存在密切的关系。系统是研究的对象， 模型是系统的抽象，仿真是对模型的实验。那么，从系统到模型是系统建模，从 模型到计算机实验是仿真建模，从计算机实验返回系统是仿真实验和分析。因此， 计算机仿真技术是由三大基本概念( 系统、模型和仿真) 和三大基本行为( 系统 建模、仿真建模和仿真实验分析) 有机组成的技术体系。 系统仿真技术作为一种研究和开发新产品、新技术的科学手段，在航空、航 天、造船和兵器等国防科研相关行业中首先应用和发展起来，显示了巨大的经济 效益和社会效益。近年来，系统仿真技术的应用逐步扩大到机械、电子、汽车、 通信、土木、建筑、医疗卫生等科学研究和相关行业中，发挥巨大的推动作用和 强大的技术开发潜力。 仿真技术的迅猛发展，为机械产品的设计开发、性能分析与制造提供了强有 力的科研手段，逐渐形成了专业的机械系统仿真技术。机械系统仿真技术m s s ( m e c h a n i c a ls y s t e ms i m u l a t i o n ) 是系统仿真技术的一个分支，从七十年代起，人 类在航空航天、交通运输及兵器工业上所遇到的问题难以用传统的理论来解决。 生产力发展的需要促使在牛顿力学的基础上进一步产生了多体动力学，也使建立 在多体动力学基础上的机械系统的仿真技术得以发展。同时伴随着电子计算机软 件和硬件技术的飞速发展，仿真软件的功能目益强大。现在欧美等发达国家，机 械系统的仿真技术已成功地应用于航空航天、交通运输、兵器工业、机械设计等 多种领域，已产生巨大的效益。 传统的产品开发过程一般经过概念设计、方案设计、实验室设计、细部设计、 第一章绪论 中部放大、批量生产等诸多阶段，产品上市周期长。设计人员的初期设计仅停留 在图纸上，不能预见物理样机加工出来后可能出现的问题。因此，到了产品的试 验阶段，许多未发现的问题暴露出来。设计人员进行修改后，再重新加工，重复 上述的过程。从开始设计、试制、试验及改进到最后的生产，花费了大量的人力、 物力和财力，但结果却不能尽如人意。这与现代市场对产品的需求很不适应，如 何提高初次设计的成功率是传统设计方法的一个难题。现代先进的机械系统的仿 真软件为设计人员提供了虚拟样机( v i r t u a lp r o t o t y p e ) 技术，虚拟样机技术是当前 设计制造领域里的一项新技术。它利用软件建立机械系统的三维实体模型和力学 模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。 虚拟样机( v i r t u a lp r o t o t y p e 简称v p ) 技术是一种崭新的产品开发方法，它 是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。在物理样机生产出来之前， 它利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估。虚拟样机技术 是基于先进的建模技术、多领域的仿真技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技 术的综合应用技术。 机械系统虚拟样机( m e c h a n i c a ls y s t e mv i r t u a lp r o t o t y p e ) 技术，是基于虚拟 样机的机械系统仿真技术，其核心是多体系统运动学和动力学建模理论及其技术 实现。是指在机械系统设计开发过程中，在制造的一台物理样机生产出来之前， 首先利用计算机技术建立该机械系统( 产品) 的三维数字化模型( 即虚拟样机) ： 对其进行静力学、运动学和动力学分析，较好地仿真该机械系统的运动过程，以 预测机械系统的整体性能；同时可以在计算机屏幕上观察到各组成部件的相互运 动情况，以迅速地分析、比较并改进系统的设计方案，提高产品的性能，最大限 度地减少对物理样机的试验次数。 同传统的基于物理样机的设计方法相比，虚拟样机设计方法具有以下优点： ( 1 ) 全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，这种 方法存在很多的弊端。而虚拟样机技术真正地实现了系统角度的产品优化，它基 于并行工程，使产品的概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案，确 定影响性能的敏感参数，并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的 特征以及所具有的响应，直至获得最优工作性能。 ( 2 ) 更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量。采用虚拟样机设 计方法有助于减少或摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化 模型( 即虚拟样机) ，可以完成许多次物理样机无法进行的( 成本或时间条件不允 许) 虚拟试验，从而可改进或优化设计方案，因此不但减少了物理样机的数量， 而且缩短了研发周期、提高了产品质量。 ( 3 ) 实现动态联盟的重要手段。目前世界范围内接受了动态联盟( v i r t u a j 一 兰二量堕笙 一一4 _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ 一 一 c o m d a l l y ) 的概念，即为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业资源的局限性， 出现了在一定时间内，通过i n t e m e t ( 或i n t r a n e t ) f | 缶时缔结成的一种虚拟企业。为实 现并行设计和制造，参盟企业之间产品信息的交流尤显重要，虚拟样机是一种数 字化模型，通过网络输送产品信息，具有传递快速、反馈及时的特点，进而使动 态联盟的活动具有高度的并行性。 虚拟样机技术在国外已得到广泛重视和研究应用，并有相应的支持虚拟样机 技术的软件产品问世，在工程领域，如美国著名软件公司m d i 的a d a m s ，是世 界上目前使用范围最广的机械系统仿真软件。利用该软件可建造复杂机械系统的 “虚拟样机”，并对其进行静力学、运动学和动力学分析，真实地仿真其运动过程， 并且可以迅速地分析、比较多种设计方案，测试并改进设计方案，直至获得最优 工作性能。 在国外，虚拟样机技术的研究始于8 0 年代中期，9 0 年代该项技术开始应用于 机械领域，现在已从概念设计阶段走向工程实际应用，并积累了定的经验。如 美国f o r d 汽车公司在8 0 年代就已应用a d a m s 解决其轻型车操纵动力学问题。 目前，虚拟样机技术已成熟地应用于各大汽车公司，解决了大量复杂的车辆动力 学与控制问题，使车辆的操纵和振动等动态问题大多解决在设计的初期，大大缩 短了新车型的开发周期，减少了试制物理样机的辆数，提高了产品的成功率，为 企业节约了大量研发成本，已经建立起包括机电一液压一控制一体化的复杂、精 确车辆“虚拟样机”。 基于虚拟设计方法的许多优点，目前世界上许多著名汽车厂商，象克莱斯勒 和福特汽车公司这样的汽车制造商都在实施虚拟现实产品开发战略，将迅速推出 新产品放在一个重要位置。克莱斯勒公司经常使用虚拟现实产品建模，福特汽车 公司则经常用虚拟现实分析原型。在福特公司，v p d 是应用计算机辅助技术和过 程去开发和分析零部件和在整车环境中审查有关配合、组装、总装、制造等信息 的一种方法论。而克莱斯勒公司的v p d 不只是创造发明各种新的汽车部件，同时 还针对着生产过程和客户服务。在过去几年里，两家公司认识到产品及相关信息 的管理是v p d 计划取得成功的重要组成部分，因此在技术上大量投资。美国汽车 制造厂商不是采用虚拟产品设计技术的唯一汽车制造商，欧洲和日本的汽车制造 厂商也在对这种新的技术领域进行调查。以欧洲最大的汽车制造公司一大众公司 为例，他在其它的一些方面正在用v r ( 虚拟现实) 来强化他的v p d 计划，该公 司与图形数据处理研究单位合作，把v r 技术用于如奥迪( a u d i ) 、西特( s e a t ) 、斯 科达( s k o d a ) 等大众汽车的制造和开发上，这一计划是从9 3 年后期开始的。 在国内，对于虚拟技术这现代方法的研究以及在机械包括汽车领域的应用 也已经开始，且有一些在这方面的应用成果。上海大众、上海汇众等国内大型汽 第一章绪论 ! 车制造公司针对车辆设计制造上的问题提出专门的研究课题采用计算机仿真软件 进行攻关；近年来，国内主要的汽车厂家；汇众、北汽福田，天津汽车汽车技术 中心等单位已经在其开发新产品、改型等工作中都使用了机械动力学仿真软件一 - - 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 对某轻型卡车进 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。 因此，随着计算机技术的发展和许多大型仿真软件的开发，基于仿真技术和 虚拟样机技术的许多优点，它们在机械电子，特别是汽车和飞机制造领域得到了 广泛应用。目前，世界上的许多大飞机制造公司( 如美国波音、洛克希德马丁、 法国空中客车等公司) 和大汽车制造公司( 如通用、福特、戴姆勒奔驰、丰田、 宝马、大众等公司) 都在产品的开发设计、实验分析、制造和管理的各个阶段大 量地、充分地使用虚拟仿真技术，不仅大大地缩短了产品的开发同期，极大了减 少了人力、物力和资金的投入，而且最大限度地改善了产品的综合性能，从而加 快了技术革新和产品的更新换代，促进了生产力的发展。仿真技术和虚拟产品的 设计方法在我国的应用和推广落后于世界先进水平1 0 2 0 年，这也是我国的汽车 开发能力和制造水平远远落后于工业发达国家的重要原因之一。但令人j 瘃喜的是， 我国的许多汽车制造厂家和科研院所逐步认识到仿真技术在汽车研究和开发中的 重要性并积极地投入大量的资金和人力，取得了飞速的技术进步和突破性技术成 果。例如，原吉林工业大学汽车动态模拟国家重点实验室在郭孔辉院士的主持下 成功研究开发了汽车模拟开发系统，其规模和功能在1 9 9 7 年仅次于德国奔驰公司 的汽车模拟开发系统而处于世界第二位，使得我国成为世界上拥有该先进系统的 少数几个国家之一，代表了我国汽车仿真技术的最高水平。【5 】 1 3 汽车动力学研究的发展 汽车动力学研究初期，局限于当时的研究水平和研究手段，一般以汽车某项 单一的性能或零部件为研究对象，研究内容也主要集中在理想环境下汽车的作用 力与运动的关系。代表性的研究人物与研究对象为前苏联的曲达可夫和他的汽 车理论一书。德国人m 米奇克和他的汽车动力学一书标志着汽车动力学学 科走向成熟。该书详尽地分析了汽车在各种情况下的性能，由简到繁、由局部到 整体地对汽车与使用条件做了系统分析。信息论、系统论与控制论( 简称“三论”) 对汽车发展的影响与“三论”对其它学科发展的影响一样巨大。系统论的观点进 入汽车领域后，汽车动力学的研究对象已不再局限于汽车本身，而把“人车 路”作为一个系统来研究，并产生了“汽车空气动力学”、“汽车地面力学”、 第一章绪论 ! “汽车系统动力学”、“汽车人机工程学”等独立的研究分支。控制方法引入到汽 车动力学研究后，汽车动力学出现了以主动悬架设计、制动防抱死装置、牵引力 控制、发动机燃油喷射等技术的应用热潮。当前，以计算机科学为基础发展起来 的互联网的超速发展也影响着汽车学科。公路自动收费、车辆自动导航、全球定 位等信息化产品在汽车上的装各，也改变着汽车的面貌，预示着汽车也正走上信 息化的道路。可以预见，在不久的将来，计算机技术、信息化技术将引发汽车设 计、生产和使用的大革命，并最终改变汽车在人类社会的地位。计算机技术对汽 车动力学研究的巨大影响不仅体现在汽车信息化上，而且也表现在汽车动力学的 研究手段上。各种力学、数学研究成果，特别是以数字模拟技术为基础的研究方 法，正逐步成为汽车系统动力学研究的主流方法。 6 l 【7 1 【8 1 9 1 1 0 l 1 3 1 汽车动力学研究的方法 研究汽车动力学，必须建立其模型。汽车动力学的模型主要可分为物理模型 和数学模型。 一、物理模型 物理模型研究方法就是建立与实物的本质相同，仅在形状和尺寸上存在一定 差别的物理系统，通过各种试验手段，准确测试物理系统的性能和各种参数间的 关系，来得到系统模型的各种性能。该方法便于记录试验，如使用高速摄影、录 像记录空间运动过程，并可以使用各种传感器记录模型的内在特性( 速度、加速 度、压力等) ，具有直观可信的特点。该方法的优点是可以观察到研究对象的物理 性能。其不足也很明显，如一些试验无法实现或不便于进行；试验受到试验手段 的限制，误差较大：还有一些试验成本高昂，无法承受。但从我国目前汽车生产 设计部门的研究水平和手段看，该方法在很长一段时间内还是主要研究方法。 二、数学模型 数学模型是在物理模型与数学描述方程之间建立一组法则，将一个或多个元 素与运动结果联系起来。采用数学模型研究汽车动力学，具有研究方法多样的优 点。对于同一对象，不同的研究人员可以建立不同的数学模型。究竟采用何种模 型取决于研究对象、研究目的和研究人员的学识与经验。基本的求解方法可以分 为： l 、解析法。只能求解自由度较少的系统，对非线性系统，只能求近似解。 2 、数值法或定值法。应用计算机处理复杂系统求得近似解。对非线性系统虽 有误差，但精度满足工程要求。 数学模型研究方法的特点是模型高度抽象，但在实物与模型间存在很强的相 似性a 其优点是研究方法多样，研究成本低廉，研究周期一般较短。不足之处是 第一章绪论 二 研究结果受模型的简化、模型参数的影响较大，对研究人员的要求较高。 1 3 2 汽车动力学研究遇到的问题 随着计算机技术与功能强大的分析软件的出现及发展，数学模型研究法在今 后汽车动力学研究中占越来越重要地位。 对研究对象进行建模，其复杂程度应根据所研究的问题面定。一般来说，包 括实际细节的模型更真实地反映系统特性，但复杂模型引起描述系统运动的微分 方程数量的大量增加，加大了求解的难度。 建立复杂的数学模型，是在对物理系统特性的详细研究的基础上进行的。对 于汽车整体而言，各部分或各子系统的性能特性与结构特点决定了其模型的复杂 程度。以研究轿车常用的承载式车身为例，在分析汽车的操纵特性时，一般可以 认为车身是刚性的，只有6 个自由度，可用6 个微分方程描述其运动特性；而对 车身n v h ( n o i s ev i b r a t i o nh a r s h n e s s ) 特性的研究，为了准确计算车身的振动模 态与振型，采用有限元技术建立车身模型，随着单元、节点的增加，模型自由度 数量从几十个到几千个，甚至上万个。 即使我们能够建立复杂系统的数学模型，并且在一些计算机软件的帮助下能 够列写出模型的微分方程。但建立复杂系统数学模型对建模参数的需求，却远远 超过我们的想象。如较为复杂的汽车动力学数学模型中，不但需要各运动部件之 间连接点的空间坐标、零部件的质量特性参数( 质量、质心坐标、惯性主轴方向、 转动惯量) ，而且需要模型中弹性体的弹性参数( 刚度、阻尼) ，如果还考虑弹性 体的一些非线性特性，如弹簧和橡胶元件的非线性刚度、橡胶元件和减震器的非 线性阻尼特性等。如果设计部门没有相当的数据库与完善的材料库，模型的参数 收集就是一项既繁琐又困难的工作。 总的来说，目前建立汽车动力学研究模型的主要困难有两个方面： 1 ) 车轮与地厦之间的相互作用关系。 2 ) 描述系统运动状态的微分方程组的建立及求解。 1 3 3 汽车动力学研究遇到问题的解决方法 上述两个方面的问题，也正是当前汽车动力学中最热门最活跃的研究方向。 对车轮与地面之间相互作用关系的描述，关键之处在于对轮胎的描述，汽车 轮胎力学研究一般包括稳态轮胎模型与动态轮胎模型国内外的研究成果较多。 国外比较著名的轮胎模型有f i a l a 的粱单元模型，p a c e j k a 的“魔术公式( m a g i c f o r m u l a ) ”，以及亚利桑那大学模型等。国内进行该项研究的单位与研究人员也很 多，如郭孔辉院士的半经验轮胎模型在国内外都具有较大影响。经过国内外研究 人员几十年来的不懈努力，轮胎力学模型正趋为成熟。【l l 】 1 2 第一章绪论 对具体的汽车系统进行高度抽象建立模型，并建立描述系统运动状态的微分 方程组，是一种传统的研究方法。对比较简单的模型，采用经典的牛顿一欧拉方 程或拉格朗日方程就可以推到公式得到解析形式的动力学方程【1 4 l ，较为容易求得 方程组的解析解。随着汽车动力学研究模型的复杂，微分方程组的大量增加，人 工列写微分方程组变得尤为困难，求解微分方程组几乎不可能。因此，在汽车动 力学研究时采用计算机辅助工程( c a e ) ，就成为一种很迫切的需求。 1 3 4 国内外汽车动力学研究的现状 在研究汽车诸多行驶性能时，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，外界载荷的作用更加复杂， 加上人车环境的相互作用，给汽车动力学的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 法有效地处理复杂受力下多自由度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特性 无法得到较精确的定量分析。随着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 技术领域得到了应用。 在国外，汽车动力学的研究经历了个由试验研究到理论研究的过程。力学 模型也由线性系统模型发展到非线性系统模型：所能处理的模型的自由度数目也 由二个发展到数十个，甚至到数百上千个自由度。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。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。而且还有各种针对某一类型问题的专用 多体软件。研究的范围也从局部结构到整车系统，涉及汽车系统动力学的方方面 面。至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。 在国内汽车动力学研究中，采用多刚体系统动力学进行分析和计算的工作起 步较晚，研究工作主要集中在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。吉 林工业大学的林逸对汽车独立悬架中的单摆臂及摆柱式悬架进行空间运动分析 ”刈：第二汽车制造厂的上官文斌建立的汽车转向系统和悬架运动学分析方法 嘲； 清华大学张海岑建立了汽车的非线性数学模型，研究其操纵稳定性和制动性能等 第一章绪论 9 j7 】。清华大学的张越今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 8 】。目前，多体系统的研究领 域也从开始的刚体系统的运动学研究扩展到包含柔体的多体系统动力学研究。 1 4 本课题研究的意义 目前，国内的微型汽车一般都是引进的国外车型与技术。但为了满足客户多 种用途的需要，在消化吸收国外技术的基础上，还得开发出新的车型，对进口车 型进行重新改进设计。如部分技术采用国外的，而另一些技术则是国内自行设计。 但是，通过这样的方式研制开发出来的车型与国外进口的原装车相比，在性能上 一般都将会出现了一些问题。如文献【1 9 所述，第二代产品五菱牌l z w l 0 1 0 p 微型 货车及l z w l 0 1 0 v h 微型厢式车是引进日本三菱公司车身，测绘设计的底盘。自 1 9 9 0 年初至1 9 9 2 年夏投产近两年半时间，国产车的操纵性能比不上日本三菱原装 车，主要表现在部分汽车转向沉重，且没有回正性能，汽车呈过度转向特性。最 后，经研究发现，是汽车的转向机构存在问题。 因此，国内生产的微型汽车，其底盘大都是由国内厂家自行测绘设计的，与 同类原装车相比，主要表现在转向沉重、回正性能差，呈现过度转向特性，而且 在高速时易出现转向轮摆振等问题。这主要是因为汽车的零部件如转向横拦杆、 方向机、悬架、轮胎等都是由专门的汽车零部件生产厂家制造，而且这些厂家规 模小、设计能力差，再加上激烈的市场竞争，导致产品价格下降，产品达不到设 计的要求。即使汽车制造厂家的底盘设计图纸正确，但零部件的任何一个制造误 差都会导致汽车整车性能的下降。同时，在整车装配时，前轮定位参数与设计值 是否相符也是个重要方面，否则的话就会影响到汽车的自动回正性能。而且，关 键点的定位误差及转向机构的伟b 造误差都将会影响到汽车的操纵性能。 对于一辆已经生产出来的汽车，如呈现转向沉重、制动时车轮附加转角大、 回正性能差等问题时，要寻找问题的根源所在，目前的方法只能是采用反复实验 的方法，查找问题的原因是悬架系统还是转向系统抑或是二者皆有。 本课题正是针对汽车在设计、制造、整车装配或者是零部件生产等某个环节 可能出现的误差，在a d a m s 软件中建立了某微型汽车的多体仿真模型，通过模型 的一些结构参数的变化，模拟分析汽车生产环节中出现的误差对于前轮定位参数 和转向轮附加转角的影响。寻找汽车在出现上述问题的根源时，可以不需对实际 样车进行反复实验，而只需通过建立该实车悬架转向系统的虚拟样机模型，判断 该车的前轮定位参数是否合理，转向机构的设计在汽车转向时其内外轮转角关系 第一章绪论 与阿克曼原理是否接近，探索问题到底是出在悬架系统或者是转向机构，避免了 实验检测过程中工作量大、时间长的缺点。同时，还可以通过仿真评价现有的转 向机构设计是否合理，并能对其进行参数优化，使各设计变量达到最佳值。 1 5 本论文的主要研究内容 近年来，汽车多体动力学已经获得了广泛关注和应用，并且随着计算机技术、 建模技术和实验分析技术的发展，基于精确系统动力学分析的多体仿真技术必将 更广泛的应用于汽车动力学研究中，对提高汽车产品的动力学性能、缩短汽车产 品的开发或改进周期，降低汽车产品的开发设计成本的作用将日益显著。 本课题正是应用计算机技术，利用目前最为流行的多体动力学分析软件 a d a m s ，建立某微型汽车的前悬架和转向系统多体模型，通过改变转向轮垂直载 荷、模型的主要结构参数，仿真分析研究其对前轮定位参数、左右转向轮转角变 化的影响关系。另方面，根据汽车转向的基本理论和要求，确定目标函数，对 汽车的转向机构进行参数优化设计。根据仿真的最后结果，探寻在汽车设计的过 程中，一些设计因素对汽车在制动时转向轮附加转角大小的影响。 本论文的主要研究内容包括： 1 ) 对多体系统动力学特别是多刚体系统动力学进行探索，从理论上深入了解 模型的简化方法，并用这些理论指导实践，以帮助建立满足要求的分析模型。 2 ) 对建立多体动力学模型所需要的各种参数进行归纳分类，对各种参数的获 得方法进行总结。 3 ) 在a d a m s 中建立汽车前悬架总成和转向系总成主要零部件的三维实体模 型。 4 ) 对悬架转向系统模型进行仿真分析，通过垂直作用力大小的改变、仿真模 型某些结构参数的变化，测量出悬架定位参数及车轮转角的仿真变化曲线。 5 ) 建立目标函数，对转向机构进行参数优化设计。 1 6 本章小结 本章简述了计算机仿真技术及机械系统仿真技术在汽车设计和机械制造中的 应用，特别是以仿真技术、多体系统动力学为基础的虚拟样机技术的出现，更促 进了汽车工业的发展速度和效率。同时，也阐述了目前国内外汽车动力学的研究 状况、发展趋势、研究中所遇到的问题及解决问题的方法。最后，概括了本论文 研究的主要内容及意义。 第二章多体系统动力学及a d d s 软件 第二章多体系统动力学及a d a m s 软件 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。 2 1多体系统动力学的历史与研究现状 2 1 1 多体系统动力学的诞生 以欧拉( l e u l e r l 7 0 7 1 7 8 3 ) 为代表的经典剐体动力学发展至今已有二百 多年的历史了。两个世纪以来，经典刚体动力学在天体运动研究、陀螺理论及简 单机构的定点运动研究等方面，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己很难解决。迫切需要发展新的理论来完成这 个任务。 社会生产的实际需要是科学技术发展的实际动力。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的条件。六十年代末至七十年代初， 美国的r e 罗伯森、t r 凯恩、联邦德国的j 罐登伯格、苏联的e i 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，但有一个共同特点，所推导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 支多体系统动力学便诞生了。这门新兴的交叉性学科，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。 2 1 2 多体系统动力学国内外研究发展的现状 航天、航空领域的飞行器稳定性、姿态控制等的要求，地面车辆和某些机械 领域为提高运行速度、精确程度与减轻重量和降低能耗的要求，以及机器人领域 的运动学、动力学、逆运动学和逆动力学及控制问题，是推动多体系统动力学发 展的主要动力。 多体动力学理论得到充分发展的必要条件是计算机技术的飞速发展。计算机 数学运算能力目益强大，使得对复杂系统的大型复杂计算成为可能。因此，从这 个意义上来说，多体系统动力学是门基于数值计算的力学分支。 苎三兰兰堡墨竺垫垄堂墨! ! 塑! 墼堡一坚 近二十年来，多体系统动力学理论得到了长足的发展，其应用也目益广泛。 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 域中部已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。自多体系统动力学形成以后，7 0 年代初一些多刚体系统动力学的分析软件相继问世，在这一时期，有关柔性多体 系统动力学的理论工作已经展开f 2 0 1 。7 0 年代后期一些通用多体系统软件中已经有 了柔性体的计算功能。在国际上，1 9 7 7 年由国际理论与应用力学大会( i u t a m ) 主持召开了第一次国际多体系统动力学研讨会( 幕尼黑，德国) ；1 9 8 3 年 n a t o - n s f a r d “机械系统动力学计算机分析与优化讲习会”( 依阿华，美国) 对 多体系统动力学的发展起到了很大的推动作用。1 9 8 5 年由i u t a m 和i f t o m m ( 国 际机器与机构理论联合会) 联合主持召开的第二次国际多体系统动力学研讨会( 乌 迪内，意大利) ，会上展示了各种多刚体系统动力学研究的最新成果。在这次会上， 多柔体系统动力学的研究也十分的活跃。三次会议为多休系统动力的发展奠定了 基础，并且出现了一些多体系统动力学的通用程序。这些程序多数是在多刚体系 统动力学分析基础上发展起来的。8 0 年代中期和后期是多柔体系统动力学发展较 快的时期，不仅发表了大量的有关文献川f 2 2 】【2 3 ，还出版了有关专著球4 1 。截止到目 前，许多大型通用系统动力学软件已经包括了有关柔性体的分析技术功能 2 5 1 。 1 9 8 9 1 9 9 0 年由德国斯加图特大学( u n i v e r s i t