（载运工具运用工程专业论文）基于simpack整车模型的转向和悬架性能耦合分析与可调阻尼减振器研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 半主动悬架是近年来汽车底盘技术研究中的热点，可调阻尼减振器作 为半主动悬架中的关键部件，其设计开发和控制问题更是研究中的重点。 目前国内外关于半主动悬架及可调阻尼减振器的研究，主要集中在半主动 悬架的阻尼控制及其对车辆平顺性的影响，较少涉及悬架阻尼对转向及其 与悬架性能耦合的影响。本文以基于c h 7 1 4 0 轿车的半主动悬架为研究对 象，运用s i m p a c k 软件进行整车建模，着重研究了前悬架可调阻尼减振 器的结构设计、性能仿真及其对转向操纵性与行驶平顺性的影响，主要工 作如下： 介绍了车辆多体动力学的发展和研究方法，运用s i m p a c k 多体动力 学仿真软件建立了基于c h 7 1 4 0 的整车多体动力学模型，包括转向系统模 型、前后悬架模型、轮胎模型、驾驶员控制模型和道路模型，并通过试验 验证了模型的正确性。 运用所建立的整车多体动力学模型，进行整车转向轻便性试验、不同 车速蛇行试验和定车速单侧脉冲路面输入平顺性试验的仿真，分析了减振 器阻尼系数对转向盘力矩、整车操纵稳定性和行驶平顺性的影响，并进一 步考察了独立调节前轴两侧减振器阻尼状态使左、右侧悬架阻尼系数不对 称对整车平顺性的影响。 在原车前悬架被动减振器的基础上，设计了种节流口式可调阻尼减 振器，介绍了该减振器的结构组成和工作原理，对其性能进行了理论计算。 江苏大学硕士学位论文 根据首批可调阻尼减振器样件的台架试验结果，对可调节流口当量面积设 计这一关键问题进行了讨论。 对改进后的可调阻尼减振器样件进行了台架试验。试验结果表明，可 调阻尼减振器阻尼力曲线较为饱满平滑，无明显畸变，阻尼力随节流口开 度变化较明显，且与步进电机转角成对应关系，符合设计和使用要求。 最后，将改装的可调阻尼减振器安装在c h 7 1 4 0 样车上进行实车试验， 分别进行了转向轻便性试验、4 0k m h 车速蛇行试验和4 0k m h 车速单侧脉 冲路面输入平顺性试验。试验结果表明，在转向轻便性工况下，可调阻尼 减振器节流口全闭( 即阻尼系数最大) 较：节流口全开( 即阻尼系数最小) ， 转向盘力矩的均方根值变化率为0 3 7 2 ，减振器阻尼力对转向力矩的影响 较小；在4 0 k m h 车速蛇行试验中，可调b l 尼减振器节流口全闭较节流口 全开，车身侧倾角速度减d x l 3 3 3 ，较大的减振器阻尼系数能更有效改善 高速工况下车身姿态的变化，提高车辆的操纵稳定性；在4 0 k m h 车速单 侧脉冲路面输入平顺性试验中，独立调节前轴左、右可调阻尼减振器使两 者阻尼系数非对称，其中将受脉冲激励一侧的减振器阻尼系数调节至最 小，而使另一侧的减振器阻尼系数保持最大，可以使车身垂直加速度峰值 下降2 7 2 8 ，较大幅度地改善了车辆在通过脉冲路面时的平顺性。 关键词：s i m p a c k ，多体动力学模型，可调阻尼减振器，行驶平顺性， 操纵稳定性 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e m i - a c t i v es u s p e n s i o nh a sb e e nt h e h i g h l i g h t i nt h er e s e a r c h e s o f a u t o m o t i v ec h a s s i s a d j u s t a b l ed a m p i n gs h o c ka b s o r b e r ( a d s a ) i st h ek e y p a r to fs e m i a c t i v es u s p e n s i o n w i t h i nt h er e s e a r c h e sa th o m ea n da b r o a d ， m a n ya r ef o c u s e do nt h ec o n t r o la n di m p a c t so na u t o m o t i v er i d ec o m f o r to f s e m i a c t i v e s u s p e n s i o n h o w e v e r , f e wo ft h e ma r ea b o u t t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e d a m p i n go fa d s aa n dt h e w h o l ea u t o m o t i v ep e r f o r m a n c e e s p e c i a l l yt h es t e e r i n ge f f o r t i nt h i sp a p e r ，t h ea d s a o nt h ef r o n ta x l eo ft e s t c a rc h 7 1 4 0i sc h o s e na st h er e s e a r c ho b j e c t as y s t e m a t i cr e s e a r c hi sc a r r i e d o nt h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo fa d s a , a n dt h ee f f e c t so na u t o m o t i v e p e r f o r m a n c ei n c l u d i n gt h es t e e r i n ge f f o r t ，b yd i f f e r e n td a m p i n gv a l u e so f a d s a , a r ea n a l y z e d t h em a j o rw o r ki sa sf o l l o w , , ： t i l e d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c h m e t h o d so fm u l t i b o d ys o f t w a r ea r e i n t r o d u c e ds h o r t l y af u l lc a rm o d e lb a s e do nt h et e s tv e h i c l ec h 7 1 4 0i sb u i l t ， i n c l u d i n gs t e e r i n gs y s t e m ，f r o n ta n dr e a rs u s p e n s i o n s ，t i r e ，d r i v i n gc o n t r o l l e r a n dr o a d a n dt h em o d e li sv e r i f i e db yt e s t s b a s e do nt h es i m p a c kf u l lc a rm o d e l ，s i m u l a t i o n so ft e s t sa r ec a r r i e d o u t ，s u c ha ss t e e r i n ge f f o r t st e s t ，p y l o nc o u r s e s l a l o mt e s ta td i f f e r e n t s p e e d s ，a n du n i l a t e r a l r o a dp u l s e i n p u t t e s ta tac e r t a i ns p e e d a n d d a m p i n g se f f e c t so ns t e e r i n gt o r q u e ，h a n d l i n gs t a b i l i t ya n dr i d ec o m f o r ta r e a n a l y z e dr e s p e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ，t h er i d ec o m f o r ti ss t u d i e dw h e nt h et w o a d s a so nt h ef r o n ta x l ea r ea d j u s t e dt od i f f e r e n td a m p i n gv a l u e s t h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt h ek e yt e c h n o l o g yo fa d s aa r eb r i e f l y i n t r o d u c e d o nt h eb a s i so ft h eo r i g i n a lp a s s i v es h o c ka b s o r b e ro fc h 7 1 4 0 ，a n o r i f i c ea d s ai s d e s i g n e d t h es t r u c t u r ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea r e e x p l a i n e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c ei sc a l c u l a t e di nt h e o r y b a s e do nt h eb e n c ht e s t r e s u l t so ft h ef i r s ts a m p l e ，t h ek e yp r o b l e m so fd e s i g n i n gt h eo r i f i c ea r e 1 1 1 江苏大学硕士学位论文 d i s c u s s e da n ds o m e i m p r o v e m e n tm e a s u r e sa r ep r o p o s e d t h ei m p r o v e ds a m p l eo fa d s ai st e s t e do nt h eb e n c h t h er e s u l t ss h o w t h a t ，t h ed a m p i n gf o r c ec u r v ei ss m o o t ha n dw i t h o u tm u c hd i s t o r t i o n t h e d a m p i n gf o r c ec h a n g e sa c c o r d i n gt ot h eo r i f i c e ，a n di sc o r r e s p o n d i n gt ot h e a n g l eo fs t e pm o t o lt h ed e s i g n e da d s ab a s i c a l l ym e e t st h er e q u i r e m e n t f i n a l l y , t h eo r i g i n a ld a m p e r so nt h ef r o n ta x l eo fc h 7 1 4 0a r er e p l a c e db y t h ed e s i g n e do r i f i c ea d s & a n dt e s t ss i m i l a rt ot h eo n e si ns i m p a c ka r e c a r d e do u t r e s p e c t i v e l y i ns t e e r i n ge f f o r tt e s t ，c o m p a r et ot h es t e e r i n gt o r q u e w i t hl o wd a m p i n gv a l u ew h e nt h eo r i f i c ei so p e n e d ，t h es t e e r i n gt o r q u ew i t h h i g hd a m p i n gv a l u ew h e nt h eo r i f i c ei sc l o s e d ，i n c r e a s e so n l yb y0 3 7 2 ，a n d t h ed a m p i n gh a sl i t t l et od ow i t ht h es t e e r i n gt o r q u e i np y l o nc o u r s es l a l o m t e s ta t s p e e do f4 0k m h ，c o m p a r e t ot h er o l l a n g u l a rv e l o c i t yw i t hl o w d a m p i n gv a l u e ，t h er o l la n g u l a rv e l o c i t yw i t hh i g hd a m p i n gv a l u e ，d e c r e a s e s b y1 0 6 9 ，a n dt h eh i g h e rd a m p i n gc a nh e l ) p e r f e c ta u t o m o t i v eb o d yp o s t u r e v a r i a t i o na n di m p r o v ea u t o m o t i v eh a n d l i n gs t a b i l i t y a t h i g hs p e e d i n u n i l a t e r a lr o a dp u l s ei n p u tt e s ta ts p e e do f4 0k m h ，w h e nt h ed a m p e ro nt h e p u l s es i d ei ss w i t c h e dt ot h el o w e s tv a l u ea n dt h eo n eo nt h eo t h e rs i d ek e p ta t t h eh i g h e s tv a l u e ，t h et o pv a l u eo fa u t o m o t i v eb o d yv e r t i c a la c c e l e r a t i o ni s r e d u c e db y2 7 2 8 t h ea u t o m o t i v er i d ec o m f o r ti si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y k e y w o r d s ：a d j u s t a b l ed a m p i n gs h o c ka b s o r b e r , o r i f i c e ，s i m p a c kf u l lc a r m o d e l ，s t e e r i n gt o r q u e ，p y l o nc o u r s es l a l o mt e s t ，u n i l a t e r a l r o a dp u l s e i v 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。本人授权江苏大学可以将本学 位论文的全部内容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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密由。 学位论文作者签名：三瘸 指导刻磁名弘讫彳 弘( a 年舌月f 口日) 力f 。年易月2 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以 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： 王蘅 日期：p 年多月o 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论弟一早珀t 匕 随着人们对车辆操纵性能和舒适性能要求的提高，以及电控技术的快速发展和新 材料的不断发明和应用，半主动悬架自2 0 世纪7 0 年代提出以来，到现在才得以快速发 展，成为近年来汽车底盘新技术领域的研究热点之一，并逐渐电控化、智能化【闱。可 调阻尼减振器作为半主动悬架的关键零件，在近几年也得到飞速发展：一方面是新材 料的应用和电控系统的介入，另一方面是在传统液力式减振器基础上的结构创新。 1 2 半主动悬架研究进展 按控制力不同，悬架可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架，三种悬架的简化 模型见图1 1 i v 。 七 l 聊： 睾中 i 埘。 ( a ) 被动悬架( b ) 主动悬架( c ) 半主动悬架 图i i 悬架分类简化模型 f i g 1 1s i m p l i f i e dm o d e lo fs u s p e n s i o n s 半主动悬架( s a s ，s e m i a c t i v es u s p e n s i o n ) 是由无源可控阻尼元件和弹性元件组 成，模型见图1 球) 所示，也称为无源主动悬架。其减振工作方式与被动悬架相近， 所不同的是悬架参数在一定范围内可进行调节，以获得较佳的综合性能。悬架中的弹 性元件除了用于吸收和储存路面激励能量以外，还要支承车体的重量，加上在无源情 况下改变刚度比改变阻尼要困难得多，因此多数半主动悬架实际上仅讨论对悬架阻尼 的控制。底盘中使用的减振器实际上就是一个阻尼器，工程上习惯称之为“s h o c k a b s o r b e r ( 冲击吸收器) ，其作用是耗散车身和车轮之间的垂向运动能量( 这些动 江苏大学硕士学位论文 能主要由路面不平所致) ，并限制任何方式的响应超调，将那些不可避免的振动影响 减d , , e j 最低程度。半主动悬架没有动力源，通过感应车体运动和启闭被动元件的特性 来实现半主动控制，所用的作动器一般为微型电机或电磁驱动器，用于调节油缸或气 缸活塞上的阀结构。研究表明，与被动悬架相比，半主动悬架可以实现车身更好的舒 适性；与主动悬架相比，半主动悬架的最大优点是工作几乎不消耗发动机的功率，结 构简单，造价低，且减振效果接近于主动悬架，因此具有更为现实的应用价值，正日 益受到车辆工程界的重视 8 , 9 1 。 半主动悬架的概念是由d a c r o s b y 和d c k a m o p p 在1 9 7 3 年提出【1 0 1 。早在上世纪8 0 年代初期，第1 代可变阻尼减振器就已形成了规模生产。例如：t o y o t as o a r e r2 8 0 g t 型 轿车上使用了阻尼二级可调减振器；日产m a x i m a s 轿车上应用了“声纳式半主动悬 架；o p e ls e n a t o r 和o p e lo m e g a 轿车上装备有三级可调阻尼半主动悬架；b m w m 3 、b m w6 3 5 c s i 、b m wc o u p e 等车型上采用了电磁铁控制的可调阻尼减振器。日本 丰田公司l e x u sl s 3 0 0 g t 轿车使用的减振器为三级可调形式【1 1 】。m a n n e s m a n n 公司的 t h o m a sk u t s c h e 和m a t t h i a sr a u l f 以及w a b c o 公司的h a n s o t t ob e c h e r 为重型车辆研制 了具有模拟比例液压阀的连续可调阻尼减振器，通过调节比例阀的输入流量达到控 制阻尼力的目的【1 2 1 。k a m o p p 和c r o s b y 提出了阻尼连续可变的半主动悬架【1 3 】，p r i n k o s 等人于1 9 9 4 年使用了电流变液和磁流变液作为减振器的工作介质，取得了一定的成 效。h u b b a r d 和m a r g o l i s 等人也提出了采用刚度可调弹性元件的半主动悬架【1 4 1 。 在我国，半主动悬架研究起步较晚，还处在理论研究和模拟试验阶段。北京理工 大学管继富等人提出一种半主动悬架模糊控制规则的产生方法，对1 2 车半主动悬架进 行模糊控制系统设计并进行了计算机仿真，但未能进行台架试验验证【1 5 】。重庆大学的 郑玲、李以农应用微分几何理论，得到输出一千扰解耦方法，再经过适当的坐标变换 将该模型由非线性系统简化成一线性系统，对此线性系统进行最优控制，然后通过非 线性状态实现对原系统的半主动控制，数值仿真验证了该控制策略的有效性，但未能 进行试验验证【1 6 1 。朱思洪、陈无畏、陈龙等人设计了模糊自适应控制器，在仿真的基 础上，开发了半主动悬架模糊自适应控制器，并通过试验研究验证了该方法的有效性 【1 7 - 1 9 1 。 江苏走学硕士学住论文 1 3 可调阻尼减振器的研究现状 叮调阻尼减振器作为半主动悬架的核心部件，一直是半主动悬架研究的重点所 在。可调阻尼减振器实现阻尼可变的调节方式主要有两种：调节减振器工作介质的粘 度特性，和调节减振嚣活塞或阀上的节流孔面积。电流变液减振器、磁流变液减振器 是通过调节油液粘度特性而改变阻尼的：通过调节节流口当量面积来实现阻尼可调的 减振器主要有：机械控制式、气压控制式、电子控制式等，( 如圈12 ) ，还有一种干摩 擦式阻尼可调减振器例。 图1 2 可调阻尼战振嚣的霆式 f i g 12 1 m s o f a d j u s t a b l e s h o c k a b s o r b f r i 目* 线圈 * n 腱a * b e f o g ( 慧) 图1 3d c l p h i 公司生产的磁流变戒振器困1 4 l o r d 套司生产的e r f 和m r f 减振器 f i g 13 m r f d a m p e r p r o d u c e db y d e l p h l f i 9 14 e r f d a m p e ra n d m r f d a m p e rp r o d u c e db y l o r d 近年来，国内外在电流变液减振器和磁流变液减振器方面取得了较大的发展，也 有不少技术比较成熟的产品问世，如图1 3 和1 4 所示。其工作原理是通过改变电流和 磁场的强弱，使减振器内部的电流变液和磁流变液的粘度特性发生变化，进而改变减 振罂的阻尼特性。这两种减振器的阻尼可控性较好，可莲续调节阻尼，响应较快。目 j饲洲例秽，睁 一墨ul 气 。 江苏太擘硕士学位论文 前，美m 6 m 公司已在s c v i u e 、c r s 等车型上应用了磁流变减振器，在克菜斯勒3 0 ( 0 轿车上采用了智能感载可变阻，j n i v o m a t 减振器系统。 机械控制式可调阻尼减振器一般根据车轮载荷的变化来调节阻尼的大小，其结构 与悬架形式有关。2 0 0 4 年1 0 月奔驰公司在其a 级轿车中采用了两态机械阻尼可调减振 器，如图15 所示。该减振器内有附加阀宣，活塞将阀室分为两部分，当减振器处于较 缓和的运动状态时，活塞处于阀室的中间，一部分油液从其中流过。此时，减振器处 于“软”阻尼状态。当减振器受到较大的冲击运动时( 例如高速转弯) ，油液将括塞 向上、或向下推动，自动关闭油液支路，减少流通面积，减振器阻尼达到最大值瑚l 。 唏调 绝悃 拶 t 产_ 图1 6 r a n c h o 心司研制的可调阻尼减振器 f i g 16 a d j u s t a b l es h o c k a b s o r b c r d e s i g n e d b y r a n c h o 电子控制式可调阻尼减振器通常由传感器和执行机拇等组成，国内外许多高档轿 车卜已出现这类减振器，如图1 6 和图l7 所示。图1 6 为目前上海通用汽车公司新款 l a c r o s s e 轿车采用的c d c 减振器，全称为c o n t i n u o u sd a m p i n gc o n t r o l ，即连续阻尼控 制，其最快调节速度可达每秒1 0 0 次。国内各高校在电子控制减振器的研制方面也取 得了很大进展，其执行机构有采用置于减振器上方的步进电机驱动阻尼调节杆改变节 流口面积，从而调节减振器的阻尼特性。常见的可变节流口主要有两种形式：圆形小 江苏大学硕士学位论文 孔节流和矩形孔节流如图1 8 所示f 2 ”。这类减振器具有结构简单、控制方便的优点 可在被动式减振器基础上改制，研发周期短，成本较低。 薹 图l7s a c h s 生产的阻尼连续调节戒振器 f i g 17 c d c p r o d u c e db y s a c h s ( a ) 圆形小孔节流形式 ( b ) 矩形l - 孔节流形式 图1 8 两种典型节流口彤式 f i g i8 f o r m so f o r i f i c 国外还出现了涡流式减振器、应变感应式减振器、频率感应减振器和压电阻尼 t e m s 式减振器等，这些减振器通过传感元件可实现阻尼的安时可调。国内在可调阻 尼减振器研究方面也做了大量工作，如张庙康、陈无畏等人分别设计了不同的可调阻 尼减振器。吉林大学、北京理工大学、江苏大学等高校也对可调阻尼减振器做了比较 深入的研究，并取得了一些进展，如江苏大学研究的电子控制式可调阻尼减振器l 矧， 吉林大学研究的行程相关可调阻尼减振器【捌等。 1 4 减振器阻尼对转向与悬架性能耦合的影响 从系统工程的观点来看，任何事物都是相互联系的，因此考虑问题必须研究各个 子系统间相互制约和相互影响，也就是要从整体性、相关性上解决汽车的控制问题。 图1 9 所示为底盘各系统之间的相互影响。 江苏大学硕士学位论文 ( 控制功能) 悬架f 托移 ( 力) 怒絮力 峰tiiiil-n唪 li ： 灯作”1 i 耋基 i 飘例 ：l 1 t i：上l _ 转阳角 l i l _ 一_ t ：三三三三二ji 轮胎 l 一- l 一一l 毓；懈 l 一i l ( 运动) 跳动 j 纵倾 1 一 蒸 i 一 r 燕 1 一 淄向化移 轮胎转遽 = = 爿牵，j i 和制动力i = d 纵阳化移 ( 性钧 圈 圈 图1 9 底盘各控制系统间相互影响 f i g 1 9m u t u a li n f l u e n c eo fc h a s s i s c o n t r o ls y s t e m s 图中双重线条表示基本和直接的动作，实线表示间接影响，虚线表示约束条件。 可见，悬架的性能对整车其他子系统以及整车性能有着直接或间接的关系，如何协调 各部件产生的相互影响并使之朝着有利于整车性能的趋势发展，是目前集成控制亟需 解决的问题。文献f 2 5 1 提出了主动悬架和四轮转向系统的综合控制，在控制四轮转向 以改善横摆响应的同时，控制主动悬架以改善侧倾角响应，仿真结果表示其综合控制 可有效克服转向与悬架耦合的矛盾。文献f 2 6 1 提出了一种车辆四轮扭矩分配控制，优 化分配各轮上的驱$ u 动扭矩，提高车辆的操纵车辆稳定性。文献f 2 7 1 阐述了主动前轮 转向控制技术与电子稳定系统e p s 、防抱死系统a b s 和可变力矩分配系统v t d 的集成 控制的方法，提高车辆的侧向稳定性和操纵性能。 从图1 9 可以看出，改变减振器阻尼系数进而改变悬架力，对悬架位移、车轮的垂 直载荷和跳动都有直接影响，进一步会对转向系统的转向角、转向力以及车身的姿态 产生影响。国内外对于转向与悬架耦合关系的相关研究，主要集中在半主动悬架与转 向系统的集成控制方面。如文献 2 8 1 仿真比较了半主动悬架和电动助力转向集成控制 和单独控制对整车性能的影响，得出集成控制较单独控制可提高车辆操纵稳定性和行 驶平顺性的结论，但未分析悬架减振器阻尼变化对转向和悬架性能耦合的影响。文献 2 c | 1 提出了基于磁流变阻尼器的半主动悬架和电动助力转向系统协调控制方法，仿真 结果证明了该协调控制可有效改善车辆行驶平顺性和操纵稳定性，但未讨论减振器的 可变阻尼系数对车辆转向特性及整车其他性能的影响。 嚣圈国圜圜 江苏大学硕士学位论文 1 5 研究目的及主要内容 减振器作为悬架中的关键零件，对车辆行驶平顺性和操纵稳定性有重要影响。国 内外学者对可调阻尼减振器作了较深入的研究工作，取得了较丰硕的成果，但大多数 研究集中在半主动悬架改善车辆行驶平顺性以及半主动悬架中可调阻尼减振器阻尼 力的控制方面，而关于减振器阻尼系数变化对转向与悬架性能耦合及整车其他性能的 影响的研究较少。本文正是基于上述考虑，通过理论分析和试验研究，较系统地考察 和分析减振器的阻尼系数对转向与悬架性能耦合及整车其他性能的影响，为半主动悬 架的控制和底盘集成技术的研究与开发进行了基础性的研究。 本文的研究内容主要有： 1 简要介绍国内外关于半主动悬架与可调阻尼减振器的研究发展状况，确定了本 文的主要研究课题。 2 运用多体动力学分析软件s i m p a c k ，以c h 7 1 4 0 轿车为建模对象，建立整车虚 拟样机模型，并通过试验验证了模型的正确性。在此基础上，进行了转向轻便性试验、 不同车速蛇行试验、定速单侧脉冲路面输入平顺性试验三项试验仿真，分析了减振器 阻尼系数变化对转向盘力矩、操纵稳定性和行驶平顺性的影响。 3 介绍了一种节流口式可调阻尼减振器的结构和工作原理，对其性能进行了理论 分析与计算，在可调阻尼减振器样件台架试验结果的基础上，讨论了可调阻尼减振器 节流口当量面积设计上的关键问题，并提出了改进方案。 4 改进并制作可调阻尼减振器，对其进行台架试验，得出减振器特性曲线图，并 将其安装在试验样车上。分别进行了转向轻便性、4 0 k m h 车速蛇行和4 0 k m h 单侧脉 冲路面输入平顺性三项实车试验，考察了可调阻尼减振器的阻尼系数对转向轻便性、 操纵稳定性和行驶平顺性的影响。通过对试验结果的分析，验证仿真分析的结论。 江苏大学硕士学位论文 第二章整车多体动力学模型的建立与验证 实际车辆参数具有较强的非线性、不确定性和时变性，如橡胶元件、柔性金属杆 件等的特性参数，要建立相对精确的整车数学模型十分困难，计算量大且结果精度难 以保证。本章运用多体动力学仿真软件s i m p a c k ( v e r 8 8 ) ，建立三维多刚体整车动 力学模型，并通过实车试验验证所建立整车模型的正确性。 2 1 多体动力学及软件简介 2 1 1 多体动力学的发展 2 0 世纪6 0 年代，多体系统( m u t i b o d ys y s t e m ，简称m b s ) 动力学，在经典力学 基础上发展成为新的力学分支，它包括多刚体系当：动力学和多柔体系统动力学，是一 门研究多体系统运动规律的学科。机械系统的动力学仿真通常是研究系统各个刚体的 位移、速度、加速度与其所受力或者力矩的关系。而多体动力学仿真则将机械系统建 成一系列的刚体和柔性体，通过数学公式描述它们之间的拓普结构( t o p o l o g y s t r u c t u r e ) ，由程序来建立完整的动力学微分方程，由铰( i o i n t ) 和约束( c o n s t r a i n t ) 来定义各刚体间的运动关系。 这种多体系统的结构和连接方式多种多样，因而其动力学方程式一般都是高阶非 线形方程，特别是多柔体系统动力学的动力学方程一般是强耦合、强非线性方程，这 种方程目前只能通过计算机用数值方法进行求解。多体系统动力学是经典的动力学理 论同现代计算机技术相结合的产物，为此，也称之为多体系统计算动力学 3 0 - 3 2 。 2 1 2 多体动力学的研究方法 多体系统动力学研究内容可分为两类问题：第一类问题，可以表示为分析机械系 统在力的作用下如何运动，也称其为正动力学( f o r w a r dd y n a m i c s ) ；另一类问题，即 机械系统运动所需特定的运动是已知的，主要求解系统的作用力，又称逆动力学 ( i n v e r s ed y n a m i c s ) 。 8 江苏大学硕士学位论文 一般的机械系统属于完整的约束系统，对于完整约束系统的运动主要有三种基本 方法建立运动微分方程：牛顿一欧拉( n e w t o n - e u l e r ) 法、拉格朗日( l a g r a n g e ) 法 和凯恩( k a n e ) 法。 牛顿一欧拉法主要是考虑作用在所有分析物体上的约束力，根据作用在每个物体 上的力和力矩平衡条件写出系统的运动微分方程。该方法推导过程简单，缺点是微分 方程的数目巨大，特别是当将约束支反力包含在运动微分方程之中时。在计算大型复 杂的多体系统时效率较低。 拉格朗日法解决了描述约束系统的位形，以及建立运动微分方程的一系列根本性 问题。从实际使用角度看，拉格朗日方程提供了建立任意完整系统运动微分方程普遍 的、规范化的方法。它以广义坐标表达系统的运动，因而方程数目少，与自由度数目 相等，且约束力不出现在微分方程之中，给求解带来便利。缺点是要引入系统运动学 的动能和势能分量，需要分别求其导数，使得推导过程较为繁琐，对于解决大型复杂 多体系统更是困难。 凯恩法采用d a l e m b e r t 准则消除约束力，与牛顿一欧拉法相比，减少了许多不必 要的方程。凯恩法主要是解决自由度很大的多体系统的动力学问题，其特点既适用于 多体系统又适用于受约束的时间不相关的不完整约束系统。凯恩方程是一阶微分方 程，便于转化为标准形式，缺点是引入“广义速率”的概念，其选择需要一定的技巧， 而且求解计算刚体的速度和惯性率工作量也比较大【3 粥4 1 。 多刚体系统动力学各种方法的数学模型可归纳为纯微分代数方程组和微分一代 数混合方程组两种类型。对于数学模型的数值计算方法也有两种，即直接数值方法和 符号一数值方法。 在多体系统建模和求解过程，求解器是核心。求解器涉及所有的运算和求解，如 初使条件计算、方程自动组装、各种类型的数值求解等都由求解器支持，它提供了所 需的全部算法。 2 1 3 多体动力学软件 多体动力学仿真软件的发展主要是想解决在卫星、飞机和地面车辆的动力学研究 中面临的技术问题。通过运用动力学分析软件，可以快速和自动对各种复杂的机械多 江苏大学硕士学位论文 体系统进行运动方程的建立和求解。目前著名动力学分析软件主要有m s c a d a m s ( 具有汽车和铁路模块等) ，l m s v i r t u a l l a bm o t i o n ( 其前身为d a d s ，具有汽车模 块) 、s i m p a c k ( 具有汽车和铁路模块等) ；应用在机械人领域的主要r e c u r d y n 。 2 1 3 1s i m p a c k 软件简介 1 9 8 2 年德国航空航天局( d l r ) 成功开发了著名的多体系统动力学软件 m e d y n a ，它基于频域求解技术，是s i m p a c k 的早期雏形。1 9 8 5 年d l r 开发了基于 相对坐标系递归算法的s i m p a c k 软件，同时将多刚体动力学和有限元技术结合起 来，开创了多体系统动力学由多刚体向刚柔耦合的发展。1 9 9 3 年，以s i m p a c k 软件 为主要产品的i n t e c 公司成立。1 9 9 6 年，i n t e c 公司推出w h e e i 瓜a i l 铁道模块。次 年，i n t e c 公司和欧洲著名汽车公司m a n 、b e n z 、b m w 以及荷兰道路研究所t n o 合作推出了a u t o m o t i v e 汽车模块。 s i m p a c k 是机械机电系统运动学动力学仿真分析的多体动力学软件。利用 s i m p a c k 软件，工程师可以快速预测复杂机械系统整机的运动学动力学性能和系统 中各零部件所受载荷；可以像构筑c a d 模型一样，快速建立机械系统和机电系统的动 力学模型，包含铰、约束、各种外力或相互作用力，并自动形成其动力学方程，然后 利用各种求解方式，如时域积分，得到系统的动态特性、固有模态或频率等参数。 由于s i m p a c k 软件强大的运动学动力学分析功能，可建立任意复杂机械或机电 系统的虚拟样机模型，包括从简单的少数自由度系统到高度复杂的机械、机电系统( 如 链条、列车等) 。对于用户来说，s i m p a c k 软件可以被应用到产品设计、开发、优化 的任何阶段。 2 1 3 2s i m p a c k 软件特点与功能 s i m p a c k 软件的特点如下： 1 全新的递归算法、相对坐标系以及子结构建模方法； 2 快速、稳定、可靠的求解器； 3 完善强大的碰撞建模和求解功能； 4 独有的和控制分析软件( m a t l a b ) 双向的协同仿真技术； 江苏大学硕士学位论文 5 全参数化的机械系统和控制系统分析模型； 6 独有的源代码输出功能； 7 唯一可以进行多体系统实时仿真的技术； 8 快速高效、优化的弹性体建模和求解器； 9 完整、安全可靠的数据库管理技术； 1 0 专业标准化的数据结果处理技术； 1 1 功能强大的专业化模块。 目前，s i m p a c k 运用于汽车领域的主要功能( 汽车模块) 是： 1 整车动力学分析，包括：常规、极限驾驶操纵仿真，轮胎一地面相互作用，牵引、 制动设计，寿命预测，空气动力学，台架实验仿真等。 2 悬架系统：悬架性能预测和优化，车轮运动包络面设计，装配性能等。 3 传动系：换挡平顺性和变速箱设计，离合器、飞轮、传动轴支撑设计，轴承载荷 和寿命预测，变速器、分动器、差速器冲击仿真。 4 附属设备：车门、行李箱、发动机罩锁和杆系机构设计，车窗升降机构、天窗设 计，刮雨器机构设计，可移动座椅设计，安全系统设计( 气囊展开过程仿真) ， 安全带锁紧装置等。 2 2s i m p a c k 建模准备 2 2 1 模型参数的确定 本文以c h 7 1 4 0 轿车为研究对象，运用测量、计算、试验等方法获取了转向及整 车系统的主要参数，这些参数包括整车技术参数、尺寸( 几何定位) 参数、质量特性 参数( 质量、质心与转动惯量等) 、力学特性参数( 刚度、阻尼等) 等。 2 2 1 1 整车技术参数 整车的主要技术参数和规格如表2 1 所示。 江苏大学硕士学位论文 表2 1 整车的主要技术参数和规格 t a b 2 1m a i np a r a m e t e r sa n ds t a n d a r do ft h ec a r 2 2 1 2 尺寸参数 车辆底盘尺寸参数，主要指悬架系统、转向系统等的几何定位参数。根据多体系 统动力学理论，建立整车动力学模型时，需依据整车的结构型式，确定两者的铰接形 式，定义各运动部件之间的连接位置、相对角度等参数。 各运动部件的相对连接位置，应在统一的整车参考坐标系中测量。在无法测量某 些零件的定位参数时，可以根据己知的零件基本参数，如运动部件的几何外形参数与 车轮定位角等，通过计算和作图获得运动学参数。表2 2 所示为样车的前轮定位参数。 表2 2 样车的前轮定位参数 t a b 2 2f r o n tw h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e r s 参数名称( 单位)数值规格 前束( r a m ) 主销后倾角( d e g ) 主销内倾角( d e g ) 车轮外倾角( d e g ) 一1 + l 3 。0 0 _ + 1 。 1 1 。5 0 3 0 0 。0 0 l o 江苏大学硕士学位论文 2 2 1 3 力学特性参数 力学特性参数包括悬架弹簧、橡胶衬套、轮胎、减振器的参数，这些参数对整车 性能有直接的影响。 本文研究的轿车前、后悬架均采用双筒液力减振器。图2 1 所示为根据汽车筒式 减振器台架试验方法测得的原车被动减振器的示功图和力一速度特性曲线。 s i m p a c k 软件中拟合出的减振器力一速度特性曲线如图2 2 所示。 1 0 0 0 5 0 0 z r i t 0 厂 j ， 厂 图2 2 减振器速度一力特性拟合结果 f i g 2 2f i t t e dc u r v eo fs h o c ka b s o r b e r 该轿车悬架弹簧为圆柱形螺旋弹簧。根据圆柱形螺旋压缩和拉伸弹簧设计计算方 法得到弹簧刚度为：前悬架弹簧1 6 0 0 0n m ，后悬架弹簧1 3 0 0 0n m 。 江苏大学硕士学位论文 表2 3 轮胎参数 t a b 2 3t i r ep a r a m e t e r s 参数( 单位)参数值 直径( m ) 垂直刚度( n h a ) 垂直阻尼( n s m ) 滚动阻力系数 胎宽( m ) 额定胎压( k p a ) 考虑到建模的难度，轮胎的性能参数采用经适当修改的软件自带参数。试验车辆 轮胎的主要参数如表2 3 所示。 2 2 2 建模的假设与简化 汽车是一个复杂的动力学系统，为缩短建模时间并保证模型的高效性，对车辆的 结构进行适当的简化是十分必要的。本文对整车动力学模型作了如下假设和简化： 1 车身视为一个刚体，具有六个自由度，左、茗? 悬架( 包括转向横拉杆) 以汽车的 纵向中轴线对称。 2 除轮胎、橡胶元件外，其余零件均视为是刚体，在仿真分析过程中不考虑它们的 变形。 3 对刚体之间的柔性连接作适当简化，用衬套力来模拟实际衬套的动力学特性。 4 各运动副均为刚性，内部摩擦力忽略不计，内部间隙不计。 2 3 整车多体动力学模型 s i m p a c k 建模过程如下： 1 绘制物理模型的拓扑图，即多体系统中各物体的联系方式。首先将物理模型拆分 成多体系统( m