（光学工程专业论文）四轮空位的设计及其对整车稳态回转特性的影响.pdf

学位论文版权使用授权书 f f y 18 9 4 2 8 “2 。 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：。渤彳是 少f 1 年6 月伤同 指导教师签名薛合l m 年6t 只，弓b 四轮定位的设计及其对整车稳态回转 特性的影响 d e s i g no f f o u rw h e e l a l i g n m e n t a n di n f l u e n c e b r i n g st ov e h i c l e ，ss t e a d yt u r n i n gc h a r a c t e r i s t i c s 姓 2 0 1 1 年6 月 _。_。_-。1。一 江苏大学硕士学位论文 摘要 汽车稳态回转特性中的评定指标之一不足转向度是操纵稳 定性能中的关键因素，对整车的评价具有否定权。在悬架设计中发现， 前后悬架导向机构的结构及安装位置会对车轮定位参数的变化趋势 产生一定的影响，进而较大程度地影响了不足转向度。因此，本文提 出了通过优化四轮定位参数的变化趋势来改善整车不足转向性能的 方法。 本文所研究的内容均基于a d a m s c a r 软件平台。首先，依照实 际车辆以及厂家提供的参数建立前悬架和后悬架的备选方案，通过运 动学仿真得到部分定位参数、轮距、悬架侧倾中心高度、侧倾角刚度 等随车轮跳动位移的变化关系，并分析其合理性。然后建立整车的模 型，并按照g b t 6 3 2 3 6 汽车操纵稳定性试验方法一稳态回转试 验，将实车试验和模型仿真结果对比，验证其正确性。在此基础上， 仿真对比不足转向度，并选择出后悬架的最佳方案，得出结论：正确 的后悬架定位参数变化趋势能明显改善整车的侧倾稳定性能，相对而 言，后悬架的侧倾参数对结果的影响可以忽略。最后，以改善前悬架 定位参数、侧倾参数变化趋势和使各参数变化量之和最小为目标，使 用a d a m s i n s i g h t 软件优化前悬架部分硬点坐标，得到各参数对于目 标函数的灵敏度和优化后各参数的改善程度，并在整车模型中验证优 化后的结果增大了不足转向度。 关键词：稳态回转特性，不足转向度，车轮定位参数，优化设计 t 四轮定位的设计及其对整车稳态回转特性的影响 o n eo fe v a l u a t i o ni n d e x e so nv e h i c l e ss t e a d yt u r n i n gp e r f o r m a n c e d e g r e eo fu n d e r s t e e ri st h ek e yf a c t o ro fh a n d l i n gs t a b i l i t y , w h i c hh a st h e n e g a t i v ef i g h to fv e h i c l e se v a l u a t i o n d u r i n gt h ed e s i g no fs u s p e n s i o n ，i t w a sf o u n dt h a tt h es t r u c t u r ea n di n s t a l l a t i o ns i t eo fo r i e n t e di n s t i t u t i o n si n f r o n t r e a rs u s p e n s i o n sw o u l dp r o d u c ec e r t a i ne f f e c to nt h ec h a n g eo f w h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e r s ，w h i c hw o u l dg r e a t l ya f f e c tt h ed e g r e eo f p e r f o r m a n c e t h e n t h em e t h o df o r i m p r o v i n gs t e a d yt u r n i n g c h a r a c t e r i s t i c so fv e h i c l eb yo p t i m i z i n gt h ef o u rw h e e la l i g n m e n t sh a s b e e np r o p o s e di nt h i sp a p e r a l lt h ec o n t e n t si nt h i s p a p e r a r eb a s e do nt h es o f t w a r e - a d a m s c a r f i r s t l y , t h em o d e l so ff r o n t r e a l ；s u s p e n s i o n sa n dr e a r s u s p e n s i o n sa l t e r n a t i v eo f f e r sa r eb u i l ti nl i g h to ft h er e a lv e h i c l ea n di t s p a r a m e t e r sw h i c hw e r ep r o v i d e db ym a n u f a c t u r e r s ，a n dt h ec h a n g i n g r e s u l t sa n da n a l y s i so ft h ew h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e r s ，t h ew h e e lt r a c k ， t h er o l lc e n t e rh e i g h ta n dt h er o l lr a t e a l o n gw i t ht h ew h e e lt r a v e l d i s p l a c e m e n t sa r ea c q u i r e di nt h ek i n e m a t i cs i m u l a t i o n s s e c o n d l y , t h e w h o l ev e h i c l em o d e li sb u i l t ，a n di t ss i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o n t r a s t e dw i t h t h er e a lv e h i c l e st e s tt h a tw o u l dc o n f i r mt h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e l ， r e f e rt og b t6 3 2 3 6t h em e t h o do fv e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t yt e s t s t e a d yt u r n i n gt e s t a n dt h e n ，t h eb e s to n eo fr e a rs u s p e n s i o n sa l t e r - 1 1 i 四轮定位的设计及其对整车稳态回转特性的影响 n a t i v eo f f e r si sc h o s e nd e p e n d i n go nt h ed e g r e eo fu n d e r s t e e ri nt h e c o m p a r a t i v es i m u l a t i o n s t h ec o n c l u s i o no ft h e s er e s u l t si s ：t h ec o r r e c t c h a n g i n go fw h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e r s o fr e a rs u s p e n s i o nc a no b v i o u s l y i m p r o v et h ev e h i c l e sr o l ls t a b i l i t yp e r f o r m a n c e ，a n dt h er o l lp a r a m e t e r s c o u l db ei g n o r e dr e l a t i v e l y l a s t l y ，a d a m s i n s i g h ti su s e dt oo p t i m i z e t h eh a r d p o i n t so ff r o n ts u s p e n s i o na i m e da ti m p r o v i n ga n dm i n i m i z i n g t h ew h e e la l i g n m e n ta n dr o l lp a r a m e t e r s b e s i d e s ，t h es e n s f f i v i t yo fe v e r y p a r a m e t e ra n dt h ea m e l i o r a t e ds t a t u sa r eo b t a i n e da f t e ro p t i m i z e d ，w h i c h a r ep r o v e dt oi n c r e a s et h ed e g r e eo fu n d e r s t e e ri nt h ew h o l ev e h i c l e m o d e l k e y w o r d s ：s t e a d yt u r n i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，d e g r e eo fu n d e r s t e e r , w h e e l a l i g n m e n tp a r a m e t e r s ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 l 1 1 本课题研究的目的和意义1 1 2 四轮定位参数的国内外研究概况2 1 2 1外倾角和前束3 1 2 2 主销内倾角和主销后倾角6 1 3 课题来源与主要研究内容7 第二章a d a m s 软件及其研究方法的介绍 8 2 1a d a m s 概j 苤8 2 1 1a d a m s 软件简介8 2 1 2a d a m s c a r 介绍8 2 2a d a m s 软件的理论基础9 2 2 1广义坐标的选择9 2 2 2 动力学方程的建立。9 2 2 3 运动学分析1 0 2 2 4动力学分析1 1 2 2 5静力学分析1 3 2 3 本章小结1 3 第三章微型汽车前后悬架模型的建立及仿真计算1 4 3 1 微型汽车前悬架模型及仿真计算1 4 3 1 1前悬架刚柔耦合模型的建立。1 4 3 1 2 前悬架模型的运动学仿真及分析。：1 8 3 2 微型汽车后悬架模型及其仿真2 5 3 2 1后悬架刚柔耦合模型的建立2 5 3 2 2 后悬架模型的运动学仿真及分析2 9 3 3 本章小结。3 4 第四章整车模型的建立及运动学仿真。3 5 4 1 整车模型的建立3 5 v 四轮定位的设计及其对整车稳态回转特性的影响 4 1 1 转向系统模型的建立3 6 4 1 2 车身模型的建立3 6 4 1 3动力系统模型的建立3 7 4 1 4 轮胎与道路模型的建立3 7 4 1 5整车模型的组建3 8 4 2 整车模型的试验验证3 9 4 2 1 稳态回转试验3 9 4 2 2转向回正性能试验4 l 4 3 拖曳臂的选择4 2 4 3 11 号与2 号拖曳臂对比4 2 4 3 22 号和3 号拖曳臂对比4 3 4 3 32 号和4 号拖曳臂对比4 4 4 3 4综合对比4 6 4 4 本章小结4 6 第五章前悬架参数的优化设计 4 7 5 1 优化方法介绍4 7 5 2 优化过程4 8 5 2 1 优化目标的设定4 8 5 2 2 设计变量的选择4 9 5 2 3各设计参数对优化目标的灵敏度分析4 9 5 2 4设计变量的优化结果5 2 5 3 优化结果对比5 4 5 4 本章小结5 5 第六章总结与展望 6 1 总结5 6 6 2 展望5 6 参考文献 致谢 攻读硕士学位期间发表的学术论文 5 8 6 l 6 2 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 汽车经过一百多年的发展，已经成为生活和生产各个方面必不可少的一部 分。在汽车普及的同时，人们对它的要求越来越高，除了要求获得良好的动力性 和燃油性，还要求获得良好的操纵稳定性和行驶平顺性。在对操纵稳定性的研究 中，汽车底盘是主要的研究对象，其中悬架系统中导向机构与四轮定位参数的匹 配对操纵稳定性具有重要意义。近年来，对底盘性能的分析通常采用模型分析法， 而汽车模型的建立也经历了从简单到复杂的过程，从最初的低自由度、纯线性刚 体模型发展到现在包含惯性、弹性、阻尼、柔体等动力学特性的多自由度、非线 性模型【1 1 。 目前应用多体系统动力学方法建立整车动力性模型已经比较成熟。它包括两 种方法，一种是多刚体系统动力性理论，另一种是多柔体动力性理论。在整车动 力学建模分析过程中，对刚体特点明显的构件应用多刚体系统动力学理论建立模 型，对柔体特点明显的构件应用多柔体系统动力学理论建立模型，而对刚性和柔 性这两者特征都有但都不很明显的构件往往是这两种方法联合应用。 本文主要研究内容是，在多体系统动力学软件a d a m s c a r 的基础上，建立 某微型轿车的刚柔耦合模型，通过试验与计算的验证和优化，调整该微型轿车的 四轮定位参数以及导向机构的安装位置，以达到增加不足转向度的目的，改善该 车的侧倾稳定性能。 1 1 本课题研究的目的和意义 汽车操纵稳定性是影响汽车行驶安全性的重要因素之一。对操纵稳定性的 评价，目前已有许多符合i s o 标准的试验，如稳态回转试验、蛇形试验、回正 试验等。其中稳态回转试验是最常用的测试操纵稳定性的方法，其主要目的是测 试车辆的行驶动态参数与侧向加速度的关系，并由此确定汽车的稳态回转特性 闭。在操纵稳定性的评价中，稳态回转试验具有对所有操纵稳定性试验的否决权。 稳定性因素k = f t n f 一，是表征汽车稳态响应的一个重要参数。稳态 四轮定位的设计及其对整车稳态回转特性的影响 响应有三种类型：k = 0 的汽车为中性转向汽车；具有k 0 特性的汽车称为不 足转向汽车，k 值越大，不足转向量越大；反之，具有k 0 特性的汽车称为过 多转向汽车，k 值越小，过多转向量越大。过多转向汽车达到临界车速时将失去 稳定性，只要极其微小的前轮转角便会产生极大的横摆角速度。这意味着汽车的 转向半径极小，汽车易发生激转而侧滑翻车。由于过多转向汽车有失去稳定性的 危险，故汽车都应具有适度的不足转向特性【3 】。 汽车发生过多转向的因素有很多，大致归为以下几点： 1 1 车体质量分配不平衡：平衡的车体质量分配应该为前后5 0 ：5 0 ，如果车体前 部质量小于后部( 质量分配 5 0 ：5 0 ，如6 0 ：4 0 ) ，车辆将表现为转向不足。 劲轮胎气压后轮气压高于前轮时，容易发生不足转向。反之，容易发 生过多转向。前后轮气压都提高，有可能发生中性转向。 3 1 前后轮前束值、外倾角车辆行驶时，如果前后轮前束值、外倾角发 生变化，使轮心前进方向发生变化，这与轮胎侧偏具有相同的效果，会使车辆的 稳态特性发生变化。 4 ) 车身侧倾引起的左右车轮垂直载荷再分配由于轮胎侧偏刚度一般随 垂直载荷的增大而增大。车身侧倾引起左右车轮的垂直载荷横向转移，使左右车 轮的平均侧偏刚度降低，而且转移的载荷越大，平均侧偏刚度降低越多。如果前 轮的左右载荷转移较大，则前轮的平均侧偏刚度下降较多，前轮的侧偏角比后轮 的大，车辆就趋于不足转向特性；反之就是过多转向特性。 可见，汽车产生过多转向的原因会有很多，单一解决个因素并不一定能 够解决过多转向的问题，而且有可能会带来其他性能的问题。因此，在设计悬架 和定位参数的时候，不仅要考虑他们各自给整车性能目标的贡献，还要考虑到他 们之间的匹配问题。 四轮定位参数和侧倾参数是影响整车操纵稳定性中的重要因素，与整车的 特性参数密切相关，本文将重点研究四轮定位参数对整车稳态回转特性的影响。 1 2 四轮定位参数的国内外研究概况 2 四轮定位分为前轮和后轮的定位参数，一直以来，主要研究的是前轮定位 江苏大学硕士学位论文 参数，包括前轮的外倾和前束、前轮的主销内倾角和后倾角。在现代汽车中，后 轮也具有了外倾角和前束，可以提高前后轮运动轨迹的重合性，从而减小汽车在 不良道路上行驶时的滚动阻力，提高汽车的附着力，使前后轮相对横向滑移量减 小，轮胎的偏磨损减轻，同时也可以减轻后桥外轮毂轴承的负荷，防止后轮向外 脱出，提高汽车的行驶速度和安全性【4 】。同时，后轮的前束和外倾变化对于改善 整车的操纵稳定性也具有一定的帮助。 汽车发展到如今，汽车四轮定位参数的确定仍然是困扰汽车企业设计的难 题，不仅要消耗大量的人力、物力，而且产品的设计周期相当长，确定的数值也 不够精确，给设计带来一定的盲目性。而前轮定位参数设计是否合理，将直接影 响到车辆的操作稳定性能，从而影响到整车的优劣。例如主销后倾角和内倾角将 直接影响到车辆的回正性、直线行驶稳定性和高速制动时方向稳定性、转向轻便 性；前轮的外倾角和前束值的合理匹配将直接影响到前轮的侧滑和异常磨耗，也 影响着整车侧倾转向的情况，也就会间接地影响车辆的动力性和燃油经济性 【5 】【6 】【7 】【8 】。 前轮定位参数主要包括前轮的前束值和外倾角，主销内倾角和主销后倾角。 主销内倾角和外倾角的和值称为包容角。它们的主要作用是保证车辆直线行驶的 稳定性以及转向轻便性，并使车辆在转弯行驶后能迅速回正。同时前束和外倾角 的匹配，关系到车辆行驶过程中轮胎的磨损。 1 2 1外倾角和前束 车辆前轮外倾角和前束值是前轮定位中两个重要的参数。外倾角的设计是 为了补偿前悬架受载荷影响而变形所需的前轮正外倾角，减少轮胎的磨损； 由于路面对车轮的垂直反作用力沿轮毂的轴向分力使轮毂压向轮毂外端的小轴 承，会加重了外端小轴承及轮毂紧固螺母的负荷，外倾角的作用可以减小这一磨 损，增加零件的使用寿命；与拱形路面相适应的i j 轮正外倾角。而在现代汽车 中，由于车速的不断提高，为了抵消车辆在高速转弯时因较大的离心力造成的正 外倾角，而将外倾角初始设为负值1 4 】。但在本文研究的低速微型车中，仍然使用 正外倾角。 车轮在正外倾角的作用下会产生类似于滚锥的运动，从而导致两侧车轮向 外滚开。而前束值的设计就是为了克服外倾带来的轮胎磨损，并保证车轮纯滚动 3 四轮定位的设计及其对整车稳态回转特性的影响 和直线行驶。因此，前束值和外倾角之间存在一定的匹配关系。 文献【9 】在假设前束和外倾角产生的侧向力相互抵消的前提下，推导的前束 和外倾角合理匹配关系为： z ：警( 1 - 1 ) 2 r r 前束值，m m ；d 测量前束处的轮辋直径，m m ； y 前轮外倾角，r a d ；，轮胎的滚动半径，m m ； z 轮胎接地印迹长度，m m ，可选用匈牙利学者科曼第( c - k o m a n d i ) 推荐 的半经验公式： z = 1 7 4 ( d a ) a ( 1 2 ) d 前轮轮胎名义外径，m m 转向轮胎在前桥垂直载荷作用下的径向变形量，m m =等筹(1-3)b 一 d o 期p 舳 式中c 系数，普通斜胶轮胎c = 7 2 2 ，子午线轮胎c = 1 1 2 k 系数，0 0 0 1 5 b + o 4 2 6 轮胎断面宽度，m m g l 车辆前桥垂直载荷， p 轮胎气压，m p a 事实上，在考虑l j 束角侧偏滚动时要涉及轴距的影响，但( 1 1 ) 式没有考虑 车辆轴距的影响，因此推导的计算公式影响了前束值和外倾角的匹配。 文献【1 0 】在假设轮胎为刚体的前提下，推导的前轮前束和外倾角的关系： 丁：黑y ( 1 - 4 ) r p ，+ 4 ，三 式中工车辆轴距，m m ；缈仅有外倾角时车轮印迹长度对应的圆 心角，t a d 。 该公式中对不同的车型参数缈要取不同的值，但f o 不易确定。而且将轮胎 看作刚性的，没有考虑轮胎的性能，影响了计算精度。 4 江苏大学硕士学位论文 文献【1 1 】推导的前轮前束值和外倾角合理匹配公式为： z = 坐专s 幽i n y ( 1 - 5 ) z - 、， 该式没有考虑在前轮前束侧偏滚动时要考虑的轴距影响，因此计算的结果 偏大。 文献【1 2 】中介绍的前束值与外倾角的匹配公式 z ：堡黑厂( 1 - 6 ) r ( 4 l + z ) 该式考虑了轮胎与地面接地印迹长度和车辆轴距的影响，根据前轮外倾角 和前束的侧滑机理推导了前束值和外倾角合理匹配关系的计算公式，提高了计算 精度【1 2 1 。 2 0 0 6 年，延边大学的孙吉树从车轮前束值和外倾角对轮胎磨损的影响中得 到，当车轮前束和外倾角产生的侧向力相等时，前束是影响轮胎磨损的主要因素， 即使前束值偏离标准值较小，也会导致轮胎严重磨损。因此，在实际检测调试中， 只追求前束和外倾角产生的侧向力相互抵消的观点是值得商酌的【1 3 1 。 2 0 0 8 年，刘勇彪、简晓春等分析了前轮外倾角和前束值两者的关系及两者 对车轮磨损的影响，通过建立的前悬架模型仿真了原有的车轮定位参数在实际运 动中的变化，对模型车的前轮定位参数进行了优化设计，给出了一种更方便和直 接的确定前轮定位参数最优值的方法【1 4 1 。 外倾角和前束值不仅有以上的用途，在车辆侧倾时，它们各自对车辆的操 纵稳定性能起到了重要的作用。 1 9 9 2 年，同本的安部正人在汽车的运动和操纵一书中阐述在车厢侧倾 时，因悬架形式的不同，车轮外倾角会有三种变化情况：保持不变，沿地面侧向 反作用力作用方向倾斜，沿地面侧向反作用力作用方向的反方向倾斜。非独立悬 架的车轮在车厢侧倾时保持垂直状态，外倾角保持不变；独立悬架中有的车轮倾 斜方向与地面侧向力的方向相反，有增大侧偏角( 绝对值) 的效果，作为前桥可 以增大车辆的不足转向度；有的在小侧向加速度时，车轮倾斜方向与地面侧向力 相同，有减小侧偏角的效果，作为前桥会减小车辆的不足转向度。独立悬架即使 是同样的悬架方式，由于其连杆配置的不同，侧倾转向的方向和大小也会发生很 四轮定位的设计及其对整车稳态回转特性的影响 大的变化【1 5 】。车厢侧倾引起的车轮外倾角的变化：y ：皇上西，其中旦为车厢 。 锄，。舯， 侧倾引起的外倾角变化率【( 。) ( 。) 】，称为侧倾外倾系数。轿车的前侧倾外倾系数 ( 翥t ，不足转向的范围是n 6 1 加盘8 0 ( o ) ，后侧倾系数( 蠹：，过多转向的范围 是0 加8 6 。“。_ ) 【3 】。 而前束值的作用就在于侧倾转向中。在侧向力的作用下车厢发生侧倾，由 于车厢侧倾所引起的前转向轮绕主销的转动、后轮绕垂直于地面轴线的转动，及 车辆转向角的变动，称为侧倾转向。车轮转向角的变化就表现在前束值的变化中。 如果转弯行驶时，前外侧车轮的前束减小，车轮向外转动；前内侧车轮的前束增 加，前车轮向汽车纵向中心线方向转动，这样，车辆的侧倾转向增加了不足转向 度【3 】。 1 2 2主销内倾角和主销后倾角 主销内倾角与主销后倾角的设计主要是为了提供前轮转向后的自动回正能 力，使车辆保持直线行驶的稳定性。 主销后倾角主要是保证在高速行驶时的回j 下性能，它起先用于自行车，直 到目前自行车仍然使用较大的前叉后倾角，以保证其前轮的回正性能，后来又逐 渐应用于拖拉机及汽车的前轮上。2 0 世纪初，德国察特林从车辆前轮转向自动回 正出发，计算出后倾角最好为1 5 。，大的主销后倾角加大了前轮绕主销的回正力 臂，因此前轮转向后回正能力加强。后来前苏联学者曲达可夫也肯定了这个数据 【1 6 】【1 刀。但是，他们只考虑了回正速度而没有考虑这么大的后倾角的负作用，即 驾驶员操纵费力，前轮容易摆振等，通过长期的实践证明该推荐值显然过大。2 0 世纪5 0 年代，随着车用轮胎结构和性能的改善，车辆广泛采用低压轮胎后，轮胎 拖距增加，车辆普遍减小了主销后倾角。2 0 世纪6 0 年代，前苏联学者巴比考进 行了拖拉机前轮定位参数与前轮摆振及操纵力影响的研究，通过单因素的分析得 知主销后倾角与摆振有密切关系。6 0 年代中期，解放牌汽车出现i j 轮摆振且异 常磨损现象，对其进行了理论与试验研究【埘。结果表明，这是由于解放牌汽车 前轮定位参数取值不合理造成的，并通过改变前束值的大小解决了上述问题。 2 0 世纪7 0 年代未，清华大学汽车教研室进行了前轮定位参数对车辆摆振影 响的研究，通过试验测取了前轮外倾角和主销后倾角与前轮摆振振幅关系曲线， 6 江苏大学硕士学位论文 试验表明对前轮摆振影响较大的前轮定位参数主要是主销后倾角和车轮外倾角。 随着主销后倾角的增加，前轮摆振峰值增加；随着外倾角的增加，前轮的摆振峰 值减小；摆振峰值对前束值较为敏感，摆振峰值随着前束值的增加而增大，而主 销内倾角对其影响较小【1 8 1 1 9 1 1 2 0 l 。 主销内倾角仍然采用较大的数值，以保证车辆低速转向时的回正性能、转 向轻便性、高速制动时的方向稳定性及增大主销偏移距，改善车辆的横向稳定性 2 2 1 o 2 0 0 6 年，靳立强，宋传学等人通过分析作用于汽车转向轮上的转向力矩推 导了转向轮回正力矩和转向阻力矩计算模型，并根据此模型得出了转向阻力矩及 车轮回正时残余横摆角速度与前轮定位参数的函数关系，提出了考虑回正性能和 转向轻便性的主销内倾角与后倾角的优化设计理论【矧。 1 3 课题来源与主要研究内容 本课题来源于某公司与江苏大学合作的微型汽车项目。研究确定以虚拟样 机技术为核心，以机械系统动力学仿真软件a d a m s 为平台，并利用有限元软 件与a d a m s 软件的接口文件，分别建立前后悬架及整车的刚柔耦合模型，在 建模过程中充分考虑各个系统的详细结构参数和约束情况。然后，对前悬架及后 悬架的4 个备选模型分别进行轮跳仿真，分析四轮定位参数的变化趋势及其对整 车稳态回转特性的影响。并根据汽车试验的国家标准，对整车模型进行稳态回转 和转向回正性仿真，与实验结果进行对比，验证其正确性。在此基础上选择出最 合适的后悬架模型，并通过优化前悬架的关键硬点坐标，研究这些参数对整车稳 态回转特性的影响，进而对车辆四轮定位参数的设计带来一定的指导意义。 该课题为车辆稳态回转特性的研究拓展了深度，是车辆研究中被忽略但是 很重要的方面。大多数文献中提到过整车稳态回转特性的问题，但均没有系统地 研究分析总结。本文利用前人研究的结论，再结合汽车设计中的相关理论，系统 地得出四轮定位对稳态回转特性的影响及解决办法，为底盘设计带来新的要素。 7 四轮定位的设计及其对整车稳态回转特性的影响 第二章a d a m s 软件及其研究方法的介绍 2 1a d a m s 概述 2 1 1a d a m s 软件简介 a d a m s ，即机械系统动力性自动分析系统( a u t o m a t i cd y n a m i c a n a l y s i so f m e c h a n i c a ls y s t e m ) ，是美国m s c 公司开发的世界上最优秀、最具权威的机械动 力性仿真分析软件。 a d a m s 软件采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日方 程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、动力学和运动学分 析，以及线性和非线性动力学分析，包括刚体和柔体分析，自动输出位移、速度、 角速度、加速度、角加速度和反作用力，仿真结果显示为动画和曲线图形。 a d a m s 软件一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非 常方便地对虚拟机械系统进行静力学、动力学和运动学计算；另一方面，又是虚 拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户 进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台【2 6 1 。 2 1 2a d a m s c a r 介绍 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、快捷地在标准模式下创建悬架组合和整 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。用户可以利用铷附蝴s c a r 提供的子系 统标准模板进行建模作业，在a d a m s c a r 中向用户提供了大量在轿车上常用组 件的模板，如双叉臂悬架、麦弗逊悬架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模式建立 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 8 江苏大学硕士学位论文 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， 子系统则需要在模板中建立。因此，模板是建模的主要基础。 利用削附蝴s c 盯可以使工程师们的工作快速而精确，有更多的时候集中 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【韧： 1 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。 劲与物理样机的试验相比，使用a d a m s c a t 评价改进设计后的效果，快 捷而且成本低廉。例如，要改变弹簧的刚度并评估效果时，单击鼠标就可以代替 机工的拆装和再试验。 3 ) 快速、方便地改变试验的种类，无须重新装置仪表、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 1 与真实试验相比，虚拟试验没有任何危险性。 2 2a d a m s 软件的理论基础 2 2 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 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伍= 瞻弘石谚西， 即每个刚体用六个广义坐标描述。由于采用了不独立的广义坐标，系统动力学方 程组数量最大，同时也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 9 2 9 1 1 3 0 。 2 2 2 动力学方程的建立 a d a m s 程序采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程1 2 6 ( 3 1 】 ，丢( 詈丁一( 考) r + 鳄p + 鳄一q = 。 1 纰力= o ( 2 1 ) i 磊f ) = o 其中， 矽( 留，t ) = 0 为完整约束方程； 9 四轮定位的设计及其对整车稳态回转特性的影响 以q ，口，t ) = 0 为非完整约束方程； z 系统动能：t = - 丢似y y + j 功 m 质量列阵；l ，广义速度列阵；j 转动惯量列阵； 缈广义角速度； g 系统广义坐标列阵； q 广义力列阵； p 对应于完整约束的拉式乘子列阵。 把式( 2 1 ) 改写成一般形式： i f ( 仍b 吃元f ) = o g ( 峙旬= 1 ，一口= o ( 2 2 ) i * ( q , t ) - - o 式中，口，广义速度列阵； 五约束反力及作用力列阵； f 系统动力学微分方程及用户自定义的微分方程； 描述完整约束的代数方程列阵； g 描述非完整约束的代数方程列阵。 2 2 3 运动学分析 运动学分析主要研究零自由度系统的位置、速度、加速度和约束反力，因 此只需要解系统约束方程： o ( q ，f ) = o( 2 3 ) 用吉尔( g e a r ) 预估校j 下算法可以有效地求解上式。根据当前时刻的系统状态 矢量值，用t a y l o r 级数预估下一个时刻系统的状态矢量值： y 矿以+ 鲁 + 去鲁“( 2 - 4 ) 式中：时间步长h = 乙q 一乙 这种预估算法得到的新时刻和系统状态矢量值通常不准确，如果式( 2 3 ) 右 边的项不等于零，可由吉尔( g e a r ) “1 阶积分求解程序( 或其他向后差积分程序) 江苏大学硕士学位论文 来校正。 七 以h = 而风丸+ l + 呸咒。+ 1 式中：只h y ( ，) 在f = 厶h 时的近似值； 反，呸g e a r 积分程序的系数值。 重写式( 2 5 ) 得 ( 2 - 5 ) 虮= 一面1 【允h 一善k 呸】 ( 2 - 6 ) 将式( 2 - 3 ) 在t = 乙h 时刻展开，得： c d ( q 。+ l ，乙+ 1 ) = 0( 2 - 7 ) 任一时刻乙位置的确定，可由约束方程的牛顿拉弗逊( n 喇o n r a p h s o n ) 迭代方法求得： 剖，岘一( 乙) 式中：幻，= q j + q ，表示第j 次迭代。 ( 2 8 ) 乙时刻速度、加速度的确定，可由约束方程求一阶、二阶时间导数得到： 睁詈 ( 若弘= 一 拿+ 喜喜等吼宝+ 昙( 署弘+ 若( 詈 g 功 乙时刻约束反力的确定，可由带乘子拉格朗日方程得到： 2 2 4动力学分析 ( 嚣 r 见= 一丢( 詈) r + ( 吾) r + q ) ( 2 - 1 0 ) 介绍一种微分代数方程的求解算法。 根据当前时刻的系统状态矢量值，用t a y l o r 级数预估下一个时刻系统状态 1 l 四轮定位的设计及其对整车稳态回转特性的影响 矢量值。将公式( 2 2 ) 毛et = h 时刻展开，得： 卜。训“一妻 - 0 p l 。( ，) = o a d a m s 使用修正的牛顿拉弗逊心e 、釉n r a p h s o n ) ：迭代方法求解上面 的非线性方程，其迭代校正公式为： 厂+ 詈匀，+ 等+ 詈钙+ 瓦a f 乃- - _ 甲鼍”詈觚_ 0 ( 2 _ 1 2 ) l 叩著盼。 其中，_ ，表示第歹次迭代， a q j = q ，+ 1 一q i ，a v j = + l y j ，乃= 乃+ 1 一乃 由公式，得到：鹄= 一( 去 知， 由从船得到：吾- ( 剖，署= ， 将公式( 2 _ 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 代入公式( 2 - 1 2 ) 得到： 阱目 公式( 2 - 1 6 ) 左边的系数矩阵称为系统的雅可比矩阵。 式中：罢系统刚度矩阵( 力相对广义坐标的雅可比矩阵) 钾 _ a f 系统阻尼矩阵( 力相对广义速度的雅可比矩阵) d p ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) 翌田 o o 塑踟 懈箜加 。 堡加 塑加)堡钾训塑却吾糊滢 江苏大学硕士学位论文 筹系统质量矩阵( 力相对广义加速度的雅可比矩阵) d ， 通过分解系统雅可比矩阵( 为了提高计算效率，, m 3 a m s 采用符号方法分解 矩阵) 求解舰、a v j 、乃，计算出q 川，l ，州，乃h ，圣，h ，驴j + 1 ，t h ，重复 上述迭代校正步长，直到满足收敛条件。最后是积分误差控制步骤，如果预估值 与校正值的差值小于规定的积分误差限，接受该解，t = t - ! - h ，进行下一时刻的 求解；否则拒绝该解，并减少积分步长，重新进行预估校正过程。 总之，微分代数方程的求解算法是重复预估、校正、进行误差控制的 过程，直到求解时间达到规定的模拟时间。 2 2 5静力学分析 对应于上面的动力学分析过程，在进行静力学、准静力学分析时，分别设 速度、加速度为零，则得到静力学方程： 2 3 本章小结 胤= 鼢 ( 2 - 1 7 ) 本章将论文研究所涉及到的多体系统运动学、动力学研究方法做了系统的阐 述，并简单介绍了a d a m s 软件的界面、模块、建模仿真的一般方法。 vlj 翌o ， 堡硇塑幻 四轮定位的设计及其对整车稳态回转特性的影响 第三章微型汽车前后悬架模型的建立及仿真分析 本课题研究的某微型汽车采用的结构为：前悬架为麦弗逊式，参照奇瑞 q q s l l 的前悬架，后悬架为拖曳臂式；齿轮齿条式转向结构；前置前驱；四轮 盘式制动器。 运用a d a m s 软件建立的汽车整车、悬架、转向系统的多体动力学模型， 不仅能详细的显示出悬架、转向系统、车身等部分零部件及其之间的连接关系， 还能考虑到连接件的柔性及部分零部件的柔性，使整车模型能更加接近实车。 a d a m s 建模时根据车辆的结构需要进行适当的抽象和简化，对整车模型 做出以下假设【3 2 】【3 3 】【3 5 j ： 1 ) 除了轮胎、阻尼元件、弹性元件、橡胶元件以外，所有零部件看作是刚 体，各运动副均为刚性连接，忽略运动副内部摩擦以及内部间隙； 2 1 刚体之间的连接柔性体做适当的简化，用线性或非线性的弹性橡胶衬套 ( b u s h i n g ) 来模拟实际工况下的动力学特性； 3 ) 动力传动系统作相应简化，只考虑传动系半轴以后的动力传递，即驱动 力矩直接加在等速万向节处； 4 ) 簧载质量看作一个刚体，具有六个自由度。 3 1 微型汽车前悬架模型及仿真 3 1 1前悬架刚柔耦合模型的建立 前桥为驱动桥，悬架结构为麦弗逊式独立悬架。这种悬架结构的突出特点 在于将导向机构及减振器装置集中到一起，将多个零件集成在一个单元里。不仅 简化了结构，减少了质量，还节省了空间，降低了制造成本，并且几乎不占用横 向空间，有利于车身前部地板的构造和动力系统的布置，特别适合用于前置前驱 的微型车。 本文研究的微型汽车前悬架采用一字臂作为下摆臂，并有与下摆臂相连接 的横向稳定杆，同时起到横向稳定和纵向推力的作用，如图3 1 。这种悬架的缺 点是横向稳定杆的安装位置和安装方式对整车的操纵稳定性的影响很大，设计要 1 4 江苏大学硕士学位论文 考虑的因素很多。不仅如此，麦弗逊悬架稳定性、抗侧倾性和制动点头能力相对 其他悬架结构较弱，悬架运动时，四轮定位参数易发生变化。 图3 。1 某微型汽车前悬架结构 p i c t u r e3 1t h ef r o n ts u s p e n s i o no fo n em i n i - c a l f 在削d a m s c a r 中建模时，麦弗逊式