（车辆工程专业论文）基于adams的五连杆悬架性能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 汽车悬架系统是传递车身与轮胎之间各种力和力矩的连接装置。该系统 是由弹性元件、减振器、导向机构及横向稳定杆组成，分别起缓冲、减振、 导向及改善侧偏刚度的作用。悬架系统作为汽车底盘上的重要系统，其性能 好坏同整车性能有着直接的联系。 论文对悬架运动学进行了介绍，分析了其特性对整车性能的影响。同时 介绍了影响整车特性的悬架参数，及这些参数的变化趋势和范围。介绍了对 悬架进行运动学分析的方法：仿真分析法和台架实验法。 作为一种新颖的悬架结构形式，五连杆悬架由于其性能方面的优越性， 逐渐得到广泛的应用。论文基于a d a m s 平台及某车型原双横臂后悬架，对 悬架机构进行改进，设计了改进型双横臂后悬架；考虑五连杆悬架独特的性 能优势，提出一种针对五连杆悬架的结构设计方法，设计出了五连杆后悬架。 接着基于a d a m s c a r 建立了三种悬架仿真模型。针对五连杆悬架，研究了 其运动学分析方程。然后利用论文所介绍研究悬架特性的方法对其进行分析。 通过分析比较，得出五连杆悬架作为后悬架使整车具有良好的行驶稳定性。 本文对五连杆悬架的改进设计主要针对悬架在轮跳实验中的刚度变化进 行。首先基于a d a m s i n s i g h t 对影响刚度变化的结构点进行了灵敏度分析， 改变相应硬点坐标值，使刚度变化更为平缓。基于a d a m s c a r 的虚拟样机 整车仿真研究了后悬架为原车双横臂悬架、优化前五连杆悬架、优化后五连 杆悬架三种车型在i s o 国际标准下的整车稳态特性。对比分析得出经过改进 设计后五连杆后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 、a d a m s i n s i g h t 、稳态特性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ev e h i c l es u s p e n s i o ns y s t e mi sac o n n e c t i n gd e v i c e w h i c ht r a n s m i t v a r i o u sf o r c ea n dt o r q u eb e t w e e nb o d ya n dt i r e t h ev e h i c l es u s p e n s i o ns y s t e mi s c o n s i s t e do fs p r i n g 、d a m p e r 、o r i e n t e df r a m e w o r ka n da n t i r o l lb a r , w h i c hp e r f o r m t h ef u n c t i o n so fs h o c k a b s o r b i n g ，g u i d i n ga n da m e n d i n gl a t e r a ls t i f f n e s s a st h e m o s ti m p o r t a n ts y s t e mi nv e h i c l ec h a s s i s ，t h ep e r f o r m a n c eo fs u s p e n s i o nh a s d i r e c ti n f l u e n c eo fv e h i c l ep e r f o r m a n c e t h ec h a r a c t e r i s t i c sa b o u tk i n e m a t i c so fs u s p e n s i o na r eb r i e f l yi n t r o d u c e d a n dt h es u s p e n s i o n si n f l u e n c eo nt h ev e h i c l ep e r f o r m a n c ea l s oi si n t r o d u c e di n t h i sp a p e r t h e r ea r es o m ef a c t o r sa n dp a r a m e t e r st h a th a v ei m p a c to nv e h i c l e h a n d i n gs t a b i l i t y , w h o s ep a r a m e t e r s c h a n g e st r e n d sa n ds c o p ea r er e s e a r c h e d t h e m e t h o d sf o rt h ea n a l y s i so ns u s p e n s i o nk i n e m a t i c si n c l u d e ：s i m u l a t i o na n a l y s i s m e t h o d sa n dt e s t - b e dt e s t i n gm e t h o d s ，w h i c hw e r ea l s oi n t r o d u c e di nt h et h e s i s a san e ws t y l ev e h i c l es u s p e n s i o n ，f i v e l i n ks u s p e n s i o ni sw i d e l yu s e db vi t s p r e p o n d e r a n tp e r f o r m a n c e t h ep a p e rc h a n g e dt h ec o n f i g u r a t i o no ft h eo r i g i n a l d o u b l e w i s h b o n es u s p e n s i o n d e s i g n e da ni m p r o v e dd o u b l e w i s h b o n es u s p e n s i o n t h e nt h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dad e s i g nm e t h o do ff i v e l i n ks u s p e n s i o na c c o r d i n g t 0i t su n i q u ep e r f o r m a n c e a f f e rb u i l d i n gt h r e es u s p e n s i o n sm o d e l si na d a m s t h em o v i n ge q u a t i o n so ff i v e l i n ks u s p e n s i o na tt i m e d i s p l a c e m e n ti n p u tw e r e a n a l y z e d t h em o v e m e n ts t a b i l i t yo f r e a rf i v e l i n ks u s p e n s i o nw a sp r o v e db yt h e a n a l y s i sb e t w e e nt h eo t h e rt w os u s p e n s i o n s ，w h i c hb a s e do nr e s e a r c hm e t h o d so f s u s p e n s i o np e r f o r m a n c ei nt h i st h e s i s 刀ei m p r o v e m e n ta n a l y s i so ff i v e 1 i n ks u s p e n s i o na i m sa tt h ec h a n g eo f s u s p e n s i o ns t i f f n e s sd u r i n gt f f e sm o v e m e n t t h ep a d e rd i ds e n s i t i v i t ya n a l y s i so f c o n s t r u c t i o np o i n tt os u s p e n s i o ns t i f f n e s sb ya d a m s i n s i g h t a f t e ri m p r o v e m e n t d e s i g n ，t h er i g h tc o o r d i n a t ev a l u e sw e r ec o n f i r m e d t h eh o l ev e h i c l es i m u l a t i o n c o n t a i n st h r e er e a rs u s p e n s i o nm o d e l s i n c l u d i n g o r i g i n a ld o u b l e w i s h b o n e s u s p e n s i o n 、f i v e l i n ks u s p e n s i o nb e f o r eo p t i m i z a t i o n 、f i v e 1 i n ks u s p e n s i o na f t e r o p t i m i z a t i o n a f t e rs i m u l a t i o n so fw h o l ev e h i c l es t e a d ys t a t ep e r f o r m a n c eb a s e d o ni s os t a n d a r d , t h ep a p e re l i c i t st h a tt h ev e h i c l ew i t hr e a rf i v e 1 i n ks u s p e n s i o n w i l lg e tb e t t e rs t e a ds t a t ep e r f o r m a n c e 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 ，a d a m s i n s i g h t 、s t e a d ys t a t e p e r f o r m a n c e 西南交通大学 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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印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 不保密彳，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：勃节 日期：别s 1 f 指导老师签名：_ 万哩旁叼 日期：赢砧，广，驴 西南交通大学学位论文创新i 生声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。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研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 彩彳 ? u 。? 、| f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 本文研究的目的和意义 汽车悬架是影响汽车操纵稳定性和行驶平顺性的重要机构。 汽车行驶中路面的不平坦、凸起和凹坑使车身在车轮的垂直作用力下起 伏波动，产生振动与冲击；在加减速及转弯和制动时的倾覆力和侧倾力可使 车身产生俯仰和侧倾振动。这些振动与冲击会严重影响车辆的平顺性和操纵 稳定性。悬架作为上述各种力和力矩的传动装置，其传递特性的好坏是影响 汽车性能最重要、最直接的因素。 五连杆悬架通过各种连杆配置，以及对连接运动点的约束角度设计，使 悬架在收缩时能主动调整车轮定位，而且设计自由度非常大，完全能针对车 型作匹配和调校。因此，五连杆悬架能最大程度的发挥车辆的操纵性能，同 时获得更好的平顺性。 悬架运动学的主要研究内容是车轮定位参数与悬架变形的关系，及在轮 胎和路面之间的力( 侧向力、驱动力和制动力) 和力矩( 回正力矩) 作用下的 车轮定位参数的变化规律。随着各种形式的独立悬架的出现和悬架中橡胶支 撑元件的大量采用，车轮定位参数在行驶过程中会产生运动学变化。这些变 化对汽车的操纵稳定性会产生很大的影响。因此深入系统地开展悬架运动学 研究，并由此指导现代汽车悬架的开发设计，提高汽车的操纵稳定性，己成 为汽车悬架研究开发的重大课题。 本文基于虚拟样机技术，研究了目前结构形式新颖的五连杆后悬架，在 a d a m s c a r 建立其仿真分析模型，通过与原车型后悬架进行对比分析，得 出五连杆后悬架性能更具优越性，且更利于汽车稳定行驶。针对五连杆悬架 在平行轮跳实验中悬架刚度变化，利用a d a m s i n s i g h t 对悬架进行结构参数 改进设计，将改进设计后的悬架带入整车进行仿真实验。通过整车稳态实验， 得出改进后的五连杆悬架增强了整车不足转向性能，提高了整车稳态特性。 本文所做研究为这该类悬架在汽车底盘上的使用提供了一定的指导作用，具 有较好的研究意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 研究背景 2 1 世纪以来，全球汽车行业的发展极为迅速。近日，世界汽车制造商协会 ( o i c a ) 发布了2 0 0 7 年世界各国汽车产量。2 0 0 7 年全球共计生产汽车73 1 0 万辆，年增长率近年来首次超过5 ，达到5 4 ，见表l 【1 1 。 表12 0 0 6 - - 2 0 0 7 年全球汽车产量 地区 2 0 0 7 年( 万辆) 2 0 0 6 年( 万辆) 增长率( ) 欧洲 22 7 5 4 9 121 3 9 6 1 66 3 美洲 19 1 3 8 3 819 0 9 9 0 0o 2 亚太地区30 6 7 2 0 5 28 2 6 8 4 68 5 非洲 5 3 6 7 85 6 9 9 95 8 全球 73 1 0 1 7 069 3 3 3 6 15 4 中国2 0 0 6 年产量7 2 7 7 9 0 万辆，2 0 0 7 年产量8 8 8 2 4 6 万辆，增长2 2 个 百分点，增长速度惊人。见表2 。 表22 0 0 6 2 0 0 7 年各国汽车产量 序号国家2 0 0 7 年( 万辆) 2 0 0 6 年( 万辆)增长率( ) 1日本 11 5 9 6 3 3 11 4 8 4 2 31 o 2 美国 l0 7 8 0 7 311 2 9 2 1 24 5 3 中国 8 8 8 2 4 67 2 7 7 9 02 2 o 4德国6 2 1 3 4 65 8 1 9 6 16 8 5韩国 4 0 8 6 3 1 3 8 4 0 1 06 4 6 法国 3 0 1 9 1 43 1 6 9 2 2_ 4 7 7巴西2 9 7 0 8 22 6 1 1 0 31 3 8 8 西班牙 2 8 8 9 7 02 7 7 7 4 44 0 9 加拿大 2 5 7 8 2 42 5 7 1 3 70 3 1 0 印度 2 3 0 6 7 72 0 1 6 5 11 4 4 可以看出，全球汽车保有量非常大，增长速度也相当快。在这个背景下， 中国的汽车行业的发展也非常迅猛。在日常生活中，随着汽车拥有量的增加， 乘坐安全性和舒适性成了交通运输中的重点，人们对车辆这方面的性能提出 了更高的要求。 汽车悬架是影响汽车整体性能的重要机构之一。作为汽车的重要组成部 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 分，悬架受到无数国内外专家和学者的广泛关注。对车辆悬架系统的研究成 为汽车整体性能分析的首要任务。 悬架是汽车的主要总成之一，由弹性元件、导向机构、减振器及横向稳 定装置等部件组成。它将车架( 或车身) 与车轴( 或车轮) 弹性地连接起来。 其主要任务是传递作用在车轮与车架( 或车身) 之间的一切力和力矩，并且 缓和由路面传给车架( 或车身) 的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振 动，以保证汽车平顺行驶【2 j 。 车辆悬架按照导向机构形式通常可分为非独立悬架和独立悬架两类。 非独立悬架结构简单，工作可靠，而被广泛应用于货车的前、后悬架。 在轿车中，非独立悬架仅用于后桥。非独立悬架的结构，特别是其导向机构 的结构形式，随所采用的弹性元件不同而有差异，而且有时差别很大。采用 螺旋弹簧、气体弹簧时需要较复杂的导向机构。而采用钢板弹簧时，由于钢 板弹簧本身可兼起导向机构的作用，并有一定的减振作用，使得悬架结构大 为简化。因而在非独立悬架中大多采用钢板弹簧作为弹性元件。但是，使用 非独立悬架的车辆，车轮装在一根整体车轴的两端。当一边车轮跳动时，影 响另一侧车轮也作相应的跳动，使整个车身振动或倾斜，汽车的平稳性和舒 适性较差；非簧载质量大，对高速工况下车辆的行驶平顺性不能充分保证。 如果使用在前悬架上容易发生摆振现象。由于安装非独立悬架的汽车存在舒 适性及操纵稳定性都较差的缺点，在现代乘用车中基本上已不再使用，多用 在货车和大客车上。 独立悬架的优点表现在如下几个方面：1 ) 非簧载质量小，悬架所受到的 并传给车身的冲击载荷小；2 ) 由于弹性原件只承受垂直力，可采用刚度小的 弹簧，使车身振动频率低，改善了整车行驶平顺性；3 ) 前轮采用独立悬架后， 取消了整根前轴，可使发动机位置降低，汽车质心下降，从而提高了行驶稳 定性；4 ) 由于左右车轮独立跳动，相互影响小，可减小车身的倾斜和振动； 5 ) 如选择合适的导向机构的形式和参数，可使前轮摆振现象得到消除，同时 让前轮的定位参数控制在合理的范围内，整车操纵稳定性良好。 独立悬架的缺点是结构复杂，制造成本高，保养维修不便；在某些路面 行驶工况下，车轮外倾角与轮距变化较大，轮胎磨损较为严重。独立悬架按 车轮运动形式，分为双横臂式、单横臂式、纵臂式、斜置单臂式、滑柱摆臂 式，以及最近几年出现的多连杆式等。它们被广泛应用在各类级别乘用车上， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 如桑塔纳、夏利、爱丽舍，雅阉，凯美瑞等川，分别如图1 - 1 、1 2 、1 - 3 所示。 愿& 囝 图1 - 1 双横臂式图1 - 2 麦弗逊式图1 3 纵臂式 多连杆悬架由于良好的性能在现代汽车中得到越来越广泛的应用，其中 又以五连杆悬架性能更为出色。五连杆悬架是在戴姆勒一奔驰的w 2 0 1 和w 1 2 4 中以“多连杆悬架”的名称首次推出的。1 。五连杆悬架结构复杂，其中五根 杆件之间的相互位置关系直接影响到悬桨的整体性能。为此可以设置每个连 杆的位置和连接衬套的刚度，就可获得较为理想悬架运动学和动力学特性1 。 五连杆式悬架系统用前纵臂和后纵臂承受纵向载荷，上、下控制臂承受 横向载荷，减振器承受上下垂直载荷。每一只悬臂只沿其轴向承受单一方向 的载荷，因而各悬臂可做得更轻更直“1 。 f l 、前纵臂2 、下控制臂3 、上控制臂4 、横向拉杆5 、后纵臂 图卜4 五连杆后悬架宴体图 汽车本身是一个复杂的多体系统，悬架及整车的运动分析极为复杂。 早期的研究由于理论方法和计算手段的限制，许多情况下不得不把模型 进行较多简化，以便使问题能够用古典力学的方法人工求解。这样做主要是 因为无法有效的处理复杂受力下多自由度分析模型的建立和求解问题”3 。这 导致汽车许多重要特性无法得到较精确的定量分析。 悬架系统性能直接影响汽车行驶平顺性和操纵稳定性。在汽车设计的过 瞧 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 程中，悬架系统设计的成功与否是决定整车设计水平的关键因素之一。悬架 系统设计的内容主要包括根据整车的性能和布置要求，合理的选择悬架系统 的形式，进行悬架系统的运动和受力分析，确定悬架系统中弹性元件、导向 机构和减振器的性能参数及结构尺寸，对悬架一些结构参数进行优化，使其 性能尽可能达到最优。特别是针对目前的一些新型悬架，如五连杆悬架，在 技术尚不成熟，研究的流程还不完善的阶段，更应该对这类型悬架做详细分 析、研究，才能将汽车与悬架技术向前一步步推进。 1 3 技术现状分析 目前，对独立悬架的研究主要集中在以下方面：采用计算机仿真技术 或者优化方法寻求最优参数；研究主动及半主动悬架，利用经典控制理论 和现代控制理论对作动器进行控制，进而得到更好的悬架性能；悬架导向 机构的研究，重点主要集中在悬架导向机构的设计及参数的匹配上。 1 3 1 整车及悬架研究技术分析 传统汽车设计模式的基本程序是确定车型，在经过充分的方案论证后， 进行总体方案设计，绘制工程图纸，制造并试制样车，对样车进行考核试验。 如果发现结构或性能存在缺陷，就修改设计方案，然后，改进样车并再次进 行样车试验。通常，同样的过程在汽车悬架系统的零部件的设计时要反复进 行多次3 。 在传统的设计过程中，车型数据及设计经验是极为宝贵的资料。这当然 也就成了开发新技术的一个阻碍。绝大部分汽车新产品的开发都和旧代的产 品之间存在着或多或少的联系。这样开发的速度会更快，同样，旧代产品的 缺陷也会遗留下来。这就要求设计者要对样车进行缜密的研究，包括机构的 运动学、动力学分析，关键零部件的有限元分析等等一系列的分析。 在传统的设计模式中，进行系统动力学和运动学分析时采用的模型也是 简化的，少自由度的。在悬架系统设计时使用较多的是汽车的两自由度或四 自由度模型。这些力学分析模型成功地减少了计算工作量，使问题的分析变 得非常简单，很容易就能写出系统运动微分方程并求解，显然在很多场合下 可以得到较为准确的分析结果。但是，由于简化太多，这些模型普遍存在以 下几个很明显的缺陷： 1 、该模型将汽车这样一个复杂的空间系统简化为一个平面系统进行分 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 析，虽然在很多场合下仍能满足分析问题的需要，但是其分析结果显然与汽 车的实际情况差别较大。因为汽车这样一个复杂空间系统在各个方向上的响 应是相互作用的。 2 、进行汽车动力学响应特性分析时，汽车悬架系统的结构形式及特点对 整车的动力学响应特性影响很大。而在传统的模型中各种悬架结构形式的特 点及其对整车性能的影响得不到体现。在设计悬架时，悬架系统与整车的匹 配关系不能用上述模型描述出来，无法从整车角度为悬架设计提供可靠的设 计参考。 3 、由于简化过程中将许多零部件及相互之间的约束忽略而看成多个刚 体，这样在力学效果上很难达到与实际情况等效一致，影响了动力学响应特 性分析结果的可信度，图i - 5 随3 、图卜6 3 给出了两个整车简化动力学模型。 图1 - 5 七自由度半主动悬架模型 图i - 6 十自由度模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 除了以上介绍的悬架动力学模型，各国学者立足不同方面，建立了不同 自由度悬架动力学模型。随着自由度数目的增多，悬架模型的精确度越高。 在具体求解的过程中，难免会出现微分方程难以解耦、求解困难等各种情况。 为了解决这类矛盾，多刚体动力学的出现使之得到了很好的解决。随着计算 机技术的迅速发展，在处理上述问题方面产生了质的飞跃。目前主要采用多 体系统动力学的理论来对其进行研究。汽车多体系统动力学及计算机仿真技 术，是多体系统动力学理论应用于汽车领域并借以计算机实现的前沿技术， 近几年得到了广泛的应用和发展，已经成为一门实用技术l l 训。2 0 世纪8 0 年 代初，不仅有许多通用多体动力学软件可以对汽车系统进行分析和计算，而 且还有各种针对汽车某一类问题的专用多体动力学软件。研究的范围从局部 结构到整车系统，涉及汽车系统动力学方方面面。国外各主要汽车厂家和研 究机构在其c a d 系统中均安装了多体系统动力学分析软件，并与有限元分 析、模态分析、优化等软件构成一个有机整体，同时集成了这些汽车公司在 汽车研发方面的经验，逐步形成整车设计软件包，在汽车设计开发中发挥了 重要作用。本文作者在论文中做的研究就是基于多体系统动力学理论在汽车 性能分析中的一个方面。 1 3 2 国内外悬架研究概况 国外发达国家对车辆悬架运动学的研究起步较早，几乎同步于独立悬架 诞生之日。德国的p r o f j r e i m e l l ( 耶尔森赖姆帕尔) 著的汽车底盘技术 对各种悬架运动学作了详细的分析，对车轮定位参数做了准确的定义，分析 了他们的作用及其对整车操纵稳定性的影响。在悬架运动学分析中，描述了 弹簧变形过程中车轮定位值的变化过程；描述了弹簧各部件及铰接处具有弹 性，由轮胎和路面之间的力和力矩引起的车轮定位值的变化，并且给出了一 些典型车型的车轮定位参数的变化曲线，这些变化曲线都是实测得到的，可 以用来进行操纵稳定性的评价，。 由阿达姆措莫托著的汽车行驶性能n 2 3 和安培正人著的汽车的运 动与操纵n 羽介绍了悬架运动学对汽车行驶性能的影响，在悬架运动学对汽 车操纵稳定性的影响方面进行了较为系统的分析。 w o l f g a n gm a t s c h i n s k y 编写的车辆悬架n 钔从悬架的理论建模、橡胶 支撑的模型出发对悬架运动学特性的理论分析作了较为深入的研究。在悬架 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 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。 德国的m 米奇克在汽车动力学卷c 中详细介绍了汽车操纵稳定性和 悬架性能之间的关系，并根据各种不同实车数据分析了不同子系统如转向系 统、助力系统及悬架系统的各个参数对整车操纵稳定性的影响。 文献 t 5 针对双横臂悬架，建立了开环和闭环1 4 整车实验模型，利用点 对点坐标方程的方法，用1 0 个质点所建立的3 1x 3 1 稀疏矩阵取代具体模型， 经过约束及自由度处理后，等价方程能全面的表达模型特性，接着对该数学 方程模型进行测试实验，分析了位移和加速度变化曲线。 关于汽车悬架侧向运动学的研究，文献 1 6 、 1 7 做了具体的分析。前 者基于c o r r e v i t s 4 0 0 传感器，在i s o 国际标准下，分析了轮胎刚度、悬架形 式、悬架刚度对整车滑移特性的影响，验证了将滑移观察算法应用到实验中 的合理性及正确性。 我国从8 0 年代开始逐步开展对汽车悬架运动学的研究，研究成果则多 见于9 0 年代。其中，中国工程院院士郭孔辉所著的汽车操纵稳定性对 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n 跗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，并提出了处理运动学问题的思路 和方法。清华大学张越今博士著的汽车多体动力学及计算机仿真瞄1 一书， 重点介绍了整车多体系统弹性模型的建立方法。 1 3 3 五连杆悬架运动学研究概况 国内对悬架方向的研究成果中，关于麦弗逊悬架和双横臂悬架的研究颇 多，而对于最近几年一些高档车型推出的五连杆式悬架研究相对较少。以下 列出了国内外学者对五连杆悬架所做研究的一些概况。 文献 1 9 分析了五连杆式悬架的结构特点，并分析了如何通过前束在制 动时的变化来保证了操纵稳定性。吉林大学的孙海林根据某车辆多连杆独立 悬架总体设计参数，用a d a m s c a r 软件平台建立了多连杆式独立悬架的仿 真分析模型，并针对独立悬架运动学对整车性能的影响进行了一定的阐述， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 对多连杆悬架的运动学特性进行了分析与评价，以及总结出多连杆悬架优点 与不足啪1 。武汉理工大学的张承海采取类似的思路，研究了双横臂悬架和刚 柔混合多连杆扭杆弹簧式独立前悬架系统模型，并对其性能进行了分析和评 价2 。 上海工程技术大学的黄虎等根据某车型建立后多连杆悬架模型，基于模 拟仿真要求，对模型施加边界条件，分析了车轮上下跳动对车轮定位参数的 影响，并提出了改进建议瞰1 。 五连杆类的多连杆悬架由于其独特的结构特点，其主销的确定是一个重 要的研究课题。由于不同于双横臂悬架那样可以用简单的集合关系确定主销 轴线，所以针对五连杆悬架要用独特的方法来确定其主销轴线及前轮定位参 数。清华大学的宋健研究了空间运动学中的瞬时螺旋轴方法，并以此建立了 轿车悬架数学模型，并同a d a m s c a r 中建立的悬架进行比较，研究表明文 中提出的方法能很好研究五连杆悬架主销及定位参数的变化瞳列。 清华大学的吕振华探讨了基于矢量分析原理进行五连杆悬架的刚体运动 学和受力分析的方法，进一步提出了一种考虑橡胶衬套弹性的悬架运动学迭 代计算方法。据此编制了相应的计算机程序，进行了某轿车五连杆后悬架刚 体运动学模拟分析，探讨了悬架橡胶衬套的弹性对车辆性能的影响。该方法 有效简捷，可方便地应用于五连杆悬架设计分析和参数优化聆，。 北京理工大学的陈潇凯分析了针对五连杆悬架的特点，运用多体系统动 力学的理论建立了悬架运动学分析模型，基于遗传算法开发了优化器的核心 单元，并解决了它们之间的通讯和协调问题。实现了在车轮上下跳动过程中， 以车轮外倾角的运动学特性变化量与目标值之间的偏差最小作为优化设计的 目标，概述了遗传算法在五连杆悬架优化中的应用方法，并采用这种优化体 系对某型轿车五连杆悬架进行了实例优化分析曙钔。 郑州日产中心的潘筱针对某s u v 转向随动性不足问题，利用后轴变形 转向效应对该车五连杆后悬架上摆臂重新布置，并在a d a m s 中建立了后悬 架运动学模型及整车动力学模型。通过对转向盘转角阶跃输入、脉冲输入的 仿真结果分析和对原车按新方案改进后进行的操纵稳定性主观试验验证表明， 新方案较好地解决了转向随动性问题，减少了特殊工况时后轮侧滑及甩尾的 危险性3 。 同济大学的祁宏钟研究了用数值方法来确定五连杆悬架虚拟主销轴线， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 以此确定悬架虚拟轴线空间位置的变化心引；江苏大学的夏长高以某车五连杆 悬架为研究对象，基于a d a m s c a r 模块，建立了多连杆悬架参数化模型， 分析了悬架结构参数与车轮定位参数、轮距的影响关系，并利用 a d a m s i n s i g h t 对悬架进行了优化分析。研究结果表明，改方法高效可行， 可用方便的用于悬架多连杆设计研发中田3 。 武汉理工大学的刘进伟以多体系统动力学为理论依据旧3 ，以 a d a m s c a r 为手段，结合r x 5 4 0 0 型s u v 升级车型开发项目，建立了麦 弗逊独立悬架和五连杆式非独立悬架的运动学动力学模型，揭示了各自的运 动学动力学规律，探讨了影响其性能的多种因素，并进行优化分析。建立了 实车的前、后悬架及整车动力学模型，按照中华人民共和国国标对整车的操 纵稳定性做了多项仿真和实车试验，验证了仿真模型，在此基础上对影响整 车性能的若干因素进行了探讨。 文献 2 9 、 3 0 、 3 1 介绍了悬架杆件对悬架定位参数的影响规律。其 中，上海交通大学的杜翔以某车型开发中底盘优化匹配工程项目为依托，从 研究和分析车辆所采用的具体悬架形式入手，利用各种试验获得整车和各部 件的相关参数，通过数学模型和虚拟样机模型相结合，理论分析和实车试验 相结合的方法，对所研究的具体车型进行优化和匹配，最终达到改善悬架性 能和提高整车平顺性的目的啪3 。 文献 3 2 3 5 用遗传算法具体讨论了悬架的优化问题。其中文献作者基 于遗传算法口羽、并行遗传算法、粗糙遗传算法m 3 剐对整车多连杆悬架进行 优化，并研究了优化前后悬架对整车平顺性的影响，指出了遗传算法在汽车 悬架优化领域的新思维。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章独立悬架性能影响因素分析 2 1 引言 悬架系统的研究领域相应的分成两个部分：一是悬架系统动力学的研究； 二是悬架系统运动学的研究。 就悬架动力学而言，由于它主要研究的是悬架弹性元件和阻尼元件对路 面振动激励向车身的传递特性，因此对悬架运动学特性的评价指标，就应该 是对车身振动产生重要影响的悬架特性参数。这些参数包括反映弹性元件刚 度特性的参数、反映阻尼元件阻尼特性的参数。如阻尼比、前后悬架的偏频、 车身的固有频率、非簧载质量、悬架的动挠度和静挠度等陋1 。研究悬架动力 学特性也分别采用计算机仿真方法和台架试验方法。计算机仿真分析就是将 悬架与路面、轮胎、非簧载质量和簧载质量作为一个整体，根据需要建立2 7 或更高自由度的线性或非线性动力学仿真模型，通过路面的激励和车身输 出特性来研究悬架的动力学传递特性，进而对悬架动力学特性参数进行研究。 目前m a t l a b 和a d a m s 等软件为汽车悬架动力学的研究提供了非常方便的 平台，使悬架动力学的研究得到了很快的发展n 7 1 。 就悬架运动学而言，它主要研究车轮与车身发生相对运动时，悬架的导 向机构对这种相对运动的引导和约束作用及其对汽车操纵稳定性的影响。目 前采用较多的是给悬架施加特定的运动来分析相关参数变化的合理性。其试 验方法有以下两种：一、建立汽车试验台，通过实车台架试验来分析悬架参 数变化；二、建立数学模型，通过计算机仿真分析来进行研究。 本文是采用计算机仿真方法，针对悬架运动学特性对整车操纵性能的影 响进行研究。 2 2 悬架主要参数对整车性能的影响 悬架运动学的主要研究内容是车轮定位参数( 轮距、前束、外倾角、主销 后倾角、主销内倾角等) 与悬架弹簧变形( 或车轮跳动量) 的关系，也包括了轮 胎和路面之间的力( 侧向力、驱动力和制动力) 和力矩( 回正力矩) 作用下的车 轮定位参数变化规律。随着各种形式的独立悬架的出现和悬架系统中橡胶支 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 承弹性元件的大量采用，车轮定位参数在行驶过程中会产生变化，这些变化 对汽车的操纵稳定性有很大的影响。因此深入系统地开展悬架运动学的研究， 并由此指导现代汽车悬架的开发设计，提高汽车的操纵稳定性，己成为汽车 悬架研究开发中的重大课题。 针对一般的独立悬架，采用以下参数对悬架性能进行分析：前束角、车 轮外倾角、转向主销后倾角、主销后倾拖距、主销内倾角、主销偏移距、侧 向力顺从转向、侧向力变形转向、侧向力外倾转向、车轮转向角、轮距的变 化、轴距变化、侧倾中心高度、侧倾角、侧倾角刚度、悬架刚度、制动时前 悬架的点头量、制动时后悬架的抬头量、加速时前悬架的上仰量、加速时后 悬架的下蹲量等。 2 2 1 车轮前束角对整车特性的影响 前束角的定义：汽车的前束角是汽车纵向中心平面与车轮中心平面和地 面交线之间的夹角，如图2 - 1 所示。 a ：前束角l ：前束值 图2 - 1 车轮前束角 前束角的正负这样定义：如果车轮前部靠近汽车纵向平面，则前束为正 值，如上图所示；反之为负。总的前束角为左右车轮前束角之和。在实际中 也采用前束值来表示，即左右车轮轮辋边缘后部间距大于前部的余量( 此时 为正，如上图l 所示) ，一般指在空载时汽车停在直线位置状态下，在车轮中 心高度上测量所得的值。这是指车轮在静止状态下的前束。车轮的前束会在 汽车行驶过程中会发生变化，这主要是由于两个原因，一个是由于车身与车 轮发生相对运动造成的前束变化，即前束的几何增量；另一个是由于车轮受 到各个方向的作用力造成的前束变化，即前束的弹性增量。 自 舫行 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 前束角是因外倾角的需要而存在的。汽车在静止状态时前轮往往就有一 定的外倾角。但是这种经常存在的前轮外倾，会使左右车轮经常存在着作用 方向相反的侧倾推力，使轮胎磨损增加，为了避免这种情况，就要想办法消 除这个侧倾推力。消除的办法是使汽车在直线行驶时给前轮一个前束角，使 汽车在直行时左右车轮就有一个大小相等方向相反的初始侧偏角，当然，这 个初始侧偏角也会在左右轮胎印迹上造成方向相反的侧向力。适当选择前束 角，可使前束引起的侧向力与车轮外倾引起的侧倾推力相互抵消，从而避免 了额外的轮胎磨损和动力的消耗，提高轮胎的使用寿命和汽车的燃油经济性。 前束的合理变化趋势如下： 对于汽车前轮，车轮上跳时的前束值多设计成零至弱负前束的变化。设 计时取在零附近是为了控制直行时由路面的凸凹引起的前束变化，确保良好 的直行稳定性。另外，取弱负前束变化是为了使车辆获得弱的不足转向特性， 以使装载质量变化引起车高变化时也能保持不足转向。与上跳行程相对应的 前束变化最好呈直线，但有时根据悬架系统、转向系统的型式及配置方式会 呈曲线变化，如图2 - 2 所示。 王1 晾 秘女 、 二号 o 、_ o 宴嚣基 图2 2 前束变化的曲线 根据四轮车辆双轨数学模型的理论计算婶3 推导结果可知，前轮的前束及 其变化减小了前轴的侧偏角，后轮的后束及其变化增大了后轴侧倾偏角，结 果使得操纵稳定性能向过多转向方向转化，或者说减少了不足转向，对操纵 稳定性是不利的；反之，则使操纵稳定性趋向于不足转向，对操纵稳定性是 有利的。 前束变化较为理想的设计特性值为：前轮上跳时，为0 至负前束，变化 值为一0 5 。5 0m m ，即弱负前束变化，后轮上跳时，为变化值为0 3 。5 0 r a m ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 即弱正前束变化m 1 。 2 2 2 车轮外倾角对整车特性的影响 j 畛j 图2 - 3 车轮外倾角 通常对车轮外倾角的定义是指车轮的上端倾向或者倾离车身的角度，用 氕，表示，如图2 3 所示。负值的外倾角度指车轮上端向内倾，正值的外倾角 指车轮上端向外倾。车轮外倾角对高速转弯时操纵稳定性的影响如下： 根据四轮汽车双轨数学模型的计算分析可知，汽车的不足过多转向趋势 会受到车轮外倾角的影响，即：在向心加速度较低时，前轮外倾正向变化 后轮无变化，或者前轮无外倾变化后轮外倾负向变化，都会使车辆不足转向 趋势加强，反之则不足转向减弱；在侧向加速度较高时，前轮负外倾后轮无 外倾，有轻微的过多转向，而前轮无外倾后轮正外倾则有强烈的过多转向特 性。所以，对于要求操纵稳定性较高的车辆而言，尤其是车速较高的轿车和 赛车，为了抵抗转弯时的离心力使汽车具有不足转向趋势，一般不推荐采用 正值的车轮外倾角，而是采用负的外倾角，且后轮的外倾角较前轮大一些( 指 绝对值) 。 对直线行驶稳定性的影响： 正外倾角使轮胎的接地点向内缩以减小偏距，从而改进制动时纵向力作 用下的方向稳定性，也能减少转向时所需的力，使整车在转弯时较为轻便，这 对汽车改善直线行驶性能是非常有利的。从这一角度考虑，大多数乘用车和 轻型卡车的前轮都设计成轻微的正外倾角( 0 1 5 。) 。后轮一般采用零外倾 角，但某些独立后悬架则设计有一定的外倾角。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 对轮胎磨损的影响： 外倾角对轮胎磨损有重要的影响。汽车设计成具有轻微的正外倾角( 0 1 5 。) ，在汽车加上负载时，悬挂系统各部件会变形，使车轮变为垂直，就 能减少胎面不正常磨损。当前轮根据设计的外倾角调好之后，在正常行驶情 况下，前轮将保持或接近o 。外倾角位置，这兼顾了胎冠最大限度的寿命及 方向稳定性。 悬架运动时外倾角的变化： 车轮上跳及车轮回落时的外倾变化对车辆直行稳定性、车辆的稳态响应 特性等有很大影响。由于轮胎与路面之间有相对的外倾角，路面对车轮作用 有外倾推力，二者产生的侧向力汇合而成为车辆转向所需要的横向力。从提 高转向性能出发，侧倾时车轮对地面的倾角最好不变。但在车辆直行状态下， 由路面不平引起车轮跳动而使外倾变化时，会由外倾推力而引发横向力，因 此较大的对地外倾变化会使车辆的直行稳定性不好。综合考虑转向性能和直 行稳定性，车轮上跳及下跳时的外倾变化应有一个适当的范围。而对于外倾 变化，不同悬架结构有较大差异，一般上跳时，对车身的外倾变化为2 。 0 5 。5 0 m m 较为适宜。同时希望在车轮上跳时前轮外倾角向减小的方向变 化，而在下落时朝正值方向变化。 2 2 3 主销后倾角和主销后倾拖距对整车特性的影响 图2 - 4 主销后倾角 定义：从汽车的侧向看去，主销轴线从垂直方向向后倾斜一个角度称为 主销后倾。在纵向垂直平面内，主销轴线与垂线之间的夹角，称为主销后倾 角。向垂线后面倾斜的角度称为正后倾角，如图2 - 4 所示；向前倾斜的角度 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 称为负后倾角。通常汽车行驶过程中，主销后倾角应为正值。 主销后倾的作用是当汽车直线行驶偶然受外力作用而稍有偏转时，主销 后倾将产生与车轮转向反方向的力矩使车轮自动回正，可保证汽车直线行驶 的稳定性。车速越高，后倾角越大，所形成的稳定力矩也就越大。主销后倾 拖距是主销轴线和路面交点与轮胎接地点沿着车轮平面与地面交线方向的距 离，如图2 - 4 所示。当主销轴线和路面平面的交点在轮胎接地点的前方时， 主销后倾拖距为正，反之为负。 主销后倾拖距是悬架设计了主销后倾角而产生的。主销后倾拖距和汽车 高速回正性有着必要的联系。汽车在行驶过程中受到的随机侧向力主要由轮 胎产生的回正力矩来平衡，该力矩如下 m 磕= r y ( 巩+ 或) ( 2 一1 ) 式中e 一轮胎的侧向力；d 。一主销后倾拖距；d t 一轮胎后倾拖距。 由于轮胎的拖距随着侧向力的增加一般是不断减小的，甚至会出现负值， 即可能出现反回正的现象，所以为了保证车辆的高速安全性，应该设计足够 的后倾拖距。设置主销后倾拖距的方法有两种，一是直接调整后倾角实现； 另一种是通过主销前移来实现，但是后者会增加车轮绕主销的转动惯量，使 得车轮摆振倾向增加，不利于汽车稳定行驶。 主销后倾角对转向时的车轮外倾角变化影响较大。假若主销后倾角设计 较大，则外侧转向轮的外倾角会向负方向变化。因此，当主销后倾角较大时， 需增加前轮转向所必需的横向力，以抵消外推力。这样车辆不足转向特性较 弱，最大横向加速度会增大。横向加速度的增大，对汽车的行驶，尤其是高 速转弯时的操纵稳定性是不利的。实