（车辆工程专业论文）麦弗逊悬架结构参数与振动性能研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文根据多刚体系统动力学的理论，运用a d a m s 软件建立了某皮卡车的前 麦弗逊悬架运动学和整车动力学仿真模型。通过悬架运动学分析，探讨了悬架结 构与轮胎偏磨之间的关系，得到的悬架布置较好地解决了轮胎偏磨的问题。通过 整车动力学仿真，预测了优化后的悬架的平顺性。 借助a d a m s c a r ，本文在第三章中建立了该皮卡车前麦弗逊悬架的运动学模 型，分析了悬架结构参数的变化( 包括下控制臂侧倾角、俯仰角、内支点高度和 转向横拉杆俯仰角、侧倾角) 对前轮定位参数和前轮轮心侧向滑移的影响。研究 表明，下控制臂的位置对悬架各性能参数都有明显影响，而转向横拉杆只对前轮 前束角有明显影响。针对各个结构参数初值对性能参数影响程度的不同，借助 a d a m s i n s i g h t 虚拟试验模块，本文还在第三章中实现了悬架的优化设计 由于悬架结构的调整会影响悬架的刚度，进而影响到悬架的偏频，因此，本 文在第四章借助a d a m s v i e w ，解决了随机路面谱和钢板弹簧这两个建模难点， 并较为完整地建立了该皮卡车整车悬架的动力学仿真模型。随机输入的振动加速 度试验表明，仿真结果与试验结果较为吻合。在模型得到验证的基础上，进一步 对优化后的悬架进行了平顺性能的仿真分析，仿真结果表明，悬架的平顺性能基 本没有变化，这说明，悬架结构的细微调整不会对悬架性能造成较大影响。 多刚体动力学仿真是一门新兴的技术，本文采用该方法对悬架设计以及优化 进行的一些探索性的研究表明该方法是科学有效的。在未来的日子里，多体动力 学仿真技术必将在企业中获得广阔的应用。 关键词：汽车，麦弗逊悬架，多刚体系统动力学，a d a m s 软件 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h et h e o r yo fm u l t i b o d yd y n a m i c s ，am u l t i b o d yk i n e m a t i c a lm o d e lo f m a c p h e r s o nf r o n ts u s p e n s i o na n dam u i t i b o d yd y n a m i c sv e h i c l em o d e lo fap i c k u pa r e b u i l tw i t ha d a m s ( 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 ls y s t e m ) a f t e rt h e k i n e m a t i c a la n a l y s i so fm a c p h e r s o ns u s p e n s i o n , t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ew h e e lw e a r a n dt h es t n t e t t t r eo f t h es u s p e n s i o ni sa c h i e v e d n l eo p t i m i z e ds u s p e n s i o ns t r u c t u r ec a l l s o l v et h ew h e e lw e a r b yt h ed y n a m i c a ls i m u l a t i o no ft h ev e h i c l e ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h eo p t i m i z e ds u s p e n s i o ni se v a l u a t e d i nc h a p t e r3 。t h em u l t i b o d yk i n e m a t i c a ls i m u l a t i o nm o d e lo fm a c p h e r s o nf r o n t s u s p e n s i o n i sb u i l ti na d a m s c a rm o d u l e n l ei n f l u e n c eo ft h es t r u c t u r eo f s u s p e n s i o n ( i n c l u d i n gs i d ea n g l eo fs w i n ga r m , p i t c h i n ga n g l eo fs w i n ga r m , h e i g h to f s w i n ga r n li n n e rb e a r i n g , s i d ea n g l eo ft r a c kr o dl e v e ra n dp i t c h i n ga n g l eo ft r a c kr o d l e v e r ) o nt h ea l i g n m e n to ff r o n ts u s p e n s i o na n dw h e e ll a t e r a lt r a v e li sr e s e a r c h e d t h e r e s u l ts h o w st h a tt h es t r o c t u r eo fs w i n ga r mh a so b v i o u si n f l u e n c eo na l lt h e p e r f o r m a n c eo fs u s p e n s i o n , b u tt h es t r u c t u r eo ft r a c kr o dl e v e ro n l yi n f t u e n c c st h e t o e a n g l e b a s e do nt h es t l 1 1 e 1 1 】r ei n f l u e n c i n go nt h ep e r f o r m a n c eo fs u s p e n s i o n , t h e o p t i m i z e ds u s p e n s i o ni sa c h i e v e da l t e rt h eo p t i m u md e s i g nw i t h a d a m s i n s i g h t b e c a u s et h ea d j u s t m e n to ft h es t r u c t u r ec a l li n f l u e n c et h er i g i d i t yo fs u s p e n s i o na n d t h en a t u r a lf r e q u e n c y , i nc h a p t e r4 ，t h em o d e lo fr o a dr a n d o mr o a da n dl e a fs p r i n ga r e r e s e a r c h e da n dam u l t i b o d yd y n a m i c sv e h i c l em o d e li sb u i l ti na d a m s v i e wm o d u l e a f t e rt h ev a l i d i t yo ft h em o d e li so b t a i n e db yt h ee o m p a r i s o uo ft h es h o c ka c c e l e r a t i o n t e s ta n dt h es i m u l a t i o n , t h es h o c ka c c e l e r a t i o ns i m u l a t i o no f t h eo p t i m i z e ds u s p e n s i o ni s d o n e n 伦r e s u l ts h o w st h a tt h er o a dp e r f o r m a n c ei sp r e s e r v e da n dt h el i t t l ea d j u s t m e n t o f t h es t r u c t u r eo f m a c p h e r s o ns u s p e n s i o nc a n tc h a n g e dt h ep e r f o r m a n c e t h em u l t i b o d yd y n a m i cs i m u l a t i o ni sa ne m e r g i n gt e c h n o l o g y n 圮s t u d ya b o u tt h e d e s i g na n do p t i m i z a t i o no fs u s p e n s i o nw i t ht h i st e c h n o l o g ys h o w st h a ti t i san e w a v a i l a b l ea n ds c i e n t i f i c i nt h ef u t u r e ，i ti ss u r et h a tt h et e c h n o l o g yo fm u l t i b o d y d y n a m i cs i m u l a t i o nw i l lb ee x t e n s i v e l ya p p l i e di nt h ep r o j e c t s k e y w o r d s ：v e h i c l e ，m a e p h e r s o ns u s p e n s i o n , m u l t i b o d ys y s t e md y u a m i c , a d a m ss o f t w a r e i i 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。 保密囹 本学位论文属于 ，在0 年我解密后适用本授权书。 不保密囵 学位论文作者签名：渤锇 吖年莎月一日 指导教师签名萄匍 眇妒掣年易日跽日 y1 0 1 6 1 8 9 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。除文中已经注明引用的内容以 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：磁 日期：机年f 月谚日 江苏大学硕士学位论文 1 1 悬架概论 第一章绪论 悬架作为汽车车架( 或承载式车身) 与车桥( 或车轮) 之间传力以及连接的装置， 是汽车行驶系的重要组成部分。汽车悬架系统与汽车的操纵性能、平顺性能之间 有着密切的关系。理想的悬架不仅能使汽车随路面起伏而上下运动，并能使整个 车身在前进过程中尽量保持水平，而且悬架还能随车速、路况、运动方式的变化 做出适当的、灵敏的反应，同时，它还能使轮胎与路面随对贴合，并使车轮保持 适当的角度，从而使汽车的动力性能、制动性能以及转向性能得以充分体现。汽 车的车速越快，对操纵性和平顺性的要求也就越高，因此，现代汽车的悬架系统 越来越受到业内人士的重视【1 2 , 3 , 4 1 。 不同的悬架系统对汽车的操纵性能和平顺性能会产生不同的影响。悬架系统一 般可分为以下两大类：非独立悬架和独立悬架【l 】 1 1 1 非独立悬架 这种悬架的特点是左右车轮用一根刚性桥连接起来，刚性桥通过悬架弹性元 件与车架相连，车轮跳动时，左右车轮之间会发生相互影响。与独立悬架相比， 其结构简单、工作可靠、维修方便，在现代汽车中往往只用于后轮。非独立悬架 轮胎的附着力较强，磨损较均匀，而且成本也远远低于独立悬架，但在高速工况 中，平顺性较差，用于前悬上时容易发生摆振现象，因此适合应用于对舒适性要 求不高的汽车f 1 名”。 1 1 2 独立悬架 在独立悬架中，两侧车轮各自由相互独立的连杆机构来控制，可以各自单独 随路况的变化运动而不影响整个车身，从而增加了行驶的平顺性、安全性。前轮 采用独立悬架可以使发动机的布置位置降低和前移，从而使整车重心得以下降， 进而提高汽车的行驶稳定性。另外，独立悬架中广泛采用刚度较小的螺旋弹簧来 江苏大学硕士学位论文 做缓冲元件，乘驾舒适性也比较好。因此，独立悬架被广泛应用在现代汽车上【i l 3 1 。 1 1 2 1 麦弗逊悬架 麦弗逊式悬架( m a e p h e r s o ns u s p e n s i o n ) 是独立悬架的一种，于1 9 4 7 年由当时任 职福特汽车公司的麦弗逊( e a r ls m a c p h e r s o n ) 发明。麦弗逊式悬架首先于1 9 5 0 年 在福特汽车公司的车型上采用，从此以后，麦弗逊式悬架以其节约空闻和成本较 低成为最为流行的汽车独立悬架系统之一。 根据对日本在1 9 8 7 到2 0 0 0 年之间生产的轿车的统计，轿车中前悬架导向机 构都是以麦弗逊式为主，双横臂式独立悬架次之。1 9 8 7 年末、1 9 9 4 年末、2 0 0 0 年 末采用麦弗逊式悬架作为前悬架的车型所占比例分别为：6 9 6 、6 1 6 、6 9 3 ， 麦弗逊式悬架在三个统计年度均占第一位：采用麦弗逊式悬架作为后悬架的车型 所占比例分别为：2 4 8 、2 7 8 、1 2 4 ，其中麦弗逊式悬架在1 9 8 7 年末占第二 位，在1 9 9 4 年末占第一位，在2 0 0 0 年末占第四位。在全球范围内来看，前悬架 导向机构的机构形式比较单一，发展趋势较为明朗，都是麦弗逊式占主导地位， 这种结构广泛应用于从微型轿车到高级轿车的所有轿车中，且不分驱动桥或非驱 动桥均可适用1 5 一。 麦弗逊式悬架是种单横臂式独立悬架，它将减振器作为悬架杆系的一部分 加以利用，并将兼作转向主销用的滑柱和摆臂组装在一起，主要用于中型以下的 轿车上，也用于运动型汽车的后轴，此时称为查普曼( c h a p m a n ) 式悬架。与双横臂 式悬架相比，麦弗逊式悬架用汽车翼子板上的铰链点代替了上横臂，减振器的活 塞杆头和螺旋弹簧支承在这里。麦弗逊式悬架将所有承担弹性元件功能和车轮导 向功能的零件组合在个结构单元内，这些零件包括：支撑螺旋弹簧下端的托盘、 辅助弹簧和压缩行程限位块、与连杆连接的摆轴式横向稳定杆和车轮转向节【1 捌。 与双横臂式悬架相比，麦弗逊式悬架的侧倾中心高，车体侧倾时侧倾中心的 变化比较小，车轮作上下振动时车轮外倾角、主销后倾角和轮距的变化较小。各 个支撑点相互之间的距离较远，由制造误差而引起的车轮外倾角和主销后倾角的 变化也较小，因此不需要特别的调整机构。同时，由于路面冲击分散以及能够把 悬架装在车轮附近，因此悬架弹簧刚度小而有利于车体构造，占用空间小。但是， 2 江苏大学硕士学位论文 由于减振器兼作转向部件，因此它的滑动部分容易松动，转弯时车轮的外倾角变 化也较大，转向系的转动惯量也较大，车体不是整体构造时难于使用i l 翔。 简单地说，与其他型式的悬架相比，麦弗逊式悬架的主要不同在于减振器同 时也是控制车轮姿态的连接件，从而省去了上横臂，由于减振器几乎竖直布置， 困此整个悬架系统显得十分紧凑。麦弗逊式悬架的主要结构是由螺旋弹簧加上减 振器组成，减振器可以避免螺旋弹簧受力时向前、后、左、右偏移的现象，限制 弹簧只能作上下方向的振动，并可以用减振器的行程长短及松紧，来设定悬架的 刚度及性能l l , 3 1 。 1 2 多体系统动力学简介 随着汽车的逐步普及，人们对汽车的要求也越来越高，在获得良好的动力性 和经济性的同时，还要求具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性。对于这些要求， 只有通过对汽车系统动力学的深入研究才能实现。在这领域中，用模型分析是一 种既现实又经济的方法，而汽车模型也经历了一个从简单到复杂，从粗糙到精确 的过程。汽车是一个包含惯性、弹性、阻尼等动力学特性的多自由度弱非线往联 系体振动系统，由于组成汽车各机械子系统( 如转向结构、悬架、轮胎等) 之间 的相互耦合作用，使汽车的动态特性非常复杂，要想真实地描述汽车的动态特性， 必须研究尽可能多的零件的运动，得到精确的数学模型。经过各国学者的不懈努 力，力学模型已经由线性模型逐渐发展到非线性模型，模型的自由度也由两自由 度发展到十几自由度 7 1 。比较有代表性的有：d j s e g a l 建立的十五自由度模型，美 国密西根大学的十七自由度模型，m i c h a e ls a y e r s 建立的十八自由度模型。这些模 型的共同特点是将整车简化成三个集中子系统：簧载质量，前悬非簧载质量，后 悬非簧载质量，并对轮胎和悬架的非线性特性进行不同程度的简化描述。在受力 和运动综合分析的基础上，利用拉格朗日( l a g r a n g e ) 或牛顿( n e w t o n ) 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。模型中采用了较少的易 测量和易估计的复合参数来描述悬架特性，缩短了仿真前处理时间，降低了测量 悬架参数的难度，也避免了求解复杂的运动学、动力学方程。 近二十年发展起来的多刚体系统动力学理论为建立多自由度汽车动力学模型 3 江苏大学硕士学位论文 提供了一个有力工具。应用多体系统动力学的仿真模型将汽车悬架系统的每一个 部件看作刚体或者弹性体，同时也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) ，更全面地描述了汽车各个予系统的运动及相互耦合作用，可用 于汽车操纵性、动力性以及制动性等的研究。 国内采用多刚体系统动力学进行分析和计算的工作起步较晚。1 9 8 6 年，吉林 工业大学首先将多刚体系统动力学方法引入到汽车运动学研究中，而后，清华大 学、上海交通大学、二汽，北京农业工程大学、北京理工大学等单位也开始应用 多刚体系统动力学进行研究隅只1o ，1 1 1 ，研究领域也从开始的多刚体系统动力学研究扩 展到包含柔体的多体动力学研究 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 1 。 1 3 多体动力学软件简介 多体系统动力学理论的发展，推动了机械系统多体仿真软件的迅速发展；而 多体系统动力学研究方法的多样性。同样也促进了机械系统多体仿真软件的丰富 多彩。 1 9 7 2 年，美国w i s c o n s i n 大学的j j u i c k e r 等人研究出了解决闭环机构运动 学、动力学的通用分析软件一m 心( i n t e g r a t e dm e c h a n i s m sp r o g r a m ) 。该软件能对 二维、三维，单运动链或多运动链的闭环机构进行运动学、静力学和动力学分析。 1 9 7 3 年，美国m i c h i g a n 大学的n v o r l a n d e a 与m a c h a c e 等人研制出了机械 系统自动动力学分析软件- - a d a m s ( 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 ) ，可以分析二维、三维、开环或闭环机构的运动学、静力学和动力学问题， 能较好地解决复杂系统的动力学问题。1 9 7 7 年，e d u a r dh a n g 、r o g e raw e h a g e 和 p e n i k r a v e s h 创造性地引入欧拉参数( e u l e rp a r a m e t e r s ) 与广义量分离 ( g e n e r a l i z e dp a r t i t i o n i n gm e t h o d ) 等方法，编制了一个多体程序，他们把这个程 序命名为d a d s ( d y n a m i ca n a l y s i sa n dd e s i g ns y s t e m ) 。 7 0 年代后期，研究人员在机械系统运动学、动力学分析软件中加入了一些功 能模块，使其可分析包含柔性体、控制器等特殊元件的机械系统。如德国的 m e d y n a ( m u l t i b o d yd y n a m i c s ) 软件。此外，与有限元分析软件、结构灵敏度分 析软件、优化设计软件相结合，使得多体分析软件的功能更加完善。据1 9 9 0 年 4 江苏大学硕士学位论文 w s c h i e h l e n 教授编辑的( m u l t i b o d ys y s t e mh a n d b o o k ) ) 一书统计，世界范围内已 有1 7 个研究团体把他们的多体分析软件实现了商品化。1 9 9 3 年，德国w k o r t i i m 总结了世界上2 8 个成功的多体仿真软件，对这些软件的概况、多体模型库、车轮 一轨道关系、轮胎一路面关系、建模方法、分析内容、分析方法、前后处理、软 件编程语言、与硬件环境等1 1 大项几十小项进行了对比，a d a m s 软件以超过5 6 4 市场占有率名列汽车多体动力学分析软件的榜首。根据1 9 9 9 年机械系统动态仿 真分析软件国际市场份额的统计资料，a d a m s 软件占据了销售总额近8 千万美元 的5 l 份额1 12 t l t 埘。 a d a m s 软件是由美国m d i 公司开发的种机械动力学分析软件。该软件广 泛的应用于汽车、航空、航天，国防、机械制造、铁路、船舶等各个领域。其中， 在汽车工业中的应用最为广泛，耳前已成为世界各主要汽车公司及其零部件供应 商的主要动力学仿真软件。 a d a m s 软件可以帮助我们从纷繁复杂的建立和求解方程、编写程序等繁重的 劳动中解脱出来，专注于检查机械系统物理的抽象和简化的是否正确，在保证物 理模型的抽象与建立准确的基础上，致力于机械系统特性的深入研纠1 6 , 1 7 。 1 4 本文研究的内容及意义 麦弗逊悬架是独立悬架的一种，它具有结构简单、非簧载质量小、发动机及 转向系易于布置、适合同多种形式的弹簧相匹配以及能实现车身高度的自动调节 等许多优点，但由于其主销轴线位置在减振器与车身连接铰链中心和下摆臂与转 向节连接铰链中心的连线上，因此当悬架变形时，主销轴线也随之改变，前轮定 位参数和轮距也都会相应改变，且变化量可能很大。因此，如果悬架结构设计不 当，悬架杆系布置不合理，这些定位参数的变化就会非常明显，这将会极大地影 响汽车产品的使用性能( 如转向沉重、摆振、轮胎偏磨、影响轮胎使用寿命等) 。同 时，悬架的布置也会影响到悬架的刚度，进而影响到悬架的偏频，从而影响到悬 架的平顺性，因此在悬架设计时，对悬架杆系的布置要引起极大的重视挪洲。 目前，国内引进技术生产合资生产的多数轿车和自主生产的大部分微型车的前 悬架都采用麦弗逊悬架结构。国内大多数自主开发的微型车的麦弗逊悬架都没有 江苏大学硕士学位论文 经过运动学、动力学匹配分析，因而容易造成了车轮定位参数的偏离，轮胎磨损 严重，平顺性差等问题。本课题建立汽车麦弗逊悬架多体动力学模型，寻求对以 上问题的解决方法。 1 )建立前悬的多刚体运动学模型并进行运动学分析。 采用a d a m s c a r 建立皮卡车前麦弗逊悬架多刚体运动学模型； 进行平行轮跳动仿真，分析悬架的布置对定位参数和前轮侧滑的影响； 采用a d a m s i n s i g h t 对悬架的布置进行优化，解决轮胎偏磨的问题。 2 )建立整车多刚体动力学模型并进行动力学分析。 采用a d a m s v i e w 建立整车悬架多刚体动力学模型； 建立随机输入的路面谱，并进行动力学仿真； 进行振动加速度试验，验证整车悬架的动力学模型； 通过仿真分析预测改进后的悬架的平顺性。 多体动力学仿真是- f l 新兴技术，本课题采用该方法对悬架进行的研究将为 悬架设计开发开拓一种更加科学，更为有效的方法。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章a d a m s 软件的基本理论 a d a m s ( 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 ls y s t e m ) 是美国学者 n v o r l a n d e a 与m r a c h a c e 等人利用多刚体动力学理论，选取系统内每个刚体的质 心在惯性参考系中的三个直角坐标和反映刚体方位的为广义坐标编制的计算程 序。a d a m s 软件采用了吉尔( g e a r ) 等解决刚性积分问题的算法，并采用了稀疏 矩阵技术来提高计算效率。它在汽车、航天等领域褥到了广泛的应用。 2 1 多体系统动力学分析软件a d a m s 简介 在研究汽车各种性能时，研究对象的建模、分析与求解始终是关键。多体系 统动力学软件为汽车动力学研究提供了强大的数学分析工具。a d a m s 软件就是 其中的佼佼者。 a d a m s 软件是美国m d i 公司开发的世界上最具权威性的、使用范围最广的机 械系统动力学分析软件。使用a d a m s 软件，可以建立包括机电掖一体化在内的、 任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型，a d a m s 软件提供了从产品概念 设计，方案论证，详细设计，到产品方案修改、优化，试验规划甚至故障诊断各 阶段全方位、高精度的仿真计算分析结果 z 6 a 7 , 1 5 , 1 9 , 2 1 , 2 2 1 。 a d a m s 一方面是机械系统动态仿真软件的应用软件，用户可以运用该软件非 常方便地对虚拟样机进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是机械系 统动态仿真分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业 用户进行特殊类型机械系统动态仿真分析的二次开发工具平台。在产品开发过程 中，工程师通过应用a d a m s 软件会收到明显效果： 1 ) 分析时间由数月减少为数日，可极大地缩短产品的开发周期； 2 ) 降低工程制造和测试费用； 3 ) 产品制造出之前，就可以发现并更正设计错误，完善设计方案； 4 ) 产品开发过程中，减少所需的物理样机数量； 5 ) 当进行物理样机测试有危险，费时和成本高时，可利用虚拟样机进行分析 7 江苏大学硕士学位论文 和仿真。 使用a d a m s 建立虚拟样机非常容易。通过交互的图形界面和丰富的仿真单 元库，用户可以快速地建立系统的模型。a d a m s 与先进的c a d 软件u g 、p r o e 、 c a t i a 等以及c a e 软件a n s y s 、n a s t r a n 等都可以通过计算机图形交换格式 文件相互交换以保持数据的一致性。a d a m s 软件支持并行工程环境，节省大量的 时间和经费。利用a d a m s 软件建立参数化模型可以进行设计研究、试验设计和 优化分析，为系统参数优化提供了一种高效开发工具【1 6 , 1 7 , 1 8 , 1 9 ，2 1 捌。 a d a m s 软件包括3 个最基本的核心模块：a d a m s v i e w ( 基本环境) 、 a d a m s s o l v e r ( 求解器) 和a d a m s p o s t p r o c e s s o r ( 后处理模块) 。针对不同的专 业领域，a d a m s 还开发了很多附加的程序模块，例如：a d a m s c a r ( 轿车模块) 、 a d a m s c h a s s i s ( 底盘模块) 、a d a m s r a i l ( 列车模块) 、a d m s a i r c r a f t ( 航空 模块) 、a d a m s e n g i n e ( 发动机模块) 、a d a m s i n s i g h t ( 试验模块) 、a d a m s t i r e ( 轮胎模块) 、a d a m s l i n e a r ( 系统模态分析模块) 、a d a m s f l e x ( 柔性模块) 、 a d a m s c o n t r o l ( 控制模块) ，a d a m s e x c h a n g e ( 接口模块) ，m e c h a n i s m p r o ( 与 p r o e 的接口模块) 、a d a m s a n i m a t i o n ( 高速动画模块) 等 1 8 , 1 9 , 2 1 1 。 在3 个核心模块中，a d a m s v i e w 界面模块是以用户为中心的交互式图形环 境，它提供丰富的几何零件图形库、约束库和力库，将便捷的图形操作、菜单操 作、鼠标点取和交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、曲线图操作 以及结果分析、数据打印等功能集成在一起。a d a m s v i e w 提供了一个直接面向 用户的基本操作对话环境和虚拟样机分析的前处理功能。 a d a m s s o l v e r 求解器是a d a m s 最为核心的部分，是a d 刖s 软件的仿真 “发动机”，它自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学、和动 力学的运算结果。a d a m s s o l v e r 有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各 种工程问题。由于在完成样机分析的准备工作以后，a d a m s v i e w 程序可以自动 地调用a d a m s s o l v e r 模块，求解样机模型的静力学、运动学或动力学问题，完 成仿真分析以后再自动地返回a d a m s v i e w 操作界面。因此，对于一般用户而言， 不需要对a d a m s s o l v e r 模块作过多的了解，可以把它看作一个“黑箱子”，只需熟 悉a d a m s v i e w 界面模块的操作。 a d a m s p o s t p r o c e s o r 模块是后处理模块。a d a m s 仿真分析结果的后处理需 8 江苏大学硕士学位论文 要通过调用该模块来完成。它除了可以用来输出高性能的动画，绘制各种数据曲 线，还可以进行曲线编辑，数字信号处理等工作，可以使用户快速，迅捷地观察 a d a m s 的仿真结果。该模块也可以单独运行 1 8 , 1 9 2 1 l 。 使用a d a m s 可以很方便地实现以下分析功能f 1 & 1 9 , 2 1 】： 1 )可有效通分析三维机构的运动与力。例如可以利用a d a m s 来模拟作用在轮 胎上的垂直、转向、陀螺效应、牵引与制动、力与力矩，还可应用a d a m s 进行整车或悬架系统道路操纵性的研究； 2 )利用a d a m s 可模拟大位移的系统。a d a m s 很容易处理这种模型的非线性 方程，而且可进行线性近似； 3 )可分析运动学静定( 零自由度) 系统； 4 )对于单或多自由度机构，a d a m s 可完成某一时间上的静力学分析或某时 问间隔内的静力学分析； 5 )具有线性系统模态分析、力输入运动以及模拟控制系统的能力； 6 )利用a d a m s v i e w 提供的控制工具箱或a d a m s c o n t r o l 与m m l a b 一起可以 方便地进行机电一体化系统仿真。 2 2a d a m s 软件的计算方法 a d a m s 软件是基于多体动力学理论进行静力学、运动学和动力学分析的，是 多体系统动力学理论与计算机高度集合的产物。它以笛卡儿坐标和欧拉角参数描 述物体的空间位形，以吉尔刚性积分的方法解决稀疏矩阵的求解问题。a d a m s 中最核心的模块a d a m s s o l v e r 提供多种功能成熟的求解器，可以对所建模型进 行运动学、静力学、动力学分析，其理论基础和求解方法简要介绍如下【1 8 , 1 9 , 2 1 , 2 2 1 。 2 2 1 广义坐标选择 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i 的质心笛卡儿坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标，即 吼= k y ，z ，妒，0 ，纠j ，g = q l r ，q ：】7 ，每个刚体都用六个广义坐标描述。由于采 用了不独立的广义坐标，系统动力学方程为最大数量，但却是高度稀疏耦合微分 代数方程，适于用稀疏矩阵的方法高效求解。 9 江苏大学硕士学位论文 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方程： 鲁7 一( 署) 7 叫p 删 妒( 口，f ) = 0( 2 1 ) 目( q ，q ，) = 。 式中： 卜系统能量，r = 三【时 y - ，+ w - ，叫； 矿0 ，f ) = 0 ，为完整约束方程； o ( q ，q ，d = 0 ，为非完整约束方程； g 广义坐标列阵； q 广义力列阵； 尸对应于完整约束的拉氏乘子列阵： _ 对应于非完整约束的拉氏乘子列阵； 膨质量列阵； v 广义速度列阵； ，转动惯量列阵； w 广义角速度列阵。 写成一般形式为： f ( q ，v ，v ，五0 = 0 g ( v ，q ) = v - q = 0 似q ，f ) = 0 式中： g 广义坐标列阵； 1 0 ( 2 2 ) 江苏大学硕士学位论文 q ，v 广义速度列阵； 丑约束反力及作用力列阵； f 系统动力学微分方程及用户定义的微分方程； 驴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 运动学分析研究零自由度系统位置，速度、加速度和约束反力，因此只要求 解系统约束方程： ( g ，) = 0( 2 3 ) 用吉尔( g e a r ) 预测校正算法可有效求解。根据当前时刻的系统状态矢 量值，用t 级数预测下一时刻系统状态的矢量值 儿+ i = j ，。+ a a f y n 一i i + 五11 3 f y ”办2 + ( 2 4 ) 式中：时间步长h = t n “一 这种预测算法得到的新时刻的系统状态矢量值通常不准确，公式( 2 3 ) 右边 项不等于零，可由吉尔k + i 阶积分求解程序( 或其它向后差分积分程序) 来校正。 l y 。“= - h f l oy + l + a ，y 。“ i f ( 2 ，5 ) 式中： 】，弧t ) 在f 也+ l 时的近似值； b 。口屯k 缸程序的系数值。 公式( 2 ，5 ) 可写成： 。= 最卜如。 j 亿6 ， 将公式( 2 3 ) 在，：“，时刻展开，得： o ( o n + l t n “) = 0( 2 7 ) 任一时刻岛位置的确定，可由约束方程的牛顿一拉夫森( n e w t o n r a p h s o n ) 江苏大学硕士学位论文 署i ，却，叫q j , t n ) ( 2 8 ) 式中： 9 = q + l q j 表示第歹次迭代 岛时刻速度加速度的确定，可由约束方程对时间求一阶、二阶导数得到： 芒) j ：票 ( 2 9 ) 嚅) 9 2 百 ( 2 9 ) 曹；= 臀+ 窨“+ 昙譬小若e ，刁 岛时刻约束反力的确定，可由带乘子拉格朗日方程得到： 锣2 _ d o t n 铲q j 2 2 4 动力学方程的分析 应用a d a m s 软件建立多体模型，其动力学方程一般为隐式、非线性的微分一 代数混合方程( d i f f e r e n t i a la n da l g e b r a i ce q u a t i o n s ，d a e s ) 。对于此类方程，采用 吉尔预测校正算法求解较好。通过求解该方程，可以得到系统中所有部件的边界 条件，即力、速度、加速度。为了加快准确地求解这类方程，a d a m s 采用如图 2 1 所示求解过程。 图2 1a d a m s 中d a e 方程的求解流程 1 2 江苏大学硕士学位论文 微分代数方程求解时，采用如下步骤： l 高斯消元。在进行高斯消元时，需要判断矩阵的主元，以防止求解的失败； 2l u 分解。完成高斯消元的方程组，通过l u 分解法求得方程组的解。 a d a m s 软件进行动力学分析时采用两种算法： 1 提供功能强大的变阶、变步长刚性积分求解程序：o s t i f f ( o e a r ) 积分器、 w s t i f f ( w i e l e n g as t i f 0 积分器、d s t i f f ( d a s s a l ) 积分器和s 1 2 g s t i f f ( s t a b i l i z e d i n d e x 2 ) 积分器。此四种积分器都使用b d f ( b a c k d i f f e r e n c e f o r m u l a e ) 算法，前 三种积分器采用牛顿拉夫森迭代方法来求解稀疏耦合的非线性微分代数方程，该 方法适于模拟刚性系统( 特征值变化范围大的系统) ； 2 提供a b a m ( a d a m s b a s h f o r t ha n da d a m s m o u r o n ) 积分求解程序，采用 坐标分离算法来求解独立坐标的微分方程，这种方法适合模拟特征值经历突变的 系统或高频系统。 2 2 4 1 微分一代数方程的求解算法 根据当前时刻系统状态矢量值，用t a y l o r 级数预测下一个时刻系统的状态矢 量值。 将公式( 2 2 ) 在f = “j 时刻展开，得： i f ( q i ，v n + l ，v i ，五l ，t n + i ) = 0 眠小。，巩t q n + t = 一皓一塾瑚 旺 i o ( q n + lt n + 1 ) = 0 a d a m s 使用修正的牛顿一拉夫森迭代方法求解上面的非线性方程，其迭代 校正公式为： + 筹岘+ 篑+ 詈计吾q 2 。 q + 吾g ，+ 署= 。 c 2 m ， 卟筹盱。 江苏大学硕士学位论文 j 表示第_ ，次迭代， 9 j 2 g j + l q ，a v j = ”+ l 一”，五j = z ，+ l 一旯 由公式( 2 6 ) 知：v - = 一( - 丢) 。 由z 胞胤鼍= 宙j ，罾= ， o qn p n 将公式( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 代入公式( 2 1 3 ) 得： 8 f o q 嚆， 曹 售一去 1 0 oo hf 廿1 a v = 一g ，h ， 公式( 2 1 7 ) 左边的系数矩阵称为系统的雅可比矩阵。 式中： 篓系统冈度阵( 力相对于广义坐标的雅可比矩阵) ； 娑系统阻尼阵( 力相对于广义速度的雅可比矩阵) ； 卯 旦墨系统质量阵( 力相对于广义加速度的雅可比矩阵) 。 a ； ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 通过分解系统雅可比矩阵，求解劬，一，l ，计算出乃+ 一+ - ，乃+ - ，q 川，v 川， a ，+ 1 ，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， 如果预测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，并减小积分步长，重新进行预测一校正过程。 综上所述，微分一代数方程的求解算法重复预测、校正、误差控制过程，直 到求解时间达到规定的模拟时间。 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 2 4 2 坐标减缩的微分方程求解算法 a d a m s 程序提供a b a m 积分程序，采用坐标分离算法，将微分一代数方程 缩减成用独立广义坐标表示的纯微分方程，然后用a b a m 程序进行数值积分。 坐标缩减微分方程的确定及其数值积分过程按以下步骤进行。 l 坐标分离。将系统的约束方程进行矩阵的满秩分解，可将系统的广义坐标 列阵 q ) 分解为独立坐标列阵 口) 和非独立坐标列阵 9 4 ，即 代入上式得： c ：三型墨口 ( 3 7 ) 西r + 4 口l 在将上式代入( 3 2 ) 可以得到： 。c ：一! ! ! ：一4 ( 3 8 ) 弘2 d 2 赢4 岱 将= 1 5 。及该汽车的参数代入式( 3 7 ) 和( 3 8 ) ，得前轮前束和前轮前束角分别 为4 2 m m 和o 3 6 5 2 0 ，将车轮外倾角和计算得到的前轮前束角值输入a d a m s c a r 中的悬架参数变量中，完成悬架的建模。 前轮前束与外倾角的不匹配会导致轮胎严重的磨损，但是，由于实车的前轮 前束的测量值( 4 0 r a m ) 与理想值( 4 2 m m ) 是非常接近，因此分析该皮卡车轮胎 偏磨不是由于前轮前束角与外倾角不匹配而导致的，靠调节前轮前束角是不能解 决这个问题，因此需要从悬架的杆系布置上寻找解决方案。 江苏大学硕士学位论文 3 3 模型的仿真及试验分析 在建立的模型的基础上，针对厂家提出的问题，对该悬架的运动学特性进行 进一步的仿真分析。为了更好的分析该悬架的主要问题，对模型进行平行轮跳动 的仿真。选定平行轮跳动的范围为+ 5 0 r a m 。 3 3 1 基于轮胎偏磨的平行轮跳动仿真 3 3 1 1 轮胎磨损与定位参数关系 影响轮胎偏磨的因素很多口4 筇, 3 6 , 3 7