（车辆工程专业论文）轿车转向系统振动的cae分析.pdf

摘要 随着计算机技术和数值分析理论的发展，c a e 技术在现代汽车产品设计中 扮演着越来越重要的角色，几乎贯穿了汽车设计的全过程，它是计算机技术和 工程分析技术相结合形成的新兴技术。 转向系统是汽车底盘中的一个重要部分，是驾驶员直接接触到的汽车部件， 其性能影响到汽车行驶平顺性、操纵稳定性和行驶速度等重要因素，且其对汽 车n v h 性能影响大。 发动机怠速和路面不平度激励是导致转向系统振动的主要原因，严重影响 车辆舒适性和平顺性，因其很容易引发驾驶员的驾驶疲劳，因此对行车安全影 响较大。本文通过对影响转向盘振动的诸多因素逐一进行分析，根据多体系统 动力学理论，利用a d a m s 软件建立了某轿车的虚拟样机模型，以随机路谱作为系 统输入，利用a d a m s 仿真车辆转向盘垂直加速度响应在不同车速、不同路面等级 下的变化规律，从减振角度分析，悬架刚度和阻尼等车辆参数变化对车辆转向 盘振动的影响。 结合先进的c a e 分析技术，从隔振角度分析，引发该轿车转向系统共振的 主要原因是转向系统的一阶固有频率与在怠速时发动机的激励相接近。通过 n a s t r a n 优化设计，优化转向系统的支架厚度使其一阶固有频率达到3 5 h z 以上， 提高了系统固有频率，防止了怠速共振，改进后的转向盘振动达到了汽车舒适 性的性能要求，从而达到了满意的效果。 该研究不但可用于转向系统的开发和改进设计，对于其它汽车零部件的开 发设计亦具有相应的理论参考价值和实际指导意义，并具有广阔的工程应用前 景。 关键词：转向系统；转向盘；a d a m s ；振动；c a e ；舒适性 c a e a n a l y s i so fac a rs t e e r i n gs y s t e mv i b r a t i o n a b s t r a c t c a et e c h n i q u ei sp l a y i n ga l li m p o r t a n tr o l ei nm o d e md e s i g no fa u t o m o b i l e p r o d u c t sw i t ht h ed e v e l o p m e n t o fc o m p u t e rt e c h n i q u ea n dn u m e r i c a la n a l y s i s t h e o r y ，w h i c ha l m o s tr u n st h r o u g ht h ew h o l ep r o g r e s so fa u t o m o b i l ed e s i g na sa n e m e r g i n gt e c h n i q u e t h es t e e r i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to fa u t o m o t i v ec h a s s i s i ti sap a r to f a u t o m o t i v ew h i c hi sd i r e c t l ye x p o s e dt ot h ed r i v e r s ，a n di ta f f e c t st h ec a r sr i d e c o m f o r t ，t h eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t ya n ds p e e da n do t h e ri m p o r t a n tf a c t o r s ，i t sa l s o i m p a c ta u t o m o t i v en v hp e r f o r m a n c e e n g i n ei d l i n gv i b r a t i o na n dr o a dc o n d i t i o n sa r et h em a i nr e a s o n sw h i c ha r e l e a d i n gt ot h es t e e r i n gs y s t e mv i b r a t i o n s os e r i o u si m p a c to nv e h i c l ec o m f o r ta n d r i d eq u a l i t ya n dc a ne a s i l yl e a dt oi t sd r i v e r 。sd r i v i n gf a t i g u e t h e r e f o r eg r e a t l y a f f e c t st r a f f i cs a f e t y i nt h i sp a p e ，b a s e do nm a n yf a c t o r so fa f f e c t i n gs t e e r i n g w h e e lv i b r a t i o na n a l y s i so n eb yo n e a c c o r d i n gt o t h em u l t i - b o d yd y n a m i c t h e o r y ，am u l t i b o d yd y n a m i cm o d e li s e s t a bli s h e db ym e a n so fa d a m s ，t h e r a n d o me x c i t a t i o no ft h ef o u rw h e e l si su s e da st h ei n p u t so ft h es y s t e m t h e c h a n g i n gr u l eo fv e r t i c a la c c e l e r a t i o np o w e rs p e c t r u md e n s i t yf u n c t i o no fs t e e r i n g w h e e li nt h ef r e q u e n c yd o m a i ni nd i f f e r e n ts p e e da n dr o a di ss i m u l a t e db ym e a n s o fa d a m s t h ea f f e c to ft h ev e h i c l ep a r a m e t e r ss u c ha st h es t i f f n e s sa n dd a m po f t h es u s p e n s i o ni sa n a l y z e df r o mt h ev i b r a t i o n c o m b i n e dw i t ha d v a n c e dc a ea n a l y s i st e c h n o l o g y ，f i n d i n gt h es t e e r i n g s y s t e mr e s o n a n c ei sm a i n l yd u et os t e e r i n gs y s t e m o ft h ef i r s to r d e rn a t u r a l f r e q u e n c ya n de n g i n ei d l i n g n e a rf r o mt h ea n g l eo fv i b r a t i o ni s o l a t i o n b y o p t i m i z i n gt h es u p p o r to ft h et h i c k n e s so fs t e e r i n gs y s t e m ，m a k ei t s f i r s to r d e r n a t u r a lf r e q u e n c yo f35 h zo rm o r et h r o u g hn a s t r a n ，t h e r e b yi m p r o v et h es y s t e m f r e q u e n c ya n dp r e v e n te n g i n ei d l i n gr e s o n a n c e s ot h ea u t o m o b i l es t e e r i n gs y s t e m v i b r a t i o nc o m f o r tr e a c h e st h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sa n di ta c h i e v e s a s a t i s f a c t o r yr e s u l t t h ea b o v es t u d ya d v a n c e dav a l u a b l em e t h o di nd e s i g no fs t e e r i n gs y s t e ma s w e l la so t h e rp a r t so fa u t o m o b i l e ，b yw h i c h ，d e s i g nc o s ta n dp e r i o dw i l lb ec u t d o w n i tw i l lh a v ear e m a r k a b l ep o t e n t i a li ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：s t e e r i n gs y s t e m ；s t e e r i n gw h e e l ；a d a m s ；v i b r a t i o n ；c a e ；c o m f o r t 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 11 图2 1 2 图2 1 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 一1 6 图3 一1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 插图清单 a d a m s 求解流程图8 整车建模过程9 转向系统模板模型图1 0 轮胎模型1 l 麦弗逊式前悬架子系统模型1 2 扭转梁式后悬架子系统模型1 2 整车刚体模型1 2 随机不平路面原理图1 3 b 级路面不同车速下转向盘振动仿真结果1 6 c 级路面不同车速下转向盘振动仿真结果1 7 悬架阻尼对转向盘垂直振动加速度的影响1 8 悬架刚度对转向盘垂直振动加速度的影响1 9 转向盘振动灵敏度分析2 0 工程分析方法2 1 有限单元拓扑形状2 2 有限元分析方法流程2 3 空间四节点四面体单元2 5 空间六面体单元2 5 壳体单元q u a d 4 几何描述2 6 基本流程图3 1 点一点连接3 2 点一面连接3 2 面一面连接3 2 螺栓连接方式之一3 3 螺栓连接方式之一3 3 螺栓连接方式之一3 3 建立c b a r 单元步骤一3 3 梁单元c b a r 属性3 4 c b a r 单元的建立h e l p 图3 4 建立c b a r 单元步骤二3 4 建立c b a r 单元步骤三3 4 建立局部坐标系3 5 建立轴承连接3 5 图3 2 1 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 图3 2 6 图3 2 7 图3 2 8 图4 1 图4 2 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 建立轴承局部坐标系步骤一3 5 建立轴承局部坐标系步骤二3 6 薄板3 6 薄板中面有限元图3 6 转向系统有限元图3 7 二维单元检查3 8 三维单元检查3 8 转向系统有限元模型图3 8 转向系统的约束4 4 转向系统振型图4 5 有限元分析、数值优化与近似模型之间的关系4 8 支架结构图形5 0 目标函数的设置5 1 约束函数设置5 1 目标函数的变化过程图5 2 灵敏度分析图5 2 优化后转向系统振型图5 4 加载载荷图5 5 计算结果图5 5 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表2 5 表2 6 表2 7 表2 8 表3 一l 表4 1 表4 2 表5 1 表5 2 表格清单 转向系统h a r d p o i n t 坐标列表1 0 转向系统各构件之间连接关系列表1 0 轮胎参数1 1 前悬架各构件之间约束副关系列表1 2 后悬架各构件之间连接关系列表1 3 路面不平度8 级分类标准1 4 转向盘垂直振动加速度均方根值1 7 悬架刚度和阻尼对转向盘振动加速度均方根值影响1 9 转向系统的材料性能表3 2 特征值提取方法比较4 3 转向系统模态结果图4 4 优化设计变量表5 2 转向系统频率优化结果5 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金筵王丝太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字舞磐茹 签字日期：刁7 年驴月f 矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金目巴王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金胆王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：彦萼拳 签字日期：弦刃年厶月移日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：谚 签字日期州年q 月f ，日 t 电话： 邮编； 致谢 本文的研究工作是在尊敬的导师王其东教授以及课题组陈无畏教授和方敏 教授的精心指导和悉心关怀下完成的，在硕士学位论文即将完成之际，我深深 感谢敬爱的老师们为我的成长所倾注的心血。在我攻读硕士学位的三年时间里， 自始至终得到了王老师和陈老师的精心指导和热情关怀。本论文中的每一项研 究成果，都凝聚着王老师的心血。王老师严谨求实的治学作风，诲人不倦的师 者风范，对教育事业满腔热情、无私奉献的工作精神，时刻感染教育着我，将 使我受益终生，在将来的工作和学习中，我将铭记王老师的教诲，严格要求自己。 我要感谢我亲爱的父母，正是他们的厚望和无私奉献使我能够全身心地投 入到学业和科研中，他们的殷殷之情始终是我奋斗的动力! 感谢初长宝、祝辉、赵林峰、刘翔宇、周慧会、秦炜华、骆涛、李欣冉、 黄明、夏云峰、夏光、王祺明、何艳则、朱茂飞、徐飞、余武弦、李强以及格 物楼4 1 2 、4 0 8 、4 1 0 和1 0 8 所有的兄弟姐妹们在我的研究课题及论文写作期间 给予我的帮助。在此，祝愿他们快乐人生、事业有成! 最后要感谢机械与汽车工程学院的各位老师在我的硕士研究生阶段给予我 的教导l 感谢所有支持和爱护我的人! 作者：李芳龙 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 1 1 引言 先进有效的设计手段可以大大降低开发费用、缩短开发周期，在日益激烈 的市场竞争中这对于任何厂家来讲都是至关重要的。企业为了提高竞争力，必 须尽快改变品种，更新设计，缩短新产品的研发周期，提高产品的设计质量， 降低产品的研发成本，进行创新设计，这样才能够对快速多变的市场需求做出 敏捷响应，从而在市场竞争中获得相当的市场份额和利润。 在传统的机械产品设计和制造过程中，首先需要进行市场调研，确定对产 品的功能、结构等方面要求；其次，进行概念设计，对每种不同设计方案都绘 制出相应的工程图样；然后，进行方案论证( 通常是基于经验的且需要较长的时 间) ，确定出合适的方案：最后进行产品设计。在设计完成后，为了验证设计， 通常要试制出产品的实物样机( 物理样机) ，并针对该样机设计多种试验方案， 同时在各种不同工况下进行测试，有时这些试验甚至是破坏性的。当发现样机 存在缺陷时，又必须对设计方案及工程图纸进行修改并进行新的一轮样机试制、 测试。只有通过周而复始的“设计一一试验一一设计”过程，产品才能达到要 求的性能。这一过程是冗长的，而且随着产品复杂程度的提高，这种反复的物 理样机5 0 - 8 0 的产品及其相关成本取决于设计过程，通常有2 5 以上的开发时 间耗费在物理模型和样机的制造上。显然，在激烈竞争的市场背景下，基于实 际样机的设计验证过程严重地制约了产品的质量的提高，成本的降低以及对市 场的占有。 随着电子计算机的快速发展和更新，很多设计和研发的软件应运而生，使 设计逐步实现半自动化和自动化【l 】。伴随着现代c a e 技术的飞速发展，利用现代 c a e 分析技术进行虚拟分析和试验来考核汽车构件的强度和耐久性，将基于物理 样机的外场试验与室内等效试验，和基于虚拟样机的虚拟试验有效的结合在一 起，借助于此种先进的开发手段来缩短试验周期和降低开发成本，渐渐在现代 汽车设计和分析中得到广泛的应用1 2 j 。 在整车设计开发过程中，转向系统是汽车底盘中的重要系统。转向系统是 在汽车行驶过程中，驾驶员通过驾驶的一套专设机构【3 】，使汽车转向轮相对于 汽车纵轴线偏转一定的角度，在汽车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面侧 向干扰力的作用，自动偏转而改变行驶方向，此时，驾驶员也可以利用这套机 构使转向轮向相反的方向偏转，从而使汽车恢复原来的行驶方向。其基本组成 为转向操纵机构、转向器和转向传动机构h j ： ( 1 ) 转向操纵机构主要由转向盘、转向轴、转向管柱等组成。 ( 2 ) 转向器将转向盘的转动变为转向摇臂的摆动或齿条轴的直线往复运动， 并对转向操纵力进行放大的机构。转向器一般固定在汽车车架或车身上，转向 操纵力通过转向器后一般还会改变力的方向。 ( 3 ) 转向传动机构是将转向器输出的力和运动传给车轮( 转向节) ，并使左右 车轮按一定关系进行偏转的机构。 汽车转向系统振动性能影响汽车操纵稳定性、汽车安全性、汽车n v h 性能 等重要性能。通过c a e 技术就分析转向系统的振动特性，使得设计人员在样车 试制前就可对汽车结构方面的性能或缺陷有所预见，因此能做到在设计阶段尽 量完善转向系统结构设计，避免设计错误出现在类似生产、试验等后续的开发 阶段，大大缩短了开发周期，提高了设计质量。 1 2课题研究的目的及意义 近几年来，面对居高不下的生产成本和日渐削减的利润，汽车制造商们发 现要彻底改造研发环境才是真正的出路。要实现汽车的优质、快速、低成本开 发的关键，是要实现在计算机工作平台上完成从结构造型到动态分析优化称之 为虚拟设计的全过程，这己为世界各大汽车公司所广泛采用，并己实践证明是 当今汽车车身开发的不可替代的新技术，可以使设计达到理论上的最佳化、提 高市场竞争能力。就c a e 技术的应用而言，汽车行业目前已经达到了实用化阶段。 通过c a e 与c a d 、c a m 等技术的结合，使企业能对现代市场产品的多样性、复杂性、 可靠性、经济性等做出迅速反应，增强了企业的市场竞争能力。在许多行业中， 计算机辅助分析已经作为产品设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺 规范加以实施。国外福特汽车公司，绝大多数的汽车零部件设计都必须经过多 方面的计算机仿真分析，否则根本通不过设计审查，更谈不上试制和投入生产。 计算机数值模拟现在已不仅仅作为科学研究的一种手段，在生产实践中也已作 为必备工具普遍应用。 本论文以轿车转向系统振动为研究对象，利用c a e 分析转向系统的振动特 性，能够在设计方案确定初期了解其性能。首先建立整车模型，通过虚拟仿真 分析转向盘的振动性能，并且分析轿车的前、后悬架刚度和阻尼对转向盘振动 的影响，其次通过结构c a d ，有限元建模与有限元分析，对其初始设计方案进行 强度的校核，模态分析，进而分析结构的应力分布是否合理，强度储备是否足 够，模态频率、模态振型是否合适，对于指导优化设计的方向，提高整车的舒 适性和操纵稳定性、汽车安全性、汽车n v h 性能有非常重要的意义，并且为国内 的转向系统结构设计人员积累现代设计方法的经验和在该方面的研究提供方法 借鉴，提高我国开发拥有自主知识产权的能力。 2 1 3国内外研究现状 c a e 技术最早始于有限元分析f e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 或有限元法 f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d s ) ，这一技术和c a d ，c a m 技术几乎同步发展起来。 5 0 年代中期，开始使用一些专用的程序进行结构分析。在6 0 年代航空航天企业 是开发强有力f e m 软件的先驱，n a s a 在这方面做出了突出的贡献，1 9 7 0 年推出了 几乎可以求解任何线结构问题的著名的n a s t r a n 程序1 5 j 。随后，在此基础上不同 版本的n a s t r a n 相继推出( m s c n a s t r a n ，u a i n a s t r a n 和m a r c n a s t r a n 等) l o j 。 除了著名的n a s t r a n 以外，在7 0 和8 0 年代，包括以热传导分析和场分析见长的 a b a q u s 、以流体力学见长的s t a r 等在内的上百种有限元分析软件服务于各个领 域。由于有限元分析需要进行大量的数据准备和结果处理，有限元分析前后处 理技术也得到了迅速发展。经过几十年的发展，有限元法己经成熟，并成为工 程中必不可少的工具，广泛地应用于各个领域。今天的c a e 已不仅仅是f e m ，它 存在于整个产品开发中需要进行分析、仿真和模拟的各个阶段【7 】。 汽车工业是最早投入研究并推广使用c a e 技术的行业之一，对汽车的零部件 和整体结构进行动力学仿真和分析，是研究其可靠性、寻求最佳设计方案的主 要手段。汽车是由发动机、车身、传动系、行驶系和制动系等组成的复杂结构， 实际使用中的载荷情况也很复杂，采用经典力学的计算方法往往有很大的局限 性。而有限元方法的发展和应用，为其带来了一种可靠的计算方法。有限元分 析己成为计算机辅助设计中的不可缺少的重要环节，己融入到每一辆汽车的设 计中。它包括从结构的物理模型抽象为有限元计算的数学模型，计算程序的选 择或修改，以及计算前后大量信息数据的处理等过程。这个过程最后获得的主 要数据是：结构的应力分布、变形分布、内力分布，结构的固有特性和动响应。 利用这些数据，就可进行相应的分析。分析的目的包括：( 1 ) 进行方案的优化设 计。计算结构的动、静态特性，进行动态优化设计，预测其疲劳寿命和可靠性。 ( 2 ) 分析故障原因，寻求改进方法。在汽车使用中发生故障时，分析其原因，提 出合理改进方案。 从7 0 年代开始，随着大容量计算机的出现和美国宇航局结构分析程序 n a s t r a n 的开发成功，美国几家大的汽车公司开始了一场汽车结构设计的革命， r j m e l o s h ，k k i r i o k a 和t h i r a t a 等人在美国s a e 杂志发表了一系列介绍汽车 的有限元模型的文章 8 - 9 j 。1 9 7 7 年，k a o a l 和w o l f 发表在“a m e r i c a ns o c i e t yo f m e c h a n i c a le n g i n e e r “上的一篇文章全面评述有限元技术在整个小客车模型上 应用的情况。进入8 0 年代以来，随着计算机软硬件技术的飞速发展及计算方法 的创新，有限元模型建立的技术和方法日趋丰富和完善，模型的规模也从最初 的几十、几百个简单单元发展到如今的几万甚至几十万个混合单元，分析对象 己由静态应力到动态响应、噪声、碰撞和优化设计i l 引。应用大型有限元软件， 建立汽车的有限元模型，进行汽车的动静态分析，完成汽车的优化设计，己是 3 各大汽车公司普遍采用的一种手段。 进入9 0 年代，有限元分析得到更为广泛的应用。美国通用汽车公司在通用 有限元程序的基础上自主开发了后处理程序，将发动机和道路激励载荷集成到 数据库中，进行汽车对发动机和道路激励的响应分析和改进，极大的简化了分 析过程【l i 】。日本尼桑汽车公司利用有限元分析仿真来驱动整个设计过程，减少 了设计时间，使花费、重量和n v h ( n o is o ，v i b r a t i o n ，h a r s h n e s s ) 性能得到优 化。在分析中使用的模型己经包括悬架、发动机、轮胎和转向机构【l2 1 。美国福 特汽车公司也利用c a e 在新车开发中提高其n v h 性能，取得良好效果【l 引。在文献 1 4 中，详细介绍了福特公司的c a e 设计小组如何与其他设计小组配合以使转向 系统的设计达到设计要求。国外很多汽车公司都在转向系统的设计上进行不懈 的研究，通用( g m ) 、本田、克莱斯勒( c h r y s l e r ) 等大汽车公司的工程研究 中心和一些高校以及一些专业研究所都专门设立了n v h 实验验证部，他们在汽车 底盘转向系统的研发阶段，通过利用c a e 分析来预测转向系统的模态频率和强 度，并且通过a d a m s 等相关软件来虚拟仿真分析，取得了非常好的效果，节约了 大量的人力、物力、财力。 c a e 在中国汽车行业的应用起步于2 0 世纪8 0 年代中期，历经十几年的缓 慢发展，到9 0 年代后期开始加速，目前已经进入飞速发展期。中外合资的汽车 以及零部件生产企业的c a e 应用水平普遍比较低，因为这些合资企业的产品设 计权在国外，他们的c a e 应用一般停留在工艺更改后的验证层次，谈不上汽车 关键部件的c a e 应用。随着外国汽车以及零部件公司逐步在中国建立研发中心， 其c a e 的应用水平也会逐步提高 1 5 - 1 8 】。 国有汽车企业的c a e 应用开始较早，并且发展比较快，现在有的公司已经 拥有自己的设计能力，而且c a e 在关键部件的应用水平还较高【l 乳2 l j 。国内一些 自主品牌自主( 半自主) 开发的车型，对c a e 分析的需求和依赖性较强，部件、 子系统、整车运动与安全有很多在进行c a e 分析，并且现在不少高校和研究所 也非常注重c a e 分析技术1 2 玉2 5 1 。考察目前已有文献，国内通过c a e 方法来分析 转向系统振动的相关资料比较少，并且大多数是考察电动助力转向系统情况下 对电机的控制或者在液压助力转向系统下对液压泵的控制，来确定它们对操作 稳定性的影响 2 6 - 2 9 】。文献 3 0 研究了非独立悬架的转向梯形的机构和优化，文 献 3 1 研究了利用a n s y s 8 0 分析软件对e p s 系统的转向器结构进行动态性能分 析和强度刚度分析，文献 3 2 研究了从改进仪表板横梁设计的角度，来提高仪 表板横梁的刚度和固有频率，从而提高转向盘的频率，提高转向系统的固有频 率。文献 3 3 研究了优化摩托车转向盘结构的角度来减小摩托车转向盘的振动。 目前，国内在转向系统振动领域，鲜有用c a e 分析方法对此进行仿真分析，本 文采用c a e 技术对转向系统的振动问题进行深入研究分析，为国内在该方面的 研究提供方法借鉴。 4 1 4 研究思路和工作内容 本课题是奇瑞汽车股份有限公司与合肥工业大学一起合作的国家8 6 3 项目 中的子课题。首先根据企业给的数据，建立麦弗逊式前悬架、扭转梁式后悬架、 转向系、车身、轮胎等子系统，通过通讯器子系统将他们连接在一起构成完整 的整车虚拟样车模型，在随机路面上，进行转向盘振动仿真分析；以二维设计 图纸为基础，应用c a d 技术完成三维实体建模；应用c a e 方法对该转向系统结构 进行模态分析和优化。 ( 1 ) 在a d a m s 多体系统动力学软件中，建立起麦弗逊式前悬架、扭转梁式 后悬架、转向系、车身、轮胎等子系统的整车虚拟样车模型。 ( 2 ) 整车虚拟样车在b 级和c 级路面上，在3 0 k m h 、6 0 k m h 、9 0 k m h 工况下 进行振动仿真分析，得出转向盘在不同工况下的加速度时域曲线和功率谱，分 析车辆悬架刚度和阻尼参数对转向盘的影响灵敏度。 ( 3 ) 利用c a t i a z 维建模软件，绘制出转向系统的三维实体模型。 ( 4 ) 将转向系统c a t i a 三维模型通过一定的格式导入到有限元分析软件 h y p e r m e s h 中，在h y p e r i e s h 中划分网格，施加约束，在n a s t r a n 中进行模态分析， 得出转向系统的各阶频率。 ( 5 ) 利用n a s t r a n 的尺寸优化技术，对转向系统的支架厚度进行尺寸优化， 得到适合于本款车的转向系统频率和符合转向系统材料的强度要求的优化设计 变量。 第二章基于a d a m s 的系统建模与转向盘振动分析 利用动力学分析软件a d a m s c a r 模块建立整车动力学仿真模型，对整车 虚拟样机模型进行振动仿真分析，分析b 级和c 级路面下，在不同的车速下， 对转向盘振动的响应，并且通过改变车辆悬架刚度和阻尼参数，分析它们对转 向盘振动的影响。 2 1整车模型的建立 a d a m s 动力学仿真分析软件是以多体系统动力学理论为基础的，下面就 多体系统动力学的相关内容做简单的介绍。 2 1 1多体系统动力学概述 多体系统动力学的核心是建模和求解问题，其系统研究开始于2 0 世纪6 0 年代。随着计算机技术的发展及其在机构的静力学分析、运动学分析、动力学 分析以及控制系统分析的应用，在2 0 世纪8 0 年代形成了计算多体系统动力学， 并产生了以a d a m s 和d a d s 为代表的动力学分析软件。两者共同构成了计算机辅 助工程( c a e ) 技术的重要内容。 多体系统动力学的根本目的是应用计算机技术进行复杂机械系统的动力学 分析与仿真。它是经典力学基础上产生的新学科分支，在经典刚体系统动力学 的基础上，经历了多刚体系统动力学和计算多体系统动力学两个发展阶段。 对于由多个刚体组成的复杂系统，理论上可以采用经典力学的方法，即以 牛顿一欧拉方程为代表的矢量力学分析方法和以拉格朗日方程为代表的分析力 学方法。这种方法对于单刚体或者少数几个刚体组成的系统是可行的，但随着 刚体数目的增加，刚体之间的联系状况和约束方式变得极其复杂，其动力学方 程的复杂程度也成倍增长。在这个时候，随着计算机数值计算方法的出现，在 航空领域和机械领域，分别展开了对于多刚体系统动力学的研究，并形成了不 同派别的研究方法。其中最具代表性的几种方法是罗伯森一维滕堡( r o b e r s o n ， w i t t e n b u 电) 方法、凯恩( k a n e ) 方法、旋量方法和变分方法。 这四种方法构成了早期多刚体系统动力学的主要内容。2 0 世纪8 0 年代， 美国的c h a c e 和h a u g 提出了适宜计算机自动建模与求解的多刚体系统笛卡尔建 模方法，这种方法不同于以r - w 方法为代表的拉格朗日方法。它以系统中每个 物体为单元，建立固结在刚体上的坐标系，刚体的位置相对于一个公共参考基 准进行定义，其位置坐标统一为刚体坐标系基点的笛卡尔坐标与坐标系的方位 坐标，再根据铰约束和动力学原理建立系统的数学模型进行求解。目前世界上 最著名的两个动力学分析商业软件a d a m s 和d a d s 都是采用这种建模方法。 6 2 1 2m s c a d a m s 分析软件简介 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 f m e c h a n i c a ls y s t e m ) 最初是由美国的m d i 公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c sl n s ) 开发， 目前已被美国m s c 公司收购成m s c a d a m s ，是目前世界范围内最广泛使用的 多体系统仿真分析软件，其建模仿真的精度和可靠性在现在所有的动力学分析 软件中也名列前茅，应用它可以方便地建立参数化的实体模型，并采用多刚体 系统动力学原理进行仿真计算【3 5 1 。 a d a m s 使用交互式图形环境和部件库、约束库、力库，用堆积木的方式 建立三维机械系统参数化模型，并通过对其运动性能的仿真分析和比较来研究 “模拟样机可供选择的设计方案。求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉 格郎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、运动学和 动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。a d a m s 软件的仿真 可用于预测机械系统的性能运动范围、碰撞检测、峰值载荷和计算有限元的输 入载荷等。 软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5 类模块组 成a d a m s c a r 是m d i 公司与a u d i b m w ，r e n a u l t 和v o l v o 等公司合作开发的整 车设计软件包，集成了他们在汽车设计、开发方面的专家经验，能够帮助工程 师快速建造高精度的整车虚拟样机。 2 ) a d a m s 的分析计算方法 a d a m s 以刚体的质心笛卡尔坐标和反映刚体位移的欧拉角或广义欧拉 角作为广义坐标，即 q = b ，人引r 其动力学方程采用拉格朗日乘子算法建立如下： z 郴f z z y _ r 咖坤= q 完整的约束方程 ( g ，f ) = 0 非完整的约束方程 o ( q ，q ，) = 0 其中：t 一一系统功能5 q 系统广义数组； q 一一广义数组； p 一一对应于完整约束的拉氏乘子数组； 一一对应于非完整约束的拉氏乘子数组 7 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 分析计算采用两种算法： ( 1 ) 变阶、变步长求解程序：g s t i f f 积分器、d s t i f f 积分器和b d f 积分 器来求解稀疏耦合的非线性微分代数方程，这种方法适用于模拟刚性系统( 特征 值变化范围大的系统) ： ( 2 ) a d a m s 积分求解程序采用坐标分离算法来求解独立的微分方程，这种 方法适用于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。 求解数据流程如图2 1 。 图2 1a d a m s 求解流程图 a d a m s 软件包含有很多模块，方便用户进行针对性操作，下面简要说明 本课题中需要用到的模块： ( 1 ) 用户界面模块( a d a m s v i e w ) 。a d a m s v i e w 是以用户为中心的交互式 图形环境。它采用p a r a s o l i d 内核进行实体建模，提供了丰富的零件几何图形库、 约束库和力力矩库，并且支持布尔运算。同时将图标操作、菜单操作、鼠标点 取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、x y 曲线图处理、 结果分析和数据打印等功能集成在一起。 ( 2 ) 轿车模块( a d a m s c a r ) 。a d a m s c a r 集成了在汽车设计、开发方面的专 家经验，能够帮助工程师快速建造高精度的整车虚拟样机，其中包括车身、悬 架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等，工程师可以通过高速动画直 观地再现在各种试验工况下( 例如：天气、道路状况、驾驶员经验) 整车的动力 学响应，并输出标志操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性的特征参数， 从而减少对物理样机的依赖，而仿真时间只是进行物理样机试验的几分之一。 ( 3 ) 求解器模块( a d a m s s o l v e r ) 。a d a m s s o l v e r 是a d a m s 处于心脏地位的 仿真器。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 学的解算结果。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 种工程应用问题。 ( 4 ) 后处理模块( a d a m s p o s t p r o c e s s o r ) 。a d a m s p o s t p r o c e s s o r 用来处理仿 真结果数据、显示仿真动画等。既可以在a d a m s v i e w 环境中运行，也可脱离 该环境独立运行。它采用快速高质量的动画显示，便于从可视化角度深入理解 设计方案的有效性。 此外，a d a m s 还包括图形接口模块( e x c h a n g e ) 、控制模块( c o n t r o l s ) 、动画 模块( a n i m a t i o n ) 、柔性模块( a d a m s f l e x ) 、线性分析模块( l i n e a r ) 、驾驶员模 8 块( d r i v e r ) 、轮胎模块( t i r e ) 等。 2 1 3 整车模型的建立 汽车是一个极其复杂的机械系统，如果按照汽车实际构造进行建模，其工 作量将非常大。为此，我们不得不做一定的简化工作。根据分析研究的目的， 在车辆建模时，根据车辆的结构可以适当地抽象、简化。在本文中，重点研究 车辆转向盘在随机路面的振动特性，所以忽略了制动系统等的作用。 建立整车模型的过程如图2 2 所示，即先建立整车各个子系统的模板，然 后建立子系统，最后通过信息交换器将各个子系统连接成整车。其中子系统包 括前悬架、后悬架、转向系、 厢 前悬架 后：悬架 转向系 前轮胎 后轮胎 车身 前轮胎、后轮胎、车身和发动机。 r 硐卜一 前悬架系统 后悬架系统 转向系统 前轮胎系统 后轮胎系统 车身系统 信号 交换器 整 车 模 型 图2 2 整车建模过程 坐标系是建模过程中必须考虑的，a d a m s c a r 中的坐标系与车辆坐标系 一致。 ( 1 ) 转向系统模型的建立 转向系统包括转向盘、转向轴、转向传动轴、齿轮齿条式转向器等。转向 系建模分析中必须考虑的一个重要参数是转向系传动比。转向系力传动比f 。指 的是从轮胎接触地面中心作用在两个转向轮上的合力2 咒与作用在转向盘上的 手力e 之比；转向系角传动比指的是转向盘转角和驾驶员同侧的转向轮转角 之比。计算公式如下： m 。r r 尺 矽p r 矽 r 铲茁i 刮踟。石剐mq 矿i2 苟。薪i2 贡石 亿6 ) 式中：吮一转向阻力矩； m h 一转向盘的力矩； r 一转向盘的半径； 口一主销偏移距，指从转向节主销轴线的延长线与支承平面的交点至车 轮中心平面与支承平面的交线的距离； 乙一转向器角传动比，等于转向盘转角增量矽与转向摇臂的相应增量 。之比； f m 一转向传动装置角传动比，等于摇臂轴转角增量。与同侧转向节转 角增量反之比； 9 。一转向系角传动比。 本课题采用的是齿轮齿条式转向系统，修改a d a m s c a r 中的转向系统模板模 型，使其符台实际模型的需要，如图所示 图2 3 转向系统模板模型图 其中，转向系统各h a r d p o i n t 坐标如下表2 1 所示： 表2 1 转向系统h a r d p o i n t 坐标列表 名称坐标 转向盘中心8 6 70 ，2 3 50 ，4 3 00 上万向节中心5 1 70 ，- 2 3 50 ，3 0 00 下万向节中心3 0 00 ，- 2 0 0 0 ，1 0 00 转向器中心1 6 7 02 3 5 0 ，3 00 转向横拉杆左端点1 6 70 ，- 3 6 00 ，3 00 转向横拉杆右端点 1 6 7o 3 6 0o3 00 左村套1 6 70 ，- 3 3 50 3 00 右衬套1 6 70 ，3 3 5 0 ，3 00 转向系统支架中心 6 9 20 ，2 3 50 ，3 6 50 转向系统各构件之间的连接关系如表2 2 所示 表2 2 转向系统各构件之间连接关系列表 序号连接构件 连接类型 齿条壳体移动