（车辆工程专业论文）基于adams的麦弗逊式悬架系统的虚拟仿真分析及其优化设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文以某一型号微型轿车的前悬麦弗逊式独立悬架作为研究对象，针对一 些客户反映该类型汽车前轮磨损严重的问题，以虚拟样机软件a d a m s 为应用 平台，并结合对整车的仿真分析，从新车型开发过程中悬架系统选型配置和对 其结构优化的角度：对麦弗逊式独立悬架系统做运动学仿真分析研究。并对配 置有优化后的麦弗逊式悬架的该微型轿车进行整车仿真分析，验证了该微型轿 车操纵稳定性能的改善，以达到改进选型开发新产品的目的并能够较好的解决 轮胎磨损的问题。 本文首先介绍了该课题的研究意义和国内外对相关课题的研究情况以及发 展现状，概述了本课题研究的总体思路以及主要内容。接下来简要的介绍了虚 拟样机技术的代表软件a d a m s 的相关理论以及本论文用到的主要模块，然后 在a d a m s c a r 环境下建立了整车仿真分析所需要的各个子系统模型。在论文 的第三章里面详细的研究了麦式悬架的运动特性对车轮定位参数的影响，从而 造成车轮的异常磨损，然后从几何的角度研究了前轮轮胎磨损的因素以及评价 指标，最后从运动学的角度来研究前轮定位参数对轮胎磨损的影响。接下来重 点研究了对麦弗逊式悬架系统总成的仿真分析及对其结构参数的优化设计。思 路是从解决前轮轮胎磨损异常的角度出发，重点分析了前轮定位参数与前轮轮 胎磨损的关系并对麦弗逊式独立悬架系统的结构进行了优化。这个过程总的指 导思想是以麦弗逊式独立悬架系统的9 个关键点为设计变量，以前轮的定位参 数为目标函数，之后再利用a d a m s 软件中的后处理模块p o s t p r o c 2 s s o r 以及 i n s i g h t 模块分析并优化麦弗逊式悬架系统总成的车轮定位参数，以达到对该类 型悬架系统性能的改进。 本论文通过对麦弗逊式独立悬架系统以及整车的动力学仿真分析，成功的 得到了针对该微型轿车悬架系统的最优选型方案，有效地缩短了汽车的研发周 期，大大的降低了新产品的研发成本，对提高产品的设计和制造质量具有重要 意义。 关键词：a d a m s ，麦弗逊式悬架，轮胎磨损，仿真分析，优化设计 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , am o d e lo ft h em i c r o - c a rf r o n ts u s p e n s i o nm c p h e r s o n i n d e p e n d e n t s u s p e n s l o nf o r t h es t u d y , f o rs o m ew e a rs e r i o u sp r o b l e mr e f l e c t e db yc u s t o m e r so f c a rf r o n tw h e e l ，a 洲sv i r t u a lp r o t o t y p i n gs o f t w a r ef i o rt 1 1 e a p p l i c a t i o np l a t f o r m , c o m b i n e dw i t ht h ev e h i c l es i m u l a t i o na n a l y s i s f r o mt h ep r o c e s so f d e v e l o p i n gn e w t y p eo fc a r , f r o mt h ea n g l eo fs u s p e n s i o ns y s t e ms e l e c t i o no fc o n f i g u r a t i o na n d o p t i m i z a t i o no fi t ss t r u c t u r e ，e q u i p p e dw i t ho p t i m i z e dm c p h e r s o ns u s p e n s i o no ft h e m i c r o - c a rf o rv e h i c l es i m u l a t i o na n a l y s i s ，a n dv e r i f i e dt h em i c r o c a ro fi m p r o v e d h a n d l i n ga n ds t a b i l i t y , i no r d e rt oa c h i e v et h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gs e l e c t i o na n d d e v e l o p i n gn e wp r o d u c t s ，a n ds o l v eb e t t e rt h et i r ew e a rp r o b l e m f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo ft h ep r o j e c ta n dr e l a t e d p r o j e c t ss i t u a t i o no fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ts i t u a t i o na th o m ea n da b r o a d ，a n d s u m m a r i z e dt h eg e n e r a lc o n c e p to ft h i sr e s e a r c hp r o j e c ta n dt h em a i nc o n t e n t n e x t ， b r i e f l yi n t r o d u c e dt h er e l a t e dt h e o r i e so fa d a m s ，v i r t u a lp r o t o t y p i n gr e p r e s e n t a t i v es o f t w a r e ， a n dt h em a i nm o d u l e su s e di nt h ep a p e r t h e ni nt h ea d a m s | c a re n v i r o n m e n t 。 e s t a b l i s h e dm c p h e r s o nf r o n ts u s p e n s i o ns u b s y s t e m 鹬w e l la so t h e rs u b s y s t e m s n e e d e db yc o m p l e t ev e h i c l es i m u l a t i o na n a l y s i s t h et h i r dc h a p t e rs t u d i e di nd e t a i l ， t h ee f f e c to ft h ew h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e r sw h i c hw a sf r o mt h em c p h e r s o n s u s p e n s i o nm o t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，r e s u l t i n gi na b n o r m a lw e a ro fw h e e l t h e ns t u d i e d t h ef r o n tt i r ew e a rf a c t o r sf r o mt h eg e o m e t r ya n de v a l u a t i n g i n d i c a t o r f i n a l l y , s t u d i e df r o n tw h e e la l i g n m e n tp a r a m e t e r so nt i r ew e a r f r o mt h ea n g l eo f k i n e m a t i c s t h en e x tf o c u so fs t u d yw a sm c p b e r s o ns u s p e n s i o ns y s t e ma s s e m b l ys i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o nd e s i g no fi t ss t r u c t u r ep a r a m e t e r s t h ei d e aw a sf r o mt h ea n g l eo ff r o n t w h e e lt i r ew e a ru n u s u a l l y , s e l e c t i v e a n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf r o n tw h e e l a l i g n m e n tp a r a m e t e ra n dt h ef r o n tw h e e lt i r ew e a r , a n dm c p h e r s o ni n d e p e n d e n t s u s p e n s i o ns y s t e mw a so p t i m i z e d g e n e r a lg u i d i n gp r i n c i p l eo ft h i sp r o c e s sw a st h e n i n ek e yp o i n t so fm c p h e r s o ni n d e p e n d e n ts u s p e n s i o n s y s t e mf o rt h ed e s i g n v a r i a b l e s ，t h ep o s i t i o n a lp a r a m e t e r so ff r o n tw h e e lf o rt h eo b j e c t i v ef u n c t i o n t h e n , u s i n ga d a m ss o f t w a r ep r o c e s s i n gm o d u l e sp o s t p r o c e s s o ra n di n s i g h t ，a n a l y z e d a n do p t i m i z e dw h e e la l i g n m e n t p a r a m e t e r so fm c p h e r s o ns u s p e n s i o ns y s t e m a s s e m b l y , t oi m p r o v ep e r f o r m a n c eo ft h et y p eo fs u s p e n s i o ns y s t e m i nt h el a s t ， r e v i e w e dt h e o p t i m i z e dm c p h e r s o ns u s p e n s i o ns y s t e mp r o m o t e dt h ev e h i c l e t s h a n d l i n ga n ds t a b i l i t yo rn o t u 武汉理工大学硕士学位论文 b ym c p h e r s o ni n d e p e n d e n ts u s p e n s i o ns y s t e m s a n dv e h i c l e d y n a m i c s s i m u l a t i o n ，t h ep a p e rh a sg o t t e nt h eo p t i m a ls e l e c t i o no fp r o g r a m so fm i c r o c a r s u s p e n s i o ns y s t e ms u c c e s s f u l l ye f f e c t i v e l yr e d u c e dt h ec a r sd e v e l o p m e n tc y c l e g r e a t l yr e d u c e dt h ec o s to fd e v e l o p i n gn e wp r o d u c t s i ti ss i g n i f i c a n tt oi m p r o v e p r o d u c t sd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gq u a l i t y k e yw o r d s ：a d a m s ，m c p h e r s o ni n d e p e n d e n ts u s p e n s i o n ，t i r ew e a r , s i m u l a t i o na n a l y s i s ， o p t i m i z a t i o nd e s i g n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个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注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得武汉理工大学或其他教 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了谢意。 研究生签名：日期：型丝! ! ：兰：翌篁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容，可以采用复印、缩印或其他复制手段保存论文。 躲斜新编哗飙 占k 。，j 灵 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 目前麦弗逊式悬架系统在汽车前悬挂上应用的广泛程度是其他悬挂系统无 法匹敌的。高级轿车如宝马m 3 ，保时捷9 1 1 这类高性能车，中低档汽车如菲亚 特s t i l o 以及福特f o c u s 都采用的是麦弗逊式悬架系统，某些国产车型如哈 飞面包车的前悬挂系统也是采用的麦弗逊式设计。麦弗逊悬挂一般由两个基本 部分组成：支柱式减震器和a 字型托臂。减震器支柱除了具有减震的功用，还 有支撑整个车身的作用，麦弗逊式悬架系统的结构非常紧凑，空间占有容积小， 把减震器和减震弹簧装配在一起，就组成了一个可以上下运动的滑柱。麦弗逊 式悬架系统的下托臂一般采用的是a 字型的设计方法，它的作用是给车轮提供 部分横向支撑力并且承受全部的前后方向应力。整个汽车体的重量和汽车在运 动时车轮承受来自地面的所有冲击就靠这两个部件承担。从上述可以知道，麦 弗逊式悬架系统的一个最大设计特点就是结构紧凑，结构紧凑能带来两个直接 的好处那就是悬挂重量较轻和占用空间很小。汽车悬挂系统属于运动部件，如 果运动部件质量越小，则悬挂响应速度以及回弹速度就会越快，所以悬挂系统 的减震能力也就越强，而且悬挂质量减轻意味着弹簧下质量减轻，那么在车身 重量一定的情况下，舒适性也越好。占用空间小带来的直接好处就是设计师能 在布置更大的发动机，而且发动机的放置方式也不用受很大限制。在中型车上 能放下大型发动机，在小型车上也能放下中型发动机，让各种发动机的匹配更 加灵活【1 】【2 】【3 1 。 目前常见独立悬架的结构形式有三种：烛式独立悬架、麦弗逊式独立悬架 和连杆式独立悬架。烛式独立悬架和麦弗逊式独立悬架形状基本相似，二者都 是将减振器与螺旋弹簧装配在一起，但是两者在结构上又有重大差别。烛式独 立悬架采用的是车轮沿主销轴方向移动的悬架形式。它具有的特点是主销位置 和前轮定位角不随车轮的上下跳动而变化，这种固有性能有利于提高汽车的操 纵性和行驶平顺性。麦弗逊式独立悬架采用的是绞结式滑柱与下横臂组成的悬 架形式，减振器同时具有转向主销的功能，转向节可以绕着减震器转动。该类 型独立悬架所具有的特点是主销位置与前轮定位角会随着车轮的上下跳动而不 断变化，这种特点与烛式独立悬架不同。麦弗逊式独立悬架构造简单，空间占 用位置小，前轮定位变化小，具有良好的操纵稳定性和行驶平顺性。所以，目 武汉理工大学硕上学位论文 前轿车上使用最多的独立悬架是麦弗逊式悬架【4 】。 下面简要介绍麦弗逊式悬架的结构。 与烛式悬架系统一样，麦弗逊式悬架系统的车轮也是沿着主销滑动，但与 烛式悬架又不完全相同，麦弗逊式悬架系统的主销是可以摆动的，麦弗逊式悬 架是摆臂式和烛式的结合。和双横臂式悬架相比，麦弗逊式悬架的优点是：结 构紧凑，空间占有率小，当车轮跳动时，前轮定位参数变化较小，具有良好的 操纵稳定性和行驶平顺性。在加上麦弗逊式悬架系统没有了上横臂，这种特点 给发动机和转向系统的布置带来了极大的方便；与烛式悬架相比，麦弗逊式悬 架系统的滑柱受到的侧向力有了较大的改善。目前麦弗逊式悬架多应用在中小 型轿车的前悬架上，例如保时捷9 1 1 、国产奥迪、桑塔纳、夏利以及富康等轿 车的前悬架均为麦弗逊式独立悬梨5 1 。虽然麦弗逊式悬架的技术含量不是最高， 但是它是一种经久耐用的独立悬架，而且具有很强的道路适应能力。 麦弗逊式悬架左右相对于汽车纵向平面是对称的，其结构总成主要包括： 螺旋弹簧、减震器、三角形下摆臂，绝大部分车型还会有横向稳定杆。对这种 悬挂结构，简单的来说就是螺旋弹簧套在减震器上，减震器可以避免螺旋弹簧 受力时向前、后、左、右偏移，限制弹簧只能作上下方向的振动，并可以用减 震器的行程长短及松紧，来设定悬挂的软硬及性能。正因为该类型悬挂有以上 特点，所以麦弗逊式悬挂结构简单，质量较小，响应速度较快，并且还具有自 动调整车轮外倾角的功用，让汽车在转弯时能很好的适应路面，使得轮胎的接 地面积最大化，虽然麦弗逊式悬架并不是技术含量非常高的悬架结构，但麦弗 逊式悬挂在行车舒适性上的表现还是令人满意表现出很好的行驶平顺性而为广 大用户所满意。但是因为这种结构特点，也有其不足的地方，就是对左右方向 的冲击缺乏阻挡力，抗刹车点头作用较差，悬挂刚度较弱，稳定性差，转弯侧 倾明显。在这种悬挂结构中，各刚体之间的连接情况采用如下方式：转向节总 成与减振器上体采用圆柱铰接的连接方式，减振器上端与车身的连接因为只有 3 个自由度，所以采用球铰的连接方式，转向横拉杆一端通过球铰与转向节总 成相连，另一端通过球铰与转向齿条相连，下摆臂一端通过转动铰与车身相连， 另一端通过球铰与转向节总成相连，在进行仿真分析时，转向齿条通过固定副 与车身相连，车轮总成和转向节总成也通过固定副相连，车身相对地面不动【6 】【7 1 。 1 2 课题研究背景 2 l 世纪是汽车工业得到迅猛发展的时代，全球各汽车大国对汽车的发展给 2 武汉理工大学硕士学位论文 予了足够的重视。现在广大人们的心中逐步形成一种普遍共识，那就是汽车已 经成为人们日常生活中不可或缺的交通运输工具。现在各种汽车的日渐普及， 人们的需求得到了较好的满足，但是随着人们生活水平的逐渐提高，广大人们 对汽车技术的逐步成熟和完善提出了更高的要求，最为人们所关心的是汽车的 安全性、行驶平顺性、操纵稳定性以及乘坐舒适性。为了满足这些要求，唯一 的方法是通过对汽车系统动力学以及运动学的深入研究。然而汽车是一个非常 复杂的多体系统，外界载荷复杂多变，人、车和外界环境相互作用，这些都使 得汽车动力学模型的建立、仿真计算、求解分析任务加大。按照传统的研究分 析方法，以上过程都需要经过反复的样车试制、道路模拟试验以及整车性能仿 真分析试验。这样不仅使得研发周期拉长，而且需要花费大量的人力、物力以 及财力，况且有的试验因为具有一定的危险性而难以进行试验。在当前全球制 造企业竞争日趋激烈的环境下，各大汽车生产企业要想赢得竞争，赢得市场份 额，除了满足客户对汽车整体性能要求，还要尽最大可能缩短新车型的设计开 发周期，节省设计成本，但是传统的研究方法已经无法满足上述新的变化和发 展要求。 伴随着计算机技术的进步虚以及相关研究理论的升级换代，虚拟样机技术 应运而生。以多体动力学理论为基础的虚拟样机技术是当前设计研发制造领域 的一项突破性关键技术，它可以在各种虚拟环境中模拟真实的产品，仿真分析 模拟产品的运动及受力情况，这项技术大大的缩短了新产品研发周期，同时也 节省了研究成本，为各大制造业生产企业采用。利用虚拟样机技术，还可以大 大的提高设计质量。在这一突破性领域中，美国m s c 公司的a d a m s 软件是 目前世界上市场占有率最高的机械系统动力学仿真软件。 1 3 课题研究的目的和意义 麦弗逊式独立悬架是现代汽车上广泛采用的一种悬架结构形式。麦弗逊式 悬挂一般由三部分组成：螺旋弹簧、减震器以及三角形下摆臂，绝大部分车型 还会装上横向稳定杆。该类型悬架系统具有结构简单、非簧载质量小、发动机 及转向系易于布置、能与多种弹簧相匹配及能实现车身高度自动调节等优点。 但其运动特性的优劣关系到汽车操纵稳定性、舒适性、转向轻便性和轮胎使用 寿命等。合理的几何参数是保证麦式独立悬架具有良好运动学特性的重要因素。 传统悬架系统的设计、试验、试制过程中必须边试验边改进，从设计到试 制、试验、定型到产品开发，研发成本高，研发周期长，无法满足客户的需求。 武汉理工大学硕上学位论文 本文利用机械系统动力学分析软件a d a m s 进行仿真分析以优化设计，可以大 大简化悬架系统设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少品开发费 用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统及性能，获得最优化和创新的 设计产品。 1 4 和课题相关的目前国内外研究现状 汽车诸多行驶性能的研究中，以汽车的动力性为最主要研究对象，该对象 的建模、分析与求解自始至终都是最关键的问题。汽车本身是一个非常复杂的 多体系统，但是外界载荷的作用更加复杂。由于理论方法和计算手段的限制， 汽车动力学的发展比较缓慢。为了提高研究效率，缩短研发周期，多数情况下 都采用了简化的汽车模型，因此导致汽车的很多特征不能得到精确的定量分析。 而随着计算机技术的日新月异，使我们对复杂问题的解决能力产生了质的提高。 多体力学、有限元分析技术和模态分析技术等理论方法出现后得到了迅速的发 展，并很快应用到汽车研究领域其发挥了重要作用。 国外在虚拟样机技术领域研究分析开始比较早，目前已经开发出了多种专 门针对虚拟样机的仿真软件，这也是汽车行业应采用新技术和数字化方式开发 新产品的趋势所在。早在本世纪7 0 年代末期，美国福特汽车公司在开发新产品 时就率先采用了该技术，随后，美国通用汽车公司，克莱斯勒汽车公司以及日 本，德国等各国的大汽车公司也引进该技术，都投入巨额入力、物力和财力， 并陆续开始着手研究此技术，以建立并研究高度自动化的虚拟仿真系统。 1 9 9 3 年在英国机械工程师协会( i m e ，i n s t i t u t i o no f m e c h a n i c a le n g i n e e r s ) 举行的学术会议上s e g e l 发表了题为“汽车行驶平顺性和操作稳定性的文章， 并就1 9 9 0 年以前的汽车动力学的发展做了比较全面的总结。他在文章中强调， 线性二自由度模型的建立将汽车简化为二自由度，在该模型的建立中不仅忽略 了悬架系统及转向系统等细节，而且把轮胎的侧偏特性简化为线性特性，这在 定性研究汽车动力学时起到了关键作用【s 】。 进入8 0 年代初，许多通用的软件已经能对汽车系统进行分析计算，而且针 对汽车某一具体问题还出现一些专用软件。这些软件的研究范围也从起初的局 部分析拓展到整车系统，并且延伸到汽车系统动力学的各个方面。8 0 年代中期， 多体系统动力学在汽车工程上的应用最快，国外的主要汽车生产商和汽车研究 机构在c a d 系统中安装了多体系统动力学软件，并与有限元分析、模态分析及 优化设计等软件一起，构成了一个有机的整体，在汽车设计与研发中发挥了重 4 武汉理工大学硕士学位论文 要作用。 我国对采用多刚体系统动力学进行分析和计算的研究，以及对汽车动力学 的研究起步比较晚。从7 0 年代初，长春汽车研究所和清华大学同时开始了对汽 车动力学的研究。主要的研究内容是汽车行驶平顺性和操纵稳定性的性能指标 评价方法及试验方法、操纵稳定性力学模型的建立、模型的计算方法、性能预 测方法及优化设计方法。从7 0 年代开始，力学模型研究汽车侧偏和横摆运动的 二自由度的线性模型，对其功能的研究也从对汽车稳定性的稳态响应和瞬时响 应的分析，发展到汽车转弯制动性能的分析。 从9 0 年代初开始，科研人员就把多柔体系统动力学的理论和方法应用到汽 车研发领域，这象征着汽车多体系统动力学已开始向更高的层次发展。科研人 员试图用各种方法将柔性体的力学效应并入多体运动力学的方程中进行分析与 求解。这些方法既包含探索直接建立并求解刚柔混合的多体动力学方程的方法， 也有采用现有的多刚体系统动力学软件对柔性体进行分析的方法【9 儿1 0 j 。 1 5 本课题研究的总体思路 本文以多体系统动力学理论为依据，以a d a m s c a r 为研究手段，在虚拟 环境中建立整车模型，其中包括麦弗逊式前悬架模型，多连杆式后悬架模型， 转向系模型、动力系统模型，轮胎模型以及车身模型。以车轮的定位参数为研 究变量，通过对麦弗逊式前悬架系统的仿真分析，对比优化前后前轮前束，车 轮外倾角，主销内倾角以及主销后倾角的曲线，对麦弗逊式前悬架系统进行初 步的评价。后对整车进行仿真分析，以整车的操作稳定性和行驶平顺性为研究 对象，揭示麦弗逊式前悬架系统对上述二者性能的影响。根据仿真结果对悬架 系统各方案进行分析比较，最终确定最优的麦弗逊式前悬架系统选型方案。本 论文利用a d a m s 对麦弗逊式悬架进行仿真分析的全过程以及技术路线如下图 1 1 和图1 2 所示： 武汉理工大学硕七学位论文 图1 - 1 仿真分析的全过程 图1 - 2 技术路线 1 6 本论文研究的主要内容 本文在a d a m s c a r 环境下建立了麦弗逊式前悬架模型，通过仿真分析， 对前轮定位参数进行了优化。通过分析优化前后的性能曲线，重点阐述了前轮 6 武汉理工大学硕士学位论文 定位参数对轮胎磨损的影响。接下来分别建立了整车仿真所需要的各个子系统 模型，并对其进行了几个典型的操纵稳定性和行驶平顺性仿真分析试验，从而 验证优化后整车操纵稳定性和行驶平顺性的改进。 全文的具体研究内容有以下几点： 1 深入的研究了麦式悬架的运动特性( 空间结构参数) 对车轮定位参数的 影响，从而造成车轮的异常磨损。然后从几何的角度研究了前轮轮胎磨损的因 素以及评价指标，最后从运动学的角度来研究前轮定位参数对轮胎磨损的影响： 2 对某微型轿车前轮磨损严重的问题，采用虚拟样机技术对前悬架系统进 行运动学的仿真分析研究，主要是研究前轮的四个定位参数，其中就包括前束 角，车轮外倾角，主销后倾角以及主销内倾角，通过双轮同向激振仿真试验， 考查车轮的定位参数与车轮磨损情况的关系。本论文利用a d a m s 软件对前悬 麦弗逊式悬架系统进行仿真分析计算，得到以上四个车轮定位参数与车轮跳动 量的变化关系曲线，进而对该微型轿车的前悬麦式悬架系统的性能做了初 步的评估。 3 通过选取前悬麦弗逊式悬架系统的9 个关键点( 硬点) 的2 7 个坐标值， 在a d a m s i n s i g h t 模块中进行迭代计算，通过修改硬点坐标值对前轮定位参数 进行优化，然后重点分析了优化前后的结果。 4 建立了包含前悬架系统、转向系、发动机、前横向稳定杆、轮胎以及车 身的整车模型，对整车模型进行几种典型的操纵稳定性仿真试验，从而验证优 化后的整车操纵稳定性。 5 总结国内外对汽车操纵稳定性以及行驶平顺性的试验方法，重点说明了 目前我国的试验方法标准与国际上的差距，并且提出了自己新的仿真试验思路。 1 7 本章内容总结 本章首先介绍了麦弗逊式悬架的组成、结构特点以及应用情况。接下来介 绍了该论文的研究背景、课题来源、课题研究的目的和意义以及目前国内外对 相关问题的研究情况。最后简要的说明了本课题研究的大致思路以及技术路线， 最后介绍了本论文研究的主要内容。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于虚拟样机麦弗逊式悬架总成的开发研究 2 1 虚拟样机技术的内涵 虚拟样机技术是一种计算机辅助工程技术。它是随着计算机的发展而发展 起来的。到目前为止，虚拟样机技术已经发展了近二十多年，它和传统的物理 样机设计方法不同，它是一种全新的产品设计研发方法，它是一种利用计算机 建模仿真的数字化设计方法。虚拟样机技术应用的领域非常广泛，涉及到机械， 电子，航空航天以及化工等。它以计算机支持的仿真技术为前提，以多体系统 动力学运动学为核心理论，在虚拟的环境中模拟真实的情况构建所需的模型进 行仿真分析。和传统的物理样机技术相比较，虚拟样机技术有很多优点，它降 低了新型产品的生产成本，缩短了研发周期，提高了产品的设计质量，并且能 够很快的适应市场。下面用图2 - 1 来说明虚拟样机技术的设计流程： 图2 1 设计流程图 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 虚拟样机技术实现a d a m s 软件介绍 机械系统动力学自动分析( 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 s ，简称a d a m s ) ，该虚拟样机分析软件是由美国m d i 公司( m e c h a n i c a l d y n a m i c sl n c ) 开发的。国外许多大型公司及企业的机械系统动力学仿真平台均 采用a d a m s 软件。国内的一汽、二汽、上海通用等大型企业进行设计研究也 都采用a d a m s 技术【l 。 a d a m s 分为五大部分，共包含3 0 多个模块：核心模块、专业模块、接口 模块、功能扩展模块以及工具箱。用户可以利用这些模块进行产品各阶段、高 精度、全方位的仿真计算分析结果，该过程包括概念设计、方案论证、试验规 划、详细设计、产品方案修改、故障诊断以及优化。在使用a d a m s 软件的虚 拟环境时，可以自动生成包括机械液压控制系统在内的、任意复杂虚拟样机系 统的多体动力学数字化模型，并能够对该模型进行仿真分析计算。采用该技术 后，可以最大限度的降低新型产品研发成本、缩减研发周期以及提高产品质量， 为占据更多市场可以提供强有力的保斟1 2 】【1 3 】。 a d a m s 软件使用交互式图形环境，零件库、约束库以及力库，用户可以 方便，快速地创建完全参数化的虚拟机械系统几何模型，支持并行仿真环境， 可以节省大量的建模时间和成本。a d a m s 软件带有专门的求解模块s o l v e r ， 该求解器以多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法为基础，自动的建立 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，该过程 与实际情况非常接近，并利用p o s t p r o c e s o r 后处理模块输出位移、速度、加速 度以及反作用力等曲线。a d a m s 仿真软件的应用非常广泛，不仅可以应用于 预测机械系统的性能、碰撞检测以及运动范围，还可以应用于峰值载荷的计算 以及有限元的输入载荷领埘1 4 】【1 5 】。 a d a m s 具有与实际情况十分接近的仿真功能，还具有方便、友好的用户 界面以及强大的图形显示能力，使得用户能够准确快速的建立几何模型。目前 国内外许多大公司大企业都采用它来完成产品辅助设计、研究开发以及质量鉴 定等重要工作。国外一些著名大学也都将a d a m s 软件作为教材纳入学生的学 习计划之中、并且将三维c a d 软件，有限元分析软件和虚拟样机软件作为机械 类专业学生所必修的工具软件课程【i 引。以上可以知道a d a m s 软件具有强大的 功能和广泛的影响力。 q 武汉理工大学硕上学位论文 2 2 1 本论文用到的重要模块简介 a d a m s i n s i g h t 模块是a d a m s 软件里面的个附加模块，它嵌在 a d 舢v i s m e w 的界面之下，它不仅可以用于对参数化虚拟样机的设计实验，还 可以用于对仿真实验结果的统计分析。用户利用此模块能够方便快捷的了解到 实验参数对虚拟样机性能的影响以及样机中各个参数之间的相互影响关系。 由于影响虚拟样机性能的实验参数很多，若果单的去控制某一个参数变 量，这样使得工作量非常巨大，大大的降低了工作效率。因此a d a m s i n s i g h t 模块利用中二水平的筛选法，选取对虚拟样机性能影响较大的参数变量作为设 计变量，利用此方法可以大大的降低工作负荷。具体的操作步骤可以参见下图 2 2 所示： 图2 2 操作步骤 a d a m s c a r 模块是一种基于模板建模和仿真的工具，集成了专家们在汽 车设计、开发等方面的经验。利用它可以在很大程度上简化建模的步骤、提高 建模速度并且提高仿真分析效率。按照菜单的不同界面功能，a d a m s c a r 模 块可分为两种模式，包括标准( s t a n d a r d ) 和模板建模器( t e m p l a t eb u i l d e r ) 。 a d a m s c a r 模块专门针对汽车工程师的习惯而设计了用户化界面，因 此，在应用该软件开展有成效的开发工作之前，工程师不需要经过任何专业培 l o 武汉理工大学硕士学位论文 训。为了方便有效的选择减振器、衬套及限位块等来装配各个子系统，用户可 以通过a d a m s c a r 模块中的数据库功能，这样做能减少每次重复输入数据的 时间，提高工作效率。利用高速动画不仅可以输出表示乘坐舒适性、操纵稳定 性、制动性和安全性等参数，还可以直观地再现车辆在各种工况下的动力学和 运动学响应，从而减少对物理样机的依赖【1 7 1 8 】【1 9 1 。a d a m s c a r 模块中包含 整车动力学( v e h i c l ed y n a m i c s ) 和悬架设计( s u s p e n s i o nd e s i g n ) 。在试验过程中 该模块可以设定节气门开度、变速器档位等，它包括以下仿真工况：稳态转向 试验、方问盘转角阶跃、加速试验、斜坡和脉冲输入、制动试验、蛇行穿越试 验和漂移试验等。 2 2 2a d a m s 建模仿真工作流程 a d a m s 软件具有强大的建模能力和仿真环境，它不仅可以建立几何模型， 还可以对该模型进行仿真分析以及优化设计。利用a d a m s 软件构建模型并对 其进行仿真的工作流程大致可以划分为以下几个步骤，参见下图2 3 ： 武汉理工大学硕士学位论文 机械系统优化分析： ( 1 ) 进行l 耍p 4 索影响研究 ( 2 ) 进行试验设i f 研究 ( 3 ) 进行最优化研究 图2 3a d a m s 的仿真工作流程 ( 1 ) 建立几何模型，对该模型定义约束副以及运动约束并施加载荷； ( 2 ) 对所建模型进行分析计算，运用相应的模块查看仿真动画效果，分析后处 理曲线； ( 3 ) 输入并添加试验数据验证仿真分析结果； ( 4 ) 采用重新定义约束，增加摩擦，改进载荷函数，定义柔性体以及连接的方 式，对所建的模型进行合理的优化； ( 6 ) 再次分析仿真结果，研究影响模型性能的各项主要因素，改进参数完成试 验设计。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 麦弗逊式悬架模型的建立 2 3 1 参数准备 在虚拟环境中建立车辆多体系统动力学分析模型，所需要的参数很多，精 度要求也很高。所需的主要参数有以下三类：尺寸参数，质量特性参数以及力 学特性参数。 尺寸参数是指该类型悬架系统的几何定位参数，也即悬架系统各定位点的 三维坐标。因为悬架左侧和右侧是对称的，所以在a d a m s c a r 环境下只需输 入单侧模型的参数就会自动建立另一侧模型。该微型轿车前悬架左侧关键点的 空间参数以及减震器阻尼参数如下表2 - 1 和2 2 所示。 表2 1 优化前麦式悬架左侧关键点的空间参数 硬点名称 xyz 下控制臂前支点 1 6 6 3 3 8 44 1 6 下控制臂后支点 1 6 4 43 3 6 54 2 2 下控制臂外支点 o o6 6 1 05 0 8 弹簧下安装点 4 1 85 7 1 64 2 2 8 副车架盼支点 2 3 7 43 6 1 58 3 副车架后支点 2 2 1 23 5 7 17 3 4 转向横拉杆内支点 1 1 0 43 2 0 5 6 1 2 5 转向横拉杆外支点 1 1 5 6 5 9 2 64 2 9 4 车轮中心 0 07 0 4 31 3 7 1 表2 - 2 减震器阻尼参数 减震器阻力 活塞速度( r r g s ) 复原阻力( n ) 压缩阻力( n ) o 23 8 61 8 4 0 36 9 23 4 7 o 71 0 4 95 1 7 2 3 2 模型建立 在a d a m s c a r 模块里建立麦弗逊悬架模型的一般流程如下图2 - 4 所示： 武汉理i 学颈学位论文 图2 - 4 建立麦弗逊悬架模型 在a d a m s c a r 里建电悬架模型一般可以分为以下几个步骤： ( 1 ) 获取悬架系统的结构参数，在a d a m s c a r 罩建立起悬架系统的模型文件： ( 2 ) 获取悬架系统的几何参数、物理参数和力学特性参数，将其用到上一步骤 坐建立起的悬架子系统文件中： ( 3 ) 将( 1 ) 、( 2 ) 建立的模型文件转化为s u b s y n 唧文件； ( 4 ) 将悬架系统的s u b s y s t e m 文件通过予系统问的通讯接1 3 ( c o m m u n i c a t o r ) 建立 起悬架模型a s s e m b l y 文件； ( 5 ) 根据各自不同的需要进行仿真。根据需要对各个子系统的参数进行调粘： ( 6 ) 针对仿真结果进行后处理。 在a d a m s 胁模块里建立的麦弗逊式悬架模型如下圉2 - 5 所示： 图2 - 5 麦弗逊式悬架模型 武g i 大学士学位论文 233 模板介绍 模板( t e m p l a t e ) 作为一种参数化了的模型，是专家用户在模板建立器中 建立起来。设计模板主要有三个参数：属性文件、参数变量以及硬点，若改变 参数值就可咀改变模板的数据。其中属性文件用于被相应的组件调用；参数变 量包括实数、整数以及字符串；硬点是用来定义模型的位置。在a d a m s c a r 的标准界面里建立模型时，只能先通过模板来建立所需要的子系统，然后建立 集成模型。这是因为一个模板如果要在标准界面中使用，必须首先被一个子系 统预先引用，而且将模板引用到子系统并且与子系统结合后才能使用口q 。 234 于系统 子系统( s u b s y s t e m ) 只能在标准界面中使用，它是以模板为基础的，其中 包括悬架，动力装置，传动装置，地盘以及车轮等。通过组装模板的基本元件 生产子系统，还可阻选择模板创建子系统。川样允许标准用户改变子系统中的 模板参数化数据和某些组件的定义1 2 ”。 235 集成模型 把了系统组装起来就成了集成模型。集成模型在于试验台装配在。起就 可以提交计算，进行仿真分析。 在ad a m s c a r 模块里面建立整牟其他子系统，如后悬架模型，转向系模 型，横向稳定杆模型，轮胎模型以及车身模型，同样适用上述建模流程。在a d a m s c a r 模块里建立的麦弗逊式悬架模型如下图2 - 6 所示： 图2 - 6 麦弗逊式悬架模型总成 武汉理工大学碗士学位论文 2 4 转向系模型的建立 汽车的转向系统是整车结构的一个必不可少的部分，汽车的转向系统对汽 车的操纵稳定性以及行驶平顺性起着重要直接的影响。汽车转向系的工作原理 是通过对汽车的左、右转向车轮不同转角之间的合理匹各来保证汽车沿着预期 轨迹转动的机构。汽车转向系| 三要由转向操纵机构、转向器以及转向传动机构 三部分构成。 汽车转向系统是控制汽车行驶轨迹和方向的重要装置，随着人们要求的逐 渐提高，人们对汽车转向系统的工作性能也提出了更高更广泛的要求，不仪要 求其工作性能安全可靠，还要求在实际的操作过程当巾，转向操纵轻便、机动 性能好以及高效节能。除此之外，在其他各种工况下，如直线行驶、下常转向、 快速转向以及原地转向等，能根据不同的行驶速度和路面状况，给驾驶员提供 最佳的“路感”。 本文利用a d a m s c a r 模块建立的汽车转向系统模型如下圈2 7 所示： 图2 7 转向系统模型 2 5 横向稳定杆模型的建立 随着人们生活水平的日益提高，人们对现代汽车的行驶甲顺性提出了更高 的要求。汽车横向稳定杆是汽车悬架系统中的一种辅助弹性元件。它的功 用是防止汽车在转弯的时候车身发生偏大的横向侧倾以及汽车横向倾 翻，进而改善汽车的行驶平顺性。汽车横向稳定丰f 是用弹簧钢制成的扭杆 武汉理i 大学硕士学位论i 弹簧，形状呈“u ”形，通常横置在汽车的前端和后端。横向稳定杆的中部， 利用套筒和车架铰接在一起横向稳定杆的两端分别固定在汽车的左右悬 架上。当车身只作垂直运动时，此时汽车横向稳定杆不起作用。但是当车 身发生侧倾时，因为汽车两侧悬架跳动不一致，横向稳定杆发生扭转，起 到横向稳定的作用。 本文利用a d a m s c 盯模块建立的横向稳定杆模型如f 图2 - 8 所示： 2 6 轮胎模型的建立 图2 - 8 横向稳定杆模型 轮胎是汽车总成的重要部件之一，它直接与路面接触，和汽车悬架一起共 同来缓冲汽车行驶时所受到的各种冲击，从而保证汽午具有良好的乘座舒适性 和行驶平顺性：保迁车轮和路面有良好的附着性，提岛汽车的牵引性、制动性 和通过性；承载着汽车的重量。 轮胎作为最重要的模型元素之一对仿真精度有太大的影响而偏偏出于其 高度的非线性使得其建模比较复杂，a d a m s 提供了几种轮胎模型，包括 p a c e j k e 8 9 ，p a c e j k e 9 4 ，m