（车辆工程专业论文）基于虚拟样机技术的汽车操纵稳定性研究.pdf

独创性声明 删 y 18 8 酣坩 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含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。 1 ，df f 5 、1 ，厂 学位论文使用授权书 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。本人授权武汉理工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、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授 权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文， 并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名，：v 小 导师c 签名，：属沣 日期沙pu 摘要 随着汽车速度的提高，汽车的操纵稳定性越来越重要，它是影响汽车主动 安全的重要性能之一，被称为“高速车辆的生命线。传统的研究方法已经无法 满足对汽车性能研究的要求，虚拟样机技术的发展给汽车的操纵稳定性的研究 带来了很大的便利，它使得分析单个因素对整车性能的影响更为方便。 悬架k & c 特性和整车参数对汽车的操纵稳定性有很大的影响，但对于实际 物理样车中很难得到单个参数的变化对汽车操纵稳定性的影响。利用a d a m s c a r 可以很方便的模拟单个参数变化对汽车操纵稳定性的影响，并且其中的概念悬 架模块可以将悬架的k & c 特性分离，这又使分析悬架单个特性对汽车操纵稳定 性的影响变得容易。分析单个参数对汽车操纵稳定性的影响以及敏感性，可以 为提高汽车操纵稳定性的优化设计提供重要指导。 本文首先基于a d a m s c a r 建立了双横臂独立前悬架和多连杆独立后悬架的 仿真模型，并在此基础上利用c s m 模块对其分别建立了对应的概念悬架模型， 进而组建了概念整车仿真模型。然后利用双横臂独立前悬架和多连杆独立后悬 架模型分析了悬架的k & c 特性及其对汽车操纵稳定性的影响。接着利用概念整 车模型仿真研究了前后轮外倾角、前束角、轮距这三个量的k 指标、纵向力指 标、侧向力指标、回正力矩指标对汽车操纵稳定性的影响，仿真分析时分别对 单个指标取正常、抑制、反方向作用作为对比试验，汽车操纵稳定性试验选取 了直线制动、稳态转向、阶跃转向和鱼钩试验。在i n s i g h t 模块中，采用相同的 试验，利用概念整车模型分析得到了悬架k & c 特性对汽车操纵稳定性的敏感性 顺序。最后分析了整车参数对阶跃转向的影响，整车参数选取了质心的前后位 置、质心的上下位置、前后悬架的刚度、轮距、轴距、载荷，并对单个参数依 次取了正常、增大一定值( 比例) 、缩小一定值( 比例) 作为对比试验。 通过分析悬架k & c 特性和整车参数对汽车操纵稳定性的影响，可以为悬架 设计和底盘调校提供理论依据。 关键词：操纵稳定性，概念悬架，悬架k & c 特性，整车参数 a b s t r a c t w i t ht h ec a r ss p e e di n c r e a s e ，t h eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yo fac a rb e c a m em o r ea n d m o r ei m p o r t a n t , w h i c hi sk n o w na s t h el i f e b l o o do fh i g h - s p e e dv e h i c l e s ”，b e c a u s ei t i sa l li m p o r t a n tp r o p e r t yo ft h ea c t i v es a f e t y t h et r a d i t i o n a lr e s e a r c hm e t h o d sc a l ln o t s a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fc a rp e r f o r m a n c er e s e a r c h i n g ，v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y g i v e sm o r ec o n v e n i e n c et ot h ea n a l y s i so ft h ev e h i c l e sh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y ，w h i c h m a k e sa n a l y s i so fi n d i v i d u a lf a c t o r so nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l em o r e c o n v e n i e n t s u s p e n s i o nk & c c h a r a c t e r i s t i c sa n dv e h i c l ep a r a m e t e r sh a v eag r e a ti n f l u e n c eo n v e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y ，b u ti ti sd i f f i c u l tt og e tas i n g l ep a r a m e t e r s se f f e c to n v e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y i tc a ne a s i l yg e tt h ee f f e c to ft h es i n g l ep a r a m e t e r c h a n g e so nv e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t yb yu s i n ga d a m s e a r , t h ec o n c e p to f s u s p e n s i o nm o d u l e si na d a m sc a l ls e p a r a t et h es u s p e n s i o n sk & cc h a r a c t e r i s t i c s ， w h i c hf a c i l i t a t e st h ea n a l y s i so fi n d i v i d u a lc h a r a c t e r i s t i c so nv e h i c l eh a n d l i n ga n d s t a b i l i t y t h ee f f e c ta n ds e n s i t i v i t yo fs i n g l ep a r a m e t e r so nt h ev e h i c l eh a n d l i n ga n d s t a b i l i t yc a np r o v i d ei m p o r t a n td i r e c t i o n st ot h eo p t i m a ld e s i g no fv e h i c l e b a s e do nt h ea d a m s c a r ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e dad o u b l e w i s h b o n ei n d e p e n d e n t f r o n ts u s p e n s i o na n dm u l t i - l i n ki n d e p e n d e n tr e a l s u s p e n s i o ns i m u l a t i o nm o d e l s ，t h e n c o n v e r t e dt h e mi n t ot h ec o n c e p ts u s p e n s i o nm o d e l sr e s p e c t i v e l yb yc s mm o d u l e ， f i n a l l ys e tu pt h ew h o l ec o n c e p ts i m u l a t i o nm o d e lo fv e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y t h e n ，i ta n a l y z e dt h es u s p e n s i o nk & cc h a r a c t e r i s t i c sa n di t se f f e c t0 1 1v e h i c l e h a n d l i n ga n ds t a b i l i t yu s i n gd o u b l ew i s h b o n ei n d e p e n d e n ta n dm u l t i - l i n ki n d e p e n d e n t s u s p e n s i o ns i m u l a t i o nm o d e l s i nt h e s i m u l a t i o nm o d e lg e tt h ec u r v e ，a f t e rt h a t , a n a l y s i so ft h es u s p e n s i o nc h a r a c t e r i s t i c s w h a t sm o r e ，i ts i m u l a t e dt h ee f f e c to f k & cc h a r a c t e r i s t i c so fc a m b e r ，t o ea n g l e ，t r a c k ，l o n g i t u d i n a lf o r c e ，l a t e r a l f o r c e 、a n da l i g n i n gt o r q u eo nt h ev e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y ，a n dt h et e s t i n c l u d e ss t r a i g h tl i n eb r a k i n g 、s t e a d yt u r n 、s t e pt u r na n dh o o kt e s t 、析吐lt h e c o m p a r i s o nt e s t w h i c hm a d et h ei n d i v i d u a lc h a r a c t e r i s t i ca f f e c ti nc o n d i t i o no f n o r m a l 、s u p p r e s s e da n do p p o s i t ed i r e c t i o n i ni n s i g h tm o d e l ，i tg i v e st h es e n s i t i v i t y o r d e ro fk & cc h a r a c t e r i s t i c st ov e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y 、析mt h es a m et e s t f i n a l l y ，i ta n a l y z e dt h ee f f e c to fv e h i c l ep a r a m e t e r st ot h es t e ps t e e r i n g ，a n dt h e h i 1 1 1 2 3 3 5 5 6 7 7 8 9 1 1 1 2 1 4 第3 章悬架系统k & c 特性分析1 5 3 1 悬架k & c 特性分析一1 5 3 1 1 悬架k & c 简介15 3 1 2 悬架k & c 特性指标15 3 1 - 3 悬架k & c 特性影响因素1 7 3 2 悬架系统k & c 特性虚拟试验制定18 3 2 1 悬架系统k & c 特性试验目的和试验对象l8 3 2 2 悬架k & c 特性测试项目18 3 3 悬架k & c 特性虚拟试验。2 0 3 3 1 悬架k 特性参数虚拟试验研究2 l 3 3 2 悬架c 特性参数虚拟试验研究2 6 3 4 本章小结3 3 第4 章悬架k & c 特性对汽车操纵稳定性的影响分析及仿真研究3 4 4 1 悬架k & c 特性参数对汽车操纵稳定性的影响分析3 4 4 1 1 车轮外倾角对汽车操纵稳定性的影响分析3 4 4 1 2 车轮前束角对汽车操纵稳定性的影响分析3 7 4 1 3 轮距对汽车操纵稳定性的影响分析4 0 4 2 汽车操纵稳定性试验选取。4 2 4 2 1 直线制动试验4 4 4 2 2 稳态转向试验4 4 4 2 3 转向盘转角阶跃输入试验4 5 4 2 4f i s hh o o k 试马佥4 5 4 3 悬架k & c 特性对汽车操纵稳定性影响的仿真研究4 6 4 3 1 悬架k & c 特性对汽车直线制动的影响仿真研究。4 6 4 3 2 悬架k & c 特性对稳态转向的仿真研究4 8 4 3 3 悬架k & c 特性对阶跃试验的仿真研究5l 4 3 4 悬架k & c 特性对f i s hh o o k 试验的仿真研究5 7 4 4 本章小结。6 0 第5 章悬架k & c 特性对汽车操纵稳定性的敏感性分析6 2 5 1 实验优化设计和灵敏度分析概述6 2 5 1 1 研究策略6 2 5 1 2 实验设计6 3 5 1 3 灵敏度分析j ：6 4 5 2 悬架k & c 特性参数对直线制动的敏感性分析6 5 5 3 悬架k & c 特性参数对稳态转向的敏感性分析。6 6 5 4 悬架k & c 特性参数对阶跃试验的敏感性分析一6 8 5 5 悬架k & c 特性对f i s hh o o k 试验的敏感性分析。7 0 5 6 本章小结7 3 第6 章整车参数对汽车操纵稳定性的影响仿真分析7 4 6 1 整车质心位置对汽车操纵稳定性的影响仿真分析7 4 6 1 1 质心的前后位置对汽车操作稳定性的影响。7 4 6 1 2 质心的上下位置对汽车操纵稳定性的影响。7 6 6 2 悬架的刚度对汽车操纵稳定性的影响分析7 7 6 2 1 前悬架刚度对汽车操纵稳定性的影响一7 7 6 2 2 后悬架刚度对汽车操纵稳定性的影响。7 8 6 3 轮距对汽车操纵稳定性的影响分析7 9 6 3 1 前轮距对汽车操纵稳定性的影响分析：- 7 9 6 3 2 后轮距对汽车操纵稳定性的影响分析8 0 6 4 轴距对汽车操纵稳定性的影响分析8 2 6 5 载荷对汽车操纵稳定性的影响分析。8 3 6 6 本章小结8 4 第7 章全文总结与展望一8 5 7 1 全文总结8 5 7 2 展望8 6 参考文献8 7 研究生期间发表的论文9 0 j l i 【谢9 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 第1 章绪论 随着汽车工业的发展，汽车已经成为人们日常生活的一部分，汽车速度的 提升，人们意识到了汽车操纵稳定性的重要性。汽车的操纵稳定性影响着汽车 驾驶的舒适性，更重要的是影响着汽车的主动安全性【l 】。因此，如何研究和评价 汽车的操纵稳定性，使其获得良好的主动安全性是汽车领域研究的一个重要课 题。 汽车底盘作为汽车的一个总成部件，对汽车的操纵稳定性有至关重要的作 用。影响汽车行驶稳定性的因素主要有三个方面：空气动力学、悬架系统力学、 地面轮胎力学，这三个因素无一不是和汽车底盘相关，底盘的参数直接决定了 汽车的操纵稳定性1 2 j 。 在底盘的设计调校中，悬架的运动学和弹性运动学是关键内容之一。悬架 运动学指的是车轮在跳动和转向过程中的运动学特性，称为k 特性，悬架弹性 运动学特性指的是由于轮胎和路面的力和力矩引起的车轮定位参数的变化，称 为c 特性，二者统称k & c 特性1 3 。悬架的k & c 特性对汽车的操纵稳定性有着 重要的影响，是底盘研究的热点问题。悬架k & c 特性对汽车操作稳定性的影响 分析可以为底盘调校和设计提供理论依据。 另外，底盘的总成参数也是影响汽车操纵稳定性的重要方面，比如质心的 位置、悬架的刚度、轮距、轴距、载荷等。 本文利用虚拟样机的汽车操纵稳定性研究方法，采用悬架k & c 特性分离手 段来研究悬架特性对汽车操纵稳定性的影响，采用单因素控制法来研究底盘总 成参数对汽车操纵稳定性的影响。悬架k & c 特性和底盘总成参数对汽车操纵稳 定性的影响分析为底盘设计和调校提供了理论基础。 1 1 1 悬架k & o 特性与操纵稳定性 悬架的k & c 特性、轮胎的f & m 特性、空气动力学特性是影响底盘性能的 重要因素。空气动力学特性在高速时更明显，一般情况下只考虑悬架k & c 特性 和轮胎的f & m 特性。轮胎的f & m 特性是指汽车在行驶时的力和力矩特性，是 决定汽车行驶性能的直接因素，悬架k & c 特性通过轮胎特性间接影响汽车的运 武汉理工大学硕士学位论文 动1 4 。 随着汽车技术的不断发展，人们对舒适性的要求越来越高，为了提高汽车 的舒适性，很多橡胶衬套被用在汽车中，橡胶衬套的引入缓冲了路面和车体的 冲击，衰减了车体的振动，提高了车辆的n v h 特性，但同时减低了系统的刚度， 影响了汽车的操纵稳定性 5 1 。随着车速的提高，这些负面的影响逐步显露出来， 因此必须合理的布置橡胶衬套，这样就必须引入一个目标，悬架的k & c 特性正 是这个目标。如果悬架的杆件刚度不计，那么悬架的c 特性就是由橡胶衬套的 刚度引起的，根据悬架的c 特性可以计算出橡胶衬套各个方向适合的刚度，从 而设计出具有各向异性刚度的衬套。另外，侧偏刚度大的子午线轮胎的引入有 助于提高汽车的响应灵敏度，但轮胎侧偏刚度变大后就会对路面的输入更敏感， 较为小的侧偏角就会有较大的侧向力，侧向力会通过悬架传递给车身，这样不 利于驾驶员对车辆的操作 6 1 ，这个副作用可以通过合理的悬架设计，合理的橡胶 衬套等弹性元件布局来解决。由此可见，橡胶衬套的引入解决了一些问题，但 必须使其产生对汽车操纵稳定性有利的影响，这就是悬架的k & c 特性，也就是 悬架调校的核心内容。 1 1 2 整车参数与操纵稳定性 本文考虑到的整车参数包含质心的位置、悬架的刚度、轮距、轴距、载荷 危盘 寸。 质心的前后位置与中性转向点的位置决定了静态储备系数的正负，也就决 定了汽车的稳态转向特性 7 1 。质心的前后位置不同还会引起前后轴载荷的分配， 使得前后轴的等效侧偏刚度变化不同，载荷的转移比例和前后悬架等效侧偏刚 度变化的比例共同决定了前后轴侧偏角的差值，也就是说决定了稳态转向特性。 比如质心前移，前轴载荷增大，后轴载荷减小，前轮胎侧偏刚度增大，后轮胎 侧偏刚度减小，那么，前轴等效侧偏刚度增大，后轴等效侧偏刚度减小，但等 效侧偏刚度变化的比例没有载荷转移的比例大( 一般载荷变化1 0 ，轮胎侧偏 刚度变化5 ) ，因此，前轴侧偏角增大，后轴侧偏角减小，有助于增大汽车的 不足转向度【引。同理质心后移时，后轴载荷加大，后轴侧偏角加大，不利于汽车 的不足转向特性。由线性二自由度模型可知，质心的前后位置还影响了稳态转 向因数k 的大小，所以对瞬态转向时，横摆角速度的圆频率和阻尼比也会有影 响【9 】。所以质心的前后位置和汽车操纵稳定性有密切的关系。 2 厢侧倾时侧倾力矩的大 小，侧倾力矩的大小决定了车辆的侧倾角，而侧倾角的大小和车辆侧倾轴线的 倾角又决定了前后轴载荷横向转移的程度【1 0 1 。若汽车前轴左右两侧车轮垂直载 荷变化量较大，那么，前轴等效侧偏刚度减小量大，汽车趋于增加不足转向度。 若汽车后轴左右两侧车轮垂直载荷变化量较大，那么，后轴等效侧偏刚度减小 量大，汽车趋于减小不足转向度。 由线性二自由度模型可知，前后悬架的刚度对表征稳态转向的稳态转向因 素和表征瞬态特性的横摆角速度圆频率及阻尼比都都影响【l 。同时，前后悬架 的刚度影响车厢的侧倾角刚度，从而影响汽车的侧倾特性。 轮距的大小对汽车转弯行驶时，车厢的侧倾特性有很大影响。轮距直接影 响汽车的侧倾角刚度，单横臂独立悬架的车辆悬架的角刚度和轮距的二次方成 正比f 1 2 1 。所以轮距也影响着汽车的操纵稳定性。 轴距与汽车的很多特性相关。轴距缩短可以提高车辆的机动性。减低燃油 经济型，但短的轴距在加速或制动时轴荷转移量大，使得汽车操纵稳定性变差。 长的轴距可以改善汽车操纵稳定性但通过性变差1 1 3 1 。 载荷变化时，由线性二自由度模型可知，稳定性因素随之变化，导致横摆 角速度圆频率和阻尼比都发生了变化【l4 。，另外，载荷的变化会影响车轮的侧偏 刚度，所以载荷的变化对汽车操纵稳定性也是有很大的影响。 1 2 研究历史和现状 1 2 1 悬架k & c 特性 对悬架的研究大致分为两部分，一部分针对舒适性的研究，研究的主要是 在路面激励下汽车的弹性元件和阻尼元件的特性；另一部分是针对悬架导向机 构的研究，指的就是悬架的k & c 特性。 悬架的运动学研究起源很早，它是伴随着独立悬架的诞生而出现的。独立 悬架出现后，汽车界的学者们开始对悬架运动学进行研究，研究的主要内容是： 车轮外倾角【l 引、车轮前束角、轮距、主销后倾角、主销内倾角等对汽车稳态转 向特性，直线行驶性能等的影响【l6 1 。德国学者耶尔森措莫托著的汽车底盘基 础【1 7 j 里有大量的实例分析。美国的t h o m a sd g i l l e s p i e 教授在其所著的车辆 动力学基础1 1 8 1 里也对悬架的k & c 特性做了研究分析。德国学者m a n f r e d 武汉理工大学硕士学位论文 m i t s c l l l 【e 和h e n n i n gw a l l e n t o w i t z 著的汽车动力学一书中c 篇的行驶的操 纵稳定性对悬架的k & c 特性做了系统深入和研究。h e e s e o n g ，h y u n - w o os h i n a n dh w a - w o nl e e 在其t h ei m p r o v e m e n to fh a n d l i n gp e r f o r m a n c e st h r o u g ht h e s e n s i f i t ya d a l y s i sv a l i d a t e db yt h ek & ct e s t ) ) 中对影响汽车操纵稳定性的因素利 用k & c 试验台做了敏感性分析。 我国对悬架k & c 特性的研究起源于上世纪8 0 年代，具有代表性的是郭孔 辉院士所著的汽车操纵动力学，说中详细的分析了悬架的k & c 特性，并率 先从纵向力、侧向力转向的角度对悬架的k & c 特性进行了研究。林逸教授在其 所著的悬架元件对悬架性能的影响和独立悬架中橡胶减振单元对汽车性 能的影响分析了橡胶衬套对轴转向的影响和悬架弹性运动学等问题。吕振华 教授在发表的五连杆悬架的刚体运动学与弹性运动学分析一文中基于矢量 原理分析了五连杆悬架的刚体运动学，提出了一种考虑橡胶衬套的悬架c 特性 迭代计算方法。 王爽在其博士毕业论文中对某车悬架的硬点坐标和衬套刚度进行了配制， 使其符合给定的k & c 特性，分析了橡胶衬套对悬架c 特性的影响及衬套和硬点 坐标对汽车操纵稳定性的影响。 王蠡在其硕士毕业论文中对悬架的k & c 特性进行了仿真研究，对悬架的 k & c 特性对汽车操纵稳定性的影响进行了分析，仿真研究了悬架k & c 特性对 稳态转向的影响。 石光在其硕士毕业论文中基于物理样车建立了a d a m s 概念悬架模型，并对 模型做了操纵稳定性仿真研究。 逢淑一在其硕士毕业论文中对影响悬架k 特性的硬点坐标和影响悬架c 特 性的衬套刚度进行了敏感性分析。 杨建森在其硕士毕业论文中将悬架k & c 特性视为线性变化，并分析了不同 变化率的悬架k & c 特性对汽车操纵稳定性的影响。 国际上对于悬架k & c 特性研究已经有很多年的历史，但对悬架k & c 的测 试是最近才成熟起来的，比较著名的公司主要有美国的m t s 1 9 1 、英国的l o t u s t 2 0 和a b d t 2 1 1 、德国的a 【冽、意大利的宾法例及法国的m i c h e r l l i l l 幽等。我国对 悬架k & c 测试技术的研究主要集中在吉林大学，吉林大学成功的开发出了 j l u 1 型整车单轴试验台，并成功的用在了很多整车企业。 4 所以对汽车操纵稳定性的研究是伴随着车速的不断提升而发展起来的。 车辆动力学的思想萌发在上个世纪初，l a n c h e s t e r 在1 9 0 8 年发表了第一篇 关于车辆动力学的文章 2 6 1 。1 9 2 5 年g e r o g e sb r o u l h i e t 发现了轮胎的侧偏现象， 标志着人们开始认识了汽车操纵动力学的概念。随后的几十年中，转向特性被 提了出来，人们开始认了不足转向、过度转向等，再后来人们开始认识了汽车 的动态特性。1 9 5 6 年w h i t o m b ，m i l l i k e n 等学者运用线性二自由度车辆模型深入 的研究了汽车操纵动力学1 2 1 7 】1 2 引，在很大程度上推动了人们对汽车操纵稳定性的 认识。随后的几年里，多考虑了悬架侧倾的多自由度车辆模型的建立，使得人 们对汽车的操纵稳定性具有了更清晰的认识。 对于车辆操纵稳定性试验的研究，一般分为两个方面：开环和闭环1 2 9 。六 十年代以前主要是操纵稳定性的开还研究，并得到了一些成果，主要是对汽车 的稳态转向特性的研究。七十年代后期人们开始利用驾驶模拟器来分析汽车的 操纵稳定性，并进行主观评价。八十年代人们开始从理论和实践出发来研究闭 环测试系统。在随后的时间里，随着电子技术和计算机技术的发展，越来越多 的驾驶模拟器被开发出来，而且很多对闭环测试的研究都用在计算机模拟中。 在我国，对汽车操纵稳定性的研究始于七十年代。清华大学和吉林大学及 一汽技术中心在这方面处于国内领先位置。具有代表性的是郭孔辉院士的1 2 自 由度仿真模型和吉林大学汽车动态模拟实验室的2 9 自由度动力学模型3 0 1 。 1 2 3 汽车操纵稳定性仿真技术 目前主要用于汽车动力学仿真研究的模型主要分两类，面向结构参数的实 体模型和面向功能参数的模型。其中最有代表性的软件是m s c 公司的a d a m s 和c a r s i m 。a d a m s 主要是基于多体动力学的仿真软件，利用a d a m s 可以很方便 的分析硬点坐标等对汽车性能的影响及硬点坐标对汽车操纵稳定性的灵敏度。 c a r s i m 是面向功能参数的仿真软件，用户可以将试验数据导入该软件建立仿真 模型，也可以自己建立特性数据导数该软件建立模型，例如：用户可以独立的 5 武汉理工大学硕士学位论文 定义悬架k & c 特性中的某个特性，并生成仿真模型，这对于分析子系统功能对 整车性能的影响是非常有用的。 本文利用的是a d a m s c a r 的c s m 模块，这个模块的建模类似于c a r s i m 软件， 也是面向功能参数的建模形式，利用该模块可以将悬架k & c 特性分离，这给分 析悬架单个特性对汽车操纵稳定性的影响提供了很大的便利。 1 3 本文研究内容 随着车速的提高，汽车操纵稳定性越来越重要。悬架k & c 特性和整车参数 是影响汽车操纵稳定性的的重要因素。本文利用多刚体力学软件建立了整车分 析模型，在此基础上分析了悬架k & c 特性和整车参数对汽车操纵稳定性的影响。 本文的研究工作主要包括以下几个方面： 1 、悬架模型和概念悬架整车模型的建立 利用a d a m s c a r 建立双横臂独立前悬架和多连杆独立后悬架的仿真模型；利 用a d a m s c a r 的c s m 模块建立便于分别研究悬架k & c 特性中单个特性的悬架 模型，在此基础上组合而成含有概念悬架的整车模型。 2 、分析前后悬架的k & c 特性 在a d a m s c a r 里分析前后悬架的运动学和弹性运动学特性，为后面分析悬架 k & c 特性对汽车操纵稳定性的影响打下基础。 3 、分析并仿真研究悬架k & c 特性对汽车操纵稳定性的影响 分析悬架k & c 特性对汽车操纵稳定性的影响，在此基础上采用单参数对比 试验仿真研究悬架特性参数对汽车操纵稳定性的影响。 4 、分析悬架k & c 特性参数对汽车操纵稳定性的敏感性 在i n s i g h t 模块里利用筛选法的研究策略和部分因素的试验设计研究悬架的 k & c 特性对汽车操纵稳定性的影响。分析的本质是取单个参数取0 ( 特性抑制) 和1 ( 特性激活) 两个状态仿真的结果的差值，对所有因素差值的排序。 5 、仿真研究整车参数对汽车操纵稳定性的影响 利用单变量对比试验仿真研究质心的前后位置、上下位置、悬架的刚度、 轮距、轴距、载荷对汽车操纵稳定性的影响。 6 武汉理工大学硕二e 学位论文 第2 章悬架及整车建模 本章运用a d a m s c a r 模块建立悬架和整车的仿真模型。在建立模型时，利用 a d a m s c a r 自身的模板文件依次建立前后悬架、转向系、轮胎、发动机等子系统， 在子系统的基础上组合生成悬架和整车的放着模型，建模时考虑橡胶衬套刚度 特性，其它杆件为刚体。 a d a m s c a r 坐标系的原点为前轴的几何中心，x 轴正向为车尾方向，y 轴指向 汽车右侧，z 轴垂直向上。其建模时采用自下而上方法，分为模板、子系统、总 成三级，其中模板主要定义了模型的拓扑结构，子系统基于模板生成，定义了 一些特性文件，总成基于子系统好试验台装配而成。 2 1 悬架仿真模型的建立 本文对前悬架选取为双横臂独立悬架，后悬架选取为多连杆式后悬架。 双横臂独立悬架按照上下横臂的长短分为等长双横臂独立悬架和不等长双 横臂独立悬架。早期的双横臂式独立悬架多为等长双横臂独立悬架，但这种悬 架会使得车辆行驶时轮距有较大的变化，所以现在多为不等长双横臂独立悬架， 只要合理设计上下横臂的长度就可以使得车轮定位参数在合理的范围内变化【3 。 本文选取双横臂独立悬架模板并建立双横臂独立悬架子系统。通过双横臂独立 悬架子系统和悬架试验台结合转向系子系统建立前悬架仿真模型。 多连杆式独立悬架由三根以上的连杆构成，能够提供多个方向的控制力，使 轮胎具有更加可靠行驶性锹3 2 l 。本文选取多连杆独立悬架的模板文件建立多连杆 独立悬架子系统，该子系统包含减震器、副车架、拖拽臂、控制臂、横向连接 杆和横拉杆等部分。利用建立的子系统结合悬架试验台建立多连杆独立后悬架 试验模型。 图2 一l 为双横臂独立前悬架仿真模型，图2 2 为多连杆独立后悬架仿真模型。 仿真模型包含了前后悬架模型和悬架试验台( t c s t r i g ) 模型。利用悬架试验台， 可以很方便的对悬架进行各种试验，比如本文中用到的平行跳动试验、方向跳 动试验、侧向力加载试验、纵向力加载试验、回正力矩加载试验等。同时悬架 试验台给出了很多悬架指标的测量，用户分析悬架指标时，无需自己定义测量 函数。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 一l 前悬架仿真模型 图2 - 2 多连杆独立后悬架仿真模型 2 2 概念悬架模型的建立 传统的多刚体力学模型无法满足悬架k & c 特性分析需要，本文利用双横臂 独立悬架和多连杆独立后悬架仿真模型生成需要的概念悬架模型，以便在分析 悬架k & c 特性对汽车操纵稳定性时使用。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 概念悬架模块简介 a d a m s c a r 中的概念悬架模块( c o n c e p t u a ls u s p e m i o nm o d e l ，简写为c s m ) 提供了一种基于总成特性的悬架建模方法。它利用悬架k & c 特性数据来表达悬 架系统，无需考虑具体的悬架结构形式，更不需要硬点坐标、衬套特性以及杆 件质量等参数。在使用时，只需要将指定悬架的特性文件( s c f ) 导入即可，所 以在分析悬架性能和整车性能的时候非常方便，无需重复建模，而且也无需担 心泄密，因为悬架特性文件中不包含任何悬架结构参数信息。 概念悬架模型本质上是通过复合约束建立起来的。在运动学学分析中，很多 时候会将某些质量小的构件( 这些构件的作用是连接其它构件) 看成复合约束 副，而忽略这些构件本身。在分析悬架运动学时，就会忽略悬架导向杆系( 实 际是将导向杆系的质量一半分于车身，一半分于车轮) ，而只考虑其作用，此时， 车轮相对于车身的5 个运动( 水平方向2 个平行移动和3 个旋转运动，这5 个 运动是轮跳和方向盘转角的函数) ，可以由“点在曲线”约束副和一个“方向 副代替，“点在曲线”约束副约束水平方向的2 个运动，“方向 约束副约束3 个旋转运动。“曲线 由悬架k & c 试验中轴距变化和轮距变化确定，“方向由 悬架k & c 试验中外倾角、前束角、后倾角的变化确定。在分析悬架弹性运动学 时，主要考虑橡胶衬套及悬架杆件柔性在外力作用下产生的附加运动。悬架的 运动学和弹性运动学特性所产生的车轮的运动会叠加在一起，两种运动的叠加 可以用下式表示： b a s e c h a n g e t r a c k c h a n g e t o e c h a n g e c a m b e r c h a n g e s i d ev i e w a n g l e c h a n g e 叫= e l t 咄r a v e 陋 ( 2 1 ) 其中b a s e c h a n g e 是轴距变化，t r a c k c h a n g e 是轮距变化，t o e c h a n g e 是前束 角变化，c a m b e r c h a n g e 是外倾角变化，s i d e v i e w a n g l e c h a n g e 是后倾角变化， w h e e l t r a v e l 是轮跳，s t e e r a n g l e 是方向盘转角，f x 是轮心纵向力，f y 是轮心侧 向力，t x 是倾覆力矩，t y 是制动或驱动力矩，t z 是回正力矩，k 代表悬架的运 动学特性，e 代表悬架的弹性运行学特性，k ，e 包含在s c f 文件中。悬架的其 它参数，如主销内倾角、主销后倾角、偏移距等包含在悬架k & c 特性之中。所 以，只需要得到k 和e 两个矩阵就可以代替悬架多体动力学模型，车轮跳动和 9 武汉理工大学硕士学位论文 受力运动时，根据上式就可以确定车轮的运动姿态。 利用概念悬架建立的悬架模型只包含了4 个自由度，即车轮的2 个旋转和2 个跳动，对于转向角输入的整车模型，前后悬架共8 个自由度，车身6 个自由 度，整车一起为1 4 自由度，相比多体力学模型概念悬架整车自由度大大减少。 d e p e n d e n c yc o n t r o l l 签 td e p e n d e n c yf i l eif i l e c ：u s e r s w a n g w e * d e s k t o l y c s r r v r e a r _ s u s l 01 矿t r a c k l e t t 惩g 报 矿k m 矿 f x f x 矽f y1 7 即 广丁x 广t x 广t y 广t y 眵记矽t z ! 黟c a m b e r l e g 陌g l 矿k i n 舻 i 矿f x 舻f x l 矿f y 黟一 l 广t x 广t x i 广巧广t y 矿t z 妒t z l d r i 卿 舻k i np - 翩 rf x 广f x 广f y 广f y 广t xf _ t x 广t y 广丁y 广t z 广t z 矿胁p 胁 矿f x 矽f x 矿f y 矽f y 广t x 广t x 广ur 丁y 矿t 2 矽t z l 矿d a m p e rr a t i o ；矿l 破舻r i 婀 l e g r i 咖 矽舻k i n 广f x 广f x 广f yrf y 广t x 厂t x ；矿a r bf o r c e ：黟l e l 舻r 啪 竺| 生咝l 鲤璺i 图2 - 3 概念悬架设置界面1 川岍荔”了， 哩 +；1u口in + p 0 1 n + p c e = _ 1 1 t 4 1 + r r t + i 吐t i i r c i r l d u h i t + ，掣喇- t o z j ：l 瞎“曩 - ，m + u “ + i z m - r 1 t d l l r d t l l ，。 r t 。 t + j j ， + p l 6 - d + l u l 一 + i t _ p l o c s_ h 却 l c i o i v 曲蜘的 一一”。? j 、整3 v 蚋a h en a m e c s m _ f r o n t s u s i p e n s l o nd v l _ c a m b e f _ k m n e wv 翻证由i en 置r n e c a n h n e 哟 i n d e x r e a l s r e a l v 咖t1 0 u 喇b r 驴 a i l o w e dv , u e s d e a at y p ea b s o l u t e j u s e 呻 y e s - _ 1 u s ea i k m e dv a l u e s y e s 竺| 业i 塑竺i 图2 - 4 概念悬架设置界面2 1 0 | 蓦 兰暾 矿一 b 拒一 并一 l 广一 架k & c 特性的 此外a d a m s c a r 还提供了另种配置悬架k & c 特性的方式，见概念悬架设置界面2 ，通过此界 面不仅可以实现概念悬架设置界面1 的全部功能，还可以改变r e a lv a l u e 的值， 使得所选特性加倍和反方向变化( 例如：0 为关闭，l 为打开，2 为加倍，1 为 反方向) 。概念悬架设置界面2 可以很方便的帮助用户实现对单个或某些悬架特 性的更改，而不需要直接修改s e f 文佯3 3 i 。 2 2 2 概念悬架属性文件介绍 上文已经提到利用概念悬架的属性文件( s c f ) 可以替代多刚体力学模型来 表达悬架，其中包含的数据如下表： 表2 - 1 概念悬架属性文件内容： 轮跳特纵向力侧向力翻滚力制动或加回正力矩 性特性特性矩特性速力矩特特性 性 轮距对称定单个定单个定单个定单个定义单个定义 义属性义属性义属性义属性属性属性 轴距对称定单个定单个定单个定单个定义单个定义 义属性义属性义属性义属性属性属性 前束角对称定单个定单个定单个定单个定义单个