（光学工程专业论文）轻型越野车多连杆悬架系统研究.pdf

摘要 随着科学技术的发展，人们对汽车操纵稳定性的要求越来越高，这不仅 仅是对轿车的要求，对越野车操纵稳定性也越来越重视。悬架作为轮胎和车 身之间各种力和力矩的传动装置，其传递特性的好坏是影响汽车行驶操纵稳 定性最重要、最直接的因素。汽车悬架系统的研究课题分为两大部分，一个 是悬架系统动力学研究；一个是悬架的运动学和弹性运动学研究。其中悬架 的运动学和弹性运动学是对汽车操纵稳定产生影响的悬架特性研究领域。因 此本文主要围绕越野车独立悬架运动学和弹性运动学特性以及越野车特定工 况仿真分析进行一定的阐述。 本文首先以多体动力学理论为基础，以a d a m s c a r 软件为平台，建 立了某轻型越野车的前后双横臂独立悬架仿真模型，并在后悬架仿真模型基 础上对双横臂式导向机构进行适当的改造，建立了多连杆式独立后悬架仿真 模型。然后对修改前后两种悬架进行了运动学及弹性运动学仿真对比分析， 包括：左右车轮平行跳动引起的悬架动力学仿真试验和外加载荷( 包括制动 力、侧向力和回正力矩) 引起的悬架弹性运动学仿真试验。通过分析比较得 知，多连杆悬架能有效地抑制车轮前束角、外倾角等的变化，并提高了悬架 系统的刚度，有效抑制车身俯仰。 由于越野车行驶工况比较复杂，为进一步研究多连杆悬架在某轻型越野 车上的应用，本文通过修改a d a m s ，c a r 中的模板建立了车身模型、制动系 模型、转向系模型、轮胎模型，并结合已建好的前后悬架模型装配成整车模 型。然后对带双横臂式独立后悬架和带多连杆式独立后悬架的整车模型进行 了特定工况仿真对比分析与评价，包括通过垂直台阶、水平壕沟、陡坡试验。 通过这些试验得出，多连杆悬架能有效抑制越野车在行驶过程中的侧向和纵 向的加速度和位移变化量，但垂向位移和垂向加速度变化较大，不利于行驶 平顺性。最后针对多连杆悬架表现出的不足提出了减小悬架刚度的改进措施。 关键词：多连杆悬架越野车特定工况 a b s t ra c t a st h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c e ，t h eb e t t e r c o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t y p e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l ew e r er e q u i r e d ，n o to n l yc a r s ，b u ta l s oo f f - r o a dv e h i c l e s t h es u s p e n s i o ns y s t e mw h i c ht r a n s f e r sa l lk i n d so ff o r c e sa n d t o r q u e sf r o mt i r e st o v e h i c l eb o d yi st h em o s ti m p o r t a n ta n dd i r e c tf a c t o rt h a ti n f l u e n t st h ev e h i c l e c o n t r o l l a b i l i t y a n ds a t a b i l i t y p e r f o r m a n c e t h es u s p e n s i o ns y s t e mr e s e a r c h i n c l u d e st w oa r e a s o n ei sc a l l e ds u s p e n s i o ns y s t e md y n a m i c sa n dt h eo t h e ri s c a l l e ds u s p e n s i o ns y s t e mk i n e m a t i c sa n dc o m p l i a n c e t h i sp a p e ri s s p e c i a l l yt o s t u d yt h ek i n e m a t i c sa n dc o m p l i a n c ec h a r a c t e r i s t i c s o fa no f f - r o a dv e h i c l e i n d e p e n d e n ts u s p e n s i o ns y s t e m t h i s p a p e r i sb a s e do nm u l t i - b o d yd y n a m i c t h e o r ya n dt h es o f t w a r e a d a m s c a r a c c o r d i n g t ot h ec o n s t r u c t i o na n dp a r a m e t e r so fal i g h to f f - r o a d v e h i c l e ，t h i sp a p e rb u i l d st h ef r o n ta n dr e a rd o u b l ew i s h b o n ei n d e p e n d e n t s u s p e n s i o ns y s t e m ss i m u l a t i o nm o d e lw i t ht h ea d a m s c a r o nt h eb a s i so ft h e r e a rs u s p e n s i o n ，t h ep a p e rr e b u i l d st h ed o u b l ew i s h b o n eo r i e n t a t i o nm a c h i n et og e t am u l t i l i n ki n d e p e n d e n tr e a rs u s p e n s i o ns i m u l a t i o nm o d e l t h e nt h e p a p e r i n d i v i d u a l l ys i m u l a t e ss o m ed i f f e r e n te x p e r i m e n t sf o rt h em u l t i l i n ka n dd o u b l e w i s h b o n ei n d e p e n d e n ts u s p e n s i o na s s e m b l ys y s t e m st oe v a l u a t et h es u s p e n s i o n k i n e m a t i c sa n dc o m p l i a n c ec h a r a c t e r i s t i c s f r o mt h ee x p e r i m e n t s ，i ts h o w st h a tt h e m u l t i l i n ks u s p e n s i o nc a nb ee f f e c t i v e l yr e s t a i nt h ec h a n g eo fs o m ep a r a m e t e r s ， s u c ha st h ec a m b e ra n g l e ，t h et o ea n g l ea n ds oo n b e c a u s eo ft h ec o m p l e xc o n d i t i o no fr o a d st h a tt h ev e h i c l et r a v e l e so n ，i n o r d e rt ou l t e r i o r l ys t u d yt h eu s eo ft h em u l t i l i n ks u s p e n s i o no nt h eo f f - r o a d v e h i c l e ，t h i sp a p e rb u i l d st h eb o d ys y s t e m ，t h eb r a k es y s t e m ，t h es t e e r i n gs y s t e m a n dt h et i r e sb ym o d i f y i n gt h ep a r a m e t e r si nt h ea d a m s c a rt e m p l a t e s ，a n d t h e nb u i l d st h ef u l lv e h i c l es i m u l a t i o nm o d e lw i t ht h e s es u b s y s t e m s s p e c i a l s i m u l a t i o n sa r ei n d i v i d u a l l ym a d et ot h eo f f - r o a dv e h i c l e sw i t hd o u b l ew i s h b o n e r e a rs u s p e n s i o na n dm u l t i - l i n kr e a r s u s p e n s i o n ，i n c l u d i n gd r i v i n gt h ev e h i c l e t h r o u g hv e r t i c a ls t e p ，p o t h o l ea n dg r a d e t h er e s u l ts h o w st h a tt h ev e h i c l ew i t h h m u l t i 1 i n kr e a rs u s p e n s i o nc a nb ee f f e c t i v e l yr e s t a i nt h ec h a n g eo fl a t e r a l a c c e l e r a t i o na n dl a t e r a ld i s p l a c e m e n t ，l o n g i 【t u d i n a la c c e l e r a t i o na n dl o n g i t u d i n a l d i s p l a c e m e n t ，b u tt h ev e r t i c a la c c e l e r a t i o na n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n ti sw o r s et h a n t h ev e h i c l ew i t hd o u b l ew i s h b o n es u s p e n s i o n a tt h ee n do ft h i sp a p e r , s o m ev a l i d m e t h o d sa r eb r o u g h tf o r w a r dt os o l v et h ed i s a d v a n t a g es h o w e db yt h em u l t i l i n k s u s p e n s i o n k e yw o r d s ：m u l t i - l i n ks u s p e n s i o n ，o f f - r o a dv e h i c l e ，s p e c i a lw o r k i n gc o n d i t i o n i i i 独创性声明 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 它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。 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 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 期： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 、概述 第一章绪论 随着社会不断发展以及人们生活水平的不断提高，汽车已经成为我们日 常生活中不可缺少的重要交通工具。人们在不断提高汽车经济性和动力性指 标的情况下，更加注重了对整车操纵稳定性能的要求【1 1 。这些要求不但体现在 轿车上，而且在越野车上也逐步开始提出整车操纵稳定性评价体系。悬架系 统直接影响着汽车的操纵稳定性以及平顺性，因此对悬架系统的研究已成为 汽车工作者日益关注的问题和工作重点。 1 1 1 汽车悬架系统的主要研究内容及其发展概况 1 1 1 1 汽车悬架系统的研究领域 汽车悬架系统的研究主要是为了提高汽车整车的行驶平顺性和操纵稳定 性，因此汽车悬架系统的研究课题也相应地分为两大部分，一个是对汽车平 顺性产生主要影响的悬架特性研究领域，一个是对汽车操纵稳定产生主要影 响的悬架特性研究领域。悬架系统结构分为弹性元件、阻尼元件和导向机构， 前一领域主要是对悬架的弹性元件和阻尼元件特性展开研究，主要是将路面、 轮胎、非簧载质量、悬架、簧载质量作为一个整体进行研究i z j ，由于它主要研 究的是在路面的力激励下，影响汽车平顺性的弹性元件和阻尼元件的力学特 性，因此可以称之为悬架系统动力学研究。悬架系统的动力学特性直接影响 到车辆的动力学特性，可以说对悬架动力学的研究就是对车辆动力学的研究。 后一领域主要是对悬架的导向机构进行展开研究，主要是研究在车轮与车身 发生相对运动时，悬架导向机构如何引导和约束车轮的运动、车轮定位以及 影响转向运动的一些悬架参数的运动学特性，这一领域的研究称为悬架的运 动学研究。在考虑弹性衬套( b u s h i n g ) 等连接件对悬架性能影响的情况下， 悬架运动学即为悬架弹性运动学，悬架弹性运动学是阐述由于轮胎和路面之 间的力和力矩引起的车轮定位等主要悬架参数的变化特性。这样悬架系统的 运动学研究就包括了悬架运动学和弹性运动学两个方面的内容。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 1 2 悬架运动学的研究概况 汽车悬架运动学的研究在国外起步较早，几乎是随着独立悬架的诞生就 开始了。而汽车悬架弹性运动学的研究是在上世纪8 0 年代兴起。德国 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 学及弹性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；在弹性运动学分析中，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【3 】和安培正人著的汽车的运动与操纵【4 j 介绍了悬架运动学对汽 车行驶性能的影响，并对悬架弹性运动学对汽车操纵稳定性的影响进行了较 为系统的分析。由德国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1 5 j 从悬架 的理论建模、橡胶支撑的模型出发对悬架弹性运动学特性的理论分析作了较 为深入的研究。在悬架运动学分析中，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；在悬架弹性运动学分析中，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。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纠6 】同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 弹性运动学问题的一般思路和方法。清华大学工学博士张越今著的汽车多 体动力学及计算机仿真阿一书，重点介绍了整车多体系统弹性模型的建立方 法。此外，还有一些文献【9 】【10 】【1 1 】详细介绍了定位参数的定义、作用和对操纵 稳定性的影响。 总结悬架运动学的研究方法，主要有以下四种：用机构学理论中的解 析方法，在三坐标中进行分析。矢量法，将复杂运动状况分解归纳到一系 列的矢量三角形以及矢量四面体问题进行分析。多刚体动力学方法，包括： a 、图论方法( r - w 方法) ，用关联矩阵和通路矩阵来描述系统的结构特征及连 2 武汉理工大学硕士学位论文 接；b 、旋转矩阵法，应用矩阵变换的理论实现不同运动机构之间的坐标变换。 多体弹性运动学方法，考虑悬架中弹性元件的影响，应用虚位移法对悬架 进行运动学分析。各种方法都有其优缺点：矢量法不易理解，计算比较复杂： 多刚体动力学方法需要对空间机构进行一定的简化，如对麦式悬架，需要把 主销中心线和减振器中心线假定为重合来得出约束方程，产生的误差较大； 多体弹性运动学方法，由于考虑悬架中弹性元件，大大增加了分析和计算的 难度；机构学中的解析法简单明了，容易理解，且完全体现了杆件的真实结 构，计算方便、准确【1 j 。 1 1 2 越野车悬架系统研究 自1 9 2 8 年以来，越野车的核心技术基本上是由欧洲和美洲汽车生产企业 掌握的。越野车悬架系统在国外的发展已经相对成熟，近年来国内也对此展 开了研究。根据越野车的使用条件知，越野汽车必须在高速行驶过程中越过 障碍，并保证驾驶员的安全和稳定。但当越野车行驶在恶劣的道路上时，悬 架的跳动非常大，阻尼的非线性特性很明显，这将会降低越野车的性能。因 此良好的越野车悬架系统是保证越野性能的基础。 目前国内对越野车悬架系统的研究主要集中在被动悬架、半主动悬架和 主动悬架三方面。其中：被动悬架的组成主要是弹簧和阻尼器；半主动悬架 系统的弹簧刚度或减振器阻尼是可调节的，悬架弹簧刚度和减振器阻尼的调 节控制策略是半主动悬架系统设计中的关键；主动悬架系统采用力作动器来 取代被动悬架系统中的弹簧和减振器或在原有被动悬架系统的基础上加一主 动力作动器。随着机电一体化的来临，主动悬架是未来汽车悬架发展的必然 趋势，但这还有很长的一段路要走。在目前看来大部分越野车上仍以被动悬 架为主，虽然被动悬架在汽车操纵稳定性以及平顺性方面不及半主动悬架和 被动悬架，但通过适当的调节，被动悬架仍能满足越野车的使用条件。 由于越野车的公路性和越野性本就是一对相互矛盾的特性，因此，针对 侧重点的不同，越野车主要有两类悬架形式：非独立悬架和独立悬架。很多 千古流芳的越野车( 如l c 8 0 、l c 7 0 、y 6 0 、y 6 1 等等) 都选用前后非独立 悬架形式，就是强调越野性能，轻视公路性能，即以牺牲越野车的操纵稳定 性和平顺性为代价来提高越野车的越野性能。随着时代的进步，铺装路面比 例越来越高，路面质量迅速提高，车辆的公路行驶比例大为增加。在这种情 况下，各汽车厂家开始向公路屈服。最著名的就是h u m 姬rh l 了，它采 用的都是重载前后独立悬架，目的还是在于操纵稳定性，通过调整完善的， 3 武汉理t 大学硕士学位论文 重载弹簧+ 减振形成的高强度大承载能力独立悬挂，则能在保证最小离地间 隙的f j 提下，改善操控能力和在各种不平地形下的抓地力，因为在不平路面， 比如搓板路高速行驶时，能始终保证轮胎尽量不离开地面，才是保证抓地力 和操纵稳定性的前提。从目i j 市面上卖的越野车也可以看出，独立悬架系统 已逐渐代替非独立悬架系统。因此，本文选择对越野车独立悬架系统展开研 究。 1 1 3 双横臂与多连杆独立悬架发展现状 随着技术的不断创新和研究的不断深入，现在汽车悬架涌现出了各种不 同的结构形式，主要包括非独立悬架和独立悬架两大类，其中独立悬架在汽 车上的应用越来越广泛。独立悬架包括很多种型式，有横臂式、纵臂式、斜 臂式、车轮沿主销移动式和多连杆式等，各种悬架型式又包含多种不同的具 体形式。目前在越野车上应用较多的是双横臂式独立悬架，下面主要就双横 臂悬架和多连杆悬架进行深入介绍。 双横臂式独立悬架是比较复杂的空间机构，按照上、下横臂的长短不同 可分为等长和不等长两种。等长双横臂悬架在车轮上下跳动时，虽然可以保 持主销倾角和车轮外倾角不变，但是轮距变化大，导致轮胎磨损严重，现在 已经很少采用：对于不等长双横臂悬架，只要合理地选择结构参数和适当地布 置，就可以将轮距和车轮定位参数的初始值及其变化限制在一定范围内，保 持良好的行驶稳定性，并能使悬架与转向杆系的运动干涉减小，不易发生跳 摆，故得到了广泛的应用。双横臂式独立悬架多用于轿车和轻型客和货车的 前悬架上，在麦弗逊式悬架出现后，双横臂式悬架曾逐渐被麦弗逊悬架所替 代，但是进入九十年代以来，随着轿车豪华化和高性能化，采用该结构的车 种不断增加，在一些对平顺性和操纵稳定性要求较高的汽车上，不仅前悬架， 而且后悬架也采用了双横臂式悬架【13 l 。 多连杆式悬架是由3 到5 根杆件组合在一起来控制车轮位置变化的悬架。 多连杆式悬架能使车轮绕着与汽车纵轴线成一定角度的轴线摆动，是横臂式 和纵臂式悬架的折中方案，适当地选择摆臂轴线与汽车纵轴线所成的夹角， 可不同程度地获得横臂式和纵臂式悬架的优点，能满足不同的使用性能要求。 它能够较好地消除对地外倾角( c a m b e r ) 的变化，即使车身晃动时，也能使轮 胎保持垂直，这在目前低轮胎扁平比的趋势中，是非常重要的特性；同样它 对轮跳时车轮前束( t o e ) 和轮距的变化具有较好的抑制作用；能较好地消除转 4 武汉理t 大学硕士学位论文 弯时重心升高、对地外倾角减少引起的顶起( j a c k u p ) 现象；较好地抑制加减 速时造成的车身升高或下沉现象；还能提高悬架系统的刚性，使其不易受横 向力影响而产生几何变化。这里应该指出的是，要想同时具有上述几个优点， 除多连杆式悬架以外，其他悬架是很难实现的。多连杆式悬架系统的最大优 点，就在于它可平衡地达成其它悬架系统所达不到的性能需求，它是目前最 先进的悬架系统。当前对性能要求较高的汽车，尤其是高档轿车开始越来越 多地使用多连杆式悬架系统1 14 j 。 鉴于在众多的独立悬架系统中，双横臂式和多连杆式悬架具有广泛的发 展前景和应用前途，本文将对双横臂式和多连杆式悬架的运动特性进行比较。 同时，由于目前多连杆悬架主要应用于高档轿车，在越野车上的应用还没有 太多的实践，因此本文选择对某轻型越野车多连杆悬架系统作出研究。 1 2 悬架研究常用多体系统动力学软件 为了分析悬架系统的运动学和动力学，人们不断地提出各种解决方法， 其中应用最广泛的就是多体系统动力学方法，多体系统动力学由多刚体系统 动力学和多柔体系统动力学共同组成。随着多体系统动力学方法的逐渐发展 与完善，各种方法和分析软件也相继问世，其中包括m s c a d a m s 、d a d s 等著名软件【15 】【侗。本文选用m s c a d a m s 软件进行动力学分析。 m s c a d a m s 软件( 原来是由美国m d i ( m e c h a n i c a ld y n a m i c s ，i n c ) 开发的，2 0 0 2 年并入m s c 公司) 是目前使用最为广泛的一种多体系统动 力学软件。它以笛卡尔坐标和欧拉角作为参数描述物体的空间位置，采用拉 格朗日方程方法建立系统的运动方程。其核心程序为 m s c a d a m s n i e w和m s c a d a m s s o l v e r 。其中求解程序 m s c a d a m s s o l v e r 提供了多种功能成熟的求解器，可以对利用 m s c a d a m s n i e w 等程序所建立的多体模型进行运动学和动力学分析。 为了方便各个行业的使用，m s c a d a m s 还提供了多个具有较强针对性 的参数化模块，都设计了通用模板，统称为“基于模板的产品 。它们包括 m s c a d a m s c a r 、m s c a d a m s e n g i n e 、m s c a d a m s a i r c r a f 【等。通过 预测和分析机械系统大位移运动时的性能，a d a m s 可帮助确定、改进、验 证和优化各种机械系统的设计方案和设计参数，它适用于分析从简单的四连 杆机构到复杂的车辆、飞机、卫星甚至人体。 武汉理工大学硕士学位论文 a d a m s s o l v e r 是a d a m s 软件的核心一一求解器，它将对由 a d a m s n i e w 中描述的机械系统自动列出运动方程，并采用功能强大、算法 先进的积分程序对运动方程进行数值求解，最后将仿真结果输出到图形接口 a d a m s n i e w 中进行后处理。a d a m s 软件将传统机械系统仿真中最关键的 几步实现了自动化，从而大大提高了机械系统仿真的效率和质量，缩短整个 产品的设计周期i 盯j 。 a d a m s 软件已经有几十年的发展历史，功能日益完善，其主要模块包 括核心模块、功能扩展模块、专业模块、接口模块和各种工具箱【1 明。应用 a d a m s 强大的仿真分析功能可以清楚完整地表达出悬架的运动学和动力学 特性，是本课题研究的有效工具。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题与东风公司合作研究，是在某4 x 4 双横臂独立悬架轻型越野汽 车仿真分析课题的基础上进行的。 本课题的研究工作主要是以下几个方面： 1 、应用虚拟样机技术，以美国m s c 公司的a d a m s c a r 软件为平台， 建立某轻型越野车双横臂独立前、后悬架仿真模型，并对双横臂独立后悬架 的导向机构进行适当改造，建立多连杆独立后悬架仿真模型。 2 、结合a d a m s c a r 中的悬架虚拟测试平台( s u s p e n s i o n t e s t r i g ) ， 建立悬架虚拟样机平台，对双横臂式独立后悬架和多连杆式独立后悬架进行 悬架运动学和弹性运动学仿真对比分析与评价，包括：左右车轮平行跳动试 验仿真、# l - j i l 载荷( 包括制动力、侧向力、回正力矩) 输入仿真，通过分析 对比两悬架车轮定位参数、车身侧倾等悬架相关参数的变化情况，总结出多 连杆悬架的特点。 3 、分别以双横臂和多连杆独立后悬架为基础建立越野车整车多体动力学 模型。本文针对越野车的四轮驱动的结构特征和行驶工况的复杂性，在 a d a m s c a r 原有的动力传动系模型的基础上，建立四轮驱动的动力传动系 模型，并通过修改a d a m s c a r 中的模板，建立齿轮齿条式转向系模型、制 动系模型、车身模型、前后车轮模型等，分别结合已建立的双横臂独立前后 悬架和双横臂独立前悬架+ 多连杆独立后悬架建立整车的虚拟样机模型。 4 、越野车特定工况仿真对比分析与评价。针对越野车行驶工况的特殊性， 6 武汉理工大学硕士学位论文 对所建立的两整车动力学模型进行特定工况仿真对比分析与评价，包括通过 垂直台阶、壕沟、陡坡仿真试验。通过分析对比两整车相关参数的变化情况， 总结多连杆悬架对越野车特定工况的影响，针对其不足之处提出改进措施。 7 武汉理工大学硕十学位论文 第二章双横臂和多连杆式悬架仿真模型的建立 为了对某轻型越野车的双横臂和多连杆悬架进行对比研究，首先要建立 双横臂和多连杆式悬架仿真模型。本文选择用a d a m s 里面的专业模块 a d a m s c a r ，根据有关数据建立符合越野车结构的双横臂前后独立悬架仿 真模型，并通过修改双横臂独立后悬架的导向机构建立合理的多连杆独立后 悬架仿真模型。 2 1 在a d a m s c a r 中建立悬架仿真模型 采用a d a m s c a r 软件建立汽车悬架系统虚拟样机模型的目的是为了分 析悬架系统的运动学特性，悬架系统模型的建立就是围绕着这个目的，抓住 悬架系统各运动机构和约束杆件之间铰接的运动学和动力学特性的本质，将 实际物理样机系统作一定程度的抽象和简化，在a d a m s c a r 中建立出悬架 系统各个杆件之间合理的多体动力学拓扑结构图，将其以数学模型的形式提 交给a d a m s s o l v e 进行求解，进而通过功能强大的a d a m s p o s t p r o c e s s o r 获得所需结果【1 9 1 。 c a r 模块是a d a m s 软件包中的一个专业化模块，主要用于对轿车( 包 括整车及各个总成) 的动态仿真与分析。对于悬架系统来说，a d a m s c a r 在仿真结束后，可自动计算出三十多种悬架特性，根据这些常规的悬架特性， 用户又可定义出更多的悬架特性，产品设计人员完全可以通过这些特性曲线 来对悬架进行综合性能的分析和评价。 应用a d a m s c a r 对悬架系统进行建模的原理相对比较简单，模型原 理与实际的系统相一致。考虑到汽车基本上为纵向对称系统，软件模块己 预先对建模过程进行了处理，产品设计人员只需建立左边或右边的1 2 悬架 模型，另一半将会根据对称性自动生成，当然设计人员也可建立非对称的分 析模型。 在建立分析总成的模型过程中，a d a m s c a r 的建模顺序是自下而上 的，所有的分析模型都是建立在子总成基础上，而子总成又是建立在模板的 基础上，模板是整个模型中最基本的模块。然而模板又是整个建模过程中最 武汉理- t 大学硕士学位论文 重要的部分，分析总成的绝大部分建模工作都是在模板阶段完成的。在这一 阶段，设计人员主要完成以下工作1 2 0 】： ( 1 ) 从实际悬架物理样机系统中测定建立虚拟样机的参数，主要包括位置 和几何参数、质量参数、悬架和轮胎等的刚度和阻尼特性曲线和参数、各杆 件之间铰接的特性参数等； ( 2 ) 根据目标悬架中零部件间的相对运动关系，建立零部件的拓扑结构， 对零部件进行重新组合，将没有相对运动关系的零部件组合为一体( 也可在 建立约束时将这样的零部件锁定为一体) ，确定重新组合后零件间的连接关系 和连接点的位置； ( 3 ) 向模型输入重新组合后的零部件质心位置、质量和转动惯量； ( 4 ) 建立减振器的阻尼特性和弹簧的刚度特性，减振器中上下限位块的刚 度和轮胎的刚度等数学模型； ( 5 ) 定义主销轴线，输入车轮的前束角和外倾角； ( 6 ) 建立悬架模板( t e m p l a t e ) 与其他模板( 转向系统、车身和大地等) 或 试验台架进行数据交换的输入和输出信号器( c o m m u n i c a t o r ) ； ( 7 ) 通过悬架模板( t e m p l a t e ) 建立悬架子系统( s u b s y s t e m ) ； ( 8 ) 将悬架子系统( s u s p e n s i o ns u b s y s t e m ) 和相关的子 系统( s u b s y s t e m ) ，如悬架试验台( t e s tr i g ) 、大地或车身、前悬架的转向 子系统通过组装建立完整的悬架组装系统( s u s p e n s i o na s s e m b l y ) 。在建立 模板阶段，正确建立零部件间的连接关系和信号器是至关重要的，这些数据 在以后的子系统和总成阶段无法修改，而零部件的位置和特征参数在后续过 程中则是可以更改。另外需要注意的是零部件的惯量数据是相对于零部件质 心的，即零部件的主惯量。零部件之间的连接可以用铰链连接，也可用橡胶 衬套( 或弹簧) 连接，二者的区别在于铰链连接是刚性的连接，不允许过约 束的运动，橡胶衬套和弹簧属于柔性连接，他们在发生运动干涉的部件之间 产生阻力，阻止进一步的干涉发生。 模板建立以后，接下来是创建子系统，在子系统的水平上，用户只能对 以前创建的零部件进行部分数据的修改。建立仿真模型的最后一步是建立分 析总成，在这一阶段，产品设计人员可根据实际需要，将不同的子系统组合 成为一个完整的分析模型，如悬架总成可以包括悬架子系统、转向子系统和 稳定杆子系统。 在分析之前，还需输入轮胎径向刚度及相关的整车数据，比如簧载质量 9 武汉理t 大学硕士学位论文 和质心高度等。 2 2 用a d a m s c a r 建立悬架仿真模型 2 2 1 用a d a m s c a r 建立双横臂前独立悬架仿真模型 本节利用a d a m s c a r 建立了双横臂式独立前悬架系统的仿真模型， 该悬架的建模数据来源于某轻型越野车的前悬架系统。该悬架的结构形式采 用的是双横臂独立悬架，悬架模型参考坐标系采用该车车身采用的坐标制，x 轴向后，y 轴向右，z 轴向上，该双横臂独立前悬架左侧简化机构示意图如 图2 1 所示。 在建立模型时假设悬架和转向系的零部件，除了轮胎、弹性元件、阻尼元 件、橡胶元件外，其余全部认为是刚体。利用a d a m s 软件交互式图形环境 和部件库、约束库、力库等，根据物理样机的拓扑结构和各构件的约束关系， 建立了三维机械系统参数化模型，如图2 2 所示。 图2 1双横臂独立悬架左侧简化机构示意图 奢 一 哆飘 图2 2双横臂独立前悬架系统模型 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 此模型由上下摆臂、主销、转向节、轮轴等刚体组成。其中主销、转向 节和轮轴无相对运动，因此在建模时可将这三者视为一体，上、下摆臂与主 销以球铰相连，与车身以衬套相连，转向节与转向横拉杆是以万向节相连。 经计算，该悬架有两个自由度，这两个自由度分别是车轮的上下跳动以及车 轮绕主销轴线的转动。这两种自由度是满足悬架运动要求的，并且约束经简 化后并没有产生过约束，由此说明约束简化是合理的。 2 2 2 用a d a m s ，c a r 建立双横臂后独立悬架仿真模型 同样地，在a d a m s c a r 中建立双横臂式独立后悬架，其动力学模型 如图2 3 所示。 图2 3双横臂独立后悬架系统模型 2 2 3 用a d a m s c a r 建立多连杆后独立悬架仿真模型 前两节已经基于某轻型越野车建立了前后双横臂独立悬架，本节将对原 有双横臂独立后悬架进行修改，使其成为多连杆独立后悬架。由于本文需要 对两种悬架形式的动力学特性以及在此基础上建立的两整车特定工况进行对 比分析与评价，所以这两种悬架系统的运动学特性必须具有可比性。鉴于此， 本文多连杆式独立后悬架模型的建立是在双横臂式独立后悬架的基础上对其 导向机构进行改造得来的，也就是把双横臂式后悬架连接车体和主销轴的上 a 臂( 一个球铰和两个旋转副，球铰连主销轴，两个旋转副接车体) 改造成 两根空间连杆，每根连杆分别用球铰和旋转副与主销轴和车体相连接( 两个 球铰分别是将原悬架连接a 臂和主销轴的球铰分别向前后两侧适当移动得 到，两个旋转副是将原悬架连接a 臂与车体的两个旋转副的位置做适当的变 动得到) 。对下横臂的改造也是将其改造为两根空间连杆，每根连杆分别用球 武汉理工大学硕士学位论文 铰和旋转副连接主销轴和车体【2 1 】。其结构形式如图2 - 4 所示。 图2 _ 4 多连杆独立后悬架系统模型 另外对导向机构以外的其它悬架结构没有变动，而且两种悬架的弹性元 件特性、阻尼元件特性、车轮定位参数、轮胎参数、车轮轮心位置等几何参 数和悬架载荷等悬架参数都是相同的。这就保证了两种悬架在进行运动学或 弹性运动学分析时所表现出来的运动特性不同完全是由于两种导向机构的结 构不同而产生的，从而就保证了以后进行比较分析的合理性。 2 3 本章小结 本章简要介绍了应用a d a m s c a r 建立悬架系统仿真模型的方法和过 程。并根据某轻型越野车悬架系统及整车的结构和相关数据，简化和抽象出 原车运动机构的拓扑结构，建立了该车的双横臂独立前、后悬架系统的仿真 模型。并在双横臂独立后悬架基础上对其导向机构进行适当的改造，从而建 立了多连杆独立后悬架系统的仿真模型。同时指出了对两种悬架进行运动学 特性比较分析的合理性，为后面对两种悬架进行仿真对比分析以及整车特定 工况对比分析作好准备。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第三章双横臂和多连杆式独立后悬架运动学特性 对比分析与评价 本文第二章已利用a d a m s c a r 建立了某轻型越野车的双横臂和多连 杆式独立后悬架仿真分析模型，为了研究越野车多连杆悬架运动学特性，本 章将首先介绍对悬架运动学和弹性运动学特性进行研究与评价的评价指标和 评价方法，然后通过a d a m s c a r 软件平台分别对两种悬架模型进行运动 学仿真分析，并利用相关评价指标对两种悬架的仿真结果进行对比分析，对 两种悬架在仿真试验中所表现出的运动学和弹性运动学特性给予比较评价， 最后总结出越野车多连杆悬架的特点。 3 1 双横臂和多连杆独立后悬架评价指标和评价方法简介 悬架性能是影响汽车行驶平顺性、操纵稳定性和行驶速度的重要因素。 对悬架的运动学分析主要从悬架运动学和弹性运动学两个方面进行。悬架运 动学研究的是由于车身与车轮发生相对运动而产生的包括反映车轮定位、车 身俯仰等悬架相关性能指标的变化特性，因此研究和评价悬架运动学方法的 实质就是给悬架系统输入一种运动，对各种悬架运动学输出特性进行研究和 评价；悬架弹性运动学研究的是由于悬架系统受到车轮处的横向和纵向力或 力矩而产生的车轮定位等悬架性能指标的变化特性，因此研究和评价悬架弹 性运动学方法的实质就是给悬架系统输入各种不同的力或力矩，对各种悬架 弹性运动学输出特性进行研究和评价。因此，对悬架系统性能好坏的评价也 是从两个方面入手。这种评价包括两个方面内容，一个是用哪些评价指标对 悬架特性进行评价，一个是采用什么样的方法来评价悬架特性。 就悬架运动学和弹性运动学而言，它主要是研究在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，因此对悬架运动学的评价指标也因该是以此为出发点来进行。 这些指标主要是指反映车轮定位的参数、影响悬架产生顺从转向的参数、反 映车身产生纵倾和侧倾的参数、反映轮胎回正性和转向轻便性的参数、影响 武汉理工大学硕士学位论文 轮胎磨损的轮距和轴距变化等参数。这一部分参数包括很多，其中有些是对 同一种悬架特性描述采用的不同参量。本文根据实际情况从其中选出了从不 同角度反映悬架运动学和弹性运动学特性的多个参数指标，用这些参数可以 较为全面地评价悬架对汽车操纵稳定性的影响。这些参数是：车轮外倾角、 车轮的前束角、轮距的变化、轴距的变化、侧倾角刚度、悬架刚度、制动时 后悬架的抬头量以及加速时后悬架的下蹲量等。 另外，上述参数变化特性的好坏需要在特定的试验方法下进行。悬架运 动学与弹性运动学研究的方法通常包括台架试验研究方法和计算机仿真研究 方法。相比之下对悬架系统建立运动学模型，对运动学和弹性运动学特性进 行仿真试验分析能够更为灵活和全面地评价悬架的性能，节省时间、人力和 物力，并且能达到优化设计悬架的目的。其试验方法主要有：左右车轮平行 跳动引起的悬架运动；单侧车轮跳动引起的悬架运动；车身侧倾引起的悬架 运动：左右车轮反向跳动引起的悬架运动；# i - * n 载荷引起的悬架的弹性运动。 其中，左右车轮平行跳动试验方法是悬架运动特性分析的基本方法；单侧车 轮跳动试验方法主要针对非独立悬架；左右车轮反向跳动与车身侧倾试验方 法主要考虑转弯时车身发生侧倾的情况；而外加载荷主要考虑悬架弹性衬套 对悬架运动特性和整车性能的影响。鉴于本文研究的两种悬架都是独立悬架， 本章将选用左右车轮平行跳动和外加载荷两种仿真分析方法对两种悬架模型 进行仿真分析，下面分别具体论述。 3 2 左右车轮平行跳动引起的悬架运动学比较仿真分析 左右车轮平行跳动试验方法作为悬架运动特性分析的基本方法，对悬架 的运动特性分析一般都要进行该项分析。左右车轮平行跳动试验实际上是对 车轮遇到障碍物时悬架的运动、路面不平引起的颠簸运动、汽车加减速时车 身纵倾引起的悬架运动和车身侧倾时引起的悬架运动等较多运动的综合分 析。左右车轮平行跳动试验仿真分析是分析悬架运动合理性的重要依据，较 为全面地反映了悬架的运动特性。在悬架仿真分析中需要在左右车轮处对悬 架模型施加能够反映悬架行程的跳动量( 根据车型的不同一般在5 0 2 0 0 m m 范围内) ，根据悬架的数学模型和相关悬架参数的数学模型计算出悬 架特性参数随车轮跳动的变化关系，进而分析和评价悬架的运动学特性对汽 车操纵性能的影响。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 本文在仿真分析时，对车轮的输入是由- 1 0 0 m m - - l o o m m 的由下到上线 性渐增跳动行程。由于汽车后左、右轮的中的一个参数就可以说明问题，因 此，如果不做特殊说明，本文中车轮定位参数等均采用左轮的定位参数。 3 2 1 外倾角 车轮外倾角是指车轮的上端倾向或者倾离车身的角度。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，如图3 1 所示。 车 轮 下 耽 图3 1 车轮外倾角 车轮外倾角是影响汽车操纵稳定性的重要参数，车轮上跳及车轮回落时 的外倾角变化对车辆直线行驶稳定性、稳态转向特性、转向轻便性、跑偏以 及轮胎的磨损等都有较大的影响。从提高转向性能出发，侧倾时车轮对地面 的外倾角最好不变。但在车辆直行状态下，由路面不平引起车轮跳动而使外 倾角变化时，路面对车轮产生外倾推力，该力与侧倾角产生的侧向力汇合成 为横向力，此力会影响车辆的直线行驶能力。因此较大的对地外倾角变化会 使车辆的直行稳定性不好。综合考虑转向性能和直行驶稳定性，车轮上跳及 下跳时的外倾角变化应有一个适当的范围，一般来说，希望在车轮上跳时外 倾角向减小的方向变化( _ 2 。o 5 。5 0 m m 较为适宜) ，而在下落时朝正值方向 变化【2 2 1 。 由图3 2 知，两独立悬架在平衡位置时的外倾角都是一o 5 。，在车轮上下 跳动1 0 0 m m 行程过程中两种悬架的变化趋势都与期望的变化趋势相符，但 双横臂独立悬架的外倾角在车轮上下跳动l o o m m 的行程中变化了约5 0 ，