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浙江工业大学中职硕士学位论文 基于虚拟样车技术的前悬架特性参数影响性分析 摘要 操纵稳定性和平顺性是车辆性能中最重要的两项性能，国内外研究人员对此进行了大 量的研究，建立了多种动力学模型，并且在各种模型基础上就车辆的部分结构参数对这两 项性能的影响趋势进行研究，得到了许多有价值的结论。 本文在前述研究成果的基础上，通过虚拟样车仿真试验，深入研究前悬架扭杆和横向 稳定杆角刚度对车辆操纵稳定性和平顺性的影响程度，为车辆设计人员进行悬架结构参数 的调整时提供借鉴与参考。 首先，通过获取研究样车各项必要的技术参数，基于多体动力学软件a d a m s 的汽车专 业模块，构建研究样车的动力学仿真模型。并以样车模型为原型，构建多款无、有前横向 稳定杆的变型车模型。 然后，依据有关车辆操纵稳定性和平顺性试验的国家标准与行业标准，对各模型进行 各试验项目的仿真。对仿真结果的分析表明，前悬架扭杆和横向稳定杆的角刚度变化对稳 态回转工况的中性转向点的侧向加速度值、不足转向度、车身侧倾度三项指标以及转向盘 角脉冲输入下的谐振峰水平和相位滞后角两项指标都有比较大的影响，但是对转向回正工 况的残留横摆角速度、横摆角速度总方差和蛇形工况下的平均横摆角速度峰值、平均转向 盘转角峰值的影响较小，对转向盘角阶跃输入下的横摆角速度响应时间和角脉冲输入下的 谐振频率则具有中等程度的影响。在对转向轻便性试验的转向盘平均操舵力和最大操舵力 的影响方面，前悬架扭杆角刚度变化的影响较弱，而横向稳定杆角刚度变化的影响较大。 在对行驶平顺性的影响方面，以常见的b 级路面作为试验路面时，前悬架扭杆角刚度变化 具有中等程度的影响，而横向稳定杆角刚度变化的影响甚微。 最后，针对课题研究的局限性，提出了后续的研究方向与设想。 关键词：悬架，扭杆，横向稳定杆，操纵稳定性，平顺性 p a r a m e t e r c h a r a c t e r i s t i c si m p a c ta n a l y s i s o ff r o n t s u s p e n s i o nb as e do n v i r t u a lp r o t o t y p i n g t e c h n i q u e s a b s t r a c t - c o n t r o l a b i l i t ya n ds t a b i l i t ya n dr i d ec o m f o r ta r et h em o s t i m p o r t a n t 觚of a c t o r si nt h e v e h i c l ep e r f o r m a n c e - b o t hd o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h e r sh a v ec o n d u c t e d al o to fr e s e a r c h a n de s t a b l l s h e dav a r i e t yo fd y n a m i cm o d e l s o nt h eb a s i so fv a r i o u s m o d e l s ，t h e s et w o p e r t o n n a n c et r e n d sh a v eb e e ns t u d i e di nt e r m so fs o m es t r u c t u r e p a r a m e t e r s ，a n dm e nm a n v v a l u a b l ec o n c l u s i o n sh a v eb e e no b t a i n e d o nt h eb a s i so ft h ea f o r e m e n t i o n e dr e s e a r c h r e s u l t s ，t h i sa r t i c l es t u d i e dt 1 1 ei n f l u e n c ed e g r e e o ff r o n ts u s p e n s l o nt o r s i o nb a ra n ds t a b i l i z e rb a r sa n g u l a rs t i f f n e s so n v e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t y a n dr i d ec o m f o r tb yv i r t u a lp r o t o t y p i n go f v e h i c l es i m u l a t i o n i tp r o v i d e ss o m er e f e r e n c e sf o r v e h i c l ed e s i g n e r sw h e n t h e ya d j u s tt h es u s p e n s i o ns t r u c t u r ep a r 锄e t e r s f i r s t , a c c o r d i n gt ot h en e c e s s a r yt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa c h i e v e df r o ms t u d ys 锄p l ev e h i c l e ， i t s d y n a m l c ss l m u l a t i o nm o d e li s e s t a b l i s h e d ，w h i c hb a s e do nc a rp r o f e s s i o n a lm o d e l so f a d a m s a n dv a r i o u so fd e r i v a t i v e c a rm o d e l sw i t ho r w i t h o u t 行o n ts t a b i l i z e rb a r a r e e s t a b l i s h e db a s e do nt h ep r o t o t y p em o d e la st h eo r i g i n a lo n e s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h en a t i o n a lh a n d l i n gs t a b i l i t ye x p e r i m e n ts t a n d a r d ，t h es i m u l a t i o n o ta l la b o v em o d e l sw a sc o n d u c t e d t h ea n a l y s i s o fs i m u l m i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a ta i l g u l a r s t l f i n e s 8 v a r i a t i o n so ff r o n ts u s p e n s i o nt o r s i o nb a ra n ds t a b i l i z e rb a rh a da r e l a t i v e l yl a u r g ei m p a c t o nl a t e r a la c c e l e r a t i o na tn e u t r a ls t e e r i n gp o i n t 、d e g r e e o f u n d e r s t e e r 、r o l lr a t eo f a u t o b o d vo f t h e s t e a d yc i r c u l a rt e s t ，a n do nt h er e s o n a n tp e a kl e v e la n dp h a s e d e l a ya n g l eu n d e rs t e e r i n gw h e e l a 1 1 9 l e1 m p u l s ei n p u t b u tt ot h ey a wr a t er e s i d u a l 、p o p u l a t i o nv a r i a n c eo f y a wv e l o c i t vo ft h e r e t 啪a b i l i t yt e s ta n dt ot h ea v e r a g eo fp e a ky a w r a t e 、p e a ks t e e r i n gw h e e la n g i eo ft h es l a l o m t e s t , t h e yh a dl e s si n f l u e n c e m e a n w h i l ea n g u l a rs t i f f n e s sv a r i a t i o n sa l s oh a dm o d e r a t ei m d a c t o n 浙江工业大学中职硕士学位论文 y a wr a t er e s p o n s et i m eu n d e rs t e e r i n gw h e e la n g l es t e pi n p u ta n dt h er e s o n a n t 行e q u e n c yu n d e r a n g l ei m p u l s ei n p u t i ns t e e r i n ge f f o r t st e s t ，a n g u l a rs t i f f n e s sv a r i a t i o n so ff r o n ts u s p e n s i o n t o r s i o nb a rh a dw e a ki m p a c to nt h ea v e r a g es t e e f i n gf o r c ea n dm a x i m u ms t e e r i n gf o r c ew h i l e s t a b i l i z e rb a rh a dar e l a t i v e l yl a r g ei m p a c t o na s p e c to fr i d i n gc o m f o r t ，t h e r ew a sam e d i u m i m p a c to na n g l es t i f f n e s sv a r i a t i o ni nt h ef r o n ts u s p e n s i o nt o r s i o nb a ri nt h ec o m m o nbr o a dt e s t w h i l et h i si ns t a b i l i z e rb a rw a sl i t t l e f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h el i m i t a t i o n so ft h er e s e a r c h ，t h ea u t h o rp r e s e n t e df o l l o w u pr e s e a r c h a n di d e a s k e yw o r d ：s u s p e n s i o n ，t o r s i o nb a r , s t a b i l i z e rb a r , c o n t r o l a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , r i d ec o m f o r t 浙江工业大学中职硕士学位论文 第1 章绪论 1 1汽车性能及课题研究的意义 汽车的性能主要分为三大类：环境适应性能、技术经济性能和劳动保护性能。汽车的 环境适应性能是指其保证运输要求的能力，主要包括动力性、通过性、操纵性、机动性、 对道路结构的破坏程度等。汽车的技术经济性能主要用生产率、燃油经济性、可靠性与耐 用性来表示。劳动保护性能是指保障驾驶员在劳动过程中的人身安全和健康，防止出现伤 亡事故和职业病的性能，它主要包括舒适性、稳定性、制动性和驾驶室的牢固程度等。其 中，操纵性能是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能够准确地响应驾驶员 通过转向系所给定的转向指令的能力。稳定性i i 贝1 是指汽车受到外界扰动( 路面扰动或突 然阵风扰动) 后能够恢复原来运动状态的能力。由于稳定性的优劣将直接影响操纵性的好 坏，两者很难断然分开，因此通常将两者统称为操纵稳定性。汽车的舒适性则是指为驾驶 员提供方便安全的操作条件和为乘员提供舒适、愉快的乘坐环境的性能，主要包括行驶平 顺性、驾驶操作性能、室内噪声、空气调节性能、乘坐环境等。 一辆性能优异的汽车应该具备强劲的动力、低的燃油消耗率、灵敏的制动性能、良好 的操纵稳定性能、稳定的行驶平顺性能，及出色的坏路和障碍物通过性能。但是不同类型 的汽车，对其性能要求各有侧重。如越野车要求通过性好，而轿车则对最高车速等动力性 要求较高。上述各种使用性能是评价汽车的一般要求，在设计、试验和使用过程中，必须 根据汽车的种类和工作环境等具体情况，有针对性地进行评价。 不管对于何种类型的汽车，在上述各项性能中，操纵稳定性和行驶平顺性都是最重要 的性能，它们对汽车的使用性能有着重要的影响。 随着经济的发展和国民购买能力的提高，我国的汽车拥有量快速增长，道路交通事故 预防工作的压力不断加大。目前，我国的汽车交通安全问题已经成为公众关注的社会热点 问题之一n 1 。避免交通事故的主要措施之一就是提高车辆的主动安全性能乜3 ，操纵稳定性 能即是汽车主动安全性的一项重要指标口1 。特别是随着路面条件的改善和汽车行驶速度的 不断提高，操纵稳定性越来越受到重视，已经成为现代汽车的重要使用性能之一。如何通 过调节车辆的各系统和零部件的结构和特性参数来提高车辆的操纵稳定性已成为许多汽 浙江工业大学中职硕士学位论文 车研究人员的主要研究方向。 汽车在行驶过程中，由于路面不平度激励的影响及自身结构方面的因素，会使汽车产 生振动。车辆振动达到一定程度时，将使乘员感到不适和疲劳，或使运送的货物损坏。除 此之外，振动还会使车辆的零部件过早磨损和疲劳损坏，影响动力性、经济性和正常的使 用寿命。汽车的行驶平顺性，就是指汽车能够吸收行驶过程中所产生的各种冲击和振动， 使乘员感觉乘坐舒适和保持货物完好的能力，它是评价现代高速汽车性能的主要指标之 一。平顺性研究的主要内容，就是探索各系统和零部件的结构和特性参数对车辆振动的影 响程度、采取措施控制振动的传递，使乘员的不舒适度不超过一定界限和保证货物运输的 安全。 汽车设计的目标是使车辆具有优良的综合性能，由于技术条件的限制，早期的汽车设 计采用经验设计方法，在设计前和设计过程中很难准确预测车辆的各项性能，一种新车型 的开发往往要经过设计一试制一试验一改进设计一二次试制一二次试验等多次循环，直至 车辆的各项性能满足预定要求或国家和行业标准的规定，才能最终定型。不仅设计、试验 和改进的工作量大、周期长、费用高，而且由于试验次数的限制，车辆的最终性能还是难 以达到最优化。这促使研究人员对车辆性能的影响因素进行研究，以便能从理论上入手提 升车辆的性能。 1 2 操纵稳定性和平顺性的研究状况 操纵稳定性和平顺性的研究内容主要是探索各种因素特别是车辆自身结构因素对它 们的影响。自汽车发明之初，汽车专业人员就开始观察并总结操纵稳定性和平顺性的影响 因素，并提出各种提高性能改进措施。国内外专业人员对此进行了大量的研究工作，取得 了许多有价值的成果，推动汽车技术不断向前发展。 1 2 1国外研究状况 有关车辆动力学方面的理论研究最早可以追溯到1 9 0 0 年。1 9 0 8 年，英国的汽车工程 师f r e d e r i c kw i l l i a ml a n c h e s t e r 首次观察到并且在论文中叙述，在用舵柄转向的汽车 上，当驾驶员双手上的力朝较大转向角推动时，汽车会出现过多转向h 1 。 1 9 2 5 年，法国的汽车工程师b r o u l h e i t 发现了轮胎的侧偏现象，并且第一次提出了侧 偏和侧偏角的概念口1 。同时，驱动动力学的普遍原理也在这一年内建立，但是由于该理论 缺乏对轮胎侧偏特性的更深层次的认识，因而未能得到全面应用。 浙江工业大学中职硕士学位论文 1 9 3 4 年，通用汽车公司凯迪拉克悬架研究小组的o l l e y 通过研究，发现车速是一个 对操纵稳定性具有重大影响的因素1 。次年，固特异轮胎与橡胶公司的r d e v a n s 通过对 轮胎侧偏特性进行深入研究后，得到了轮胎的侧偏刚度随侧偏角的变化规律，提出了回正 力和回正力矩的概念口3 。1 9 3 7 年，o l l e y 在开发独立悬架的过程中，提出了不足转向和过 多转向的概念聃3 。 二十世纪4 0 年代，由于第二次世界大战的影响，车辆动力学方面的研究没有取得大 的进展。 1 9 5 6 年，美国康奈尔航空实验室的w i l l i a mf m i l l i k e n ，d a v i dw w h i t c o m b 和l e o n a r d s e g e l 获得并发表了一系列车辆操纵稳定性方面的研究成果，1 0 1 。w h i t c o m b 建立了不考虑 汽车侧倾效应的二自由度转向模型，并据此得到了一些车辆转向稳态响应和瞬态响应方面 的结论。l e o n a r dl e g e l 则建立了考虑侧倾转向效应的线性三自由度汽车转向模型，并且 通过试验加以验证。这些理论对汽车操纵动力学的发展起到了巨大的推动作用。 至1 9 6 5 年，对车辆稳态转向特性的研究已经取得了较丰硕的成果，但是对瞬态响应 的研究尚不够深入。福特汽车公司的w a l t e rb e r g m a n 通过建立六自由度模型来模拟车辆 在转向盘、惯性力和空气阻力等输入下的瞬态响应口，研究其不足转向和过多转向行为， 使车辆瞬态响应问题的研究向前推进了一大步。 1 9 6 6 年，l e o n a r dl e g e l 在他的三自由度车辆模型中阻2 j ，使用线性二自由度模型模拟 转向系统，研究在转向盘力输入下的车辆响应。通过对计算结果和试验结果对比，在侧向 加速度小于3 m s 2 时，模型与实车具有很好的吻合性。 1 9 6 7 年，通用汽车公司的r t h o m a sb u n d o r f 在s a e 的v e h i c l ed y n a m i c s t e r m i n o l o g y 杂志上发表了一篇论文n 引，阐述车辆的设计参数与特征车速和不足转向之 间的关系，并给出了在车辆设计中如何预估以及对实车如何测量其不足转向特性的方法。 他还分析了特征车速与车辆的线性模型有关，并且指出，在侧向加速度小于3 m s 2 的正常 行驶条件下，车辆可以使用线性模型来有效模拟。 自二十世纪7 0 年代开始，由于计算机技术的快速发展以及在车辆动力学方面的应用， 使得研究人员可以建立更加复杂而精确的模型，模拟工况与实际工况更为接近。不过，由 于初期主要使用模拟计算机进行计算，所以只能解决线性问题。随着数字计算机的逐步应 用，研究人员开始研究更为高效精准的非线性数字汽车仿真模型。 t o k a d a 等人在1 9 7 3 年的一篇论文中介绍了他们建立的7 自由度车辆模型口4 1 ，其中5 个为整车自由度( 侧倾、横摆、俯仰、升降和横向位置) ，剩余的2 个自由度则模拟类似 浙江工业大学中职硕士学位论文 于l e g e l 所建立的转向系统自由度，该模型用于在车辆设计的初期模拟其在直线行驶、稳 态圆周行驶、弯道行驶、蛇形行驶等工况下的操纵性能。 1 9 7 6 年初，f r e d e r i c kj i n d r a 在他的中期报告中叙述了在约翰霍普金斯大学应用 物理实验室建立的n h t s a 车辆仿真模型n5 | ，这个模型主要用于研究客车轮胎特性的影响， 具有1 7 个自由度，其中6 个用于簧载质量，1 个为每个前轮的垂向运动，2 个为后轴总成 的垂向运动和旋转运动，3 个用于转向系统，还有4 个为车轮的旋转自由度。 r j a n t o u n 在1 9 8 6 年的一篇文章中叙述了用多体代码a d a m s 所建立的车辆动态操纵 计算机仿真模型n6 | 。通过使用a d a m s 标准模块和自定义模块，建立了福特汽车公司1 9 8 5 年生产的f o r dr a n g e r2 5 皮卡模型。模型精确模拟了前后悬架的运动学状态、橡胶轴套 的顺应性以及减震器的非线性特性，仿真结果与试验数据非常吻合。 随着计算机性能的快速提高和车辆仿真技术的不断进步，进入二十世纪9 0 年代后， 多所大学和研究机构联合汽车公司开发并不断优化基于多体动力学理论的车辆动力学仿 真软件，如具有重要影响力的a d a m s 、d a d s 以及a d v i s o r 。a d a m s 是目前最具权威性的、 使用范围最广的机械系统动力学软件，使用其中的a d a m s c a r 模块能够快速建造高精度的 整车虚拟样机，并且可以通过高速动画再现各种工况下的整车动力学响应，并输出各种仿 真结果。d a d s 也是著名的机械系统动力学、运动学分析软件，能对机械系统整体的机械 特性进行仿真，其柔性体技术最为成熟，也被认为是动力学和运动学仿真方面的权威软件。 a d v i s o r 的最大特点在于，除了可以仿真传统汽车外，还可以仿真电动汽车、燃料电池汽 车和混合动力汽车等多种汽车的性能，并且能与其它多种软件共同仿真。 为了评估车辆的性能，m i c h a e lr p e t e r s e n 和j o h nm s t a r k e y 两人于1 9 9 6 年建 立了一个精确的直线加速车辆模型n7 1 。该模型包含质量的纵向移动、空气阻力、气流升力、 轮胎滑移、变速器和传动损失、车轮的转动惯量、动力传动系统部件。通过灵敏度仿真分 析，确定对车辆性能影响最大的设计参数。 1 9 9 9 年，m s c 公司的m i c h a e lw s a y e r s 在一篇论文h 剐中介绍了他用多体代码a u t o s i m 构建的一个车辆动力学模型，对车辆制动和操纵稳定性进行动态实时仿真。 2 0 0 0 年，r w a d ea 1 l e n 等人就轮胎特性与操纵稳定性的关系进行了深入研究9 1 ，在 对正常和大负荷、高滑移角等极限行驶条件下的轮胎测试数据进行比较后，通过仿真模拟， 分析了轮胎特性对操纵稳定性的影响。 2 0 0 4 至2 0 1 0 年间，p e u y s ，p s e l s ，m j t h o r e s s o n 等人在半主动和主动 悬架、主动式横向稳定杆方面做了大量的研究工作乜旷2 2 1 ，致力于解决车辆的操纵稳定性和 浙江工业大学中职硕士学位论文 行驶平顺性之间的矛盾问题。 1 2 2 国内研究状况 由于我国的汽车工业起步较晚，自二十世纪7 0 年代才开始进行车辆操纵稳定性和平 顺性方面的研究。当时，长春汽车研究所和清华大学进行了大量的研究工作乜3 屯6 i ，初期研 究的重点主要是二自由度车辆模型的操纵稳定性。 1 9 7 9 年，长春汽车研究所的郭孔辉等人在国外的研究成果和自己研究与试验的基础 上，建立了车辆的转向盘角输入三自由度模型瞳7 ，28 | 。用红旗c a 7 7 0 型汽车进行实车试验， 并与仿真结果相比较，证明在1 4 0 k m h 的车速和不大于0 3 - - - - 0 4 9 的侧向加速度条件下， 模型具有较高的精度。 二十世纪8 0 年代，又有更多的研究人员加入到车辆动力学的研究行列瞳卜33 | 。在此基 础上，国家于1 9 8 6 年制订颁布了车辆操纵稳定性和行驶平顺性方面的试验标准。 1 9 9 0 年，清华大学的宋健等人建立了包含所有前轮定位参数的前轮摆振数学模型b4 | ， 并在轮胎试验的基础上，系统、全面地分析了前轮定位参数对前轮摆振的影响规律，同时还 研究了轮胎蛇形运动的频率对汽车动力学摆振的影响。 1 9 9 3 年，长春汽车研究所的郭孔辉对人一车一路闭环操纵系统模型进行研究口5 1 ，在考 虑了影响汽车操纵主动安全性的各种因素的基础上，提出物理意义明确的各个单项评价指 标。同时，应用频域统计分析方法，提出闭环系统主动安全性的综合评价与优化设计方法。 1 9 9 7 年，清华大学的张越今采用多体系统动力学分析软件a d a m s ，对汽车前、后悬架 系统和整车动力学性能进行仿真与优化研究口6 | ，分析了汽车中橡胶减振器等柔性元件对动 力学性能的影响。还建立了滑板式钢板弹簧悬架变接触点动力学模型，提出了一类弹性体 变触点约束问题的求解方法，丰富了a d a m s 软件约束库中的约束类型。 2 0 0 0 年以后，越来越多的国内研究人员开始借助于计算机软件进行汽车操纵稳定性 和行驶平顺性方面的仿真研究工作，并且获得了很多重要研究成果。 2 0 0 1 年，武汉理工大学的容一鸣等人，按照汽车行驶平顺性的评价方法，使用m a t l a b 编制了五自由度汽车模型的随机输入动态仿真程序口7 | ，用于汽车悬架系统参数的设计和行 驶平顺性评估。 2 0 0 2 年，合肥工业大学的王其东首次将多体系统运动学和遗传算法理论应用于双横 臂独立悬架导向机构布置优化设计中8 | ，研究了独立悬架动刚度的计算方法和非独立悬架 钢板弹簧的简化方法，建立了整车多体系统动力学模型，进行了不同形式的动力学方程所 浙江工业大学中职硕士学位论文 描述的多体系统响应的灵敏度分析。 2 0 0 3 年，北京工业大学的王国权等人使用a d a m s 软件建立了具有5 9 6 个自由度的 1 0 2 8 e 2 汽车的动力学模型凹9 j ，并对其进行平顺性仿真。对仿真结果分析发现，前悬架垂向 振动峰值由板簧卷耳与转向直拉杆的干涉引起，并对其进行结构优化，提高了车辆的平顺 性。 2 0 0 5 年，合肥工业大学的张代胜等在分析车辆侧倾对轮胎垂直载荷的影响、轮胎侧 向力非线性变化对操纵稳定性影响的基础上，使用s i m u l i n k 建立两轴汽车的操纵稳定性 数学模型h 引，仿真分析了车速、转向系刚度、前后轮侧偏刚度比、前后悬架侧倾角刚度比 以及侧倾对汽车操纵稳定性的影响。 2 0 0 7 年，湖南大学的罗文水在a d a m s c a r 环境下建立了某跑车的1 3 5 自由度整车多 体系统开环模型并进行仿真分析h 1 | 。以整车质量、前轴轴荷、后横向稳定杆扭转刚度这3 个参数作为优化设计参数，对整车多体系统进行优化分析，使该车的转向特性得到了明显 改善。 2 0 1 0 年，黄志刚等人利用a d a m s c a r 建立整车动力学模型h2 j ，对模型在不同车速和 不同载荷下进行转向盘转角阶跃输入仿真，研究车速和载荷对操纵稳定性的响应趋势。同 年，温伟坚等人使用a d a m s c a r 建立某电动汽车的动力学模型h3 l ，分析电池的摆放位置和 承载的变化对操纵稳定性的影响趋势。王登峰等人以某重型汽车为研究对象h 划，分别建立 整车的刚体模型和考虑车架弹性的刚弹耦合模型，在b 级路面上满载工况下进行行驶平顺 性仿真，研究车架刚度对车辆行驶平顺性的影响。江苏大学的张瑜基于v p g 技术建立某小 型客车的多体动力学模型h5 | ，通过调节悬架的刚度和阻尼，分析其对车辆行驶平顺性的影 响趋势，并发现后悬架的阻尼变化对平顺性能的影响程度大于前悬架。 2 0 1 1 年，衣丰艳等人建立了轿车的八自由度平顺性动力学模型h 6 i ，推导了该模型的 拉格朗日方程，并在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立了其仿真模型。对比仿真结果和试验 数据，模型与实车的吻合度较好。 1 3 本论文的主要研究内容 要研究汽车的操纵稳定性和行驶平顺性，首先必须建立动力学模型。纵观国内外研究 人员的研究历程，早期对汽车动力学的研究重点主要是建立其模型。汽车是一个具有大量 运动零部件和非线性元件的多体系统，外界载荷复杂多变，各运动部件之间相互耦合，人、 车和外部环境之间相互作用，动态特性复杂，给车辆的动力学模型建立带来了一定的困难。 7 浙江工业大学中职硕士学位论文 由于技术方面的原因，早期建立的模型是自由度很少的简单模型，模拟精度低，研究的项 目较少，内容也较简单。随着研究的不断深入，汽车的动力学模型经历了从简单到复杂的 发展过程，所建立的模型自由度逐渐增多，模型精度也逐步提高。特别是计算机技术的快 速发展，使多参数非线性方程组的解算变得日益简单，有效地促进了多体动力学软件的开 发与应用，在多体软件中建立的汽车模型已经能够更加详细精确地逼近汽车的真实工况。 现在，越来越多的研究人员借助于多体动力学软件对汽车的动力学特性和响应进行深 入研究，取得了很多有价值的成果。借助于这些研究成果，设计人员可以在实车试制前使 用计算机软件对车辆进行模拟计算或各种仿真分析，以检验设计的合理性，提前发现设计 中的缺陷或不足之处，并对各种设计参数进行调整和修改，使车辆的性能满足要求。但是， 由于车辆性能复杂、项目指标众多，要使车辆的整体综合性能达到理想的优化状态，设计 参数调节和性能仿真的工作量也是极其繁重的。若要快速准确地对各项参数进行调节，使 车辆的性能满足要求，首先需要确定对车辆的各种性能影响最大的某些结构与特性参数， 以便有针对性地调节、修改设计参数，提高设计和仿真分析效率。 在车辆的操纵稳定性和行驶平顺性仿真分析方面，许多研究人员通过软件构建虚拟样 车进行仿真，并与实际车辆的试验结果相比较，以验证模型的正确性。也有一些研究人员 对诸如轮胎、橡胶衬套、减震器等元件特性对车辆操纵稳定性和行驶平顺性的影响进行研 究，还有一些研究人员对车辆的结构参数如前轮定位参数、整车质量与轴荷分布、转向系 的刚度和阻尼、悬架侧倾刚度等对车辆操纵稳定性和行驶平顺性的影响进行研究。这些研 究基本上都是就各种因素对操纵稳定性和行驶平顺性的影响趋势进行研究，特别是在操纵 稳定性的研究方面，仅对部分性能进行分析，而没有对相关标准所要求的所有性能试验项 目进行仿真，不能全面反映各种结构和特性因素对操纵稳定性和行驶平顺性的影响程度。 本论文以国内某公司生产的轻型客车为样车，通过a d a m s c a r 构建虚拟样车进行仿 真，在其他研究人员研究成果的基础上，深入研究前悬架扭杆刚度和横向稳定杆刚度对车 辆操纵稳定性和平顺性的影响程度，为设计过程中两组件的刚度计算和调整提供参考与借 鉴。 具体的工作内容为： 第1 章简要介绍课题研究的意义，回顾在车辆设计参数对操纵稳定性和平顺性的影响 方面国内外的研究状况，阐述论文的主要研究内容。 第2 章首先简要介绍目前在汽车行业使用最广泛的多体动力学分析软件_ a d a m s 软 件，然后在a d a m s c a r 平台上，根据研究样车的参数构建无、有前横向稳定杆的两套整车 浙江工业大学中职硕士学位论文 动力学仿真模型。通过对比实车和相应虚拟样车的实车试验数据和仿真试验结果，验证所 建立的模型是否正确。 第3 章在前述两款原型车模型的基础上，分别改变前悬架扭杆和横向稳定杆的角刚 度，构建多款变型车模型。对各车辆模型进行操纵稳定性仿真，分析前悬架扭杆和横向稳 定杆的角刚度变化对研究样车操纵稳定性的影响程度。 第4 章对各车辆模型进行随机输入平顺性仿真，分析前悬架扭杆和横向稳定杆的角刚 度对车辆行驶平顺性的影响程度。 第5 章对全文进行总结，并对下一步的工作加以展望。 1 4 本章小结 本章的主要内容有： ( 1 ) 对汽车的三大类性能一环境适应性能、技术经济性能和劳动保护性能进行简要 介绍，阐述了课题研究的意义。 ( 2 ) 在查阅大量文献的基础上，对国内、外研究人员在车辆设计参数对操纵稳定性 和行驶平顺性的影响方面的研究状况进行回顾与总结。 ( 3 ) 在对其他研究人员研究成果进行分析的基础上，拟定本论文的主要研究内容。 浙江工业大学中职硕士学位论文 第2 章虚拟样车构建 2 1简介a d a m s 软件 2 1 1 多体动力学的概念 多体系统动力学是研究复杂机械系统运动规律和部件受力环境的理论基础，是现代设 计理论中虚拟样机的核心技术之一。工程中的复杂系统都是由大量零部件组成的系统，按 照系统零部件的组成方式，可以将这些复杂系统分为结构和机构两大类。结构的明显特征 是在正常情况下零部件之间没有明显的相对运动，比如桥梁、工业与民用建筑等。机构的 特征是在系统运行过程中，零部件之间存在明显的相对运动，比如汽车、航空航天器、机 器人等。对于结构，主要研究它们在受到载荷时的强度、刚度和稳定性。对于机构，主要 研究其零部件运动过程中各变量的变化规律，多体动力学即是将机构运动过程中的各变量 作为研究对象。在多体动力学中将具有一定运动学独立性的部件称为物体，而多体系统则 定义为由多个物体通过运动副连接的机械系统。 多体系统的研究内容主要包括运动学分析、静力学分析和动力学分析三个方面。多体 系统动力学将刚体力学、分析力学和计算机技术有机结合起来，已经形成了比较系统的研 究方法，主要有两类，其中一类是以牛顿一欧拉方程为代表的矢量学方法、图论( r - w ) 方法、凯恩( k a n e ) 方法和变分方法( c a l c u l u so fv a r i a t i o n s ) 等，另一类则是以拉格 朗日方程为代表的分析力学方法。 矢量学方法是传统的经典力学方法，要求列出每个刚体的动力学方程。图论方法在多 体动力学中的应用，则是利用该方法中的一些基本概念和数学工具来描述多体系统中各刚 体之间的关联情况。凯恩方法主要应用于多自由度离散系统的动力学分析，以伪速度作为 独立变量来描述多体系统的运动，建立一阶微分方程组，这种方法适用于完整系统和非完 整系统。变分方法是将系统的真实运动状态和在同样条件下运动学上可能的其它运动状态 进行对比，来研究真实运动的性质和规律。分析力学方法有两种类型，其中第一种是采用 第一类拉格朗日方程，即用直角坐标表示的带有不定乘子的微分方程，这种方法适用于完 整系统和线性非完整系统；第二种采用第二类拉格朗日方程，即用广义坐标表示的微分方 程，这种方法只适用于完整系统。 1n 浙江工业大学中职硕士学位论文 2 1 2 a d a m s 基础4 7 。5 1 3 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 ) 是对机械系统的运动学 和动力学进行仿真计算的专业软件，由美国机械动力公司( 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，2 0 0 2 年5 月，m d i 被美国m s c s o f t w a r e 公司收购。a d m a s 软件由若干模块 组成，分为核心模块、功能扩展模块、专业模块、接口模块、工具箱五类，其中核心模块 为a d a m s v i e w 用户界面模块、a d a m s s 0 1 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 一 专用后处理模块。 a d a m s 采用交互式的图形环境，使用部件库、约束库和力库，通过组装法构建参数化 的机械系统数字模型，使用以拉格朗日方程为代表的分析力学方法，建立系统的动力学方 程，可以对机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，通过输出位移、速度、加速度和 反作用力数据，用于评估机械性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输 入载荷等。 a d a m s 软件对多体系统中的任- 窿jm j 体i ，使用其质心笛卡尔坐标和反映其方位的欧拉 角作为广义坐标，即g ，= b ，y ，z v ，0 ，妒f ，q = k ，q ；，g ：r ，每个刚体使用6 个广义坐标 描述其运动状态。系统的动力学方程采用拉格朗日乘子法建立，在对系统进行静力学和准 静力学分析时，分别假设速度和加速度为零，即可由动力学方程得到静力学方程。在动力 学和静力学分析之前，a d a m s 首先对系统的初始条件进行分析，使模型中各零件的坐标与 各约束之间达成协调，以使系统满足所有的约束条件。通过对位置、速度和加速度日标函 数求最小值，即可求得初始条件。 在a d a m s 中使用的积分器有g s t i f f 、w s t i f f 、c o n s t a n t b d f 、a b a m 、r k f 4 5 、h h t 、 n e w m a r k 、h a s t i f f 八种，积分方法有s 1 1 、s 1 2 、1 3 三种。最常使用的积分器是g s t i f f ， a d a m s 官方认为g s t i f f 1 3 是最稳健的积分器。而对于含有突变特征值的系统和高频系统， a d a m s 一般使用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 l t o n ) 积分程序，采用积分分离 算法，首先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。 广泛应用于车辆动力学分析的a d a m s c a r 为a d a m s 的一个专业模块。a d a m s c a r 是前 m d i 公司与奥迪( a u d i ) 、宝马( b m l j l ) 、雷诺( r e n a u l t ) 和沃尔沃( v o l v o ) 等著名汽车 公司合作开发的轿车专用分析软件包，集成了各公司在汽车设计和开发方面的专家经验， 使设计人员能够快速构建高精度的整车虚拟样机，还可以以动画形式直观再现各种试验工 浙江工业大学中职硕士学位论文 况下整车的动力学响应，并输出计算结果供设计人员进行操纵稳定性、行驶平顺性、制动 性、安全性等方面的评价。 2 2 基于a d a m s c a r 的车辆模型建立过程畸2 5 副 2 2 1a d a m s c a r 文件体系 通过a d a m s 构建的虚拟样车由一系列的文件构成，并保存在数据库中。a d a m s c a r 的 文件体系包含四类文件： ( 1 ) 属性文件( p r o p e r t yf i l e s ) 属性文件是定义部件参数的a s c l l 格式文件，文件内容是各部件的特性数据。利用属 性文件可以方便地对具有同样参数的文件一并定义，以节约每次重复输入数据的时间。常 用的螺旋弹簧和橡胶衬套的属性文件内容就是其力学特性试验数据。 建模过程中很多元件都要调用属性文件，各类属性文件按照对应的部件分类存放在数 据库中。对于弹簧、减震器、缓冲块、橡胶衬套等弹性元件，还可以在a d a m s c a r 界面使 用曲线管理器( c u r v em a n a g e r ) 或属性编辑器( p r o p e r t yf i l ee d i t o r ) 对属性文件进 行观察和编辑。 ( 2 ) 模板( t e m p l a t e ) 整车中相对独立的部件或系统，比如悬架、转向系统、制动系统、动力传动系统等都 需要建立各自的模板，模板中应包含系统全部必要的零件。模版定义了标准模型组件的零 件参数和拓扑结构，是一种参数化的模型。模板只能在专家用户( e x p e r t ) 模式中建立， 在标准用户( s t a n d a r d ) 模式下允许修改调整其参数。通过调整参数可以改变总成和系统 中零件的位置和尺寸大小，但零件间的连接关系不变。 在a d a m s c a r 中将模板类型称为“主特征( m a j o rr o l e ) ，默认提供的模板主特征有 悬挂( s u s p e n s i o n ) 、转向系( s t e e r i n g ) 、横向稳定杆( a n t ir o l lb a r ) 、车轮( w h e e l ) 、 车身( b o d y ) 、动力总成( p o w e r t r a i n ) 、传动系( d r i v e l i n e ) 、制动系统( b r a k es y s t e m ) 、 试验台( a n a l y s i s ) 、试验场( e n v i r o n m e n t ) 、板簧( 1 e a fs p r i n g ) 共1 1 种。 ( 3 ) 子系统( s u b s y s t e m ) 子系统是基于模版建立的、允许标准用户修改模板参数的零部件组合，如悬挂、转向 系、动力总成等。子系统中含有模型组成零部件的说明，如定义模板的角色( 前悬架还是 后悬架) ，对设计参数、引用的属性文件和模板文件加以说明。设计参数包括车轮半径、 前束角、硬点的名称和位置、零件质量等。 1 浙江工业大学中职硕士学位论文 根据设定的连接件( 铰链和轴套) 特性状态，子系统分为动力学和应顺性两种模式。 当用户创建铰链副时，可以设置为总是处于激活状态或只在动力学模式下激活。创建轴套 时，则可以设置为总是处于锁定状态或只在动力学模式下锁定。 ( 4 ) 装配组件( a s s e m b l y ) 在装配组件中指定装配整车或总成所需的所有子系统的文件名以及仿真所需的试验 台( t e s tr i g ) 。a d a m s c a r 根据子系统文件名读取指定的模板，将它们装配在一起构成 整车模型或总成。标准仿真都是由试验台驱动，t e s tr i g 的作用就是给模型施加激励。 2 2 2a d a m s c a r 建模步骤 a d a m s c a r 采用i s o 坐标系，主参考系为o x y z ，坐标原点位于前轴的几何中心，x 轴 正向为汽车正前方，y 轴正向指向汽车左侧，z 轴正向垂直向上，遵守右手规则。 a d a m s c a r 采用自下而上的顺序构建模型，首先建立各部件的模板，然后在模板的基 础上构建子系统，最后将子系统装配