（机械工程专业论文）整车舒适性研究与悬挂系统优化分析.pdf

栏乍舒适件研究j 悬挂系统优化分析 摘要 汽车平顺性是现代高速、高效率汽车的一个主要性能指标，不仅影响了乘客 的乘坐舒适性，而且对保证驾驶员在复杂的行驶和操纵条件下具有良好的心理状 态和准确灵敏的反应有重要作用，因此越来越受到人们的重视。但传统的研究分 析方法已无法满足当代汽车的需要，虚拟样机作为一项新技术，已广泛地应用于 车辆动力学方面，本文正是基于多体动力学软件a d a m s 研讨悬架系统对平顺性 的影响。 本文概述了国内外汽车平顺性研究的发展进程，平顺性评价标准与方法，介 绍了多体动力学分析理论与优化设计理论，并提出了本文的研究内容与意义。 本文以某款车型为研究对象，提取整车建模所需参数，简化车身、座椅、发 动机等部件，利用多体动力学软件一a d a m s ，建立了包括钢板弹簧悬架或空气 弹簧悬架、轮胎等系统在内的整车平顺性分析动力学模型。基于正弦波叠加原理， 利用某公司现场测试路面的数据，分析了实验公路的平整度状况，并编制了适合 a d a m s v i e w 的、与实验路面近似的路面文件，且根据位移功率谱密度验证了路 面模型的正确性。根据建立好的车一一路相互作用模型，实现整车虚拟样机在随 机输入激励下，车辆振动模型的时域仿真求解，得到b 级路面下，车速为3 0 k m h 时，分别配置有钢板弹簧、空气弹簧的车辆在垂直方向的振动情况，根据平顺性 评价标准对该车平顺性进行了分析，分析表明，原有板簧设计参数无法达到空气 弹簧的平顺性效果，且实验测实验证了模型的正确性。在此基础上，根据板簧设 计理论，重新计算了板簧参数，并将钢板弹簧以螺旋弹簧等效替换，根据汽车系 统的优化准则，以垂直加速度均方根最小为目标函数，动、静挠度及刚度匹配为 约束条件，对弹簧刚度参数进行优化，优化结果表明，平顺性得到有效改善。针 对原有车型，通过将钢板弹簧与空气弹簧对比分析，选择钢板弹簧作为更合理的、 更具竞争优势的弹性元件。最后根据优化的刚度参数反求钢板弹簧尺寸参数，达 到了优化该车平顺性的目的，同时减轻了整车重量，降低了生产成本。 关键词：平顺性；板簧；优化设计；多体动力学 硕i ：学位论文 a bs t r a c t r i d ec o m f o r ti so n ei 1 1 1 p o r t a n ti n d e xo ft h eh i g h s p e e da n de f f i c i e n tv e h i c l e ，i t i n n u e n t sn o to n l yt h ec o m f 0 r a n c eo fp a s s e n g e r s ，b u ta l s ot h ep s y c h o l o g y i tp l a y sa i m p o r t a n tr o l ei ne n s u r i n gag o o dm e n t a l i t y ，a c c u r a t ea n ds e n s i t i v er e s p o n s eo ft h e d r i v e ri nac o n l p l e xd r i v i n gc o n d i t i o n s ， s op e o p l eh a v ep a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n o ni t b u tt h et r a d i t i o n a la n a l y s i sc a n ts a t i s f yt h ed e m a n d ，a san e wt e c h n o l o g y ， v i r t u a ip r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e i yu s e di nv e r t i c a ld y n a m i c s t h i si sa d i s c u s s i o no fs u s p e n s i o ns y s t e mr i d eb a s e do nt h ed y n a m i c ss o f t w a r ea d a m s f i r s t l y ，w es u m m a r i z e dt h ed e v e l o p m e n t so ft h er i d ec o m f o r tr e s e a r c h t h e nw e d i s s u s s e dt h ec r i t e r i aa n dm e t h o d so fr i d ee v a l u a t i o na n dt h et h e o r yo fo p t i m a ld e s i g n t h i sp a p e re x t r a c t e dt h ep a r a m e t e r so fs o m ev e h i c l ea n da n a l y z e st h ed y n a m i c s m o d e lo ft h ev e h i c l ew i t hm u l t i o b j e c td y n a m i c ss o f t w a r e a d a m s ，i n c l u d i n gl e a f s p r i n gs u s p e n s i o no ra i rs p r i n g ，t i r e sa n do t h e rs y s t e m s ，i t s t r e a m l i n e st h eb o d ya n d s e a t t h ep a p e rn o to n l yp r e p a r e dt h er o a d6 l ef o ra d a m s v i e wb a s e do nt h e s u p e r p o s i t o np r i n c i p l ea n dt h ed a t ao ft e s t ，b u ta l s ov e r i f i e dt h ec o r r e c t n e s so ft h e p a v e m e n t m o d e la c c o r d i n gt 0t h ed i s p l a c e m e n tp o w e rs p e c t r a ld e n s i t y o nt h e f o u n d a t i o n ，w ec o n c l u e dt h es o l v i n gt i m e d o m a i ns i m u l a t i o ni nt h er a n d o mi n p u t e x c i t a t i o n t h ea n a l y s i sd e a lw i t ht h ev i b r a t i o nr e s u l t so fv e h i c l ew i t ht h e1 e a fs p r i n g o rt h ea i rs p r i n gi nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o nw h e nt h ec a rw a sr i d i n go nb c l a s sr o a di n 3 0 k m h w ee v a l u a t e dt h er i d ep e r f b r m a n c ea c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d sa n dc o m p a r e d i tw i t ht h et e s tr e s u l tt o 、，e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h em o d e l t h ef e s u l tp r o v e dt h a tt h el e a f s p r i n gc o u l dn o tf u l f i l lt h ee f 托c to f a i rs p r i n g w er e c a l c u l a t e dt h es p r i n gp a r a m e t e r s o nt h eb a s eo ft h es p “n gd e s i g nt h e o r ya n dr e p l a c e dt h ei e a fs p r i n gw i t hs p i r a ls p r i n g a c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z a t i o nc r i t e r i a ，w em i n i m i z e dt h er o o tm e a ns q u a r eo f v e i r t i c a l a c c e l e r a t i o na st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n ，u s i n gd y n a m i cd e f l e c t i o n ，s t a t i cd e f l e c t i o na n d s t i f f n e s sm a t c h i n ga sc o n s t r a i n t st oo p t i m i z et h es t i f i f n e s so fl e a fs p r i n g i tp r o v e dt h a t t h er i d ec o m f o r ti m p r o v e de f i f e c t i v e l y t h el e a fs p r i n gw a sc h o o s e da s t h em o r e r e a s o n a b l ea n dm o r ec o m p e t i t i v es p r i n gt h a nt h ea i rs p r i n g f i n a l l y ，w er e v e r s et o c a l c u l a t et h es i z eo fl e a fs p r i n ga c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z a t i o n t h er e s u l to p t i m i z et h e r i d ec o m f b r t ，a n dr e d u c e dv e h i c l ew e i g h ta n dt h ec o s to fp r o d u c t i o n k e yw o r d s ： r i d ec o m f 0 r t ；l e a fs p r i n g ；o p t i m i z a t i o n ；m u l t i b o d yd y n a m i c s l l i 硕l ：学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 汽车通常由发动机、底盘、车身、电气设备四部分组成。底盘由传动系、行 驶系、转向系和制动系组成，其作用是支承、安装汽车发动机及其各部件、总成， 形成汽车的整体造型，并接受发动机的动力，使汽车产生运动，保证正常行驶。 除轿车和一些客车是整体式结构的车身外，货车的车身一般是由驾驶室和货箱两 部分组成。 悬架是汽车的重要组成部分，它把车架( 或车身) 与车轴( 或车轮) 弹性连接起来，其 主要作用是传递作用在车轮与车架( 或车身) 之间的一切力和力矩，限定车轴( 或车轮) 与 车架( 或车身) 之间的相对运动，缓和由不平路面传来的冲击载荷，衰减由此引起的承载 系统的振动，从而保证汽车的平顺行驶。汽车悬架设计的好坏直接影响到汽车的操纵稳 定性、制动安全性、乘坐舒适性和动力性等汽车动力学性能的优劣，对轮胎的磨损和使 用寿命也有一定的影响l lj 。因此悬架设计一直是汽车设计人员非常关注的问题。 现代汽车悬架系统尽管有各种不同的机构形式，但一般都有由弹性元件、减 振器和导向机构等几部分组成。汽车悬架的结构如图1 1 所示。 图1 1 悬架结构示意图 ( 1 一弹性元件；2 一纵向推拉杆；3 减振器；4 横向稳定器；5 横向拉杆) 常见的弹性元件包括钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧和橡胶弹簧 等。 。 减振器用来衰减弹性系统引起的振动。减振器分为两种：一种在压缩和伸张 两行程内均起减振作用，称为双向作用式减振器；另一种只在伸张行程内起作用， 称为单向作用式减振器。常用的减振器有筒式减振器、阻力可调式减振器和充气 式减振器。 导向机构作为传力机构，承担着使车轮按定轨迹相对于车架和车身跳动的 整乍舒适件研究j 悬挂系统优化分析 任务。车轮相对于车架和车身跳动时，车轮的运动轨迹应符合一定的要求，否则 对车辆的行驶性能及操纵稳定性有不利的影响。 在多数轿车和客车上，为了防止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜， 在悬架系统中还要设置横向稳定器作为辅助弹性元件，目的是提高侧倾刚度，从 而改善车辆的操纵稳定性和行驶平顺性。 汽车悬架系统的作用可归纳为以下几点【2 j ： ( 1 ) 支撑车身； ( 2 ) 通过隔离路面对车身的激励及控制车轮的共振，提供足够的平顺性( 舒适 性) ； ( 3 ) 使汽车能够尽量地跟随路面性能，从而避免车轮与路面间的附着力损失， 提供良好的路面操纵性能( 稳定性) ； ( 4 ) 抵消空气阻力、负荷、制动力及转向力的变化。 悬架系统是提高车辆平顺性( 乘坐舒适性) 和安全性( 操纵稳定性) 、减少动载荷 引起零部件损坏的关键。 车辆振动不仅影响乘员的乘坐舒适性和货物的安全可靠运输，使整车零部件 过早地磨损和疲劳损坏，而且也影响着汽车多种使用性能的发挥和行驶系的寿命， 此外，车辆的振动还是车内噪声的主要来源之一【3 ，4 】。随着高速公路的不断发展和 车速的提高，汽车行驶平顺性同益显得重要，它是现代高速、高效率汽车的一个 主要性能，如何改善汽车行驶平顺性，已成为设计者十分关注的问题，也是汽车 在市场竞争中一项重要性能指标。车辆平顺性的影响因素很多，既受到由悬架、 座椅、轮胎参数及车身质量、转动惯量、轴距、轮距等参数决定的车辆固有振动 特性的影响，又受到不同路面激励的影响，同时平顺性的评价还与人的主观心理 状态有很大影响1 5 j 。因此，提高汽车行驶平顺性已成为汽车设计和改型工作中的 重要任务之一。 随着多刚体系统动力学的诞生和发展、计算机技术、图形学技术的不断提高， 在机械系统仿真领域，国外研制了很多基于多体系统动力学理论开发的仿真分析 软件，如a d a m s 虚拟样机等。a d a m s 具有建模、分析、求解通用平台，因此上 述问题迎刃而解。基于a d a m s 软件的仿真技术是数字化功能技术的重要体现， 它改变了以传统的物理样机为基础的设计，借助a d a m s 软件可以在计算机上建 立更加准确的整车模型，并对它进行平顺性仿真研究，这样可以大大降低物理样 机的制造和实验过程，缩短了产品开发周期，降低了产品成本，提高了经济效益。 悬架系统是汽车的一个重要组成部分。汽车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。因此，研究汽车振动，对汽车悬架系统进行 动态优化设计，将振动控制到最低水平是提高现代汽车质量的重要措施。本文将 对某公司自主开发的某款车型的悬架系统进行优化设计，以达到整车舒适性最佳 2 硕l ：学位论文 的目的。 1 2 国内外研究现状 随着人们对平顺性要求的不断提高，国内外对该研究逐步深入，并取得了一 定的成就。人们从理论和实验的角度解决了平顺性评价方法及悬架参数的确定方 法，且随着计算机的飞跃发展，复杂车辆模型的模拟计算成为可能，针对不同要 求，建立各种不同模型来逼近车辆振动模型，经过学者们的共同努力，力学模型 由线性模型发展到非线性复杂参数模型，自由度由两含发展到几十甚至更多个自 由度【6 7 1 。 在国外，学者采用各种方法研究了舒适性的影响因素、并对其平顺性进行了 评估，但由于各种原因，仍不够完善。l9 9 9 年，m g o b b i ，g m a s t i n u 和 c d o n i s e l l i 按照全局近似的方法，将整车模型用一纯粹的可以精确模拟多种行 车条件的数学模型代替，通过修改悬架的刚度、阻尼、轮胎压力等实现车辆的动 力学性能1 8 j ，使用基因算法分级优化的方法，改善车辆的平顺性，这种方法减少 了大量的模拟计算时间。同年，美国的y u a nz h a n g ，a n h u rt a n g 等对虚拟实验场 的建立和整车分析模拟进行研究【9 j ，提取车辆设计参数，建立了整车有限元模型， 根据路面轮廓建立了道路的有限元模型，并通过程序将两者有机结合起来，完成 不同的结构动力学分析。在采用物理样机测试之前，这种方法可以优先对车辆性 能进行全方位的了解。2 0 0 0 年，t b v o n o r in i s h i m a t s u ，h i r o m a s ah a v a k a w a ，y o s h i o 和e i j it 0 b a 等研究了座挚对汽车驾驶员座位舒适性的影响。他们介绍了主观测量 法、客观测试法以及压力测量法等几种实验方法，但只能得出其大致关系1 1 0 l 。2 0 0 3 年，l a r sh a n s o n ，w i l l f r i e dw i e n h o l t ，l e n as p e r l i n g 等从内部操作舒适性的角度出 发，使用模糊逻辑，研究人的感知、特性和汽车操作空间结构的关系，建立操作 舒适模型，以人的物理参数为输入，对汽车的舒适性进行评估，但是该模型仅仅 以人的物理参数为输入，属于静态的，没有考虑到人在驾驶过程中具体操作的动 态信息【l 。随着基于多体系统动力学理论开发的仿真分析软件( 如a d a m s 虚拟样 机) 的出现，汽车领域运用功能化虚拟样机新技术成为一大趋势。美国福特公司早 在2 0 世纪7 0 年代就已在其开发的轻型车上采用了这样的技术1 1 2 j ，之后，通用公司、 克莱斯勒公司以及德国、日本等国的汽车公司，都纷纷开始研究与运用虚拟样机 技术。各大汽车公司己经拥有二次开发的a d a m s 系统用于整车的设计与开发。 目前，这些先进的汽车设计公司都己将虚拟样机技术广泛应用于新产品的开发， 该技术己从研究和支持发展成为产品开发中的成熟技术。 在国内，学者对平顺性的研究由浅入深，仿真模型的建立与实车越来越接近， 在原有基础上，逐步采用实验方法来验证模型的j 下确性，具体研究情况如下：1 9 9 8 年清华大学的金睿臣、宋健在a d a m s 软件中国地区用户年会论文集上发表文章， 整乍舒适件研究0 悬挂系统优化分析 研究在a d a m s 软件里实现汽车对路面随机输入的响应的问题l 1 ；2 0 0 0 年，同济 大学的刘岩对汽车高速振动仿真与实验进行了研究，应用a d a m s 软件建立了与 实际悬架系统和转向系统结构相对应并考虑内外激励的4 3 自由度整车动力学模型， 研究了影响汽车高速行驶时平顺性、操纵稳定性的主要原因1 1 4 l 。2 0 0 2 年，中国农 业大学的王国权对车辆平顺性虚拟实验技术进行了研究，基于a d a m s 建立了5 9 6 个自由度的平顺性动力学分析模型，实现了虚拟场景中车辆平顺性实验，并探索 了实验数据的再现等工作【1 5 1 。2 0 0 5 年，合肥工业大学机械与汽车工程学院的王其 东等人对汽车随机路面输入平顺性进行了仿真分析，应用a d a m s 软件，建立前后 悬架、轮胎、车身、转向系和人一一椅系统在内的某商务车多体动力学模型，将 编制的符合a d a m s 轮胎模型要求的不同等级路面生成软件与a d a m s 软件相结 合，成功地实现了汽车随机路面输入的平顺性仿真分析，把仿真后的测量数据输 入编制的平顺性评价程序，发现仿真结果与实车实验结果吻合较好i i6 。2 0 0 7 年， 山东大学的李贝贝对轻型载货汽车行驶平顺性进行了建模仿真及实验研究，建立 了以驾驶室座椅处垂直加速度的均方根值为汽车行驶平顺性优化目标值、以前后 悬架垂直刚度和前后减振器阻尼作为设计变量的优化设计模型，分析了各设计变 量对载货汽车行驶平顺性的影响，并提出了多种优化方案i l 。 在使用a d a m s 虚拟样机技术前，研究人员经过设计，直接制造物理样机， 一旦出现问题，必需重新开始设计，造成严重的生产滞后以及资源浪费。使用 a d a m s 虚拟样机技术后，研发人员首先进行虚拟样机的设计、仿真，以确定其 设计方案是否可行，既节约了设计时问，又增加了设计的可靠性，而且随着计算 机的飞跃发展，人们对于虚拟样机的设计更具真实性，但目前基于多体动力学的 平顺性研究，通常是以螺旋弹簧、空气弹簧为研究、优化对象，对钢板弹簧的研 究主要集中在如何减轻其重量，而少有人提出如何改善弹性元件为钢板弹簧的整 车的平顺性，在各类弹性元件的性能评价中，空气弹簧性能普遍高于钢板弹簧与 螺旋弹簧仅停留在理论水平，尚无人进行实验比较。板簧作为常用的弹性元件， 主要应用于载重汽车、在乘用车辆上较少应用，某汽车厂家为了改善原配备有钢 板弹簧的整车的平顺性能，大幅提高其性价比，并与配备有空气弹簧的汽车进行 平顺性对比，选择更具竞争优势的弹性元件。此外，整车平顺性研究中虽有不少 学者建立了各级路面谱，但其模型准确度尚存在争议，因此本文将采用位移功率 谱密度验证所建路面模型的正确性。 1 3 本文研究的主要内容 根据上述调查研究，本文基于多体动力学理论，针对某一车型，以提高其行 驶平顺性为目的，在仿真软件a d a m s 环境下建立了整车动力学模型与b 级路面模 型，并进行平顺性仿真分析，为进一步提高整车平顺性，建立基于刚度等效原理 4 硕f ：学位论文 下的螺旋弹簧，对弹簧刚度进行优化，并反求板簧参数，最后，将其平顺性能与 空气弹簧进行比较分析。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 基于该款车的结构特点，提取了整车建模所需的参数，利用多体动力学 软件一a d a m s 建立了包括车身、前悬架、后悬架、钢板弹簧或空气弹簧、轮胎、 减震器等在内的整车动力学模型。由于模型复杂，在建立整车模犁时进行简化处 理，即将车身系统简化为一质量块，且由于发动机及动力总成只给汽车的传动轴 提供一定扭矩，因此，对发动机及动力总成不作详细讨论。建模过程中借助于u g 绘图软件绘制三维实体模型，将模型导入a d a m s 软件，保证模型几何尺寸准确 无误，对减振器进行非线性建模，使得模型仿真更接近实际情况。 ( 2 ) 基于现场测试路面的加速度法，通过安装五轮仪测量路面垂直加速度， 应用路面谱分析技术对实验路面进行频谱分析，获得路面垂直加速度功率谱密度， 分析了实验公路的平整度状况，并基于正弦波叠加原理，建立与实验路面等级近 似的、适用于平顺性分析的随机路面模型，并根据位移功率谱密度验证了模型正 确性。 ( 3 ) 基于上述内容，建立车一一路相互作用模型，对分别配置有钢板弹簧与 空气弹簧悬架的整车平顺性进行对比分析，分析表明原有钢板弹簧设计参数无法 达到空气弹簧的平顺性效果，为提高平顺性要求，探讨了提高该款配置有钢板弹 簧悬架的整车的平顺性的途径。 ( 4 ) 以配备有钢板弹簧悬架的整车车身质心处加速度均方根最小为目标函 数，板簧刚度为设计变量，动、静挠度及刚度匹配为约束条件，对钢板弹簧结构 参数进行迭代优化，优化后的钢板弹簧，大幅改善了整车平顺性，通过与空气弹 簧对比分析，选择钢板弹簧作为更合理的、更具竞争优势的弹性元件。对优化后 的整车进行实车测试，实验结果与仿真结果基本一致，验证了整车优化的正确性。 整乍舒适性研究j 悬挂系统优化分析 第2 章整车舒适性分析及优化理论 2 1 引言 在传统研究车辆动力学问题中，对于自由度少或简单类型的多自由度模型， 可以使用牛顿定律、达朗伯贝尔原理、动量定理或动量矩定理来建立运动微分方 程组。对于复杂的多自由度系统，则要用拉格朗同方程来推导出动力学微分方程 组。 随着汽车工业的发展，研究的车辆动力学模型越来越复杂，构造动力学方程 时，按照传统的方法，将面临十分繁重的代数和微分运算，难得到精确的分析结 果，并且极易出错，手工推导已很难胜任，一旦研究的对象或内容发生变化，不 得不重新建立新的模型，或者对已有模型进行修改，因此已不能适应当前科技与 生产迅速发展的需要。 为此，人们提出了一个想法：动力学方程的生成和求解全由计算机来实现， 即只要机械系统的物理模型一旦建立，给计算机输入描述系统的最基本的参数， 如几何、物理参数和各分离体间相互约束的关系，以后的工作就由计算机自动完 成。从而推动了传统的刚体动力学的发展，产生了多刚体动力学这一力学分支。 为了研究由多刚体与多柔体组成的机械系统动力学问题，在多刚体动力学的基础 上发展成多体系统动力学。 多体系统动力学，包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学，是研究多体 系统( 一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成) 运动规律的科学。多体动力 学是在经典力学基础上发展起来的与运动生物力学、航天器控制、机器人学、车 辆设计、机械动力学等领域密切相关且起着重要作用的新分支【l 引。 2 2 车一一路相互作用系统的分析 2 2 1 理论基础 多体系统动力学的主要任务是建立适用于计算机的程式化数学模型的推导， 根据动力学原理，多体系统动力学的动力学方程基本上分为两大类：第一类数学 模型，其方程个数与系统自由度数相同，一般形式为：占；口，它的优点是方程的 个数最少，缺点是方程呈严重的非线性，矩阵a 和b 形式相当复杂，这种复杂程度 与广义坐标的选择有关。因此，这种数学模型在建立时，广义坐标的选取还需人 工干预。另外，方程中不出现系统的约束反力，方程简洁。但是对于那些需要系 统的约束反力的工程对象来说，这样的数学模型就不太理想。第二类数学模型是 6 硕卜学位论文 用统一的广义坐标描述刚体的位置和运动，一般形式为：m 孑+ 。办：，这种数学模型的 特点是方程个数庞大，但是，系数矩阵m 和j 呈稀疏状，另外，由于模型中的广 义坐标已经选定，约束方程以约束库的形式先存入计算机，只要给定约束作用的 相邻刚体的序号和约束类型，计算机可自动生成约束方程，真正做到用户不参与， 计算机自动建模。此外，方程中还存在描述约束反力性质的拉格朗同乘子，这种 方法适合于车辆动力学的需要l l 引。以前由于这类数学模型的方程个数庞大，而且 这样混合型的微分代数方程组在进行数值计算时往往是刚性的，需要专门的计算 方法，所以不被人们所重视。但它的一个最大的优点是广义坐标的选择不需要人 工干预。所以，伴随着稀疏矩阵技术的发展以及对专门算法的深入研究，这一类 数学模型愈来愈受到人们的广泛注意。 多体系统动力学作为动力学仿真的一种新方法，在汽车工程领域有着广泛的 应用前景。首先，采用多体动力学分析方法，能够得到一个通用的自动建立数学 模型的方法。这种方法不仅能够求解车辆垂向、横向、纵向的空间动力学问题， 而且还能对它们之间的耦合模型进行分析。由于这种方法的通用性，它除了能对 已有的车辆模型进行各种动力学分析外，还能对未来出现的设计中的车辆模型进 行动力学分析，这对加快各种新型车辆的设计和研究是很有帮助的。 其次，多体系统分析方法可以与有限元技术和模态分析方法接口，随着车辆 动力学模拟的深入，对车体等柔性体不能以刚体来代替，而必须考虑它的弹性变 形。目前，对物体弹性变形的处理方法有多种，主要是采用有限元离散化方法与 模态分析方法。由于这两种方法已相当成熟，这样多体分析方法可以借鉴它们的 现有成果，结合物体的大位移运动来对含有弹性变形的多体系统进行分析。从而 可以比较全面地模拟车辆动力学性能，为各种新型汽车的设计和结构参数的确定 提供可靠的依据。 机械系统的种类繁多，多体系统动力学分析软件在进行机械系统运动学和动 力学分析时，还需要融合其他相关技术为了能够充分发挥不同分析软件的特长， 有时希望该软件可以支持其他机械系统计算机辅助工程软件，或者反过来，该软 件的输入数据可以由其他的专用软件产生。一个优秀的多体系统动力学分析软件 除了可以进行机械系统运动学和动力学分析外，还应该包含以下技术： ( 1 ) 几何形体的计算机辅助设计c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 技术。用于机械 系统的几何建模，或者用来展现机械系统的仿真分析结果。 ( 2 ) 有限元分析f e a ( f i n i te l e m e n t sa n a l y s i s ) 软件和技术。可以利用机械系统 的运动学和动力学分析结果，确定进行机械系统有限元分析所需的外力和边界条 件，或者利用有限元技术对构件应力、应变和强度进行进一步的分析。 ( 3 ) 模拟各种作用力的软件编程技术。多体系统软件运用开放式的软件编程 技术来模拟各种力和力矩，例如：电动力、液压气动力、风力等，以适应各种机 整下舒适性研究j 悬挂系统优化分析 械系统的要求。 ( 4 ) 利用实验装置的实验结果进行某些构件的建模。实验结果经过线性化处 理后输入机械系统，成为机械系统模型的一个组成部分。 ( 5 ) 控制系统设计与分析技术。虚拟样机软件可以运用传统的和现代的控制 理论，进行机械系统的运动仿真分析，或者可以应用其他专用的控制系统分析软 件，进行机械系统和控制系统的联合分析。 ( 6 ) 优化分析技术。运用虚拟样机分析技术进行机械系统的优化设计和分析 是一个重要的应用领域。通过优化分析，确定最佳设计结构和参数值，使机械系 统获得最佳的综合性能。 自5 0 年代中期以来，国外( 特别是美国) 研制了一些机构的计算机辅助设计软 件。1 9 6 0 年，美国通用汽车公司研制了一个动力学分析软件d t n a ，主要用于解 决多自由度无约束的机械系统的动力学问题，研制者用该软件进行了车辆的“质 量弹簧一一阻尼”模型分析【20 1 。虽然d t n a 不失为第一代机构计算机辅助设 计系统的代表，但是若用该软件来解决有约束的机械系统的动力学问题，则需要 一定的数学模型将约束解除后才能使用，无疑对于稍复杂的机构，这一工作量相 当大，而且d t n a 没有提供方便求解静力学和运动学问题的型式。 1 9 6 4 年，i b m 公司为验证其计算机在工业上的应用，为汽车工业研制了运动 学分析软件k a m ( k i n e m a t i ca n a l y s i sm e t h o d ) 。该软件采用美国m i c h i g a n 大学 m a c h a c e 等人的矢量代数的分析法，对单运动链单自由度机构进行位置、速度、 加速度分析，但该软件不能对多运动链进行同时分析，不能分析高副和多自由庋 机构，不能方便进行静力学和运动学分析。尽管这样，k a m 软件比d t n a 软件 前进了一步，是机构运动学分析的第一代软件。m a c h a c e 等人于19 6 4 年研制出 了运动学分析软件d a m n ( d y n a m i ca n a l y s i s o fm e c h a n i c a ln e t w o r k s ) ，用来分析 大位移下多自由度平面机构的动态响应问题。后经d a s m i t h 等人不断改进，其 功能不断完善，l9 6 9 年定名为d r a m ( d y n a m i cr e s p o n s eo fa r t i c u l a t e dm e c h i n e r y ) ， 即铰链机构的动态响应分析软件，它可进行碰撞、冲击、振动特性的分析模拟。 以上三种软件都不是通用软件，而且不能用于交互式作业，在实际应用中很难推 广。 随着多刚体系统动力学的诞生和发展，机械系统运动学、动力学软件得到了 迅速发展。1 9 7 2 年，美国w i s c o n s i n 大学的j j u i c k e r 等人研究出了解决闭坏机构运 动学、动力学通用分析软件i m p ( i n t e g r a t e dm e c h a n i s m sp r o g r a m ) ，即集成化机械 程序，它能对二维或三维、单运动链或多运动链的闭环机构进行运动学、静力学 和动力学分析。1 9 7 3 年，美国m i c h i g a n 大学的n o r l a n d e a 和m a c h a c e 等人研制 出了a d a m s 软件，它能分析二维、三维、开环或闭环机构的运动学、动力学问 题，侧重于解决复杂系统的动力学问题。 8 硕l j 学位论文 m s c 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 ) 软件是美国 m d i ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，目前已 成业界最优秀的多体系统动力学分析软件之一【2 1 ，2 2 1 ，它使用交互式图形环境和零 件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚 体系统动力学理论中的拉格朗同方程方法，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。 另一方面，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、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等，其开放性的程序结构和多种接口， 可以成为特殊行业用户进行特殊类型机械系统动态仿真分析的二次开发工具平 台。在产品开发过程中，工程师通过应用a d a m s 软件会收到明显效果： ( 1 ) 以虚拟样机技术建立车辆的复杂多体动力学模型可以缩短开发周期，提 高产品质量，降低成本； ( 2 ) 避免传统的设计与制造过程中的概念设计、方案论证和产品设计的周而 复始的顺序关系； ( 3 ) 避开因制造物理造样机而进行的某些盲目的破坏性实验； ( 4 ) 能够提供精确的机械系统的动力学仿真结果和集成的功能品质工程平 台； ( 5 ) 可以得到直接从虚拟样机一一产品样机的设计制造新概念。 a d a m s 软件包括基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱。 用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块 对特定行业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。 a d a m s 软件包括核心模块a d a m s v i e w 和a d a m s s o l v e r ，a d a m s c o n t r - o l s ，以及其他扩展模块。 其中，a d a m s v i e w ( 界面模块) 是以用户为中心的交互式图形环境，它提供 丰富的零件几何图形库、约束库和力库，将便捷的图标操作、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。 a d a m s s o l v e r ( 求解器) 是a d a m s 软件的仿真“发动机 ，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问题。 2 2 2 整车主体动力学模型 综合考虑本文研究车型特点，整车主体可以简化为如所图2 1 示的动力学模 型，车体为等效刚体，具备x ，j ，z 轴向运动及绕轴的转动惯量，由f i f 后悬架支撑， 悬架可等效为不同弹性、阻尼元件，根据弹性、阻尼元件的不同类别，将其等效 9 整下舒适忡研究与悬挂系统优化分析 为不同常量或变量，当为空气弹簧、变刚度板簧、变螺距螺旋弹簧时，将弹性元 件等效为变量，而为等螺距螺旋弹簧或定刚度板簧时，则等效为常量，而阻尼元 件在压缩、拉伸过程中所受力不同，则等效为一变量。在该动力学模型中，m l 为 前悬架右轮质量，m 2 为前悬架左轮质量，m 3 为后悬架右轮质量，m 4 为后悬架左轮 质量，m 5 为车体质量，后卜屯、七5 、七7 分别为前左悬、前右悬、后左悬、后右悬 刚度系数，c l 、c 3 、c 5 、f 7 分别为前左悬、前右悬、后左悬、后右悬阻尼系数， 如、缸、k 、七8 分别为前悬架左轮、前悬架右轮、后悬架左轮、后悬架右轮刚度 系数，c 2 、c 4 、c 6 、c 8 分别为前悬架左轮、前悬架右轮、后悬架左轮、后悬架右 轮阻尼系数，力( f ) 表示由于汽车行驶道路表面起伏不平所引起的车轮的位移函数， ，i ，2 ，厶，厶，厶分别表示前悬架左轮、前悬架右轮、后悬架左轮、后悬架右轮及 车体对其质心的转动惯量，z ，( f ) 是多自由度的广义坐标。 硼- 二参三 双f ) 一一一j 。一：( f ) | 一：二、 麓，猛急gz r 乞m 2 卜j 二二j ，一一q r n 七一。l 萨一“。 瓠州z ：懑州m 招侧篚q 也 q 南j 岛c 3 叮。i 乜 厂m ic 6 暑皇暑三；，n z l ( ) ! 4 毒：m l g ，2 ：乞私9 一! m 2 9 几v u 善 趟 b 州小赣点。磅 图2 1 汽车简化动力学模型 本文采用拉格朗日法建立整车系统运动的微分方程。 非保守系统的拉格朗日方程为： 丢l 丢j ( 署 + 筹+ 詈2 qc ，2 ，疗， c 2 - ， 式中：卜一系统动能； 卜一系统势能； d 一一系统的能量耗散函数； 竺一一因能量耗散函数d 而引起的阻尼力。 a 互 9 一一代表外部作用的广义激振力； 乙一一广义坐标； l o 硕i ：学位论文 乏一一广义速度。 图2 1 所示系统的动能丁为 r = 丢( 铂岳+ 铂卉+ 之+ ，矗+ ，l y 矗+ ：诧 系统势能阿表示为 十聊：+ 谚+ m ：z ；+ 厶，吆+ 厶，谚y + 厶： + m 3 蠢+ m 3 砖+ m 3 毒+ 1 3 x w j x + 1 3 y 嵋y + 1 3 z ： + 畅玄+ 一+ 弛右+i 。x 试i + l4 y 试y + 1 4 z 试： + m ，专+ 慨羹+ 专+ 厶，蠢+ 厶，匆+ 厶：之) u = 兰 毛( 弓一毛) 2 + 屯( 气一z ：) 2 + 也( z ，一z 3 ) 2 + 后，( 毛一乙) 2 + 如( 毛一石) 2 + 匕( 乞一石) 2 + 心( z 3 一五) 2 + 恕( 乙一五) 2 系统的能量耗散函数d 可表示为 。= 丢 q ( 乏一三) 2 + c 3 ( 之一之) 2 + 岛( 弓一乏) 2 + 白( 之一三) 2 + 乞( 三一j ；i ) 2 + q ( 乏一z ) 2 + c 6 ( 乏一z ) 2 + 吒( 三一z ) 2 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 由式c 2 固可得罢、考、丢、丢 詈 、丢 参 、丢 差 ，由c 2 可计 a 誓 a 咒 a z ，刃ia j衍【a 五j衍【a 三j 算掣、学、掣，由式( 2 4 ) 可求罢、罢、竺。 琢li晓l a x i8 ia ；l 作用于系统的外部广义激振力为零，即q i = 0 ， 将上述相关公式代入方程( 2 1 ) ，整理可得系统运动方程，并改写为矩阵形式， 得系统矩阵微分方程为： 式中：孑一一加速度矩阵； f 一一速度矩阵： f 一一位移矩阵； 膨一一质量矩阵； c 一一阻尼矩阵； m f + c f + k f = 6 f ( ，) ( 2 5 ) 整乍舒适性石j f 究，悬挂系统优化分析 k 一刚度矩阵； 一，( ，) 一一激振力矩阵。 将式( 2 5 ) 变换【! f 得状态方程，因过程过于累赘，在此不做推演。 2 。2 。2 1 钢板弹簧 汽车钢板弹簧除了起弹性元件作用之外，还兼超导向作用，而多片弹簧片问 磨擦还起系统阻尼作用【2 3 ，24 1 。山于钢板弹簧结构简单，维修、保养方便，k 期以 求钢板弹簧在汽车i ：得到广泛应用。f 1 自订汽车使用的钢板弹簧常见的有以下儿种。 ( 1 ) 多片钢板弹簧，如图2 2 ( a ) 所示，这种弹簧主要用在载货汽车和大型客车 j 1 ，弹簧弹性特性如图2 3 ( a ) 所示，呈线性特性。 ：三 ( ，) 变形 一 ：三 晕 ：主 审柱二? 三三予萼 ” o ， 2 _ t i 一一。 ( c 1 。 娈叶j - 图2 2 钢板弹簧结构 ， 图2 3 钢板弹簧特性 ( 2 ) 少片变截面钢板弹簧，如图2 2 ( b ) 所示，为减少弹簧质量，弹簧沿长度力+ 向制成等厚度变截而彤状，其弹簧特性如一般多片钢板弹簧一样呈线性特性，如 图2 3 ( a ) 所示。这种弹簧主要用于轻型货车及大、r f 】型载货汽车d ，j 悬架。 ( 3 ) 两级变刚度复式钢板弹簧，如图2 2 ( c ) 所示，这种弹簧主要用于人、中型 载货汽车后悬架，如图2 3 ( b ) 所示，为两级变刚度特性，丌始时仅二t 簧起作用，当 载筒增加到某值时剐簧与主簧共同起作用，弹性特性【 | 两条直线组成。 ( 4 ) 渐变刚度钢板弹簧，如图2 2 ( d ) 所示，这种弹簧多用于轻，魁找货汽车与厢 式客车后悬架，副簧放在主簧之下，副簧随汽牟载荷变化逐渐起作用，弹簧特。陀 2 非线性特性，如图2 3 ( c ) 所示。 钢板弹簧的弹簧刚度特性与其设计参数密切十l 】关，不仅影响着整车平顺性， i 幻f - 影响到整车方案的布置，以下为钢板弹簧i ：要设计参数： f1 ) 弹簧负倚。通常新_ 乍= 设计时，根据整4 ：1 1 j 嚣给定的空、满载轴载质量减 zf 【i l 算的非簧载质量，得到在饵副弹簧i ：的承载质量。 ( 2 )