汽车双横臂悬架转向系统建模与性能仿真分析

题目：汽车双横臂悬架动态模拟与仿真摘 要：双横臂式独立悬架是汽车常用的悬架之一，尤其在轿车的前轮上被应用广泛。其优点在于设计简单、性能稳定可靠，可以通过选择合理空间导向杆系的铰接点的位置和控制臂的长度，使得悬架具有所需的运动特性，并且形成恰当的侧倾中心和纵倾中心，从而保证汽车有良好的行驶平顺性和方向稳定性。通过基于虚拟样机技术对悬架模型进行运动仿真，分析悬架定位参数对性能的影响。本论文的主要研究内容：1、根据长城哈弗系列汽车的双横臂式悬架的定位参数，运用 UG 软件建立双横臂式独立悬架的零部件模型，然后再进行装配约束。2、基于虚拟样机技术，运用 ADAMS 软件对双横臂式独立悬架进行动态模拟仿真分析，做出车轮外倾角、车轮前束、主销后倾角、主销内倾角随着车轮跳动量的变化曲线以及车轮转向时内外车轮的转角误差曲线。3、根据 ADAMS 软件对双横臂式独立悬架做出的运动仿真分析的结果，研究双横臂式独立悬架的各结构参数对车轮定位参数的影响。通过基于虚拟样机技术，对双横臂式独立悬架和转向机构的建模和动态仿真，从而对双横臂式独立悬架的主要性能进行预测和评估，为双横臂式独立悬架设计提供依据，从而简化悬架系统设计开发过程，缩短产品开发周期，减少产品开发费用和成本，提高产品质量及性能。关键词：双横臂独立悬架；车轮定位参数；虚拟样机；动力学IITitle：Auto double wishbone suspension and the dynamic simulation of the simulation Abstract：The double wishbone independent suspension is one of the cars suspension, especially in cars on the front wheels are widely used. The advantage is that the design is simple, stable and reliable performance, by selecting the location and length of the control arm of the hinge point of the guide rod system in a reasonable space, making the suspension with the desired motion characteristics, and appropriate roll center and center trim in order to ensure the car has a good ride comfort and directional stability. Suspension model based on virtual prototyping technology, motion simulation, analysis of the suspension alignment parameters impact on performance.The main contents of this paper:1.Using UG software component models of the double-wishbone independent suspension, double wishbone suspension alignment parameters of the Great Wall Hover series cars, and then the assembly constraints.2.The double wishbone independent suspension, dynamic simulation analysis, the use of the ADAMS software based on virtual prototyping technology to make camber, wheel toe, caster angle, kingpin angle with the curve of the wheel runout and wheel steering, internal and external wheel angle error curve.3.According to the results of the ADAMS software and double wishbone independent suspension to make motion simulation, double-wishbone independent suspension, the structural parameters of wheel alignment parameters.Based on virtual prototyping, modeling and dynamic simulation of the double wishbone independent suspension and steering mechanism, which mainly double-wishbone independent suspension performance prediction and evaluation of the double wishbone independent suspension design provide the basis for simplifying the design and development process of the suspension system, shorter product development cycles, reduce product development costs and cost, improve product quality and performance. Key words: double wishbone independent suspension; wheel alignment parameters; virtual simulation; dynamics 目 录1 绪论 .11.1 现代汽车设计 .11.2 本文主要研究内容及意义 .22 悬架的设计概述及结构分析 .32.1 悬架的类型 .32.2 悬架的设计要求 .112.3 小结 .113 双横臂式独立悬架的数学模型 .123.1 双横臂式独立悬架的简化模型 .123.2 双横臂式独立悬架的结构参数 .133.3 小结 .144 基于 UG 的双横臂式独立悬架的设计分析 .154.1 UG 软件应用简介 .154.2 悬架的几何建模 .184.3 小结 .215 基于 ADAMS 的双横臂式独立悬架的仿真分析 .235.1 ADAMS 软件应用简介 .235.2 悬架分析系统的建立 .245.3 悬架的性能评价指标 .285.4 悬架的车轮跳动仿真 .335.5 悬架的车轮转向仿真 .375.6 小结 .40结论 .41参考文献 .42致谢 .4411 绪论1.1 现代汽车设计随着现代科学技术的高速发展，人们越来越关注汽车的行驶舒适性和安全性。在传统的汽车设计方法中，一般只会先理论研究，然后制造出样机，通过无数次的实验不断地改进设计参数，最终才能达到设计要求。这种传统的设计方法设计周期长，设计费用高，于是人们就想到利用计算机来解决一些人们不能解决的问题。“嫦娥一号”奔月卫星发射后首先会进入一个与地球同步且需要 16 个小时才能飞行一圈的椭圆轨道（近地点距离为 200 公里，远地点距离为 5.1 万公里） ，随后“嫦娥一号”奔月卫星通过推进器加快运行速度，再进入一个需要 48 小时才能飞行一圈的椭圆轨道（近地点距离为 500 公里，远地点距离为 12.8 万公里）。此后，奔月卫星要经过 114 小时的连续飞行才能到达月球，期间“嫦娥一号”奔月卫星要不断地加速，并且在到达卫星预定月球飞行轨道附近时，利用运载火箭的反向减速装置减速。由于月球引力的作用， “嫦娥一号”探月卫星会成为环绕月球飞行的一颗卫星，并且最终在距离月球表面 200 公里的轨道上开展拍摄月球三维影像等的工作。卫星飞行的整个过程总共需时 114 个小时，距离地球接近 38.44 万公里。而过去，中国发射的卫星距离地面一般都在 3.58 万公里左右。 “嫦娥一号”奔月卫星整个发射过程要进行四次地球表面变轨，然后脱离地球，到达月球附近时要进行三次近月制动，只有精确的控制这一系列的变轨、制动， “嫦娥一号”奔月卫星才能顺利的离开地球，到达月球。航天局的工程师们正是利用了虚拟样机技术，首先在卫星发射之前，不断地模拟卫星的发射升空、奔月、绕月飞行，最终得到最优化的飞行参数信息，只有这样才能到达对“嫦娥一号”奔月卫星的精准控制，最终完成绕月飞行的任务 1 。虚拟样机技术（Virtual Prototyping, VP）是把对整体模型零部件的设计和分析技术应用到产品的研究设计开发中，并对计算机上已经建好的模型进行仿真分析，从而得出模型产品的主要性能，进而对模型产品进行设计优化以及改善产品性能的一项新技术 1 。虚拟样机技术的应用贯穿在整个汽车设计当中，它可以用在概念设计和方2案论证中，虚拟样机技术让汽车设计师们实现了把自己的创造力付诸实践的梦想，虚拟样机技术在汽车设计的研制初期的应用，使得汽车设计师们更加直观的对虚拟的汽车模型进行设计和性能评测，这对提高设计质量、减少设计错误、加快汽车的研发周期有重要的意义 2 。1.2 本文主要研究内容及意义学习和掌握双横臂式独立悬架系统的性能优缺点，并能根据所掌握的专业知识尽可能的提出有利于悬架性能提高的优化设计方案。利用 UG 软件建立双横臂式独立悬架系统的参数化模型，并运用 ADAMS 软件对参数化的悬架模型进行仿真分析，并且针对存在的问题提出相应的解决方案，最终做出车轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角、车轮前束变化规律、车轮跳动量仿真曲线以及内外车轮的转角误差曲线。汽车悬架系统对整车行驶动力学（行驶稳定性等）有举足轻重的影响，并且双横臂式独立悬架导向系统在运动型车系中应用最为广泛。基于 ADAMS 的汽车悬架系统虚拟样机技术，可把悬架视为是由多个相互连接、彼此能够相对运动的多体运动系统，建模中充分考虑双横臂式独立悬架系统中各种弹性体的特性，模拟出最真实的悬架系统以及悬架的作用环境，通过虚拟样机的仿真分析得出性能最为优化的双横臂式独立悬架导向系统。在传统悬架系统设计、试验、试制过程中必须一边试验一边改进，定型之前往往要经过多轮的设计、试制、试验，产品开发成本较高，周期长 3 。然而运用基于 ADAMS 的虚拟样机技术，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，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量及性能，获得最优化和创新的设计产品，为人们驾车出行带来更好的安全保障；为汽车行业带来更多的新鲜“血液” ；为汽车企业创造更多的效益 4 。32 悬架的设计概述及结构分析2.1 悬架的类型随着当今社会科学技术迅猛发展，现代汽车悬架的发展也十分迅速，人们不断地创造出新的悬架。汽车悬架可分为两大类：非独立悬架和独立悬架。非独立悬架（图 2-1 a）其结构特点是两侧车轮安装于一根整体式车桥上，车桥通过悬挂与车架相连。这种悬挂结构简单，传力可靠，但两轮受冲击震动时互相影响。而且由于非悬挂质量较重，悬挂的缓冲性能较差，行驶时汽车振动，冲击较大。该悬挂一般多用于载重汽车、普通客车和一些其他车辆上。独立悬架（图 2-1 b）的汽车有良好的汽车行驶平稳性及舒适性。带有独立悬架的汽车的车轴是断开的，每只车轮与车架或车身之间由螺旋弹簧连接，由于车轴是分开成两段的，所有当一边车轮发生跳动时另一边车轮不会跟着发生跳动，但是独立悬架相比非独立悬架在构造上较为复杂 5 。图 2-1 非独立悬架与独立悬架示意图1.非独立悬架的种类纵置板簧式非独立悬架钢板弹簧被用作悬架的弹性元件,由于它兼起导向机构的作用,使得悬4架系统大为简化,如图 2-2 所示，这种悬架广泛用于大型货车的前、后悬架中。图 2-2 纵置板簧式非独立悬架螺旋弹簧式非独立悬架螺旋弹簧用作弹性元件，其只能承受垂直载荷，所以其悬架系统要加设导向机构和减振器，如图 2-3 所示。图 2-3 螺旋弹簧式非独立悬架空气弹簧非独立悬架空气弹簧非独立悬架（图 2-4）中的囊式空气弹簧作为弹性元件，弹簧的上下两端分别固定在车架和车桥上，采用空气弹簧悬架时，容易实现车身高度5的自动调节，在装有压气机的汽车上，一般用随载荷的不同而改变空气弹簧内的空气压力的方法来达到这个目的。1压气机；2、7空气滤清器；3车身高度控制阀；4控制杆；5空气弹簧；6储气罐；8贮气筒；9压力调节器；10油水分离器图 2-4 空气弹簧非独立悬架油气弹簧非独立悬架油气弹簧非独立悬架（图 2-5）应用在某矿用自卸车上，两个油气弹簧的两端分别固定在前桥上的支架和纵梁上的支架上。油气弹簧悬架具有变刚度特性，可保证汽车具有良好的行驶平顺性，现在油气弹簧悬架越来越广泛地被运用在大型工矿用自卸汽车上。6图 2-5 油气弹簧非独立悬架2.独立悬架的种类横臂式独立悬架横臂式独立悬架分为单横臂式和双横臂式两种。单横臂式单横臂式独立悬架（图 2-6）的特点就是当悬架变形时，车轮平面将产生倾斜而改变轮距的大小，以至于轮胎相对于地面侧向滑移，破坏轮胎和地面的附着。1减振器；2弹性元件；3中间支承；4单铰链；5主减速器壳；6纵向推力杆；7螺旋弹簧；8半轴套管图 2-6 单横臂式独立悬架7双横臂式双横臂式独立悬架（图 2-7）的两个摆臂长度可以相等，也可以不相等。悬架可以通过合理选择空间导向杆系的铰接点的位置及导向臂的长度，使得悬架具有合适的运动特性，并且形成恰当的侧倾中心和纵倾中心，从而保证汽车有良好的行驶稳定性，以为中、高级轿车的前悬架所广泛使用。a)两摆臂等长的悬架 b)两摆臂不等长的悬架图 2-7 双横臂式独立悬架示意图纵臂式独立悬架纵臂式独立悬架分为单纵臂式和双纵臂式。单纵臂式单纵臂式独立悬架（图 2-8）应用在转向轮时，车轮的上下跳动会使主销后倾角产生很大的变化，所以单纵臂式独立悬架一般不用于转向轮。8图 2-8 单纵臂式独立悬架双纵臂式双纵臂式独立悬架（图 2-9）的两个纵臂长度一般做成相等，形成平行四连杆机构，这样在车轮上下跳动时，主销的后倾角保持不变，故这种形式的悬架适用于转向轮。图 2-9 双纵臂式独立悬架9车轮沿主销移动的悬架车轮沿主销移动的悬架可分为两种：烛式悬架和麦佛逊式悬架。烛式悬架如图 2-10 所示，当汽车装有烛式悬架时，其车轮的转向节沿着刚性地固定在车架上的主销上下移动，这样有利于汽车的转向操纵和行驶稳定性。1通气管；2减振器；3套筒；4、6防尘罩；5主销；图 2-10 烛式独立悬架麦佛逊式悬架麦佛逊式悬架（图 2-11）是由滑动立柱和横摆臂组成，其最大的优点就是增大了两前轮内侧的空间，便于发动机和其他一些部件的布置。主要应用于前置前驱的轿车和某些轻型客车。10图 2-11 麦佛逊式独立悬架单斜臂式独立悬架单斜臂式独立悬架（图 2-12）是介于单横臂和单纵臂之间的一种悬架结构形式，单纵臂绕与汽车纵轴线成一定夹角的轴线摆动。单斜臂式独立悬架兼有单横臂和单纵臂式独立悬架的优点。图 2-12 单斜臂式独立悬架112.2 悬架的设计要求 6悬架的设计要求：保证汽车有良好的行驶平顺性。具有合适的衰减振动的能力。保证汽车具有良好的操纵稳定性。汽车制动或加速时，要保证车身稳定，减少车身纵倾，转弯时车身侧倾角要合适。有良好的隔音能力。结构紧凑、占用空间尺寸要小。可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小的同时，还要保证足够的强度和寿命。2.3 小结本章主要介绍了汽车悬架的分类，以及每一种类别悬架的特点，将汽车悬架分为独立悬架和非独立悬架两类。结合悬架的示意图，介绍了每一种类型悬架的结构组成。其中在当今社会的汽车中独立悬架的应用较为广泛，并且双横臂式独立悬架具有良好的行驶稳定性和舒适性，以为中、高级轿车的前悬架所广泛使用。 我们还介绍了汽车悬架的设计要求，一个好的汽车悬架必须满足所列出的七点要求，这样才能满足人们对汽车各种行驶性能的要求。123 双横臂式独立悬架的数学模型3.1 双横臂式独立悬架的简化模型根据双横臂式悬架的原理图，做出悬架的简化模型，如图 3-1 所示。1车架；2上摆臂；3减振器；4下摆臂；5车轮；6转向节臂；7转向横拉杆；A下摆臂前安装点；B下摆臂后安装点； C上摆臂前安装点；D上摆臂后安装点；E摆臂球铰接点； F上摆臂球铰接点；H主销 G车轮中心点；M横拉杆断开点； N横拉杆球铰接点；S减振器上安装点；R减振器下安装点；图 3-1 双横臂独立悬架空间结构拓扑图133.2 双横臂独立悬架的结构参数根据双横臂悬架的空间运动情况，通过计算得出悬架的主要关键点的坐标，具体坐标参数见表 3-1，样车的主要参数见表 3-2。表 3-1 悬架关键点坐标位置点 x/左 y/左 z/左 x/右 y/右 z/右上摆臂前安装点 -41.776 -387.222 224.080 -41.776 387.222 224.080上摆臂后安装点 173.887 -383.102 212.751 173.887 383.102 212.751上摆臂球销中心 12.046 -607.337 181.161 12.046 -607.337 181.161下摆臂前安装点 -228.568 -283.005 -31.882 -228.568 -283.005 -31.882下摆臂后安装点 179.189 -284.268 -33.684 179.189 -284.268 -33.684下摆臂球销中心 -5.583 -665.138 -87.477 -5.583 -665.138 -87.477轮胎中心点 0 -742.618 0 0 -742.618 0轮胎接地点中心 0 -740 -374.991 0 -740 -374.991转向器横拉杆球销 -144.424 -687.482 -18.543 -144.424 -687.482 -18.543转向器横拉杆断开点 -156.794 -342.565 40.413 -156.794 -342.565 40.413表 3-2 样车的主要参数尺 寸 参 数 （ mm）总 长 4650总 宽 1800外形尺寸总 高 1810轴 距 2615前 轮 距 1480轮 距后 轮 距 1470前 轮 外 倾 角 3主 销 内 倾 角 2主 销 后 倾 角 0前 轮 定 位 参 数前 束 值 0-2轮 胎 直 径 733.5143.3 小结本章主要把双横臂式独立悬架模型化和参数化。通过双横臂式独立悬架的简化模型更加清晰的了解悬架的结构。双横臂式独立悬架的主要构件：上摆臂和下摆臂。通过简化结构图还能了解双横臂式独立悬架与其他不同类型的悬架之间的区别，再根据双横臂式独立悬架的工作原理，牢牢地掌握悬架的主要特点。双横臂式独立悬架的参数化是对悬架做仿真分析的重要一步，只有根据这些悬架的主要关键点的坐标才能准确的建立悬架的三维模型，只有建立了准确的悬架三位模型，才能通过仿真分析得出准确的仿真结果，才能根据这些仿真结果对悬架做出准确的性能评估和优化设计，所以对悬架进行数学建模是对悬架进行研究过程中非常重要的一步。154 基于 UG 的双横臂式独立悬架的设计分析4.1 UG 软件应用简介UG 是 美 国 Unigraphics Solutions 公 司 推 出 的 集 CAD/CAM/CAE 为 一 体的 一 个 三 维 的 用 于 机 械 设 计 的 平 台 ， 也 是 现 在 世 界 上 被 大 量 采 用 的 设 计 、 分 析软 件 之 一 ， 大 量 运 用 于 车 辆 、 飞 机 、 机 械 制 造 、 消 费 产 品 、 医 疗 器 械 等 行 业 ，它 为 制 造 业 的 产 品 研 发 的 整 个 过 程 提 供 了 办 法 。 该 软 件 主 要 功 能 包 括 概 念 设 计 、工 程 设 计 、 性 能 分 析 和 制 造 。 从 概 念 设 计 到 工 程 分 析 最 后 到 制 造 的 全 部 过 程 ，它 使 数 据 从 设 计 开 发 到 制 造 真 正 达 到 了 无 缝 链 接 的 程 度 ； 它 是 产 品 研 发 全 过 程的 解 决 方 法 ， 涵 盖 零 件 设 计 、 模 拟 和 仿 真 、 模 具 的 设 计 和 CNC 加 工 ； UG NX是 一 个 三 维 的 双 精 度 系 统 ， 用 户 可 以 十 分 准 确 的 建 立 任 何 形 状 的 几 何 体 ， 然 后组 合 这 些 几 何 体 ， 用 户 可 以 进 行 设 计 、 分 析 同 时 绘 制 它 们 的 工 程 图 纸 ， 等 设 计完 成 时 ， 制 造 应 用 程 序 根 据 用 户 描 述 几 何 体 的 形 状 结 构 ， 加 入 制 造 信 息 然 后 自动 生 成 刀 具 位 置 源 文 件 ， 最 后 通 过 数 控 机 床 来 加 工 所 设 计 的 零 件 7 。UG 软 件 被 当 今 世 界 领 先 的 制 造 商 用 于 从 事 概 念 设 计 、 工 艺 设 计 、 详 细 的机 械 设 计 以 及 工 程 仿 真 和 数 字 化 制 造 等 工 作 ， 大 量 应 用 于 飞 机 、 车 辆 、 轮 船 、机 械 装 置 、 电 器 、 医 疗 装 置 和 电 子 产 品 以 及 应 用 高 科 技 的 行 业 ， 它 已 成 为 世 界上 最 优 秀 的 公 司 大 量 使 用 的 系 统 之 一 。4.1.1 UG 功 能 模 块 介 绍 8 9 10 111.UG/GatewayUG/Gateway 为 全 部 UG NX 产 品 设 置 了 一 个 相 同 的 进 入 路 径 ， 就 是 操 作 者打 开 UG 之 后 进 入 的 那 个 窗 口 界 面 。 这 个 模 块 的 功 能 有 ： 新 建 、 打 开 、 保 存 、另 存 为 等 编 辑 文 件 命 令 ； 添 加 颜 色 、 显 示 和 隐 藏 、 放 大 或 缩 小 等 编 辑 视 图 命 令 ；编 辑 视 图 显 示 ； 编 辑 图 层 ； 制 图 及 阵 列 操 作 ； 信 息 搜 索 、 坐 标 搜 索 、 距 离 测 绘 ；曲 线 曲 率 半 径 的 计 算 ； 曲 面 光 滑 平 顺 性 的 分 析 ； 实 体 模 型 的 物 理 性 能 自 行 计 算 ；输 入 、 输 出 模 型 数 据 ； 自 动 记 录 操 作 命 令 和 回 放 功 能 ； 命 令 查 找 器 等 等 。162.CAD 模 块(1)UG 实 体 建 模UG 实 体 建 模 具 有 草 图 绘 制 、 拉 伸 、 回 转 、 扫 掠 、 布 尔 求 和 、 求 差 、 求 交运 算 、 拔 模 、 边 倒 圆 、 边 倒 角 、 抽 壳 、 螺 纹 、 镜 像 体 、 拆 分 体 、 打 孔 、 修 剪 体等 功 能 。 特 征 建 模 和 自 由 式 建 模 的 前 提 就 是 实 体 建 模 。(2)UG 特 征 建 模UG 特 征 建 模 具 有 各 式 各 样 的 标 准 设 计 的 特 征 生 成 和 编 辑 、 键 槽 、 腔 体 、凸 台 、 倒 圆 、 倒 角 、 实 力 特 征 、 特 征 编 辑 等 工 具 。(3)UG 自 由 形 式 建 模先 进 的 UG 自 由 形 式 建 模 用 于 有 关 高 级 的 自 由 形 状 外 形 ， 支 持 复 杂 曲 面 和实 体 建 模 。 它 囊 括 直 纹 面 、 扫 掠 面 、 通 过 一 组 既 定 曲 线 的 自 由 曲 面 、 通 过 两 套既 定 正 交 曲 线 的 自 由 曲 面 、 曲 线 广 义 扫 掠 、 各 种 半 径 的 倒 圆 、 广 义 二 次 曲 线 倒圆 。 曲 面 间 的 平 顺 连 接 、 曲 面 动 态 拉 申 调 整 、 各 种 形 式 的 偏 置 、 曲 面 裁 剪 、 编辑 、 点 云 生 成 、 曲 面 编 辑 。(4)UG 工 程 制 图UG 工 程 制 图 模 块 可 以 是 三 维 实 体 模 型 生 成 一 个 全 双 工 的 二 维 图 纸 ， 确 保图 纸 在 模 型 改 变 时 同 时 被 更 新 ， 缩 短 设 计 时 间 。 工 程 制 图 模 块 提 供 自 动 视 图 布局 、 正 交 投 影 视 图 、 剖 视 图 、 辅 助 视 图 、 放 大 、 部 分 剖 切 视 图 、 自 动 和 手 动 的标 注 尺 寸 、 形 状 公 差 、 表 面 粗 糙 度 符 号 标 注 、 中 国 标 准 汉 字 输 入 、 手 工 编 辑 视图 、 装 配 图 、 剖 面 图 、 爆 破 图 、 时 间 表 自 动 生 成 工 具 。(5)UG 装 配 建 模UG 装 配 建 模 具 有 平 行 的 自 上 而 下 和 自 底 而 上 的 产 品 开 发 办 法 ， 装 配 中 的零 、 部 件 的 数 据 是 对 零 、 部 件 单 独 的 映 像 ， 保 证 装 配 中 的 模 型 和 所 设 计 的 零 件绝 对 互 相 关 联 ， 并 提 升 了 软 件 的 可 操 作 性 ， 缩 减 了 对 存 储 空 间 的 要 求 ， 设 计 的零 件 经 过 修 改 后 ， 装 配 模 型 中 的 那 个 零 件 也 会 随 着 修 改 自 动 更 新 ， 此 外 ， 还 可在 装 配 时 对 零 件 直 接 进 行 修 改 。3.CAM 模 块UG/CAM 模 块 是 UG NX 的 助 手 制 造 模 块 ， 它 可 以 为 数 控 加 工 中 心 、 数 控 铣床 、 数 控 车 床 、 电 火 花 机 床 、 线 切 割 机 床 等 编 程 。 UG/CAM 模 块 提 供 了 各 个 方17面 的 、 便 于 利 用 的 功 能 ， 用 来 解 决 数 控 刀 具 轨 迹 生 成 、 加 工 仿 真 模 拟 和 加 工 检验 等 问 题 。4.1.2 NX 的 主 要 功 能 8 9 10 111.工 业 设 计 和 风 格 造 型NX 为 培 养 创 造 性 和 产 品 技 术 改 革 的 工 业 设 计 提 供 了 强 劲 的 有 效 措 施 。 利用 NX 建 模 ， 用 户 能 够 很 快 建 立 出 和 更 改 产 品 的 形 状 ， 不 论 其 形 状 多 么 复 杂 ，渲 染 和 可 视 化 工 具 可 以 最 大 程 度 的 满 足 设 计 者 的 要 求 。 2.产 品 设 计NX 包 括 了 世 界 上 最 强 大 、 最 大 量 的 产 品 设 计 和 应 用 模 块 。 NX 高 性 能 的机 械 设 计 和 绘 图 能 力 ， 为 机 械 设 计 和 机 械 制 造 提 供 了 极 高 的 使 用 性 能 和 灵 活 性 ，以 满 足 客 户 的 需 求 来 设 计 任 意 复 杂 程 度 的 产 品 。 NX 是 优 于 普 通 的 设 计 工 具的 软 件 ， 具 有 专 业 线 路 和 电 路 设 计 、 钣 金 模 块 、 塑 料 件 设 计 专 用 模 块 和 其 他 行业 的 专 业 应 用 软 件 的 设 计 要 求 。 3.仿 真 、 确 认 和 优 化NX 允 许 制 造 者 用 数 字 仿 真 、 验 证 和 优 化 产 品 及 其 开 发 全 过 程 。 通 过 在 开发 中 使 用 数 字 仿 真 ， 制 造 者 可 以 提 高 产 品 的 质 量 ， 同 时 减 少 或 消 除 时 间 耗 时和 极 贵 的 物 理 样 机 的 设 计 、 建 造 ， 以 及 对 变 化 周 期 的 依 赖 性 。 4.NC 加 工NX 基 础 加 工 模 块 提 供 连 接 UG 所 有 加 工 模 块 的 基 础 框 架 ， 它 为 全 部 NX 产品 加 工 模 块 供 给 了 一 个 相 同 的 、 界 面 良 好 的 窗 口 进 入 路 径 ， 使 用 者 可 以 在 图 形模 式 下 观 察 刀 具 的 运 动 轨 迹 还 可 以 修 改 其 轨 迹 。 这 个 加 工 模 块 的 界 面 可 以 根 据用 户 的 需 要 进 行 灵 活 的 更 改 和 变 换 ， 还 可 以 定 制 标 准 的 刀 具 库 、 加 工 工 艺 参 数样 板 库 使 初 加 工 、 半 精 加 工 、 精 加 工 等 操 作 参 数 标 准 化 ， 这 样 可 以 减 少 正 式 使用 之 前 的 学 习 时 间 并 不 断 优 化 加 工 方 法 路 径 。 UG 主 要 用 户 包 括 ： 美 国 通 用 牌 汽 车 ， 通 用 电 器 ， 福 特 公 司 ， 劳 斯 莱 斯 ，普 惠 发 动 机 ， 日 产 汽 车 ， 克 莱 斯 勒 还 有 美 国 军 工 企 业 。 几 乎 全 部 飞 机 发 动 机 和大 多 数 汽 车 发 动 机 都 是 使 用 UG 进 行 研 究 设 计 ， 这 足 以 说 明 UG 在 高 端 科 技 范围 ， 特 别 是 在 军 工 方 面 的 重 要 作 用 ， 在 高 端 领 域 可 以 和 CATIA 相 提 并 论 。184.2 悬架的几何建模 12将 系 统 中 的 各 部 件 都 看 作 刚 体 ， 并 且 不 考 虑 减 振 器 的 作 用 ， 只 对 悬 架 作 运动 学 分 析 。 根 据 实 车 结 构 该 车 的 前 悬 架 可 简 化 为 由 上 下 摆 臂 、 转 向 节 、 转 向 系拉 杆 以 及 车 轮 等 组 成 的 刚 性 系 统 。 根 据 求 得 的 关 键 点 坐 标 利 用 UG 建 立 的 双 横臂 式 独 立 悬 架 的 仿 真 模 型 。 并 将 其 导 出 为 Parasolid 实 体 模 型 ， 为 将 模 型 导入 ADAMS 软 件 进 行 运 动 学 分 析 作 好 准 备 。 各 部 件 的 建 模 过 程 如 下 ：下 面 以 轮 毂 建 模 为 例 ： 首 先 打 开 UG 软 件 ， 点 击 “新 建 ”出现以下界面：图 4-1 新建模型选择界面选择“模型” ，然后点击“确定”按钮。进入建模界面，然后点击“草图” ，进入草图设计界面，然后根据选择好的轮毂参数进行草图编辑，如图 4-2 所示。然后点击“完成草图” ，进入实体建模界面，利用“回转”工具，最终得到轮毂的实体模型，如图 4-3 所示。19图 4-2 轮毂草图图 4-3 轮毂模型建立悬架其他模型的主要步骤与轮辋模型基本一致，细节部分要根据模型的特点采用适当的建模工具。轮胎模型如图 4-4 所示。图 4-4 轮胎模型20其他悬架的零部件图如下：图 4-5 上、下横臂及转向节臂模型图 4-6 制动盘 图 4-7 制动器图 4-8 减振器 图 4-9 横拉杆21图 4-10 转向器 图 4-11 车标装配模型时，先点击“添加组件”按钮，然后点击“装配约束”按钮，按着模型的装配要求一步步的装配好悬架的模型，最终双横臂独立悬架的装配图如图 4-12 所示。图 4-12 悬架装配4.3 小结本章主要是介绍 UG 建模软件的应用及其与其他同类建模软件的区别与特点，UG 是一个高度集成的 CAD/CAM/CAE 软件系统，可应用于整个产品的开发过程，包括产品的草图设计、建模、分析和加工。UG 软件的建模功能比较人性化，建模工具用起来简单易懂，并且简单介绍了运用 UG 软件进行悬架的实体建模过程，介绍了每一个悬架零部件的截图。在运用 UG 软件进行对悬架零部件进行装配的过程也是很简单，只需添加组件，然后进行装配约束，通过一系列的约束条件（同心、接触、平行等）达到所需要的装配要求，最终得到悬架的完整装配模22型。其实经过这次运用 UG 软件进行对悬架的建模，只有在同一个草图中绘建悬架的模型，才能比较容易的得到具有准确参数的悬架模型，这为进行下一步ADAMS 对双横臂悬架模型进行运动分析仿真做好了基础。235 基于 ADAMS 的双横臂独立悬架的仿真分析5.1 ADAMS 软件应用简介ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)软件是现今世界上在机械系统动态仿真方面最优秀、最具有权威性的、普及性最广泛的软件。ADAMS 软件可以自动生成包括机-电-液一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计、到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。由于 ADAMS 具有通用、精确的仿真功能，方便、友好的用户界面和强大的图形动画显示能力，所以该软件己在全世界数以千计的著名大公司中得到成功的应用。在国外，一些著名学府也已为学生开设了学习 ADAMS 软件的课程，作为机械专业的学生必须要对三维 CAD 软件、有限元分析软件和虚拟样机软件有一定的了解 3 。ADAMS 软件不仅能够非常方便的为用户提供关于对机械系统进行力学方面的分析，而且其开放性的程序结构和多种接口可以为特殊行业的用户提供关于特殊类型机械系统的动态分析的二次开发工具平台。在产品的设计研发过程中，工程师通过应用 ADAMS 软件对产品进行模拟、仿真、分析和优化会收到意想不到的效果: 3（1）.分析时间由数月减少为数日（2）.降低工程制造和测试费用（3）.在产品制造出之前，就可以发现并更正设计错误，完善设计方案（4）.在产品开发过程中，减少所需的物理样机数量（5）.当进行物理样机测试有危险、费时和成本高时，可利用虚拟样机进行分析和仿真（6）.缩短产品的开发周期24DADS 与 ADAMS 软件在对机械系统的动态仿真的原理和功能方面上都很相似。但是 ADAMS 软件比 DADS 软件更加侧重于汽车方面，并且与其他的动态仿真软件相比，ADAMS 软件在模拟、仿真和分析汽车的各个系统的性能方面具有很大的优势 3 。在 ADAMS 软件进行仿真前期必须要对模型添加运动副，其中运动副包括铰接副、棱柱副、圆柱副、球形副、平面副、固定副、万向副、恒速副、点-面、点-线等等。这些运动副对自由度约束数都有所不同，具体数据如表 5-1-1：表 5-1 运动副的自由度约束数自由度约束数(Constraints)运动副(Joint)转动 平移总自由度约束数铰接副(Revolute ) 2 3 5棱柱副(Translational) 3 2 5圆柱副(Cylindrical) 3 2 5球形副(Spericat ) 3 0 3平面副(Planar) 2 1 3固定副(Fixed) 3 3 6万向副(Universal) 1 3 4恒速副 (Constant veleosity) 1 3 4点-面(InPlanar) 3 0 3点-线(Inlinear) 0 2 25.2 悬架分析系统的建立5.2.1 模型的导入运行 ADAMSView 后，启动对话框如图 5-1 所示。ADAMS 启动界面包括：欢迎对话窗（Welcome to ADAMS） 、主工具箱（Main Tool Box）和工作窗口（ADAMS） 。欢迎窗口的四个选项：Create a new model：创建新模型；Open an existing database：打开一个已经存在的模型；Import a file：导入一个已存在模型的数据文件；25Exit：退出 ADAMS/View。图 5-1 导入模型界面首次导入单击 Create a new model，并设置重力、单位等参数，更改文件名为 part_1（之间 UG 软件建好的悬架模型文件名），单击 OK。在点击主菜单File，选择 Import，如图 5-2 所示。图 5-2 悬架导入界面26然后选择文件类型：.X_T，然后找到需要导入的文件，然后选择要导入的文件，再单击 OK，成功导入模型，如图 5-3 所示。图 5-3 悬架导入模型5.2.2 模型的整合对于刚刚导入的悬架模型，悬架的好多零部件之间都没有相对运动，我们需要运用 ADAMS/View 软件中的“求和”工具，对悬架的零部件做整合处理，最终形成 18（PART1PART18）个部件。为了能够得到真实的悬架受力及运动情景，我们在车轮下面添加了一个零部件（辅助件 PART170）来帮助车轮实现在现实中地面上的运动情况，就是通过在辅助件和车轮之间添加合适的约束，利用对辅助件添加驱动来带动悬架运动。最后我们得到整合完毕的悬架模型，如图 5-4 所示。图 5-4 悬架整合后的模型如图 5-5 所示，经过对悬架的零部件进行整合之后，得到了 19 个零部件。27图 5-5 模型中的各构件及其名称5.2.3 添加运动副和驱动对于整合好的悬架模型，需要添加运动副使其各个零部件之间能在力的驱动下产生规定的相对运动。各个零部件之间添加的运动副约束和驱动包括：地面与车架之间添加固定副；上下摆臂的前后安装点要和车架之间添加旋转副；上下摆臂与转向节之间添加球副；横拉杆与转向器、转向节之间添加球副；车轮与转向节之间添加旋转副；车轮与辅助件之间添加点面副；辅助件与地面之间添加移动副；转向器与地面之间添加移动副。如图 5-7 所示：模型中共有球副 8 个、旋转副 8 个、滑动副 2 个、固定副 1 个、点面副 2 个、驱动力 2 个。把零部件之间的运动副添加完毕之后，要分析悬架的运动情况和实际受力情况，经过查阅参考资料，得到车轮上下跳动时，车轮和地面之间的跳动是地面给予的作用力；车轮转向时，转向器受到人给予的拉力。所以在辅助件上的移动副上添加作用力，在转向器上的移动副上添加驱动。经过对模型的这一系列的处理可以得到如图 5-6 中的悬架模型。28图 5-6 悬架最终模型图 5-7 模型中的约束及驱动295.3 悬架的性能评价指标为保证汽车稳定的直线行驶，应使转向轮具有自动回正作用。就是当转向轮在偶遇外力作用发生偏转时，在外力消失后，应能立即自动回到直线行驶的位置。这种自动回正作用是由转向轮定位参数来保证实现的。这些定位参数有:主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束.车轮转向时，内外车轮的实际转角都与理论转角之间存在误差，这种内外车轮的转角误差越小说明悬架的转向性能越好。所以内外车轮的转角误差的大小是评价悬架性能的又一重要指标。5.3.1 主销后倾角主 销 后 倾 角 ： 即 主 销 轴 线 和 地 面 垂 直 线 在 汽 车 纵 向 平 面 内 的 夹 角 。 如图 5-8 所 示 。图 5-8 主销后倾角示意图5.3.2 主销内倾角主 销 内 倾 角 ： 是 主 销 轴 线 与 地 面 垂 直 线 在 横 向 平 面 内 的 夹 角 。 当 汽 车进 行 转 弯 时 主 销 内 倾 角 能 够 使 车 轮 自 动 回 正 ， 如 图 5-9 所 示 。5.3.3 车轮外倾角前轮外倾角 ：除保证汽车稳定直线行驶外也具有定位作用。 是通过车 轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂直线之间的夹角，如图 5-9所示。30图 5-9 车轮外倾角与主