【毕业学位论文】（Word原稿）基于ADAMS车辆模块的创建-机电技术教育

河南科技学院 2013 届本科毕业论文（设计） 论文题目： 基于 辆模块的创建 学生姓名： 所在院系： 机电学院 所学专业： 机电技术教育 导师姓名： 完成时间： 2013 年 4 月 26 日摘 要 本篇论文将以汽车主动悬架作为研究对象，通过 件的建模与仿真，还原了悬架的工作情况。从主动悬架的本身出发，将原本需要在实验室才能完成的系统测试和实验通过电脑软件就能模拟出来，大大地节约了成本和时间，增加了效率，也可以更直观的观察主动悬架的工作情况。从而可以 进一步改善主动悬架，在节约成本和创造更进一步的社会效益方面有着不可估的影响。 关键词： 弗逊悬架； 仿真 be as a of ar of be by in to be be of in 录 1 绪论 . 1 课题的研究背景与意义 . 1 拟试验技术在汽车工程中的应用 . 1 2 基于 仿真模型的建立 . 3 件简介 . 3 论基础 . 3 块组成及特点 . 3 于 前悬架系统模型的建立 . 5 子系统模型的建立 . 5 悬架系统的构建及校核 . 9 3 前悬架系统的分析 . 10 悬架系统运动仿真 . 10 义车辆参数 . 10 模分析结果图 . 11 析及施加基本推力 . 14 义和施加载荷 . 14 悬架系统的仿真曲线 . 15 4 结束语 . 16 致谢 . 16 参考文献 . 17 1 1 绪论 课题的研究背景与意义 随着我国高速公路网的大力建设，以及人民生活水平和消费水平的不断提高，汽车已成为人们日常生活中不可或缺的一部分，人们对汽车性能的要求也越来越高。然而，由于汽车是一个包含惯性、弹性、阻尼等动力学特征的非线性系统，零件多、受力复杂，而且构成汽车的各子系统之间存在相互耦合作用，使 得汽车的动态特性非常复杂，要想真实描写汽车的动态特性，必须考虑尽可能多的零件运动来获得精确的数学模型，而太复杂的模型又给求 解带来了巨大困难，甚至得不到结果。因此，提出一种合理的轿车 研究方法已经显得极为迫切。 传统的研究方法是通过试验或人为地把汽车各个子系统加以简化，抽取出能够代表系统或总成特性的本质因素，建立起较简单的数学、力学模型进行求解，并对求得的结果进行验证。但是在建模过程中，许多总成是通过试验或人为简化的，获得的参数一般都是系统的静态和准静态试验参数，与汽车实际运动状态中的动态参数有一定的误差，所以 ，要想得到高精度的模型，就要经过反复试验、修改和验证，工作周期较长。因此，如何更好地建立汽车行驶平顺性模型，已成为国内外学者研究汽车的关键问题。 虚拟样机的动力学仿真分析是利用数字化分析方法改变汽车设计参数、试验道路环境等参数，模拟实车道路行驶工况，从而验证或修改设计方案的过程。它可以有效缩短设计周期、降低开发成本、达到提高汽车产品品质的目的。采用虚拟样机技术进行轿车平顺性研究已经逐渐被国外的汽车企业所采用，并取得了良好的效果。本课题以数字样机技术为手段，开展轻型乘用车仿真技术研究。本文研究成果可促进整车产 品使用性能的提升，具有重要的理论意义和实用价值。 拟试验技术在汽车工程中的应用 虚拟试验就是在虚拟现实环境中，利用数字化模型代替实物原型，进行产品性能的试验分析。从广义上讲，任何不使用或部分使用实际硬件来构造试验环境，完成实际物理试验 的方法和技术都可以称为虚拟试验。虚拟试验可以定义为在虚拟环境中进行的试验。而虚拟试验环境是基于软件工程研制的仿真试验系统，它允许设计者将虚拟原型安装在其上进行“试验”，借助交互式技术和试验分析技术，使设计者在设计阶段就能对产品的运行性能进行评价或体验。虚拟试验就是在计算机系 统中采用软件代替部分硬件或全部硬件来建立各种虚拟的试验环境，使试验者可以如同在真实的环境中一样完成各种预定的试验项目，使所取得的试验效果接近或等价于在真实环境中所取得的效果。 2 自 20世纪 90年代起，一些发达的汽车制造国在汽车产品设计开发领域中广泛采用信息技术、计算机技术、 术等先进手段，使设计水平大为提高，新车型的开发周期大大降低。以美国为例，在 90年代初，轿车新车型的开发周期大约为 5 6年，到 90年代末已降 为 12 18个月。具体到悬架设计方面，仿真分析、虚拟设计、反求工程、据国际联机检索可以看出，国外已建立了悬架结构型式和悬架设计参数的知识库和专家系统，不同类型悬架的设计计算方法在国外已较为成熟，并有多项专利。值得一提的是，国外在悬架设计领域中的一些研究成果已经被某些大型的商品化机械系统动力学仿真软件所吸收。例如，由美国著名软件公司 中就包括了悬架模块，可以预测悬架系统特性、 计算悬架载荷时间历程、进行装配性能研究等，从而有效地协助工程师完成设计任务。这种软件采用虚拟样机技术 (机械系统动态仿真技术 )，将强大的大位移、非线性分析求解功能与使用方便的用户界面相结合，是集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件，是世界上目前使用范围最广、最负盛名的机械系统仿真分析软件。使用这套软件可以产生复杂机械系统的虚拟样机，真实地仿真其运动过程，并且可以迅速地分析和比较多种参数方案，直至获得最优化的一种方案，这样可大大减少昂贵的物理样机 制造及试验次数，提高产品设计质量，缩短产品研制周期和费用等。 随着国外 几年国内高校和科研机构利用它们对车辆的悬架系统做了比较深入的研究。主要有：北方车辆研究所 究了悬挂装置弹簧特性、减振器阻尼特性对车辆振动与冲击动力学的影响，给出了车辆行驶平稳性、冲击响应的动力学分析结果；上海交通大学包继华博士应用多体理论对 把钢板弹簧处理成多个无质量的 拟钢板弹簧的非线 性特性，并仿真了方向盘正弦输入下的整车响应；浙江大学的丁渭平（博士后）提出了开发汽车悬架系统集成技术 ， 它以工程数据库系统为基础 ,对悬架系统设计的单元技术进行整合 ,构建起支持悬架系统自主设计的通用平台 ,并实现了与 无缝连接 ” ,还可以通过专用数据接口调用 从而大大扩展了平台处理能力；华中科技大学的研究人员用 细考虑了前后悬架系统、转向系统以及轮胎，并考虑了各种连接件中的弹性衬套的影响，对整车稳态、瞬态工况进行了 动力学仿真；中国农业大学王树凤博士利用 时配合虚拟仪表准确的动态显示了该 3 车的运动状态参数，实现车辆的虚拟试验过程仿真。 另外，将 型有限元分析软件 进行车辆 的振动 分析 已经成为 一种新的技术趋势，能为车辆产品开发提供更高精度的计算结果、更深入的分析结论，在产品开发中的作用愈加明显。 例如北京 福田公司在对合二者的技术优势，通过对二者的联合应用， 对某车 进行 了 各种 复杂工况下的 前悬架参数匹配对整车振动影响的分析， 为车辆开发提供更好 了较好的 技术支持。 总的来说，国内在汽车悬架方面已经通过数字样机技术并通过相关数字化平台开展了较多的工作，但许多工作仅局限于悬架本身的研究，对悬架与整车参数化匹配对整车的影响研究还不够深入，有待进一步研究。 2 基于 仿真模型的建立 件简介 论基础 机械系统动力学自动分析 (该软件是美国 开发的虚拟样机分析软件。目前， 据 1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料， 据了 51%的份额。 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郎日方程方法，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。 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。 户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学，运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，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虚拟样机分析的二次开发工具平台。 T/2000版。 块组成及特点 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。 4 （ 1） 户界面模块 ) 户界面模块 )是最基本的核心模块之一。 供了丰富的零件约束库和力库，并且支持布尔运算。仿真结果采用强有力的、形象直观方式描述，并可以将结果形象逼真的输出。富了 外， 度函数、加速度函数、接触函数、样条函数、力和力矩函数、用户子程序函数等多种函数。 （ 2） 解器模块 ) 发动机 ” 。 供静力学、运动学、动力学的解算结果。该软件模块提供各种建模和求解选项，以便用户根据具体要求精确有效的解决各种工况问题。 了输出力、 位移、速度、加速度外，用户还可以输出自定义的数据以便进行有限元分析。 （ 3） 处理模块 ) 该模块用来输出各种数据曲线、动画，还可以进行曲线的编辑和数字的处理。用户可以在该模块里更方便的观察、研究仿真将结果。该模块既可以在 （ 4） 计与分析模块 ) 该模块是 是网页技术的新模块。工程师可以借助该模块将仿真试验置于网页上，实现资源共享，加速决策过程。可以更快的修改和优化模型，进行模型的参数化分析、找出模型的关键参数和非关键参数等。 （ 5） 胎模块 ) 胎模块 )是研究轮胎与道路相互作用的可选模块。该模块更完善地计算侧向力、自动回正力矩及由于路面坑洼等障碍而产生的力，向和横向载荷，可仿真研究车辆在制动、转向和滑行、滑移等大变形位 移下的动力学特性 :研究车辆稳定性，计算汽车的偏移、俯冲和侧倾特性 ;其输出力和加速度数据可作为有限元分析软件包的输入载荷进行相应的应力和疲劳特性研究 :计算由于制动力矩和转动力矩产生的反作用力。 此外，还包括 压系统模块 )、 性分析模块 )、 形接口模块 ). 制模块 )、 性体模块 )、画模块 )、 构分析模块 )、 驶员模块 )等 5 模块。 （ 6） 车模块 ) 车模块 )是 公司合作开发的整车设计软件包。利用该软件模块，工程师可以快捷的建立精确的样机，包括悬架、车身、转向系、轮胎、制动系等。用户可以在各种不同的路面下仿真，分析模型的操纵稳定性，安全性，乘坐舒适性及其它性能参数。 其中， 专门 为汽车专业开发的 模块有 :轿车模块 (悬架设计软件包 (概念化悬架模块 (驾驶员模块 (动力传动系统模块 (轮胎模块 (发动机设计模块 (等 。用户只需在模板中输入必要的数据，就可以快速建造包括车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等在内的高精度的整车虚拟样机，并进行仿真， 于 前悬架系统模型的建立 子系统模型的建立 （ 1）前悬架模型 应用 型原理要与实际的系统相一致。考虑到汽车基本上为一纵向对称系统，软件模 块已预先对建模过程进行了处理，故只需建立左边或右边的 1/2悬架模型，另一半就会自动生成。 图 1 前悬架模型 6 麦弗逊悬架结构， 总成由 弹簧、筒式减震器及滑柱、下摆臂、转向节总成 （ 包括减振器下体、轮毂轴 ） 、转向横拉杆、球头销、转向器齿条、车轮总成、车身等刚体部分组成。 经结构简化分析，建立 前悬架动力学模型 子系统 如图 1所示。 表 1 前悬架模型的铰链类型与数目 铰链名称 铰链约束的自由度 约束铰链数量 平动 转动 麦弗逊式 固定铰链 3 3 10 转动铰链 3 2 4 平动铰链 2 3 2 万向节铰链 3 1 2 圆柱铰链 2 2 3 球铰链 3 0 4 等速万向节铰链 3 1 6 平面副 1 2 1 各部件约束如 上图 1所 示 ，减振器上体用万向节铰与车身相连，转向节总成与减振器上体用圆柱铰约束，相对减振器上半部分可以进行轴向移动和转动；下摆臂一端通过转动铰与车身相连 （ 其中一个为虚约束 ） ，可相对车身上下摆动，另一端通过球铰与转向节总成相接；转向横拉杆一端通过球铰与转向节总成相连，另一端通过万向节铰与转向齿条相连； 悬架模型的铰链类型与数目如表 1所示。 麦弗逊式前悬架 (不含转向系 )的约束方程 *3+4*5+4*3+2*5+6*4+10*6+2*4+3+1=150 模型中存在两个 当于两个自由度 )，故自由度 5*6+2 1） 前减振器模型的建立 减振器是悬架系统的主要阻尼元件，与弹性元件并联安装，车轮与车身间的相对振动，主要是通过减振器衰减的，即由于悬架匹配了适当的阻尼车身的自由振动被迅速衰减，车身的强迫振动会受到抑制。在 先建立一个用户自定义的减振器文件，然后利用属性对话框进行修改，也可以直接在速度一 力曲线上直接拖改，也可以通过参数列表进行准确的定义，最终自动进行拟合得到满意的非线性曲线，图 2所示。 图 2 前减振器特性曲线 7 2）前 弹簧模型 的建立 在 件里 首先建立一个用户自定义的弹簧特性文件，然后利用属性对话框进行修改，也可以直接在力行程 变化 曲线上直接拖改，也可以通过参数列表进行准确的定义，最终自动进行拟合得到 前悬架 弹力 随 压缩、拉伸行程 变化 曲线如图 3 所示。 图 3 前悬架弹簧刚度特性曲线 8 3）转向系统模型的建立 该车采用的是齿轮齿条式转向系。它主要包括方向盘、转向轴、转向管柱、转向传动轴、横 拉杆、齿轮齿条转向器等。 建立的转向系统如图 4 所示。 建模分析中必须考虑的一个重要参数是转向系传动比。转向系的传动比包括力传动比角传动比0i，它直接影响车辆的机动性和操纵轻便性。转向系力传动比向系角传动比0i指转向盘转角和驾驶员同侧的转向轮转角之比。计算公式如下： 0 (1) 图 4 转向系统模型 式中： M 转向阻力矩； 转向盘的力矩； R 转向盘的半径； 主销偏移距，指从转向节主销轴线的延长线与支承平面的交点至车轮中心平面与支承平面的交线的距离 ； i 转向器角传动比，等于方向盘转角增量 必与转向摇臂的相应增量比 ； i 转向传动装置角传动比，等于摇臂轴转角增量 p ； 与同侧转向节转角增量比。 4）轮胎模型 轮胎模型是车辆模型中的重要组成部分，轮胎结构由橡胶、帘布层等合成的外胎固定于金属轮辆上，内部充入压缩空气。轮胎的材料具有非线性、可压缩、各向异性和粘弹性等特点，因此其物理模型的建立较为复杂。 9 为了分析轮胎的复杂特性，国内外学者做了很多研究工作来将轮胎进行模型化，并建立了 中比较知名的是用于理论解析轮胎侧偏特性的 的无限长梁的一部分，并考虑胎体变形时受拉以及受力分布载荷作用而弯曲等特点。 梁 ” 模型基础上考虑了有驱动和制动力情况下的联合侧偏特性。 出所谓“ 弦 ” 模型，并在此基础上考虑了有驱动和制动力情况下的联合侧偏特性。国内主要有郭孔辉从胎体变形与垂直载荷的一般模式出发，导出侧偏特性的一般理论模型，进而考虑了有驱动和制动力情况下的联合侧偏特性，并与半经验模型结合形成便于仿真的 “ 统一 ” 模型。 在 供了 4种轮胎模型，即 型、 外用户还可以自定义模型。在这些模型中， A 易得到，而此在本文研究中采用 该 车的车胎型号是 195/55此轮胎参数如表 2： 表 2 轮胎特性参数 参数名称及单位 数值 轮胎自由半径 (R1/m) 向刚度 (1) 280 高宽比 55 断面名义宽度 (195 轮辋直径 (15 静摩擦系数 (摩擦系数 ( 前悬架系统 的构建 及校核 （ 1）前悬架系统的构建 将上述建好的各子系统按照相应的约束连接在一起，即可构成完整的汽车 前悬架 模型。该模型能多方位的呈现在计算机屏幕上，较真实和 准确的反映前悬架各部件在实际运动过程中受力运动情况。对模型进行仿真前需测试模型的正确 10 性，要确保模型没有过约束。模型如图 5 所示。 （ 2） 前悬架 模型的校核 在建立前悬架 动 力学仿真模型之后，为了得到正确的结果，必须保证仿真模型能够准确地反映实际系统并能在计算机上正确运行，因此必须对仿真模型的有效性进行研究与评估。仿真模型往往是为某一特定目的而建立的，绝大多数仿真模型并不是对原系统完全准确的描述，其只是在一些假设条件下对实际系统的简化，因此它并不能百分之百地反映所研究的系统，模型是否有效是相对于问题的研究目的以及用户需求而言的。 仿真模型有效性的研究和评估主要包括两方面的内容：模型的验证(确认 (模型的验证主要是考察系统模型与 计算机实现之间的关系，主要判断模型的计算机实现是否正确。在本文中，利用的 能来验证模型的正确性，确保前悬架 模型中没有过约束。模型的确认考察的是系统模型与实际研究系统之间的关系，即通过比较在相同输入条件下和运行环境下模型与实际系统输出之间的一致性，评价模型的可信度。 图 5 前悬架系统 3 前悬架系统的分析 悬架系统运动仿真 义车辆参数 在标准模式 “ 定义 11 与 前悬架系统分析相关车辆参数：轮胎自由半径为 300胎垂直刚度为200N/上质量为 1400心高度为 300距为 2765m，如图 6 所示。 图 6 设计悬架基本参数 模分析结果图 在 建立前悬架模型后 ,对模型进行了上下跳动极限为 100双轮同向跳动试验。评价悬架运动学特性的指标主要有 :悬架刚度 、车轮外倾角 、 主销偏距 、 车轮前束角 、 侧倾转向 、 侧倾外倾系数 、 侧倾中心高度等 。 （ 1） 车轮外倾角 车轮外倾角是车轮平面与车辆竖直方向上的交角，当车轮的上部向外倾斜时车轮 外倾角为正。车轮跳动时的外倾变化对车辆的直行稳定性、稳定响应特性等有很大影响。由于轮胎与地面之间有相对的外倾角，路面对车轮作用有外倾推力，该力与侧倾角产生的侧向力汇合而成车辆转向所需要的横向力。从提高转向性能出发，侧倾时车轮对地面的倾角最好不变。同时车辆在直行状态下，由于路面不平引起的车轮跳动而使外倾变化时，会由外倾推力引发横向力，这样较大的对地外倾变化会使车辆的直行稳定性变差。综合考虑转向性能和直行稳定性，应尽量减少车轮相对车身跳动时的外倾角变化，一般上跳时，对车身的外倾变化为50希望在车轮跳动时前轮外倾角向减小的方向变化，而在下落时 12 朝正方向变化。通过车轮同向激励仿真试验可以得出车轮外倾角（ 车轮跳动度（ 变化曲线如图 7 所示。 图 7 车轮外倾角 变化曲线 （ 2）车轮前束角 前束角是车辆的纵向轴与车轮平面在车辆横向平面 (水平面 )上投影线的夹角。并且当车轮前方向纵向轴转时为正。车轮上跳及下落时的前束角变化对车辆的直行稳定性、车辆的稳态转向特性有很大的影响，是汽车悬架的重要设计参数之一。在汽车行驶中保持前束不变或者变化幅度较小非常重要，这 比在汽车静止时有一个正确的前束更为重要。侧倾时的前束变化也称为侧倾转向。对于汽车前轮，车轮上跳动时的前束值多设计成零至弱负前束的变化，确保良好的直行稳定性。另外，取弱负前束变化是为了使车辆获得弱的不足转向特性，以使装载质量变化引起车高变化时也能保持不足转向。前束变化的较理想的设计特征值为：车轮上跳时为零至负前束（ 50 通过车轮同向激励仿真试验可以得出前轮前束（ 车轮跳动度（ 变化曲线如图 8 所示。 图 8 车轮前束角变化 曲线 13 （ 3）悬架刚度 悬架 刚度是衡量悬架抵抗变形的能力的一种量度，等于悬架承受的载荷与该载荷引起的悬架的变形的比值。 通过车轮实验可以得出悬架随车轮跳动度（ 变化曲线如图 9 所示。 图 9 悬架刚度变化曲线 14 析 及施加 基本推力 首先创建一个载荷文件给左右轮施加不等的制动力以用来仿真各个转向角，为了计算不等的制动力，假设给出质量为 1400车辆一个负 加速度，其前轮的制动比为 64%，后轮的制动比为 36%，前左轮分配前制动力的 55%、前 右 轮 分 配 前 制 动 力 的 45% ， 前 轮 总 的 制 动 力 为 ：1400395N，左前轮制动力为 2417N、右前轮制动力为1978N，如图 10 所示。 图10 设置制动力 义和施加载荷 架系统运动学仿真是基于悬架试验台对车轮施加垂直方向运动的仿真形式，用户可以通过执行车轮激振、随遇