目 录
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
第1章 绪论 1
1.1悬架概况 1
1.2悬架的发展 2
1.3越野车悬架的发展 4
1.4设计的主要内容和方法 5
第2章 越野车悬架的初步设计 6
2.1独立悬架结构类型和特点 7
2.2悬架的主要参数选择 8
2.2.1悬架静挠度 8
2.2.2悬架动挠度 9
2.3弹性元件设计 9
2.4减振器设计 11
2.4.1减振器及其形式的选择 11
2.4.2相对阻尼系数 11
2.4.3减震器阻尼系数的确定 12
2.4.4减震器最大卸荷力的确定 12
2.4.5筒式减震器工作缸直径D的确定 12
2.5导向机构设计 13
2.5.1侧倾中心及横向平面内上下横臂的布置方案 13
2.5.2纵向平面内上下横臂的布置方案 13
2.5.3水平面内上下横臂的布置方案 13
2.5.4上下横臂长度的确定 14
2.6本章小结 14
第3章 建立越野车悬架模型 16
3.1ADAMS介绍 16
3.2建立模型 17
3.2.1简化模型 19
3.2.2确实硬点坐标 19
3.2.3建立双横臂悬架模型 20
3.3建立悬架子系统和总装配 31
3.4本章小结 31
第4章 悬架参数优化 32
4.1悬架试验 32
4.1.1定义参数 32
4.1.2悬架双轮同向跳动试验 32
4.1.3绘制查看运动分析图 33
4.1.4悬架试验结果分析 36
4.2优化模型 37
4.2.1选取设计变量和目标函数 37
4.2.2在ADAMS/Insight中进行DOE和优化设计 38
4.3本章小结 43
结论 44
参考文献 45
致谢 47
附录 48
摘 要
汽车悬架的设计是一个复杂的系统工程，其设计过程中必须考虑车辆的行驶平顺性和操纵稳定性、舒适性等多方面的设计要求。传统的设计方式设计成本高、产品开发周期长，已无法满足快速设计的需求。为了能够快速响应设计要求,开发以三维参数化绘图为基础的悬架设计开发系统非常必要,能够大大提高设计的效率和质量。
介于越野汽车大比例越野路面行驶要求，越野汽车设计的重要工作是提高越野机动性的前提下,保证乘员的舒适性、车辆行驶安全性、车辆通过性、整车各主要部件可靠性、整车轻量化。
ADAMS是集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件，是目前世界上应用最为广泛的机械系统动力学分析软件。ADAMS/Car模块是MSC公司与Audi、BMW、Renault和Volvo等汽车公司合作开发的轿车设计模块，它能通过高速动画再现各种工况下的车辆运动学和动力学响应。本设计利用ADAMS/Insight 从在ADAMS/Car中完成的悬架试验出发对越野车前悬架参数进行优化设计，能够大大提高设计的效率和质量。
关键词：双横臂悬架；ADAMS；虚拟样机；优化设计；试验设计
ABSTRACT
Design of the automotive suspension, which refer to the requirement of ride comfort performance of vehicle, is a complicated systemtic engineering. The conventional design mode costs high and needs a long development cycle. That mode cannot satisfy the demand of fast design. For satisfy this design requirement, it is extraordinary necessary to explot suspension design development system based on tridimensional parametrized plotting, which can greatly advance the efficiency or grand of the design.
Given to the off-road vehicle’s ridden requirement of crosscountry, the key job of design is advancing the mobility of the off-road vehicle ,guarantee the comfortability of passenger, ride security , trafficability, reliability of each part and light weight of the whole vehicle as fast as possible.
ADAMS, a virtual prototype software including modeling, solving, visualization technology, is the most popular mechanical systems dynamics analytical software in the world nowadays. ADAMS/Car, a car design module cooperative developed by MSC, Audi, BWM, Renault and Volvo corporation, can be used to reappear different kinds of vehicle kinematic and dynamic response. This paper has used ADAMS/Insight to optimize front suspension parameter of SUV after complete suspension test in ADAMS/CAR which can greatly advance the efficiency of the design.
Key words: Double wise-bone arm independent suspension；ADAMS；Virtual prototype technology；Optimization；Design of experiments
第1章 绪 论
1.1悬架概况
根据导向机构的结构特点，汽车悬架可以分为非独立悬架和独立悬架。非独立悬架两侧的车轮由一根整体式车桥相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架与车架连接。特点是当一侧的车轮遇到路面冲击而跳动时，必然导致另一侧车轮在汽车横向平面内摆动。非独立悬架由于非簧载质量比较大，高速行驶时悬架受到冲击载荷比较大，平顺性较差。独立悬架的车桥做成断开的，每一侧车轮可以单独通过弹性悬架与车架连接。 结构较非独立悬架复杂，但两侧的车轮单独跳动时互不影响，可以提高乘坐的舒适性和平顺性。独立悬架使得发动机可放低安装，有利于降低汽车重心，并使结构紧凑。独立悬架允许前轮有大的跳动空间，有利于转向，便于选择软的弹簧元件使平顺性得到改善。同时独立悬架非簧载质量小，可提高汽车车轮的附着性。
按照弹性原件的种类，汽车悬架又可以分为钢板弹簧悬架、螺旋弹簧悬架、扭杆弹簧悬架、空气悬架以及油气悬架等。钢板弹簧又叫叶片弹簧，它是由若干不等长的合金弹簧片叠加在一起组合成一根近似等强度的梁。钢板弹簧在载荷作用下变形，各片之间因相对滑动而产生摩擦，可促使车架的振动衰减。钢板弹簧本身还兼起导向机构的作用，可不必单设导向装置，使结构简化，并且由于弹簧各片之间摩擦引起一定减振作用。螺旋弹簧是用弹簧钢钢棒料卷制而成，它们有刚度不变的圆柱形螺旋弹簧和刚度可变的圆锥形螺旋弹簧。螺旋弹簧大多应用在独立悬架上，尤以前轮独立悬架采用广泛。由于螺旋弹簧只承受垂直载荷，它用做弹性元件的悬架要加设导向机构和减振器。它与钢板弹簧相比具有不需润滑，防污性强，占用纵向空间小，弹簧本身质量小的特点，因而现代轿车上广泛采用。
按照作用原理，可以分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架[1]。目前多数汽车上都采用被动悬架，汽车姿态只能被动地取决于路面及行驶状况和汽车的弹性元件，导向机构以及减振器这些机械零件。
半主动悬架根据簧上质量相对车轮的速度响应、加速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律调节弹簧的阻尼力或者刚度。半主动悬架产生力的方式与被动悬架相似，但其阻尼或刚度系数可根据运行状态调节，这和主动悬架极为相似。有级式半主动悬架是将阻尼分成几级，阻尼级由驾驶员根据“ 路感” 选择或由传感器信号自动选择。无级式半主动悬架根据汽车行驶的路面条件和行驶状态，对悬架的阻尼在几毫秒内由最小到最大进行无级调节。由于半主动悬架结构简单，工作时不需要消耗车辆的动力，而且可取得与主动悬架相近的性能，具有很好的发展前景。
主动悬架可以能动地控制垂直振动及其车身姿态，根据路面和行驶工况自动调整悬架刚度和阻尼。
前面已经介绍了，汽车悬架按其振动的控制方式分为被动、半主动和主动悬架3种基本类型，经典隔振理论认为被动悬架采用了一种优化折中方案，不能兼顾提高乘坐舒适性与行驶安全性要求，主动悬架能获得一个优质的隔振系统，实现理想悬架的控制目标，但耗能大、液压装置噪声大、成本高、结构复杂；半主动悬架系统可以输入少量的调节能量来局部改变悬架系统的动特性(刚度或阻尼系数)，仅仅消耗振动能量，而且结构简单，可靠性高。由于半主动悬架诸多的良好性能，且半主动悬架研究所涉及的关键技术是设计，因此车辆半主动悬架控制系统的研究具有重要意义。
1.2悬架的发展
1934年世界上出现了第一个由螺旋弹簧组成的被动悬架。被被动悬架的参数根据经验或优化设计的方法确定，在行驶过程中保持不变它是一系列路况的折中，很难适应各种复杂路况，减振的效果较差。为了克服这种缺陷，采用了非线性刚度弹簧和车身高度调节的方法，虽然有一定成效，但无法根除被动悬架的弊端。被动悬架主要应用于中低档轿车上，现代轿车的前悬架一般采用带有横向稳定杆的麦弗逊式悬架，比如桑塔纳、夏利、赛欧等车，后悬架的选择较多，主要有复合式纵摆臂悬架和多连杆悬架。
随着道路交通的不断发展，汽车车速有了很大的提高，被动悬架的缺陷逐渐成为提高汽车性能的瓶颈，为此人们开发了能兼顾舒适和操纵稳定的主动悬架。主动悬架的概念是1954年美国通用汽车公司在悬架设计中率先提出的。 20世纪80年代，世界各大著名的汽车公司和生产厂家竞相研制开发这种悬架。 特点是乘坐非常舒服，但结构复杂、能耗高，成本昂贵，可靠性存在问题。
由于种种原因，我国的汽车绝大部分采用被动悬架。在半主动和主动悬架的研究方面起步晚，与国外的差距大在西方发达国家，半主动悬架在20世纪80年代后期趋于成熟，福特公司和日产公司首先在轿车上应用，取得了较好的效果主动悬架虽然提出早，但由于控制复杂，并且牵涉到许多学科，一直很难有大的突破。进入20世纪90年代，仅应用于排气量大的豪华汽车，未见国内汽车产品采用此技术的报道，只有北京理工大学和同济大学等少数几个单位对主动悬架展开研究。主动悬架的平顺性能最好。它采用许多新兴的控制技术和使用大量电子器件，可使悬架的稳定性得到保证因此，主动悬架的平顺性和操纵稳定性是最好的，是汽车悬架必然的发展方向。
1990年，西班牙学者J.M.DEL.Castillo等人用八自由度模型在时域和频域分别进行了优化研究，取得了与上述相似的结果。
被动悬架是传统的机械结构，刚度和阻尼都是不可调的，依照随机振动理论，它只能保证在特定的路况下达到较好效果。但它的理论成熟、结构简单、性能可靠，成本相对低廉且不需额外能量，因而应用最为广泛。在我国现阶段，仍然有较高的研究价值。
被动悬架性能的研究主要集中在三个方面:通过对汽车进行受力分析后，建立数学模型，然后再用计算机仿真技术或有限元法寻找悬架的最优参数；研究可变刚度弹簧和可变阻尼的减振器，使悬架在绝大部分路况上保持良好的运行状态；研究导向机构，使汽车悬架在满足平顺性的前提下，稳定性有大的提高。
主动悬架的概念早在1954年就被提出了。20世纪60年代，Thompson完善了主动悬架的基本构成和控制规律，证明了“全主动”悬架对车辆性能的提高。80年代初，一些装备主动悬架系统的试验样车被生产出来，验证了主动悬架对车辆性能的提高。
主动悬架使用液压或电动机械的作动器代替传统被动悬架中的弹簧和减振器，作动器根据主动悬架控制规律输出作用力。全主动悬架能够根据车辆的工作状态和路面的状况进行自适应调节，抑制车体的振动，但其结构复杂，用到较多的悬挂设备，而且工作时需要独立的能源供应，耗费大量的能量，另外，使用全主动悬架系统时还会引起其它的负面问题，如非悬挂质量的共振现象，这就使得全主动悬架系统的应用受到限制。
主动悬架研究也集中在两个方面:①可靠性；②执行器。由于主动悬架采用了大量的传感器、单片机、输出输入电路和各种接口，元器件的增加降低了悬架的可靠性，所以加大元件的集成程度，是一个不可逾越的阶段。执行器的研究主要是用电动器件代替液压器件卜电气动力系统中的直线伺服电机和永磁直流直线伺服电机具有较多的优点，今后将会取代液压执行机构。运用电磁蓄能原理，结合参数估计自校正控制器，可望设计出高性能低功耗的电磁蓄能式自适应主动悬架，使主动悬架由理论转化为实际应用。
1974年，Crosby和Karnop基于天棚阻尼的概念发明了半主动阻尼器。其生产应用始于20世纪80年代，但它对悬架性能的改善是有限的。1975年，M argolis等人提出了“开关”控制的半主动悬架，它能产生较大的阻尼力，这种悬架已应用到实际中。1986年，KimB rough在半主动悬架控制方法中引入了Lyapunov方法，改进了控制算法的稳定性。1988年，日产公司研制了一种“声纳”式半主动悬架，它可通过声纳装置预测路面信息，悬架减振器有“柔和”、“适中”和“稳定”3种选择状态。1994年，Prin2kos等人使用了电流变和磁流变液体作为工作介质，研究了新型半主动悬架系统。美国Delphi公司已经利用磁流变液开发出半主动悬架系统Magen2R ide，被评为1999年世界100项重大发明之一。2000年，美国Lord公司公布了它的商业磁流变材料(MRF2132LD、MRF2336AG、MRF2240B S)。Delphi公司也发布了它的磁流变减振器。半主动悬架是指悬架弹性元件的刚度和减振器的阻尼系数之一可以根据需要进行调节控制的悬架。目前半主动悬架研究主要集中在调节减振器的阻尼系数方面，即将阻尼可控减振器作为执行机构，通过传感器检测到的汽车行驶状况和道路条件的变化以及车身的加速度，由ECU根据控制策略发出脉冲控制信号，实现对减振器阻尼系数的无级可调。这种结构生产、使用、维护成本高；本文描述一种四级刚度减振弹簧，则是一种根据载荷状况和道路条件自行调节刚度的一种新型结构，具有生产、使用、维护成本低的优点。
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