ADAMS机电系统建模与仿真

1、基于虚拟样机技术电动汽车悬架性能研究XXXX150XXXXX85（西安建筑科技大学 机电工程学院，陕西 西安 ）摘要：汽车前悬架系统部件之间的运动关系十分复杂, 对整车操纵稳定性和平顺性有举足轻重的作用。本文使用ADAMS对汽车的双横臂式前独立悬架系统进行了三维建模和组装，利用虚拟样机这种方式，对汽车横向平面的倾斜角和下横臂轴水平斜置角等参数设计为设计变量，通过优化这些设计变量以达到优化前悬架的目的这些结果对汽车前悬架后续的改进设计有重大的指导意义。关键词：汽车前悬架；虚拟样机：设计变量；ADAMS1.引言现代社会便捷交通发展的同时，全球汽车数量快速增长，与此同时也导致环境污染问题日益突显1。

2、汽车的乘坐舒适性以及操纵稳定性，不仅会对乘坐人员的舒适性、疲劳程度以及乘员的人身安全造成严重影响，而且也会影响汽车耗油量以及交通的安全性2。因此汽车的乘坐舒适性以及操纵稳定性已经成为各个汽车生产厂商在激烈的汽车市场中参与竞争所必须考虑的两个非常重要的性能了3。所以，对于整车进行操纵稳定性以及平顺性4的优化分析，已经成为汽车设计过程中的所要完成的一件重要而艰巨的任务5。 本文本文使用ADAMS对汽车的双横臂式前独立悬架系统进行了三维建模和组装，为了使改装后汽车悬架的各项性能参数得到优化以实现车身和悬架相互匹配，从而改善汽车的操纵稳定性，提高行驶平顺性行驶性能，对设计采用传统汽车悬挂系统的电动汽车

3、有一定的参考价值。 2.虚拟样机技术2.1 虚拟样机技术的基本概念虚拟样机技术6是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术(指在某单一系统中零部件的CAD和FEA技术)糅合在一起，在计算机上创建出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。它是从分析解决产品整体性能及相关问题的角度出发，解决传统设计与制造过程弊端的高新技术。在该技术中，工程设计人员可以直接利用CAD系统所提供的各零部件的物理信息及其几何信息，在计算机上定义零部件间的连接关系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机7。2.

4、2 虚拟样机技术的优点虚拟样机技术涉及多体系统动力学与动力学建模理论及技术实现，是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。虚拟样机技术将传统的经验设计方法改为预测方法，具有无法比拟的优点。使用系统仿真软件可以在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，观察并试验各组成部件的相互运动情况；还可以在计算机上方便地修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断地改进，直至获得最优设计方案后，再做出物理样机。用虚拟样机代替物理样机验证设计，不但可以缩短开发周期，而且设计质量和效率都得到了提高。

5、3.ADAMS软件仿真基础ADAMS8，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件，由于该软件采用的比较先进的计算方法,大大地缩短了计算时间,而且其精确度也相当高,因此,被广泛应用于机械设计的各个领域并已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用9。用户可以利用Adams在计算机上建立和测试虚拟样机，实现事实再现仿真，了解复杂机械系统设计的运动性能。MD Adams（MD代表多学科）是在企业级 MSC SimEnter

6、prise10仿真环境中与MD Nastran相互补充，提供了对于复杂的高级工程分析的完整的仿真环境， SimEnterprise是当今最为完整的集成仿真和分析技术。MD Adams的发布完全支持运动-结构耦合仿真，与MD Nastran的双向集成可以释放便利地将Adams的模型输出到Nastran进行更为详细的NVH分析或应力恢复，继而进行寿命/损伤计算。ADAMS软件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

7、力曲线。ADAMS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11。ADAMS中机械系统的模型建立有两种方法：一种是利用ADAMS软件中的建模模块来建立机械系统的模型，该方法的优点是能够进行机械系统的参数化设计及分析，缺点是由于的ADAMS建模能力有限，只能建立简单的几何形状，对于复杂的机械系统建模无法完成；另一种是利用第三方建模软件来进行，然后将建立的模型以通用格式导入到ADAMS中，该方法的优点是就算再复杂的模型也能够根据实际的机械结构来建立机械系统，缺点是不能进行参数化设计也不能对机械系统进行参数化分析12。4.ADAM S 模型的建立与仿真

8、计算4.1ADAMS问题描述汽车的双横臂式前独立悬架模型（Front_Susp）中包括：主销、上横臂、下横臂、拉臂、转向拉杆、转向节、车轮以及测试平台。悬架模型的主销长度为330mm，主销内倾角为 10，主销后倾角为2.5，上横臂长350mm，上横臂在汽车横向平面的倾角为11，上横臂轴水平斜置角为-5，下横臂长500mm，下横臂在汽车横向平面的倾角为9.5，下横臂轴水平斜置角为10，车轮前束角为0.2。图1 汽车的前悬架模型4.2前悬架模型建立4.2.1创建新模型 文件名更改为Xuan_jia4.2.2设置工作环境设置工作环境下的单位：分别设置为mm、kg、N、s、Hz，图标大小为20和网格为

9、750/800，网格间距为50。4.2.3创建设计点点击零件库中的点“Point”，选择“Add to Ground”和“Dont Attach”，创建8个设计点，名称和位置见表1-1。可以使用列表编辑器来修改它们的位置，如图2所示。结果如图3所示表1-1 设计点的名称和位置图2 列表编辑器图3 8个点的创建结果4.2.4创建主销点击零件库中的圆柱体“Cylinder”，选择New Part，定义圆柱体的半径“Radius”为20，选择设计点LCA_outer和UCA_outer，创建主销，将其重命名为Kingpin，如图4所示。图4 Kingpin模型4.2.5创建上横臂点击零件库中的圆柱体

10、“Cylinder”，选择New Part，定义圆柱体的半径“Radius”为20，选择设计点UCA_inner和UCA_outer，创建上横臂，将其重命名为UCA。点击零件库中的球体“Sphere”，选择Add to Part，定义圆柱体的半径“Radius”为25，选择上横臂为参考物体，球体的位置为设计点UCA_outer，如图5所示。图5 UCA模型4.2.6创建下横臂点击零件库中的圆柱体“Cylinder”，选择New Part，定义圆柱体的半径“Radius”为20，选择设计点LCA_inner和LCA_outer，创建下横臂，将其重命名为LCA。点击零件库中的球体“Sphere”，

11、选择Add to Part，定义圆柱体的半径“Radius”为25，选择下横臂为参考物体，球体的位置为设计点LCA_outer，如图6所示。图6 LCA模型4.2.7创建拉臂点击零件库中的圆柱体“Cylinder”，选择New Part，定义圆柱体的半径“Radius”为15，选择设计点Knuckle_inner和Tie_rod_outer，创建拉臂，将其重命名为Pull_arm，如图7所示。图7 Pull_arm模型4.2.8创建转向拉杆点击零件库中的圆柱体“Cylinder”，选择New Part，定义圆柱体的半径“Radius”为15，选择设计点Tie_rod_inner和Tie_rod

12、_outer，创建转向拉杆，将其重命名为Tie_rod。点击零件库中的球体“Sphere”，选择Add to Part，定义圆柱体的半径“Radius”为20，选择转向拉杆为参考物体，球体的位置为设计点Tie_rod_outer和Tie_rod_inner，如图8所示。图8 转向拉杆4.2.9创建转向节点击零件库中的圆柱体“Cylinder”，选择New Part，定义圆柱体的半径“Radius”为20，选择设计点Knuckle_inner和Knuckle_outer，创建转向节，将其重命名为Knuckle，如图9所示。图9 转向节模型4.2.10创建车轮、弹簧和测试台按照如上步骤，创建车轮，

13、通过创建宽度为215mm，半径为375mm的圆柱，然后进行50mm倒角就可以实现。创建测试平台是通过以关键点（-350，-320，-200）为角点创建一个长500mm，宽400mm，高45mm的长方体，外加一个质心处的长350mm，半径30mm的圆柱体来实现。创建长度为290mm，刚度为K为129.8，阻尼C为6000的弹簧，该弹簧固联在UCA上。图10 弹簧、车轮、测试台增加后的模型4.2.11创建球副和固定副在UCA_outer点，LCA_outer点和Tie_rod_outer点处创建2Bod-1Lco的球副，同时在Tie_rod_inner点处创建1Lco的球副。通过创建固定副将拉臂、

14、转向节和主销固定在一起。同时将转向节和车轮固定在一起。4.2.12创建旋转副实际工作中，UCA绕着UAC_inner 转动，且上横臂UCA轴水平斜置角为-5，创建转动副后需对其在水平面内进行旋转-5。LCA绕着LCA_inner转动，且下横臂轴水平斜置角为10，创建转动副后需对其在水平面内进行旋转10。4.2.13创建移动副在测试平台和大地之间建立一个竖直方向的移动副。4.2.14创建点-面约束副将车轮与测试台的接触点和测试平台进行点-面约束。最终模型建立如图11所示。图11 汽车前悬架模型4.3测试前悬架模型4.3.1.添加驱动选择测试平台和大地之间的移动副约束，创建直线驱动（TRANS_M

15、OTION1）。创建直线驱动后将驱动函数表达式更改为：100*sin(360d*time)，它表示车轮的上挑和下调行程为100mm。设置终止时间为1，工作步为100.进行仿真。结果如图12所示。 图12 仿真结果4.3.2测量主销内倾角主销的内倾角定义为主销在绘图平面内的倾角变化。编辑内倾角的函数表达式为：ATAN(DX(MARKER_2, MARKER_4)/DY(MARKER_2, MARKER_4)同时，生成主销内倾角变化的测量曲线如图13所示。图13 主销内倾角测量曲线4.3.3测量主销后倾角主销的内倾角定义为主销在垂直于绘图平面的平面内倾角变化。编辑后倾角的函数表达式为：ATAN(D

16、Z(MARKER_2, MARKER_4)/DY(MARKER_2, MARKER_4)同时，生成主销后倾角变化的测量曲线如图14所示。图14 主销后倾角变化的测量曲线4.3.4测量前轮外倾角前轮的外倾角定义为前轮在相对于过车轮中心且与绘图平面垂直的平面的倾角变化。编辑前轮外倾角的函数表达式为：ATAN(DY(MARKER_10, MARKER_26)/DX(MARKER_10, MARKER_26)同时，生成前轮外倾角变化的测量曲线如图15所示。图15 前轮外倾角变化的测量曲线4.4测试结果分析经过上述对汽车悬架系统的仿真分析，可以得到以下结论：主销内倾角的变化趋势是先有一个大幅度的上升，然

17、后逐渐趋于稳定状态，这是因为车轮在正弦变化的地面上行驶时，起初由于弹簧的不可突变性，内倾角会有一个大幅度的上升，接下来由于悬架系统弹簧的缓冲吸振作用，使得内倾角的变化有了一个逐渐衰减的趋势，而最大的倾角变化幅度值为2.5，这样的值对于坐在汽车上的人来说是几乎无法感觉得到的。主销后倾角的变化具有类似的特点，只是该角度在最后的稳定阶段相对于内倾角来说比较小。前轮外倾角的变化为相对于0的左右摆动，那么这种分散的倾角相比于一侧的角度变化会使车架具有更好的稳定性，从而提高乘坐人员的舒适感。5结论 通过对汽车前悬架仿真计算和仿真结果的分析可看出 , 采用 ADAM S/View 模块建立双横臂式前悬架模型

18、, 对汽车横向平面的倾斜角和下横臂轴水平斜置角等参数设计为设计变量，通过优化这些设计变量以达到优化前悬架的目的这些结果对汽车前悬架后续的改进设计有重大的指导意义。因此,ADAM S/ View 在汽车分析和仿真上具有很好使用前景 。参考文献1 钱尼君,黄菊花,张庭芳. 汽车前悬架系统动力学仿真与分析J. 南昌大学学报(工科版), 2008, No.115(1): 49-52, 56.2 杨晓,李耀刚,姜钊,等. 基于ADAMS和ANSYS的电动汽车悬架仿真研究J. 机电工程, 2015, v.32;No.240(2): 201-205.3 Dave Crollu, 喻 凡 , 等车辆动力学及其 控制 M .北京 :人民交通出版社 , 2004