汽车悬架系统动力学研究

1、（研究生课程论文） 汽车动力学 论文题目：汽车悬架系统动力学研究 指导老师：乔维高 学院班级： 学生姓名： 学号：2015年 1月汽车悬架系统动力学研究摘要：汽车悬架类型的选择和悬架参数的差异对汽车的操纵稳定性和行驶平顺性具有重要的影响。主要分析了麦弗逊悬架的结构特点，并通过ADAMS软件建立麦弗逊悬架的3D模型,对其进行仿真分析,得出悬架参数的优化设计方法。关键词：麦弗逊悬架；ADAMS多刚体动力学；仿真分析The automobile suspension system dynamics researchCaisi Vehicle 141 Abstract: Different

2、kinds of suspension systems and of differences in suspension parameters on the vehicle steering stability and riding comfort have important influence. Mainly analyzed the structure characteristics of Macpherson suspension, and by using ADAMS software to establish 3D model of Macpherson suspension, c

3、arry on the simulation analysis, the method of optimal design parameters of the suspension.Key words: Macpherson suspension; ADAMS /Car; multi-rigid-body dynamics; simulation and analysis引言汽车悬架是汽车车轮与车身之间一切装置的总称。其功用在于：在垂直方向能够衰减振动和起悬挂作用；在侧向可防止车身侧倾和左右车轮载荷转移；在行驶方向上能够保证驱动与制动的实现并保持行驶方向的稳定性。不同的悬架设置会使驾驶者有不同

4、的感受。看似简单的悬架系统综合多种作用力，决定着轿车的稳定性、舒适性和安全性，是现代轿车十分关键的部件之一。悬架系统起着传递车轮和车身之间的力和力矩、引导与控制汽车车轮与车身的相对运动、缓和路面传递给车身的冲击、衰减系统的振动等作用，汽车悬架系统对汽车的操纵稳定性、行驶平顺性都有很大的影响1。通过对麦弗逊悬架的仿真提出其优化分析方法。麦弗逊悬架系统由两大基本部分组成：支柱式减震器和三角形托臂，具有结构简单，占用空间小，非簧载质量小，且与减震器弹簧配合使用组成一个可相对运动的结构体，可以实现车身高度和悬架刚度的自由调节。但是,由于主销轴线位置在减振器与车身连接铰链中心和横摆臂与转向节连接铰链中心

5、的连线上,当悬架在变形时,主销轴线也随之改变,前轮定位参数和轮距也都会相应改变,且变化量可能很大。因此,如果悬架结构设计不当,就会大大影响汽车产品的使用性能2。1 ADAMS软件简介ADAMS模块是美国前MDI公司( Mechanical Dynamics Inc.) 与德国宝马( BMW)、奥迪(Audi)、法国雷诺(Renault)和瑞典沃尔沃(Volvo)等公司合作开发的整车设计软件包。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

6、分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。其由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成。利用该软件不仅能快速建立高精度的整车虚拟样机模型，其中包括车身、悬架、转向系、发动机、传动系和制动系等。用户还能够利用后处理模块通过高速动画观察各种复杂工况的车辆运动学和动力学响应，并输出表征操纵稳定性和安全性的性能参数。为了分析某车型麦弗逊悬架的性能，在ADAMS/Car 模块中搭建汽车前转向轮的麦弗逊悬架模型，使用 ADMAS/Insight 虚拟样机进行试验设计，进行相应的优化设计，提出改进方案，并验证了方案的可行性。2悬架系统建模以某轿车的麦弗逊前独立悬架为例进行建模和仿真分

7、析。由于麦弗逊悬架左右对称,所以在CAR环境下只需要输入单侧模型的参数,系统会自动地建立另一边的模型。因此,这里建模过程只涉及到左侧悬架。2.1 物理模型的简化 麦弗逊悬架系统主要由车身 1、上下摆臂2、转向横拉杆3、减震器及减震弹簧4、转向齿条 5、车轮总成6和转向节带制动器总成7组成。悬架各刚体之间的连接关系为：减震器4的上端用螺栓和橡胶衬垫与车身相连接，减震器4下端固定在转向节7上，转向7通过球铰接与下摆臂连接；下摆臂一端通过两个转动铰接与车身相连（其中一个为虚约束），另一端通过球铰接与转向节总成7相连；转向横拉杆一端通过球铰接与转向节总成相连，另一端通球铰接与转向齿条相连。在进行运动分

8、析时，转向齿条通过固定副与车身相连，车轮总成和转向节总成也通过固定副相连，车身相对地面不动。对于单侧车轮的麦弗逊悬架约束方程数目为：n=6+1+5+3+4+3+3+2=39；对于单侧车轮的麦弗逊悬架自由度数目为：DOF=6+7-n=3。这意味着单侧车轮的麦弗逊悬架有3个自由度，包括：车轮绕车轴的转动自由度；车轮绕主销的转动自由度；车轮上下方向跳动的自由度。2.2 系统坐标系的确立在建立多体模型时,坐标系的选择对建立样机模型的力学方程的难易程度起到很大的作用。该模型的坐标原点为两侧车轮接地印迹中心点连线的中点。以地面为XY平面,汽车中心对称面为XZ平面,通过前轮轮心连线,垂直XY、XZ两平面的面

9、为YZ平面,取竖直向上为Z轴正向,车身右侧为Y轴正向,以车前进方向的反方向为X轴正向。2.3 模型关键硬点的获取硬点是各零件之间连接处的关键几何定位点,确定硬点就是在子系统坐标系中给出零件之间连接点的几何位置。模型关键硬点的空间位置坐标和相关系数是建立运动学模型的关键,从厂家提供的零/部件装配图上可以得到硬点的坐标值。2.4 仿真模型的建立根据某乘用车的前悬架及整车设计参数，计算或测量整合零件的质量、质心位置及绕质心坐标系三个坐标轴的转动惯量,将这些动力学参数填写到对应的对话框中。然后在硬点的基础上创建零件的几何模型,并定义各零件间的运动关系确定约束类型,通过约束将各零件连接起来,从而构成子系

10、统结构模型。最后将建好的子系统模型组装成悬架系统模型,完成ADAMS /CAR模型下的建模过程。在多体动力学软件ADMAS/Car中建立该车带转向系统的麦弗逊前悬架及整车多体动力学仿真模型。如图1所示。图1 前悬架总成模型3 前悬架运动性能分析3.1主销后倾角对整车运动学性能的影响主销后倾角是指主销轴线和地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角。由于有主销内倾角的存在, 使得主销延长线接地点落在轮胎接地点前面,产生回正力矩,从而保证汽车稳定直线行驶。回正力矩不易过大,否则将使驾驶员转动方向盘过于吃力,影响整车的操纵稳定性。现代汽车设计主销后倾角一般不超过2°-3°。3.2主销内倾角

11、对整车运动学性能的影响主销内倾角是指主销轴线与地面垂直线在汽车横向平面内的夹角。同主销后倾角一样,也使车轮有自动回正作用。由于有主销内倾角的存在,使得驾驶员转向操纵轻便,也可以减小从车轮传递到方向盘的冲击力。但内倾角不易过大,否则在汽车转向时,轮胎与路面产生较大的滑动,使得转向操纵沉重,影响整车稳定性,同时加剧轮胎磨损。3.3车轮外倾角对整车运动学性能的影响车轮外倾角是指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线之间的夹角。由于车轮外倾角的存在,保证汽车直线订驶稳定性的同时,使得驾驶员转向操纵轻便,同时也与拱形路面相适应。3.4前束角对整车运动学性能的影响因前轮有外倾角的存在,将导致

12、两侧车轮有向外滚开的趋势,由于转向横拉杆等一些构件对车轮有约束作用,车轮会出现既有滚动又有滑动的情况。因此为了消除前轮外倾角的存在而带来的不良后果，在汽车设计时添加前轮前束，前束也可用前束角来表示。前束角选择的合理可以延缓轮胎磨损。3.5主销偏距对整车运动学性能的影响主销偏距是指主销延长线与地面的交点到轮胎接地中心的距离。主销偏距的大小对转向操纵轻便与否起到非常关键作用,主销偏距小,则转向时阻力也小,主销偏距大,则使转向沉重的同时加剧轮胎磨损。3.6轮距变化量对整车运动学性能的影响汽车在行驶时,车轮会产生上下跳动,这样会导致轮距变化。轮距变化一方面会使轮胎加剧磨损，另一方面也会影响汽车行驶的直

13、线稳定性和操纵稳定性。因此,轮距变化量越小对整车行驶越有利。4 仿真分析本仿真试验分析主要采用双轮同向激振仿真,保持左右车轮相同高度,对车轮施加设定数值的上挑和回弹运动,从而获取悬挂特征参数。通过进行双侧车轮平行跳动仿真来分析前轮前束角、车轮外倾角、主销后倾角。跳动的范围选择为轿车经常用的±50 mm,前轮定位参数变化曲线如图2图4所示。图2 前轮前束角的变化曲线图3 车轮外倾角的变化曲线图4 主销后倾角的变化曲线5 结论主销后倾角越大，越有助于保持车辆行驶的方向稳定性，但过大的主销后倾角可能导致不平顺的行驶状况，若在低速，甚至会导致转向前轮产生摆振，因此主销后倾宜在2°-

14、3°范围内。在车轮跳动过程中，车轮外倾角对轮胎的侧滑影响小，但是，外倾角过大，会使轮胎出现偏磨损现象，故车轮外倾角应在0.5°-2°范围内,。对于前束角应配合车轮外倾角的取值，控制在0.2°-1.0°。在车轮跳动过程中，特别在低速行驶过程中，主销内倾角过大，会使转向发飘。在车轮上跳过程中外倾角减小，能有效补偿由于车身侧倾引起的不良影响。主销后倾角对内倾角变化影响较大，并且随着车轮的上跳，主销内倾角增加，能有效补偿由于载荷增加而降低汽车转向轻便性的趋势，有利于提高汽车的转向轻便性。主销内倾角对后倾角的变化影响最大，并且，主销后倾角随车轮上跳而增大，由侧向力引起的不足转向特性将得到提高。根据某车型存在的问题，研究的车轮跳动过程中车轮定位参数与轮胎磨损的关系以及定位参数相互之间的影响将为汽车的初始设计提供可靠的技术依据，为有效地减小车轮侧滑、降低轮胎磨损以及提高汽车的操纵稳定性进行了探索。本文分析了悬架运动学参数对整车性能的影响利用多体动力学软件ADAMS/Car对麦弗逊悬架进行建模与仿真,分别得到主销后倾角、车