车辆动力学基础

1、车辆动车辆动力学基力学基础础实实 验验 指指 导导 书书姓名姓名 班级班级 学号学号 南南京京农农业业大大学学工工学学院院机机械械工工程程系系机机械械设设计计教教研研室室编编2013 年年 1 月月目目 录录实验一实验一 曲柄滑块机构的动力学模拟曲柄滑块机构的动力学模拟.1实验二实验二 单摆机构的动力学模拟单摆机构的动力学模拟.9实验三实验三 弹簧阻尼弹簧阻尼器器机构的动力学模拟机构的动力学模拟.15实验四实验四 轮胎的动力学模拟轮胎的动力学模拟.23实验五实验五 车辆的平面模型车辆的平面模型.31参考书目：ADAMS2005 机械设计高级应用实例 郑凯等编 机械工业出版社ADAMS 实例教程

2、 李军等编 北京理工大学出版社ADAMS 虚拟样机技术入门与提高 郑建荣编 机械工业出版社虚拟样机技及其在 ADAMS 的实践 王国强编 西北工业大学出版社0实验一实验一 曲柄滑块机构的动力学模拟曲柄滑块机构的动力学模拟一、实验目的一、实验目的1初步掌握多体动力学分析软件 ADAMS 中实体建模方法；2初步掌握 ADAMS 中施加约束和驱动的方法；3计算出在该驱动作用下滑块运动的位移、速度和加速度。二、实验设备和工具二、实验设备和工具1ADAMS 软件；2CAD/CAM 机房。三、实验原理三、实验原理按照曲柄滑块机构的实际工况，在软件中建立相应的几何、约束及驱动模型，即按照曲柄滑块机构的实际尺

3、寸，建立曲柄、连杆和滑块的几何实体模型；把曲柄和连杆、连杆和滑块之间的实际连接简化成铰连接，滑块和滑道之间的连接简化成棱柱副连接，从而在软件中建立其连接副模型；把曲柄的驱动运动建立相应的驱动模型； 然后利用计算机进行动力学模拟，从而可以求得曲柄、连杆和滑块零件在实际工况下的任何时间、任何位置所对应的位移、速度加速度，以及约束反力等一系列参数。四、实验步骤四、实验步骤1. 启动 ADAMS/View 程序1.1 在 windows XP 的开始启动，选择所有程序，再选择 MSC.software，然后选择 MSC.ADAMS2005 中的 Aview，启动 ADAMS/View 程序；1.2 在

4、欢迎对话框，选择 Create a new model 项；在模型名称栏输入pistonpump；重力设置选择 Earth Normal 参数；单位设置选择 MKS 系统（M，KG，N，SEC，DEG，H）；1.3 选择 OK 按钮。2. 检查和设置建模基本环境2.1 检查默认单位系统 在 Settings 菜单中选择 Units 命令，显示单位设置对话框，当前的设置应该为 M，KG，S 系统。2.2 设置工作栅格1（1）在 Settings 菜单，选择 Working Grid 命令，显示设置工作栅格对话框；（2）设置 Size X=2.0， Size Y=1.0， Spacing X=0.

5、05， Show Working Grid=on；（3）选择 OK 按钮。2.3 动态调整活动窗口 在主工具箱中，选择工具 ，在窗口内上下拖动鼠标，使之显示整个工作栅格。2.4 设置图标 在 Settings 菜单，选择 Icons 命令，显示图标设置对话框；在 New Size 栏输入 0.1；选择 OK 按钮。2.5 检查重力设置 在 Settings 菜单，选择 Gravity 命令，显示设置重力加速度对话框；当前的重力设置应该为 X=0，Y=-9.80665，Z=0，Gravity=ON；选择 OK 按钮。2.6 设置 ADAMS 默认存盘目录。在 File 菜单，选择 Select

6、Directory 栏，显示寻找目录对话框；输入要存盘的路径，选择 OK 按钮。3. 几何建模3.1 按 F4 键，显示坐标窗口。3.2 定义连接点 鼠标右击主工具箱的几何建模工具集，选取定义点工具；选择参数；Add to Ground， Dont attach； 按照表 1-1 所示的坐标，分别定义 A、B、C 点。坐标点变量名XYZAPOINT_10.00.00.0BPOINT_20.30.00.0CPOINT_31.30.00.03.3 圆盘几何建模（1）在几何建模工具集，选取圆柱体建模工具；（2）在参数设置栏，设置 New Part； Length=ON， Length=0.1；Rad

7、ius=ON， Radius=0.3；（3） 用鼠标选择 POINT_1 点为起始绘图点，拖动鼠标，此时可以看见几表 1-1 定义连接点及坐标2何形体随鼠标拖动改变方向。释放鼠标键，完成圆盘形体建模；（4）改变圆盘方向。用鼠标选择屏幕上无对象处，放弃当前对圆盘的选择；将鼠标置于点（0，0，0）用右键显示弹出式菜单；在 Part_1 下方，选择MAR_1，再选择 Modify，显示修改对话框；输入：Orientation=(0.0，0.0，0.0)，选择 OK 按钮。可以看见圆盘改变了放置方向；（5）改变圆盘位置。 在主工具箱，选择；选择不同视图方向工具，从不同的方向观看圆盘，可以看到圆盘在 Z

8、 轴方向不对称于栅格平面。选择 MAR_1， 再选择 Modify；显示修改对话框；在 Location 栏，将0，0，0改为0，0，-0.05；选择 OK 按钮，圆盘移动到对称于栅格平面的位置；（6）改变圆盘名称。将鼠标置于圆盘处，显示弹出式菜单，选择PRAT_1，再选择 Rename，显示改名对话框；在 New Name 栏，将 PART_1改为 wheel， 选择 OK 按钮；（7）设置圆盘物理性质。在圆盘处，显示弹出式菜单菜单，选择 wheel，再选择 Modify，显示修改对话框；在 Define mass by 栏，选择 Geometry and Density， Density

9、栏，输入 7800；选择 OK 按钮。3.4 连杆几何建模（1）在几何建模工具集，选取连杆建模工具；（2）在参数设置栏，选择 New Part； Width=ON， Width=0.15； Depth=ON， Depth=0.05；（3）选择 POINT_2 点为起始绘图点，拖动鼠标 POINT_3，释放鼠标键，完成建模；（4）改变连杆名称。在连杆处，显示弹出式菜单，选择 PRAT_1，再选择Rename，显示改名对话框；在 New Name 栏，将 PRAT_1 改为 handle，选择 OK 按钮；（5）设置连杆物理性质。在连杆处，显示弹出式菜单选择 handle，再选择Modify，显示

10、修改对话框；在 Define mass by 栏，选择 User Input；输入：Mass=65，选择 OK 按钮。3.5 滑块几何建模3（1）在几何建模工具集，选取立方体建模工具；（2）在参数设置栏，选择 New Part； Height=ON， Height=0.3； Depth=ON， Depth=0.3；（3)选择点（1.15，-0.15，0）为起始绘图点，拖动鼠标点（1.55，0.15，0），释放鼠标键，产生滑块几何模型；（4）改变滑块位置。在点（1.15，-0.15，0）处，显示弹出式菜单，选择MAR_1，再选择 Modify，显示修改对话框；在在 Location 栏，将1.1

11、5，-0.15，0改为1.15，-0.15，-0.15；选择 OK 按钮；（5）改变滑块名称。在滑块处，显示弹出式菜单，选择 PART_1，再选择Rename，显示改名对话框；在 New Name 栏，将 PRAT_1 改为 piston，选择OK 按钮；（6）设置滑块物理性质。在滑块处，显示弹出式菜单选择 piston，再选择Modify，显示修改对话框；在 Define mass by 栏，选择 Geometry and Material Type；在 Material Type 栏中右击显示弹出式菜单，选择 Material，再选择 Browse，显示数据库浏览器，选择 Brass，选择

12、 OK 按钮。4. 施加运动副和驱动4.1 施加铰接副 圆盘在 A 点处通过铰接副同地面框架连接，在 B、C 点处分别通过铰接副将圆盘与连杆，连杆和滑块连接。（1）添加圆盘与地面框架铰接副。在主工具箱的连接工具集，选择铰接副；在参数设置栏，选择 1Location，Normal To Grid；选择 POINT_1 点，完成设置。（2）添加圆盘与连杆铰接副。连接工具集，选择铰接副；在参数设置栏，选择 2-Bod-1Loc，Normal to Grid； 依次选择：圆盘、连杆、POINT_2，完成设置。（3）添加连杆与滑块铰接副。连接工具集，选择铰接副；在参数设置栏，选择 2-Bod-1Loc，

13、Normal to Grid； 依次选择：连杆、滑块、POINT_3，完成设置。4.2 仿真观看当前模型的运动情况（1）在主工具箱，选择仿真工具；4（2）在主工具箱参数设置栏，选择 Dynamic，取 End Time=5.0， Steps=200；（3）选择，开始仿真分析。4.3 添加棱柱副（1）在主工具箱，选择棱柱副工具。（2）在主工具箱参数设置栏，选择 2-Bod-1Loc，Pick Feature。（3）依次选择：滑块、地面、POINT_3、方向指向圆盘，完成设置。4.5 定义圆盘的运动（1）在主工具箱的运动工具集，选择旋转运动工具图标，显示定义旋转运动对话框；（2）在 Set up

14、栏，输入 360；选择 JOINT_1，完成转速设置。4.6 施加滑块作用力 F（1）定义点的作用点。在主工具箱的几何建模工具集，选取定义点工具；选择参数：Add to Ground，Dont attach，选择点（1.55，0，0），定义点 POINT_4。（2）在主工具箱的力工具箱，选择单作用力图标，显示施加力对话框。（3）在参数设置区，输入和选择：Direction=Space Fixed； Construction=Pick Feature；Characteristic=Custom。 FORCE_1=ON， FORCE=10000（4）依次选择：滑块、点 POINT_4（1.55，0

15、，0）和鼠标箭头指向圆盘方向；设置 FORCE_1 同时显示修改力对话框。（5）保存曲柄滑块机构模型。 在 File 菜单，选择 Save Database。当前模型的轴测视图如图 1-1 所示：55. 对曲柄滑块机构进行仿真分析5.1 仿真分析（1）在主工具箱，选择仿真工具。（2）在主工具箱参数设置栏，选择 Dynamic，取 End Time=2.5， Steps=200。6. 建立测量（滑块的位移、速度、加速度）（1）鼠标右键单击需要测量的部件，系统打开右键快捷菜单，选择Measure；（2）系统打开参数对话框，如图 1-2，将 Characteristic 设为 CM Position

16、，Component 设为 X，测量 X 向位移；（3）点击 Apply，出现空白的测量窗口；（4）重复上述步骤，将 Characteristic 设为 CM Velocity，新建测量速度；（5）重复上述步骤，将 Characteristic 设为 CM Acceleration，新建测量加速度；图 1-1 曲柄滑块机构模型6（6）建立的测量窗口后，点击工具箱中的仿真图标，按照先前的设置进行仿真，仿真结果如图 1-3 所示；（7）如需测量其他部件的位移、速度、加速度以及力其测量方法相同。图 1-2 设置参数7五、思考题五、思考题1建模时首先建立了工作栅格，工作栅格的作用是什么？2建模时输入的

17、坐标是相对于哪个坐标而言的，该坐标系在 ADAMS软件中对应的是何名称？3请尝试在栏杆的中心处建立测量点，并把连杆中心处的位移、速度、加速度模拟出来？六、实验报告六、实验报告按照以下要求递交实验报告1建模要求把建模完成图抓图 1 幅，粘贴于实验报告中，并对作图过程作简要叙述。2. 施加运动副和驱动要求把运动机构施加运动副和驱动完成的图抓图 1 幅，粘贴于实验报告中，并对施加的运动副和驱动作简要叙述。3. 模拟结果要求把滑块的运动位移、速度、加速度模拟出来，分别抓图 1 幅，粘贴于实验图 1-3 仿真结果8报告中，并对模拟结果作简要的叙述。9实验二实验二 单摆机构的动力学模拟单摆机构的动力学模拟

18、一、实验目的一、实验目的1掌握多体动力学分析软件 ADAMS 中实体建模方法；2掌握 ADAMS 中施加约束和驱动的方法；3计算出单摆运动的位移、速度和加速度。二、实验设备和工具二、实验设备和工具1ADAMS 软件；2CAD/CAM 机房。三、实验原理三、实验原理按照单摆机构的实际工况，在软件中相应的几何及约束模型，即按照单摆机构的实际尺寸，建立单摆几何实体模型；把摆臂和大地之间的实际连接简化成铰连接，从而在软件中建立其连接副模型；按照摆臂初始运动的参数，如初始转角和转速建立相应的驱动模型；然后利用计算机进行动力学模拟，从而可以求得摆臂在实际工况下的任何时间、任何位置所对应的位移、速度加速度，

19、以及摆臂和大地铰接点处的约束反力等一系列参数。四、实验步骤四、实验步骤1问题描述图 2-1 为单摆机构简图，AB 为匀质杆，质量 2kg，长 450mm，A 点铰接固定，杆 AB 在垂直平面内摆动，求当 =30 度时，角速度为 3rad/s 时，铰接点 A 处的支撑力。B A2. 运行 ADAMS图 2-1 单摆机构简图102.1 通过开始程序菜单运行 ADAMS2005，或直接双击桌面图标，运行ADAMS2005；2.2 出现 ADAMS 界面，选择 Create a new model；2.3 确认 Gravity（重力）文本框中是 Earth Normal(-Global Y),Unit

20、s(单位) 文本框中是 MM，K，S，确认后单击 OK 按钮；2.4 在 Settings 下拉菜单中选择 Working Grid，系统打开参数设置对话框，在 spacing 栏，X 和 Y 都输入 25mm。3. 建立几何模型3.1 用鼠标右键单击几何工具箱，弹出级联图标，用鼠标左键选中杆件图标；3.2 系统打开参数设置对话框，如图 2-2 所示，确认在工具箱下方文本框中显示 New Part。选中 Length 选项，输入 45.0cm，即摆臂长度。选种 width选项，输入 2.0cm，选中 Depth 选项，输入 2.75cm；3.3 按 F4 打开坐标框，鼠标单击（-225，0，0

21、）作为摆臂的左侧起点，然后单击右侧水平方向任一点，ADAMS 自动生成摆臂，如图 2-3 所示； 4. 设置模型参数图 2-2 参数设置对话框图 2-3 摆臂114.1 设置摆臂质量鼠标右键单击摆臂 Part_2，在右键打开的快捷菜单中选择 Modify，弹出修改对话框，在 Define mass by 栏中选择 User Input.，在 Mass 栏输入 2.0，单击 OK 按钮。4.2. 设置摆臂位置（1）在工具箱中选择定位图标。系统打开参数设置对话框，在 Angle栏输入 30，此时摆臂高亮显示；（2）点击顺时针箭头，摆臂转向与水平方向成 30 度，如图 2-4 所示。5. 建立单摆支

22、点5.1 在主工具箱中选择铰接副。系统打开参数设置对话框，确认在工具箱下方的 Construction 文本框中显示 1Location 和 Normal to Grid；5.2 鼠标左键点击摆臂的左端点 PART_2.MARKER_1；5.3 在大地和摆臂之间生成一个铰接支点，如图 2-5 所示。图 2-4 转动摆臂位置图 2-5 建立铰接点126. 设置初始运动6.1 鼠标右键点击摆臂，在打开的右键快捷菜单中选择 Modify 命令，系统打开修改对话框，在 Category 项选择 Velocity Initial Conditions；6.2 在 Angular velocity abo

23、ut 项选择 Part CM；6.3 在下面的选项中选择 Z 轴，并输入 3.0r。输入完成后单击 OK 按钮。7. 验证模型7.1 通过验证模型可以发现建模过程中的错误，ADAMS 会自动检测一些错误，如为连接的约束，动力系统中无质量的部件，无约束的部件等。并给出警告可能引发的问题。7.2 在 ADAMS 窗体的右下角，用鼠标右键点击 Information 按钮。7.3 在弹出的级联图标中选择 Verification 图标，弹出信息窗口。模型验证无误后，关闭信息窗口。模型建立完成后，对模型进行仿真。8. 设置 A 点支撑力的测量8.1 鼠标右键点击单败 A 点，选择 JOINT_1 然后

24、选择 Measure，弹出铰接测量对话框，在 Characteristic 栏选择 Force, component 栏选择 mag（幅值）。设定完毕单击 OK 按钮；8.2 出现一个空白测量窗口。9 运行仿真9.1 点击工具箱中仿真图标，系统打开参数设置对话框，将 End Time设为 0.5，Step 设为 50。9.2 点击开始按钮，单摆开始摆动，测量曲线如图 2-6 所示。图 2-6 单摆转角测量曲线1310. 获得支承反力10.1 在测量窗口的空白处点鼠标右键，选择 Plot:scht1transfer to full plot，如图 2-7 所示，在 ADAMS/Postproce

25、ssor 环境下绘制测量曲线；10.2 选择 plot Tracking 图标。要求计算时的条件即为开始仿真时的条件，把鼠标置于仿真曲线的开始位置；10.3 窗口顶端，X 为仿真时间，y 为支撑力，即要计算的支撑力，结果显示为 10.72N。五、思考题五、思考题1请尝试在摆臂中心处设置测量点，并模拟出摆臂在该中心点处的运动位移、速度和加速度？2设置单摆的初始位置和初速度不同时，请模拟出单摆的运动情况？3. 进行动力学模拟时，参数 End time 和 Steps 分别表示什么含义？六、实验报告六、实验报告按照以下要求递交实验报告1建模要求把摆臂建模完成图抓图 1 幅，粘贴于实验报告中，并对作图

26、过程作简要叙述。2. 施加运动副和驱动要求把单摆运动机构施加运动副和驱动完成的图抓图 1 幅，粘贴于实验报告图 2-7 铰接点处作用反力测量曲线14中，并对施加的运动副和驱动作简要叙述。3. 模拟结果要求把摆臂的运动位移、速度、加速度模拟出来，抓其中 1 幅图，粘贴于实验报告中，并对模拟结果作简要的叙述。15实验三实验三 弹簧阻尼器机构的动力学模拟弹簧阻尼器机构的动力学模拟一、实验目的一、实验目的1掌握多体动力学分析软件 ADAMS 中实体建模方法；2掌握 ADAMS 中施加约束和驱动的方法；3计算出弹簧阻尼机构运动时，弹簧振子的位移、速度、加速度和弹簧位移与弹簧力的对应关系。二、实验设备和工

27、具二、实验设备和工具1ADAMS 软件；2CAD/CAM 机房。三、实验原理三、实验原理按照弹簧阻尼器机构的实际工况，在软件中建立相应的几何、约束及驱动模型，即按照弹簧阻尼器机构的实际尺寸，建立弹簧、阻尼器和质量块的几何实体模型；质量块的运动为上下作自由衰减运动，可以理论简化为在质量块与大地之间建立平动副，弹簧、阻尼器共同连接到连接大地和质量块上；然后利用计算机进行动力学模拟，从而可以求得质量块在弹簧阻尼器连接下任何时间、任何位置所对应的位移、速度加速度，以及弹簧中位移和弹性恢复力之间的对应关系等一系列参数，变换弹簧、阻尼器和质量块的参数可以进行多次不同状态下的模拟。四、实验步骤四、实验步骤

28、MM：187.224KgK：5.0N/mmC：0.05N-sec/mmL0：400mmF0：0图 3-1 弹簧阻尼器机构示意图161问题描述图 3-1 为弹簧阻尼器机构简图，M 为振子，质量为 187.224kg；弹簧刚度K5N/mm，阻尼器阻尼为 C0.05N/mm，弹簧空载长度为 400mm，求当弹簧阻尼机构振动时，铰接点 A 处的支撑力。2. 启动 ADAMS2.1 运行 ADAMS2005，在欢迎界面中，选择 Create a new model, Model name 输入 spring_mass；2.2 确认 Gravity（重力）文本框中是 Earth Normal(-Globa

29、l Y)，Units (单位)文本框中是 MMKS(mm,kg,N,s,deg)。3. 建立几何模型3.1 单击 F4 显示坐标窗口；3.2 在主工具箱中选择 Box 工具按钮建立一质量块，用默认尺寸即可；3.3 在屏幕任意位置点击鼠标创建质量块；3.4 右键点击质量块，选择 part_2，然后选择 Rename，更名为 mass；3.5 右键点击质量块，选择 mass，然后选择 Modify。在打开的对话框中修改 Define mass by 项为 User Input，在 Mass 栏输入 187.224；3.6 选择右视图按钮查看质量块的位置，进行调整栅格位于质量块的中心。选择 Edit

30、 菜单下的 Move 项，在对话框中选择 Relocate the 项为 Part，右键点击右侧文本框选择 Part，出现 Guesses 然后选择 mass ,如图 3-2 所示。3.7 在 Translate 下方的数字栏中输入-100，或者输入 100 再单击前面的按钮图 3-2 选择移动质量块17，如图 3-3 所示；3.8 设置完毕后，单击 Z 轴方向按钮，使质量块中心位于工作栅格位置，选择正视按钮，显示栅格便于建模；4. 施加运动副为了确保质量块的运动只沿 Y 轴移动，添加一平动副。选择工具箱中的平动副按钮，选择质量块和大地为对象，Y 轴为运动方向。如图 3-4 所示。5. 设置弹

31、簧和阻尼器参数5.1 选择工具栏中的弹簧阻尼器按钮，设置参数：K=ON，K=5.0；C=ON，C=0.05；图 3-3 移动对话框图 3-4 添加平动副185.2 设置完毕，选择质量块中心点，以及点击沿 Y 轴向上 400mm 的位置，即相当于与大地建立弹簧连接，如图 3-5 所示；5.3 为了确定弹簧在空载时长度为 400mm，选择菜单栏中 Tools 菜单中的Measure distance,在测量对话框中 First Marker Name 栏单击鼠标右键，选择position 然后选择 pick，选择质量块的中心点 mass.cm，在 second Marker Name 栏单击鼠标右

32、键，选择 position 然后选择 pick，选择弹簧的上顶点ground.MARKER_5；5.4 设置完毕，单击 OK 按钮。测量信息窗口如图 3-6，Y 轴距离为-400mm。图 3-5 建立弹簧阻尼器模型图 3-6 测量信息窗口196. 对弹簧阻尼器机构仿真分析6.1 测量静平衡时弹簧力的大小，选择工具箱中的仿真按钮，选择工具箱下侧的计算静平衡按钮，计算成功会出现提示。6.2 计算完毕单击返回按钮，右键点击弹簧选择 spring_1，然后选择Measure，在打开的测量对话框中 Characteristic 选择 force,在 Measure Name 栏输入 spring_for

33、ce，单击 OK 按纽，建立一测量力的窗口。为了只测量力的大小，在测量窗口内单击鼠标右键并选择 Measure modify，在修改力函数对话框中加上绝对值函数 ABS（），如图 3-7 所示；6.3 根据弹簧力测量曲线，起始位置即静平衡时弹簧力为 1836N，即质量块的重力：187.224kg*9806.65mm/s2(=1836.04N)。测量曲线如图 3-8 所示；6.4 继续测量弹簧的变形曲线。右键点击弹簧选择 spring_1，然后选择Measure，在打开的测量对话框中 Measure name 输入 spring_displace, Characteristic 选择 Defor

34、mation，建立空白的位移测量窗口；图 3-7 修改测量力函数206.5 选择工具箱中的仿真按钮，设置仿真时间 End Time 为 2，Steps 为50，开始仿真，位移曲线如图 3-9 所示；6.6 在力测量曲线窗口空白处单击鼠标右键，选择 plot: scht1-Transfer to 图 3-8 弹簧力测量曲线图 3-9 弹簧变形曲线图 3-10 测量曲线参数设置21full plot，切换到 ADAMS/Postprocessor 窗口。6.7 单击 clear plot 按钮清除窗口内的曲线。在 Result set 选项中选择spring_force 下，选择 componen

35、t 下的 Q 分量。如图 3-10 所示；6.8 在 Independent Axis 项选择 Data 项，在弹出的选择窗口spring_displace，在 component 中选择 Q，选择完毕单击 OK 如图 3-11。 6.9 单击 Add curves 按钮添加新选择的曲线，即以 X 轴为Spring_displace，Y 轴为 spring_force,如图 3-12。五、思考题五、思考题1在 ADAMS 中建立的弹簧阻尼器模型图 3-5 和图 3-1 给出的弹簧阻尼器模型存在不同吗，对结果会不会产生影响？图 3-11 选择 Independent Axis图 3-12 力与位

36、移的关系曲线222请尝试变换弹簧、阻尼器和质量块的参数，进行模拟？3变换阻尼器的参数，进行模拟，当阻尼器的值设置大到一定程度后，弹簧阻尼器机构模拟时会产生什么情况？ 六、实验报告六、实验报告按照以下要求递交实验报告1建模要求把建模完成图抓图 1 幅，粘贴于实验报告中，并对作图过程作简要叙述。2. 施加运动副和驱动要求把弹簧阻尼器运动机构施加运动副和驱动完成的图抓图 1 幅，粘贴于实验报告中，并对施加的运动副和驱动作简要叙述。3. 模拟结果要求把质量块的运动位移、速度、加速度和弹簧中位移和弹性恢复力之间的对应关系模拟出来，分别抓图 1 幅,粘贴于实验报告中，并对模拟结果作简要的叙述。23实验四实

37、验四 轮胎的动力学模拟轮胎的动力学模拟一、实验目的一、实验目的1掌握多体动力学分析软件 ADAMS 中轮胎建模方法；2掌握 ADAMS 中施加约束和驱动的方法；3计算出轮胎的质量、刚度、阻尼和地面对轮胎的作用力。二、实验设备和工具二、实验设备和工具1PRO/E 软件；2. ADAMS 软件2CAD/CAM 机房。三、实验原理三、实验原理轮胎的力学特性分类如图4-1所示。轮胎力学特性包括轮胎静态特性和轮胎动态特性。从轮胎的运动状态来分，轮胎动态特性可分为稳态特性和非稳态特性；从轮胎力的作用方向来分，轮胎动态特性又可分为侧偏特性（转向特性） 、纵滑特性（驱动/制动特性） 、侧倾特性、垂直振动特性、

38、包容特性及复合滑移特性等。轮胎力学特征轮胎动态特性轮胎静态特性从轮胎运动状态来分从轮胎力作用方向来分非稳态特性平面外特性平面内特性复合滑移特性侧偏特性转偏特性侧滑特性纵滑特性垂直振动特性包容特性稳态特性图 4-1 轮胎力学特性分类24轮胎力学特性的研究手段有理论研究和试验研究。理论研究是在轮胎物理原型和变形机理的研究基础上建立对轮胎力学特性的数学描述。即描述轮胎的六分力与车轮运动参数之间的数学关系，描述轮胎在特定的工作条件下的输入和输出之间的关系。轮胎的结构参数和力学特性决定着车辆的主要行驶性能。轮胎所受的垂直力、 纵向力、 侧向力和回正力矩对汽车的平顺性、 操纵稳定性和安全性起重要作用。轮胎

39、模型对车辆动力学仿真技术的发展及仿真计算结果有很大影响，轮胎模型的精度必须与车辆模型精度相匹配。因此，选用轮胎模型是至关重要的。由于轮胎具有结构的复杂性和力学性能的非线性，选择符合实际又便于使用的轮胎模型是建立虚拟样车模型的关键。轮胎建模的方法分为三种：1）经验半经验模型 针对具体轮胎的某一具体特性。目前广泛应用的有Magic Formula公式和吉林大学郭孔辉院士利用指数函数建立的描述轮胎六分力特性的统一轮胎半经验模型UniTire，其主要用于车辆的操纵动力学的研究。2）物理模型 根据轮胎的力学特性，用物理结构去代替轮胎结构，用物理结构变形看作是轮胎的变形。比较复杂的物理模型有梁、弦模型。特

40、点是具有解析表达式，能探讨轮胎特性的形成机理。缺点是精确度较经验半经验模型差，且梁、弦模型的计算较繁复。3）有限元模型 基于对轮胎结构的详细描述 ,包括几何和材料特性，精确的建模能较准确的计算出轮胎的稳态和动态响应。但是其与地面的接触模型很复杂，占用计算机资源太大，在现阶段应用于不平路面的车辆动力学仿真还不现实，处于研究阶段。主要用于轮胎的设计与制造一）ADAMS/TIRE轮胎不是刚体也不是柔体，而是一组数学函数。由于轮胎结构材料和力学性能的复杂性和非线性以及适用工况的多样性，目前还没有一个轮胎模型可适用于所有工况的仿真，每个轮胎模型都有优缺点和适用的范围。必须根据需要选择合适的轮胎模型。 A

41、DAMS/TIRE分为两大类：1.用于操稳分析的轮胎模型25魔术公式是用三角函数的组合公式拟合轮胎试验数据，用一套形式相同的公式完整地表达轮胎的纵向力、侧向力、回正力矩、翻转力矩、阻力矩以及纵向力、侧向力的联合作用工况，主要包括以下的前四种模型。1）魔术公式轮胎模型（MFTyre）根据仿真工况的不同可在稳态和非稳态之间切换模型，考虑了轮胎高速旋转时陀螺耦合、侧偏和纵滑的相互影响，外倾对侧偏和纵滑的影响。适用范围：有效频率到8Hz，是点接触模型，只能用于平路面（路面起伏的波长必须大于轮胎的周长） 。2）Pacejka89、Pacejka94 由提出者Pacejka教授根据其发布年命名的，是稳态侧

42、偏模型，不能用于非稳态工况。适用范围：有效频率到0.5Hz，当与2D路面作用时是点接触；当与3D路面作用时，等效贯穿体积的方法来计算垂直力，等效法假设轮胎胎体是圆筒，必须在轮胎文件的形状模块输入了轮胎胎体横剖面。3） PAC2002模型 Pacejka的后期发展 , PAC2002和MFTyre具有相同的功能，但改善了模型的翻转力矩，已经取代了MFTyre。适用范围：有效频率到8Hz，主要用于操稳的仿真分析。4）PAC MC模型，是专门用于摩托车轮胎模型，有效频率到8Hz，适合于大外倾角的工况。5）Fiala模型 是弹性基础上的梁模型，不考虑外倾和松弛长度。当不把内倾角作为主要因数且把纵向滑移

43、和横向滑移分开对待的情况下，对于简单的操纵性分析可得到合理的结果。适用范围：有效频率到0.5Hz，可以用于二维和三维路面，当与2D路面作用时是点接触；当与3D路面作用时，等效贯穿体积的方法来计算垂直力。6）UA模型 考虑了非稳态效果，通过摩擦圆考虑了侧偏和纵滑的相互影响，也考虑了外倾和松弛长度，在只需要有限几个参数的情况下，有非常好的精度。适用范围：有效频率到8Hz，是点接触模型，只能用于平路面（路面起伏的波长必须大于轮胎的周长） 。7）5.2.1轮胎模型 是ADAMS早期发布的轮胎模型，现已很少使用。适用范围：有效频率到0.5Hz是点接触模型，只能用于平路面。26注： 5.2.1轮胎模型使用

44、的路面文件是特有的，不能被其他的操纵分析轮胎模型所识别。2. 用于耐久性分析的轮胎模型 三维接触模型，考虑了轮胎胎侧截面的几何特性，并把轮胎沿宽度方向离散，用等效贯穿体积的方法来计算垂直力，可以用于三维路面。该模型是一个单独的License，但是如果用户只购买Durability TIRE，只能用Fiala模型计算操纵稳定性。除了上述两类模型以外，还有环模型，作为子午线轮胎的近似，研究轮胎本身的振动特性，成为国际上仿真轮胎在短波不平路面动特性的主流模型，是目前发展比较成熟和得到商业化应用的轮胎模型，其中具有代表性的是F-tire和SWIFT轮胎模型。1）SWIFT模型（Short Wave I

45、ntermediate Frequency TIRE Model） SWIFT模型是由荷兰Delft工业大学和TNO联合开发的，是一个刚性环模型，在环模型的基础上只考虑轮胎的0阶转动和1阶错动这两阶模态，此时轮胎只作整体的刚体运动而并不发生变形。在只关心轮胎的中低频特性时可满足要求。由于不需要计算胎体的变形，刚性环模型的计算效率大大提高，可用于硬件在环仿真进行主动悬架和ABS的开发。在处理面外动力学问题时，SWIFT使用了魔术公式。可用于研究一些复杂的工况, 例如:不平路面的侧偏和ABS制动。在处理轮胎-地面的接触问题时, SWIFT采用了等效路形的方法，所用的等效路形是由一个专门的包容模型算

46、出来的。所以, SWIFT模型要自带一个包容模型来提供等效路形，这也是它的缺点之一。适用范围：有效频率为60-100Hz，可用于短波不平路面。注： SWIFT模型所用到的路面模型要有合适的采样间隔，否则会应用以内插值替换的数据，采样间隔一般为0.10.2 m 或者更大。2）FTireFTire模型是由德国 Esslingen大学的Michael Gipser领导的小组开发的，从名字可以看到它是基于柔性环模型，即它从本质上来说是一个物理模型。FTire模型发布在虚拟样机软件ADAMS之中，引起了广泛的关注和讨论。它是兼顾了仿真精度和仿真速度的2.5维非线性轮胎模型。自ADAMS 11.0版本后，

47、FTire模型作为MSC官方推荐的用于车辆的平顺性、耐久性以及操纵性27仿真分析的轮胎模型。FTire模型的主要结构特征及特点有以下几点：（1） 弹性环不仅能描述轮胎的面内振动，也能描述轮胎的面外特性。胎体沿着圆周方向离散，需要时也可在胎体宽度方向离散，胎体单元之间用弹簧相连，在每个胎体单元上有一定数量的胎面单元；（2） 轮辋与轮胎用径、切、侧3个方向的分布弹簧相连；（3） 轮胎的自由半径和弹簧的刚度随着轮胎转速的变化而改变；（4） 采用了复杂非线性的模型描述胎面橡胶的摩擦特性，即摩擦系数为压力和滑移速度的函数；（5） 可用于短波不平路面，即适应的波长小于轮胎接地印迹长度一半的障碍物。四、实验

48、步骤四、实验步骤1.轮胎模型特性参数的获取1.1估算转动惯量根据负荷和使用要求选用轮胎型号为：275/70R22.5，质量为100kg，利用Pro/E软件建立轮胎的三维模型，估算转动惯量。首先创建一个薄板特征，在薄板面上再作薄壁cut特征；选择薄壁cut特征作阵列。图 4-2 阵列后结果 28图4-3 进入环形折弯菜单在Feat菜单中选择环形折弯，进入环形折弯项目后选择 360，表明进行 360 度的弯曲。接受其他默认选项，然后单击 Done 进入下一层菜单。单击DEFINE BEND菜单下的Done选项，进人下一层菜单。系统提示选取草绘平面，选取RIGHT平面，接受所有缺省选项，进入草绘模式

49、。草绘截面，选取环形折弯时最终要重合的两个面，生成半个轮胎，镜像后得到整个轮胎实体。图4-4 半个轮胎29根据轮胎型号B=275mm，选择轮辋的宽度A=8.25英寸，再根据国标GB/T3487-2005的相关数据草绘轮辋截面，扫描后得轮辋实体。把轮胎与轮辋装配成车轮，输入各部分密度后，经PRO/E软件估算轮胎转动惯量。1.2 确定轮胎的刚度轮胎的刚度包括径向刚度、侧向刚度和切向刚度。轮胎的径向刚度影响平顺性，一般由负荷挠曲曲线上相当于额定工况点的斜率来确定。通常这个曲线是从静止轮胎测出的静刚度。不过试验表明，动刚度只比静刚度小5%10%，并且变化最大的为斜交轮胎。切向刚度是常数，用于载重车、长

50、途汽车的子午线轮胎切向刚度约为9.8105N/m。切向刚度约为径向刚度的40%60%。五、思考题五、思考题轮胎的刚度与阻尼是影响行驶平顺性的主要结构因素。各国学者对拖拉机轮胎的刚度和阻尼进行了系统的试验研究，发现轮胎的径向刚度与轮胎截面宽度、轮辋直径、使用年限和充气压力有关。英国的Lines & Murphy 给出了计算拖拉机轮胎径向刚度的经验公式： （1）172 1.775.634/10000skDAWDP式中，Ks轮胎径向刚度；D轮辋直径，in;A轮胎使用年数，年；W轮胎截面宽度，in;P轮胎充气压力，kPa。表 1 轮胎参数型号W/inD/inA/年P/kPa前轮16.9-2816.9