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车轮制动盘半轴下横臂转向节转向横拉杆减震器螺旋弹簧麦弗逊前悬架三维模型附录APerformance Kinematics Simulation of MacphersonSuspension Based on ADAMSWANG Yuefang, WANG Zhenhua(Department of Vehicle & Power Engineering，College of Mechatronics Engineering,North University of China, Taiyuan, Shanxi, 030051, China)Phone:+863513920300 Fax:+863513922364 E-Mail:Abstract: The paper discusses a basic simulation way on founding a front suspension simulation model. It applies on method of multi-body dynamics and uses virtual prototyping technology software ADAMS building up Macpherson suspension entity mold. It analyzes the relations between a Macpherson suspension system and wheel alignment characteristic through kinematics simulation, and obtains the changing trend of the wheel alignment parameters. This provides theoretical foundation with further optimization design.Key words: Macpherson Suspension; Kinematics Simulation; ADAMS1. IntroductionSuspension system is a key part for cars, and has decisive effect on car drivability, stability, and comfortability. Because of its characteristics of simple structure, low cost and space economy, Macpherson suspension has become the most popular independent suspension since its emergence. Hence, the kinematics analysis of Macpherson suspension has great significance. ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System) is a simulation software of mechanical system used most widely in the world. Based on the ADAMS virtual model technology, the automobile suspension is regard as a multi-body system which parts connect and motion each other. With the help of ADAMS/View, this paper established multi-body dynamics model of Macpherson front suspension of some car which is increasingly wide used in modern car, and the effects of suspension parameters when wheel travel or turn were studied. The ADAMS entity numeric suspension kinetics simulation provides an efficient and updated tool for developing suspension system.2. Simulation model2.1 Front suspension subsystem simulation modelFirstly, three-dimensional model of Macpherson suspension system in the Pro/E according to acquired geometric parameters is established. Secondly, ADAMS/CAR model is imported by utilizing MECHANISM/Pro, and the geometric characteristic parameters can be obtained from Pro/E three-dimensional documents. The founding model time is short and very accurate. Fig.1 is the model of Macpherson suspension subsystem. Table 1 is the constraints relationship between rigid bodies of front Macpherson suspension.Fig.1 Front Macpherson suspension subsystem1-lower triangle swinging arm 2-universal joint3-subsidiary car frame 4-upper suspension support 5-tie rod 6-wheel rim 7-driving axle 8-driving joint axle9-shock absorber 10-rubber liner2.2 Steering subsystem simulation modelGear and rack steering system model adopts partial coordinate system. The base point lies in center of circle of steering wheel. The direction of x, y, z axle is radial, tangential, normal of steering wheel separately. Figure 2 is the model which contains six rigid bodies that are rack, rack shell, gear axle, middle axle, steering limb and steering wheel axle. Three assembled bodies connect tie rod, subsidiary car frame and car body. Fig.2 is the model of steering system. Table 2 is the constraints relationship between rigid bodies of steering subsystem.Fig.2 The model of steering subsystem2.3 Simulation model of front Macpherson suspension systemFront Macpherson suspension subsystem and steering subsystem models from ADAMS/CAR that have been established are invoked. Then, combined parameters are input. So far , front Macpherson suspension model is finished. Figure 3 is the kinematics simulation model of Macpherson suspension.Fig.3 Suspension simulation model3. Kinematics simulation analyses3.1 Data processInitial simulation conditions uniform actual parameters of the researched car. Utilizing ADAMS/CAR model simulates bilateral parallel travel and opposite direction travel. So, the alteration of camber angle, kingpin inclination angle, caster angle and toe angle are analyzed. The structure of Macpherson suspensions left and right is symmetrical, it is totally the same to alignment parameters, only the left wheel alignment parameters are analyzed3. The range that this car beats is 150mm -130mm actually. Under two kinds of operating modes, the comparison of changed curves on wheel alignment parameters are shown in Fig. 4-7.Fig.4 Camber angle vs wheel travelFig.5 Caster angle vs wheel travelFig.6 Toe angle vs wheel travelFig.7 Kingpin inclination angle vs wheel travel3.2 Discussion and analysis(1)In the process of wheel parallel travel and opposite travel, the alignment parameters change with the change of wheel vertical shift. In Fig.4, camber angle reduces firstly and increases secondly. The changing amount is 0.9786. The change of camber angle contains two parts: the change of camber angle that comes from car body roll and the changing amount of camber angle that relates car body travel. In Fig.5, the change of caster angle with the wheel vertical shift rise sharply.(2)Under two kinds of operating modes of wheel parallel travel and opposite travel, Fig.6 is shown , the change of toe angle is obviously. Under the operating modes of opposite travel, toe angle increases from -0.8029 to 1.6844. Its change affects car drivability and stability.(3)As we can see in Fig.4 and Fig.7, when the wheel travels downward, the change range that is from 0-130mm, the changing trend of kingpin inclination angle is opposite to camber angle. This could aggravate the wheel wear. But, according to the theoretical relationship and adjust, proper and acceptedcorresponding relation can be obtained.4. ConclusionThis paper discusses kinematics simulation analysis on founding a front Macpherson suspension simulation model that uses technology software ADAMS. Three conclusions are as follows:(1)ADAMS/CAR model is imported from Pro/E by utilizing MECHANISM/Pro, but model can also be imported to SolidWork or UG in STEP format, then, imported to ADAMS in ParaSolid format.(2)The original wheel orientation parameters of Macpherson suspension meet the require. These indicate that the model is rational. The wheel wear range is accepted.(3)The change trend of the wheel alignment parameters is gained through kinematics simulation analysis of Macpherson suspension. Wheel alignment characteristic has effect on full-vehicle capability through suspension and Camber angle. On contrary, full-vehicle motion characteristic affects wheel alignment characteristic through suspension. In a word, virtual prototyping technology software ADAMS can greatly predigest design program and shorten exploitive cycle, greatly reduce exploitive expense and cost, clearly improve product quality and system capability to get optimized and innovated product.附录B基于ADAMS的麦弗逊悬架运动学仿真分析 王月芳，王振华 （中北大学车辆与动力工程系, 山西太原030051)摘要：本文讨论了一种建立麦弗逊前悬架模型的基本仿真分析方法。它运用多体动力学的理论并在虚拟样机技术软件ADAMS上建立麦弗逊悬架实体模型。通过运动学仿真，分析了麦弗逊悬架系统与车轮定位参数特性之间的关系，得到车轮定位参数的变化趋势。这些为进一步优化设计提供了理论依据。关键词: 麦弗逊式悬架;运动仿真；ADAMS1. 前言悬架系统是汽车的关键部件，对汽车的动力性，操纵稳定性，舒适性有决定性影响。由于它的结构简单，成本低，节省空间的特点，麦弗逊悬架从它诞生以后就成为了应用最广泛的独立悬架类型。因此对麦弗逊悬架进行运动学分析具有重要意义。ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)是世界上应用最广泛的机械系统仿真软件。基于ADAMS虚拟样机技术，汽车悬架可以看作是各部件相互连接和运动的多体系统。借助于ADAMS/View，本文建立了某轿车的麦弗逊前悬架（在现代轿车上应用越来越广泛）的多体动力学模型，并研究了当车轮跳动，转动时，悬架结构参数产生的影响。在ADAMS上进行悬架动力学仿真为悬架技术的发展提供了有效而且及时的方法。2. 仿真模型前悬架系统建模首先，根据必要的几何参数，在Pro/E中建立麦弗逊悬架的三维模型。其次，通过MECHANISM/Pro，ADAMS/CAR模型被导入，而且模型的几何参数通过Pro/E三维模型文件也能得到。建模花费时间短，并且精确。图1所示的即为麦弗逊悬架子系统。表1列出了悬架各部件间的连接关系。图1：麦弗逊前悬架1-下三角摆臂；2-转向节3-副车架；4-悬架上支架5-转向横拉杆6-轮毂；7-传动轴8-传动轴节9-减震器；10-橡胶衬套转向系统模型 齿轮齿条式采用局部坐标系,坐标原点位于转向盘圆心处,x、y、z轴的方向分别为转向盘的径向、切向、法向。模型如图2,包括6个刚体,分别为齿条、齿条壳体、齿轮轴、中间轴、转向管柱和转向盘轴。3个装配刚体,分别用来连接转向横拉杆、副车架和车身。刚体之间的相互约束关系如表2。Fig.2 转向系统模型2.3 建立前悬架仿真平台模型在ADAMS/CAR 中调用上面建立好的前悬架子系统和转向子系统,输入相关参数,完成麦弗逊式悬架的建模。悬架运动学仿真模型如图3所示。图3：悬架运动学仿真平台模型3. 运动学仿真分析3.1 数据处理仿真初始条件和此车实况参数保持一致,利用ADAMS/CAR模块进行双侧平行跳动和反向跳动仿真,分析车轮外倾角、主销内倾角、主销后倾角及前束角的变化。该麦式前悬架左右结构对称,定位参数完全一样,则只分析左车轮定位参数。此车实际跳动的范围为150mm-130mm,在两种工况下,车轮定位参数变化曲线对比如图4图7所示。图4 外倾角随车轮垂直位移的变化图5 后倾角随车轮垂直位移的变化图6 前束角随车轮垂直位移的变化图7 内倾角随车轮垂直的位移的变化3.2 小结与分析(1)轮胎平行跳动和异向跳动的过程中,定位参数随垂直位移的变化而变化,在图4中，外倾角先减小后增大,变化量为0.9768。外倾角变化包括两部分,一是由车身侧倾产生的外倾角变化,二是相对车身跳动的车轮外倾变化量。在图5中，随着车轮垂直运动，车轮后倾角变化曲线上升很快。(2)车轮在平行和异向跳动工况下,如图6所示，前束角变化差异较大,异向跳动下前束角由最小-0.8029 增加到1.6844。其变化直接影响车辆的操纵稳定性,(3)由图4和图6看出,在车轮向下跳动时, 即从0- 130mm,外倾角的变化趋势与前束角的变化趋势相反,这样会加剧轮胎的磨损,根据理论上的关系和调整,可得到合理的或可接受的对应关系。4.结论本文利用ADAMS 软件建立了某车的前麦弗逊式悬架仿真模型并进行了运动仿真。由此得出以下三点；(1)在从Pro/E导入ADAMS时,可以用MECHANISM/Pro接口模块，也可以先以STEP格式导入到SolidWork 或UG 里，再以Parasolid 格式导入ADAMS 中；(2)麦弗逊悬架的初始车轮定位参数满足要求。这表明悬架模型是合理的，车轮磨损范围是可以接受的；(3)通过仿真分析明确了车轮在跳动过程中，车轮定位参数的变化趋势。车轮定位特性通过悬架与车身外倾角对整车产生影响；反之，整车的运动特性通过悬架对车轮定位特性进行影响的。总之，虚拟样机技术软件ADAMS能大大简化设计程序，缩短开发周期，大大减少开发费用和代价，明显改进产品质量和系统性能，得到优化的创新的产品。10SY-025-BY-2设计（XX）任务书学生姓名系部专业、班级指导教师姓名职称讲师从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称麦弗逊前悬架参数匹配与运动仿真一、设计目的、意义目的：本课题研究的目的就在于运用CAD/CAE技术对车辆麦弗逊式悬架的虚拟设计，在试制前的阶段进行设计和试验仿真，并且提出优化设计的意见，获得分析车轮垂直跳动、转动与车轮前束角的变化等关系。获得相关数据，在产品制造出之前，就可以发现并更正设计缺陷，完善设计方案，缩短开发周期，提高设计质量和效率，为生产实际提供理论支持。意义:悬架是车辆重要的组成部分。其主要任务是传递车轮与车架之间的力和力矩，并缓和冲击、衰减振动。对改善车辆的行驶平顺性、减轻车辆自重以及减少对公路的破坏具有重要息义。在传统悬架系统设计、试验、试制过程中必须边试验边改进，从设计到试制、试验、定型，产品开发成本较高，周期长。运用虚拟样机技术，结合虚拟设计和虚拟试验，可以大大简化悬架系统设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，提高产品质量和产品的系统性能，获得最优设计产品。二、设计内容、技术要求（研究方法）主要内容：分析麦弗逊式悬架的结构和悬架设计要求，在悬架设计中，根据整车的布置要求以及经验数据，确定悬架的整体空间数据和性能参数，运用PRO/E建立三维物理模型，并在ADAMS软件平台上建立麦弗逊悬架的简化物理模型，进行动力学仿真分析，通过分析车轮垂直跳动、转动与车轮前束角的变化等关系获得相关数据，优化相关参数，建立虚拟麦弗逊选件模型。主要技术指标：1）车轮跳动时，轮距变化不超过4mm以防止轮胎早期磨损；2）车轮跳动时，前轮定位角变化特性合理；3）转弯时，车身在0.4g侧向加速度作用下，车身侧倾角不大于35，并保证车轮与车身倾斜同向，以增加不足转向效应；4）制动及加速时，车身应有“抗点头”及“抗后坐”效应；5）应具有足够的强度，以可靠地承受及传递除垂直力以外的力和力矩。三、设计完成后应提交的成果（1）设计说明书一份，包括设计计算部分内容；（2）建立麦弗逊的PRO/E物理模型；（3）通过虚拟软件ADAMS/View 进行仿真分析；（4）物理模型图一套。四、设计进度安排（1）调研、资料收集、完成开题报告 第1、2周（2月28日3月6日）(2) 根据给出的相关尺寸参数进行相关部件的参数计算，并进行验证 第 3、4周（3月7日3月20日）(3) 在ADAMS软件平台上建立零件的等比例物理模型，进行运动学分析 第5、6、7周（3月214月10日）（4）利用部件的链接关系建立部件之间的装配 第8、9、10、11周（4月115月8日）（5）设计1.5万字说明书一份，零件图一套（包括PRO/E零件图）第12、13、14周（5月9日5月29日）（6）毕业设计审核、修改 第15、16周（5月30日6月12日）（7）毕业设计答辩准备及答辩 第17周（6月13日6月 19日）五、主要参考资料（1）汽车教材：汽车构造、 汽车理论、汽车设计、专用车设计等； （2）设计手册类书籍：汽车设计手册、机械设计手册等；（3）期刊文献资料：中国期刊网（学校图书馆期刊）中双横臂悬架的相关资料（关键词：麦弗逊前悬架；参数匹配；运动仿真；ADAMS；Pro/E ）； （4）新闻及网络资料等。 六、备注 指导教师签字：年 月 日教研室主任签字： 年 月 日SY-025-BY-3设计（XX）开题报告学生姓名系部专业、班级指导教师姓名职称从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称麦弗逊前悬架参数匹配与运动仿真一、课题研究现状、选题目的和意义课题研究现状：汽车作为极其重要的交通工具，在交通运输领域和人民日常生活中的地位日益突出，用户对汽车安全性、行驶平顺性、操纵稳定性的要求越来越高。汽车悬架系统是汽车的重要部件，是影响车辆动态特性关系最为密切的系统，汽车悬架系统对汽车的操纵稳定性、行驶平顺性以及行驶安全都有很大的影响。悬架对车辆操纵稳定性的发挥至关重要，操纵稳定性的好坏也影响着汽车行驶平顺性和安全。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。悬架的性能反映在当车轮上下跳动时，车轮的定位参数变化量保持在合理的范围内，以保证汽车具有所期望的行驶性能。汽车悬架有非独立悬架和独立悬架两种基本类型。麦弗逊式悬架(McPherson Suspension)是独立悬架的一种，于1947年由任职于美国福特汽车公司的麦弗逊(EarlSMcPherson)发明。1950年首次生产使用麦弗逊悬架汽车以后，麦弗逊悬架以其节约空间和成本较低成为最为流行的汽车独立悬架系统之一。根据对日本在1987到2000年之间生产的轿车的统计，轿车前悬架导向机构都是以麦弗逊式为主。1987年末、1994年末、2000年末采用麦弗逊悬架作为前悬架的车型所占比例分别为：696、616、693，麦弗逊悬架在三个统计年度均占第一位。在全球范围内来看，前悬架都是麦弗逊式占主导地位，该悬架的突出优点是增大了两前轮的内侧空间，便于发动机横向布置，因此这种结构广泛应用于从微型轿车到高级轿车的所有轿车中，且不分驱动桥或非驱动桥均适用。保时捷911、国产奥迪、桑塔纳、夏利、富康等轿车的前悬架均为麦弗逊独立悬架。麦弗逊独立悬架是现代汽车上广泛采用的一种悬架结构形式。悬架是连接车轮和车身的唯一部件，车轮把复杂的路况等行驶条件通过悬架系统传递给车身，所以悬架的运动特性、动力特性等的好坏直接决定汽车行驶三种性能能否实现。合理的几何参数能保证悬架具有良好的运动特性。汽车在各种行驶条件下，车轮定位参数随车轮的跳动而变化, 从而影响汽车的操纵稳定性、轮胎的磨损、安全性等性能, 是悬架设计主要考虑的指标之一。所以在设计悬架时就要充分考虑这些因素，进行合理设计，尽量满足使用要求。悬架在成品之前首先要反复进行试验，做悬架的运动学分析，以便进一步进行论证、改进设计。如何更好的设计悬架催生了对悬架的研究。汽车悬架运动学研究方法很多，对它的研究在国外起步较早。德国的耶尔森赖姆帕尔著的汽车底盘技术对各种悬架运动作了详细的分析，对车轮定位参数做了准确的定义，分析了他们的作用及其对操纵稳定性的影响。阿达姆措莫托著的汽车行驶性能和安培正人著的汽车的运动与操纵介绍了悬架运动对汽车行驶性能的影响。近年来，随着计算机技术的迅猛发展，以及各种基础理论研究成果出现，而且在现代的工程研究领域，计算机仿真技术己成为热门研究课题。这都为汽车动力学研究提供了一个方便快捷的手段。国外各主要汽车生产企业和研究机构，如Ford、GM、BMW、Audi和Volvo等的产品研发部门使用了大量的多体系统动力学分析软件，在设计研发中发挥了重要作用。应用得较多的这方面的软件有美国MSC公司的ADAMS、美国CADSI公司的DADS等。机械系统动力学仿真分析软件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）是目前世界范围内使用最广泛的虚拟样机仿真软件，应用它可以方便地建立参数化的实体模型，并进行仿真分析。ADAMS中的 Car 模块是ADAMS软件中的一个专业化模块，它整合了世界多家大型汽车企业在汽车设计、开发方面的经验，能够帮助快速建立精确的包括汽车车身、发动机、悬架系统、传动系统、转向机构以及制动系统等系统在内的参数化虚拟汽车模型。ADAMS/Insight 功能扩展模块是ADAMS 基于网页的试验设计与分析模块，能对仿真进行实验设计，可以更精确地对设计进行量化研究，应用ADAMS/Insight，可以很方便地进行一系列的仿真试验，从而精确地预测所设计的复杂的机械系统在各种工作条件下的性能，并对试验结果提供专业化的统计结果。在这种背景下，人们开始运用虚拟样机仿真软件ADAMS等建立车辆及悬架系统的复杂动力学仿真模型，并通过分析得出了许多有益结论。悬架的运动学、动力学仿真分析在汽车悬架系统的设计和开发中占有重要的地位。以机械CAD设计、虚拟样机仿真技术为前题,提出运用虚拟样机仿真软件ADAMS里的CAR模块分析并进行优化汽车悬架的设计方法。首先,根据悬架各部件之间的相对运动关系和各部件的参数在ADAMSCAR中建立某轿车的麦弗逊前悬架的三维CAD模型,再加上路面激励,分析悬架参数在汽车行驶中的变化规律，对设计参数进行修改和调整以发现其对各种性能参数的影响, 然后利用ADAMSInsight对建立的悬架模型进行结构优化，最终提供较理想的产品开发解决方案。选题目的：由于悬架系统在汽车行驶中占有重要地位和发挥关键作用，悬架的设计越来越受到广泛的重视。在传统设计方法的基础上，也出现了许多先进设计方法和技术，比如CAD/CAE技术、有限元分析、模拟仿真、虚拟设计、优化设计等等。所以悬架系统的研究设计有广阔前景。在实际当中，如果悬架结构设计不当，将会大大影响汽车产品的使用性能(如转向沉重、车轮摆振、轮胎偏磨严重、影响轮胎使用寿命等)。本课题研究的目的就在于运用CAD/CAE技术对车辆麦弗逊式前悬架的虚拟设计。在试制前的阶段运用ADAMS/CAR进行悬架结构布置和建模仿真，获得分析车轮垂直跳动、转动与车轮前束角的变化等关系，总结规律。并且运用ADAMS/Insight, 通过对模型某项或是多项性能指标进行优化，通过调节相应的参数来满足设计要求。初步验证运用ADAMS /Car进行汽车悬架建模和仿真的合理性，为生产实践提供必要的理论支持。获得相关数据，在产品制造出之前，就可以发现并更正设计缺陷，并且提出优化设计的意见，使参数间的匹配达到良好，从而为汽车悬架的设计提供一种新的可行性方案。 选题意义：.悬架是车辆行驶系的重要的组成部分。其主要任务是弹性连接车轮与车架，传递二者之间的力和力矩，并缓和冲击、衰减振动。对改善车辆的操纵稳定性、行驶平顺性、减轻车辆自重、改善轮胎的磨损状况以及减少对公路的破坏具有重要意义。.传统的悬架设计一般采用经验设计法、数学推导法以及几何作图等方法, 在悬架系统设计、试验、试制整个过程中必须边试验、边改进，从设计到试制、试验、定型，产品开发成本较高，虽然可以满足设计要求, 但精度和效率不高。所以，传统的方法已经很难满足日益加速的设计需求, 为缩短开发周期, 降低开发成本, 有必要采用新的设计方法。.运用虚拟样机技术，结合虚拟设计和虚拟试验，可以大大简化悬架系统设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，提高产品质量和产品的系统性能，获得最优设计产品。有利于企业抢占市场和发展先机，提高经济效益和社会效益。 二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题基本内容：分析麦弗逊式悬架的结构和悬架设计要求，在悬架设计中，根据整车的布置要求以及经验数据，确定悬架的整体空间数据和性能参数，运用PRO/E建立三维物理模型，并在ADAMS软件平台上建立麦弗逊悬架的简化物理模型，进行动力学仿真分析，通过分析车轮垂直跳动、转动与车轮前束角的变化等关系获得相关数据，优化相关参数，建立虚拟麦弗逊悬架模型。主要技术指标：1）车轮跳动时，轮距变化不超过4mm以防止轮胎早期磨损；2）车轮跳动时，前轮定位角变化特性合理；3）转弯时，车身在0.4g侧向加速度作用下，车身侧倾角不大于35，并保证车轮与车身倾斜同向，以增加不足转向效应；4）制动及加速时，车身应有“抗点头”及“抗后坐”效应；5）应具有足够的强度，以可靠地承受及传递除垂直力以外的力和力矩。拟解决问题：1）利用ADAMS/Car 建立了麦弗逊式悬架模型；2）并进行了左右车轮计算机运动仿真试验，得出前轮各定位参数随车轮跳动的变化关系；3）仿真结束后，以前轮定位参数为主要优化目标，运用ADAMS/Insight 模块，通过对麦弗逊式悬架结构不断调整，使车轮定位参数得到优化；4）另外还要保证悬架具有较好的横向稳定性、强度和刚度。建立虚拟麦弗逊悬架模型获得车轮垂直跳动、转动与车轮前束角的变化等关系的相关数据进行动力学仿真分析在ADAMS软件平台上建立麦弗逊悬架简化物理模型运用PR