ADAMS软件在汽车前悬架-转向系统运动学及动力学分析中的应用

1、美国MDI(Mechanical Dynamics Inc)公司2001年中国用户年会论文集ADAM漱件在汽车前悬架转向系统运动学及动力学分析中的应用尤瑞金北京吉普汽车有限公司摘要:本文介绍利用国际上著名的 ADAMS软件对工程上多刚体系统进行运动学和动力学分析的方法，并用这一方法模拟了某货车悬架-转向系统的运动学及动力学特性，研究开发了前、后处理专用程序，使该软件适用于车辆系统，并得出了许多具有工程意义的结果。主题词：汽车总布置-计算机辅助设计县架转向系一、刖 百汽车悬架和转向的动学及动力学分析是汽车总布置设计、运动校核的重要内容之一， 也是研究平顺性、操纵稳定性等汽车性能的基础。由于汽车前

2、悬架一转向系统是比较复杂的 空间机构，特别是前独立悬架，一般多设计成主销内倾和后倾，并且控制臂轴也大多倾斜布 置。这些就给运动学、动力学分析带来较大困难。过去多用简化条件下的图解法一般的分析 计算法进行分析计算。所得的结果误差较大，并且费时费力。近年来，随着计算机技术和计 算方法的不断提高，国外研制了IMP、ADAM吸DAM阵很多专用程序，用于车辆运动学及动力学分析。本文是在消化吸收引进的 ADAM软件过程中，结合汽车设计，解决运动学及动力学问 题，从而提高设计质量。二、ADAM歆件概述ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems

3、,即机械系统动力学自动化分析软件包)是由美国机械动力公司开发的。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， 其精确度也相当高，因上，被广泛应用于机械设计的各个领域。1 .ADAMS件功能如下：一般ADAM野析功能如下：(1)可有效地分析三维机构的运动与力。 例如可以利用ADAM来模拟作用在轮胎上的垂 直、转向、陀螺效应、牵引与制动、力与力矩；还可应用ADAMS4行整个车辆或悬架系统道路操纵性的研究。(2)利用ADAMST模拟大位移的系统。ADAMSI容易处理这种模型的非线性方程， 而且可进行线性近似。(3)可分析运动学静定(对于非完整的束或速度约束一般情况的零自由度)系统。(

4、4)对于一个或多外自由度机构，ADAMST完成某一时间上的静力学分析或某一时间间隔内的静力学分析。（5）有线性系统模态分析、力输入运动以及模拟控制系统的能力。2 .ADAM分析原理ADAMS采用了两种直角坐标系： 总体坐标系和局部坐标系， 它们之间通过关联矩阵相互转换。总体坐标系是固定坐标系，它不随任何机构的运动而运动。它是用来确定构件的位移、 速度、加速度等的参考系。局部坐标系因定在构件上，随构件一起运动。构件在空间内运动时，共运动的线物理量 （如线位移、线速度、线加速度等）和角物理量（如角速度、角位移、角加速度）都可由局 部坐标系相对于总体坐标系移动、转动时的相应物理量确定。而约束方程表达

5、式均由相连接 的两构件的局部坐标系的坐标描述。机构的自由度（DOF=6（构件总数1）约束总数）是机构所具有的可能的独立运动状 态的数目。在ADAM歆件中，机构的自由度决定了该机构的分析类型：运动学分析或动力学 分析。当DOF=O寸，地机构进行运动学分析，即仅考虑系统的运动规律，而不考虑产生运动的 外力。在运动学分析中，当某些构件的运动状态确定后，其余构件的位移、速度和加速度随 时间变化的规律，不是根据牛顿定律来确定的，而是完全由机构内构件间的约束关系来确定，是通过位移的非线性代数方程与速度、加速度的线性代数方程迭代运算解出。当DOF>O寸，对机构进行动力学分析，即分析其运动是由于保守力和

6、非保守力的作用而 引起的，并要求构件运动不仅满足约束要求，而且要满足给定的运动规律。它又包括静力学 分析、准静力学分析和瞬态动力学分析。动力学的运动方程就是机构中运动的拉格朗日乘子 微分方程和约束方程组成的方程组。当DOF<O寸，属于超静定问题， ADAM比法解决。3 .ADAMS：程流程ADAMS的整个计算过程（指从数据的输入到结果的输出，不包括前、后处理功能模块。）可以分成以下几个部分：（1）数据的输入；（2）数据的检查；（3）机构的装配及过约束的消除；（4）运运方程的 自动形成；（5）积分迭代运算过程；（6）运算过程中的错误检查和信息输出；（7）结果的输出。ADAMS工作流程如图1

7、。三、汽车前悬架-转向机构的运动学及动力学分析机构也称机械系统，它是由相互可以相对运动的刚体通过副或约束联接形成的多刚体系 统。汽车就 是一种典型的机械系统。在汽车机械系统运动学、动力学分析中，前悬架 -转向 机构占有重要地位。我们利用计算机，应用ADAM软件，模拟计算了前悬架一转向系统。1 .前悬架一转向机构分析的工作环境（1）硬件境环ADAMS软件可以在诸如 VAX旧M、DZC等32位高级计算机上运行。本文研究中使用的是 Micro-VAX,它可以带多个图形终端和字符终端，并与HP绘图 机连接绘制图形。YesDOF<0怖力学准静力学如装显小方程组检查读入数据 车丁跟IX) =0OFD

8、OF>0动力学No组装显方程组-231-* 矩阵符号LU分就<蠢I t +t: *:I I计算更阵系数Yes至 No Yes+< 结构 奇异？<1矩阵睁奇界？ >迭代上 敛?|存储现*输一结果y< 模态析？计克系统翌薪1 ,运行模态分析:"1 *, ：显示存储错误一息结束运行I显不存薪十算信息-iQA）图1 ADAMS工作流程图 （2）软件使用环境ADAMS 本身具有较完善的前处理和后处理模块。它也有广泛的CAD/CAM系统接口，如ARIES CADAMSchluberger等CAD/CAM（统。因此，ADAM软件即可在字符终端上独立运行， 又可在

9、图形终端上利用软件的功能作为辅助手段运行，并且结果可在绘图机上直接绘出。对 于汽车前悬架转向机构，由于输出变量为标准变量（位移、速度、加速度、力等） ，此时仅用 ADAMS勺核心计算模块，前、后处理均采用Schlumberger提供的图形软件BRAVO3 MECHANISM 的图形处理功能运行计算较为便利。此外，我们还使用了 CDL AGL IAGL（CPROC语言开发 了一些前、后处理专用软件，构成了完整的前悬架-转向机构的分析软件，程序框图见图2。BRAVO3 一个功能非常强的工程设计三维空间图形软件，许多功能软件如GRAFEM有限元）、SOLID （实体）、SURFACE曲面）、NC （

10、数控）、MECHANIS咖构）等均可在此软件下运 行。美国MDI(Mechanical Dynamics Inc)公司2001年中国用户年会论文集图2 3口机构分析软件的作流H2.分析模型的建立本交所分析的机构是双横臂式独立悬架和断开式转向系统，其系统模型简图如图 示。(1)模型的组成及定义而麦汨惯积等。1 、构件(part):它是机构内可以相互运动的刚体或刚体固定件。当定义构件时，出构件局部坐标系的原点及方向，构件质心的位置，质量某参考坐标系的转动惯量、在机构中，还要定义一个固定件 (ground)作为参考系。当定义机构其它要素(如约束点、力、标识点)时，必须给定该要素所对应的构件。由图3可

11、知，该系统由32个构件组成，有一个自由度，我们取车架为固定体。2、标识点(marker):它是构件内具有方向失量点。用标识点可以表明两构件约束的 连接点是相对运动方向、作用力的作用及方向等。在定义示识点时，除了定义它的在的构件外，还要定义该标识点的方向。3、约束(constraint):它是机构内两构件间的联接关系。1.车轮2.弹簧、减振器3.转向节 4.上摆臂5.方向盘 6.转向机7.转向摇臂8.转向纵拉杆9.转向摆臂10.中间拉杆11.车架 12. 横拉杆13.下摆臂图3前悬架-转向机构模型简图从图3可知，上、下摆臂与车架、转向摆臂与车架、转向捣臂与转向机、方向盘与转向机为转动副联接；上下

12、摆臂转向节、转向横拉杆与对应的车向节臂、左转向摆臂与中间拉杆 与纵拉杆、转向纵拉杆与转向掏臂为球较连接；右转向摆臂与中间拉杆，以及左右转向横拉 杆与中间拉杆均采用万向节连接；转向机与车架用INPLANEJPRIM连接；地面与车架为移动副连接，这样地面相对于车架可上下移动、模拟车轮上下的跳动；方向盘与转向机采用了 连动耦合器（COUPLER解述转向系的角传动比。4 、运动激励（generator,或驱动）：它是机构内一个构件相对于另一构件按约束允许的运动方式，以给定的规律进行的运动。该运动不受机构运动的影响。地面加垂直运动激励; 方向盘加旋转运动激励。5 、力：它包括机构内部产生的作用力和外界对

13、机构所加的作用力。下摆臂与车架之间有弹簧力（spring）、阴尼力（damper）。当计算某一平稀状态时， 又有集中力或力矩（S-force） （2）假定条件当建立上述模型时，为研究方便起见，有下几个假设：1 、各运动副内的摩擦力忽略不计。2、各运动副均为刚性连接，内部间隙不计。3、上下摆臂轴的橡胶衬套是刚性的。4、把横拉杆与中间拉杆的球连接用万向节表示，这就取消了拉杆绕它的纵向轴的旋转运 动。5、轮胎为刚性的。6、悬架摆臂上下缓冲块可简化为线性弹簧和阴尼。7、仅研究悬架特性时，车身相对地面假设不动。8、为模拟地面不平引起的激励，假想一构件，它与轮胎直接接触，与地面之间通过移动副相连，可垂直地

14、上下运动。3.计算结果分析根据上述模型，我们编制了变参数模型程序。利用所编的软件，我们可以改变各构件的 几何参数，如改变方向盘转角，改变左右车轮上下跳动量，改变上下摆臂安装参数，改变整 个拉杆系统安装参数，从而考察整个悬架-转向系统运动和受力情况。此外，我们还可以清 楚地了解该系统在运动过程中是否发生干涉；车轮跳动时定位参数的变化； 汽车转向时，内、外侧轮胎转角变化情况；轮胎跳动和转向时生成的包络面及运动过程中各构件的受力情况等 一系列系统特征信息。以下我们以某轻型小货车的前悬架-转向系统为例进行分析计算。图4而悬架状态图图4为方向盘转角为零时，前悬架状态图。从图 4可知，当缓冲块压缩一半时，

15、若以空载为基准位置，车轮上跳位移为114.8mm!车轮下跳位移为 37.7mm若以满载为基准。车轮上跳位移为69.2mm,车轮下跳位移为83.3mm;而车轮跳动的全行程为 152.5mm.当跳动刚好碰 缓冲块时，若以空载为基准位置，车轮上跳位移为71.9mm,车轮下跳位移为13.9mm；若以满载 为基准位置，车轮上跳位移为26.3mm,车轮下跳位移为59.5mm；而此时车轮跳动的全行程为 85.8mm=空载到满载时车轮上跳 45.6mm=空载时上下跳限位块与车架限位板间的距离分别为57.6mm和10.8mmt满载时上下跳限位块与车架限位板间的距离分别为20.7mm和43.7mm-233-美国M

16、DI(Mechanical Dynamics Inc)公司2001年中国用户年会论文集一。，50*-' *-0 8。46。-0.40 -020 0.00 02。040 0.60 08。1.00 1 20车轮跳动(X 100mm)Y轴为缓冲块压缩一半时下跳板限 垂直疑为缓绅块压缩辛时上跳极限 图5前轮定位角运动特性曲线 图5为前轮定位角运动特性曲线。我们知道在导向机构与前轮定位角的关系中，首先，应考虑前轮外倾角和主销后倾角的 变化特性，固为前轮外段角变化规律确定后，也就确定了主销内倾角和前轮前束的变化规律。从有关资料得知，较好的结构中，车轮外倾角随弹簧压缩行程的增大而减小，其弯化范 转为

17、+ 30,在常用车轮跳动范围内(+ 40mm，外倾角变化量小于+ 10。从图5可见，该系统 的外倾角变化范围符合上述范围，这样就能使汽车保持一定的不足转向特性，并保证最小的 轮距变化，即提高了轮胎的使用寿命，又无轮胎左右移动造成的车身举升和路面骚扰感，提 高了舒适性的行驶稳定性。希望在前悬架每跳动10mm主销后倾角变化为 0.2-0.670 ,因为，主销后倾角变得太 大时，会使支承处反力距过大，同时使系统对侧向力十分敏感，极易造成车轮闪动或方向盘上力的变化。从图 5可知，该系统前悬架每跳动 10mm主销后彳角变化0.4 0.490, 满足希望的范围。图6和图7分别表示设计位置时转向梯形运动图和

18、内外轮转角B和H的关系曲线。图8车轮例向谓号运动特性也统I©卜图9 车身慵中心高度运动将料曲线即汽车曲线行驶时，其内外车轮角接近相等。这时可以保证作用在内外车轮上的侧向力与垂 直载荷大致成比例，这样汽车便具有较大的抗侧滑稳定性。此外，这时的滚动阻力、轮胎磨 损和轮胎噪声都将减少。图8车轮黄向滑移运动特性曲线图9国身倾中心高度运动特性曲线图8和图9示出了在车轮跳动时侧倾中心和轮距的变化曲线。前悬架的侧倾中心位置影响侧向载荷在内外轮间的再分配，即侧倾中心过高会使轮距变化增大，轮胎磨损加剧，以及车轮上下跳动时对悬架质量冲击加大。为了获得良好的汽车行驶稳定性，侧倾中心高度希望尽量不随载荷的大

19、小而变化。有人推荐，设计位置时，前悬架的侧倾中心高于路面0-90mm9可知，设计位置时前悬架的侧倾中心离地高度h0=69.2,满足0-90mm范围，全行程轮距变化(单轮)也小于8-10mm=图10为汽车前悬架弹性曲线。据此图可确定该系统前悬架刚度，进而确定共侧倾角刚度。悬架刚度C= dZ/df ,式中：dZ车轮上的微量垂直反力；df车轮在dZ作用下的微量垂直位移。根据图11可以确定车身的车轮罩板的外形和尺寸8 00 n7.38 -恻视图图W车轮跳到缓冲块被压缩一半，方向盘转最大转甬时, 前左轮跳动图美国MDI（Mechanical Dynamics Inc）公司2001年中国用户年会论文集图12为导向机构的受力分析示意图（以前左轮为例），双横臂独立悬架的导向机构中各杆件受力情况按以下三种极限工况下车轮上的动载荷值核算：图】2导向机构受力小意图第一工况：当路面作用到车轮上的垂直力达到最大时-汽车驶上路面凸起障碍或落入 洼坑，车轮与路面冲击时发生的载荷。最大垂直载荷Ymax=12623.625N式中：G1-前轮静轴荷，k-动载系数.该车的最大垂直载荷 Ymax-1263.625N,其它各点力值见表1和图12。第二工况：当车轮上纵向力达到最大时一汽车加速或紧急制动时产生的