基于adams的汽车前悬架的建模与仿真

基于ADAMS/VIEW的汽车前悬架模型的建立与优化悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称。它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支撑力）、纵向反力（驱动力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架（或承载式车身）上，以保证汽车的正常行驶。现代汽车的悬架尽管有各种不同的结构形式，但是一般都是由弹性元件、减振器和导向机构等三部分组成。此外，还铺设有缓冲块和横向稳定器。汽车悬架可分为两大类：非独立悬架和独立悬架；悬架系统的刚度和阻尼是否在汽车行驶过程中发生改变分为被动和主动悬架系统；主动悬架系统按其是否包含动力源，可分为全主动悬架（有源主动悬架）和半主动悬架（无源主动悬架）系统两大类。绪论虚拟样机技术将CAE技术应用于现代工业生产的过程中，是将科学技术转化成生产力的一种表现形式。在各种CAE技术中，虚拟样机(VirtualPrototype)技术是计算机辅助工程的一个重要分支，它是人们开发新产品时，在概念设计阶段，通过学科理论和计算机语言，对设计阶段的产品进行模拟性能测试，达到提高性能、降低成本、减少产品开发时间的目的。随着人类社会进步的加快，人们生活水平的不断提高，人们对产品的要求也越来越来高，同时社会竞争更加激烈，产品复杂程度越来越高，产品开发周期越来越短，产品保修维护期望越来越高，生产计划越来越灵活，在现实中还有一些客观的约束条件，例如昂贵的物理样机实验，严格的法律法规要求等，因此要提高产品质量，缩短开发周期，并不是件容易的事情。要克服以上困难，一个行之有效的方法就是通过虚拟样机进行仿真模拟，在未来真正生产出真实的产品以前就进行仿真模拟，提前知道产品的各种性能，防止各种设计缺陷的存在，提出改进意见。传统的产品开发过程如图1-1所示，该过程是一个大循环过程，不仅难以提高产品质量，而且耗费大量的时间和资金。而通过物理样机技术，在制造物理样图1-1传统的产品开发流程机之前，就可以进行样机的测试，找出和发现潜在的问题，缩短产品开发周期的40%-70%，其过程如图1-2所示，这样不尽节省时间和金钱，还可以大幅度地提高产品质量。虚拟样机技术与传统的设计方式相比，各自在产品利润与开发周期之间的关

系如图1-3所示。利用虚拟样机技术，有时只需要投入传统设计方式10%的费用,就可以达到传统设计90%的目标。ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)软件是最著名的虚拟样机分析软件。它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动力学模型，利用拉格朗日第一类方程建立系统最大量坐标动力学微分—代数方程，求解器算法稳定，对刚性问题十分有效，可以对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，后处理程序可输出位移、速度、加速度和反作用力曲线以及动画仿真。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。目前，ADAMS已在汽车、飞机、铁路、工程机械、一般机械、航天机械等领域得到广泛应用，己经被全世界各行各业的大多制造商采用。根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件占据了销售总额近8千万美元的51%份额。ADAMS软件由核心模块、功能扩展模块、专业模块、工具箱和接口模块5类模块组成。ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。1.3ADAMS/ViewADAMS软件包括核心模块ADAMS/View和ADAMS/Solver,以及其他扩展模块。ADAMS/View（界面模块）是以用户为中心的交互式图形环境。使用ADAMS/View，用户可以像建立物理样机一样建立任何机械系统的虚拟样机。它将简单的按钮、菜单、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示等功能完美地集成在一起。给用户提供了丰富的零件几何图形库，并支持布尔运算。同时模块还提供了完整的约束库和力/力矩，建模快速。函数编辑器支持240余种各类函数。在ADAMS/View种，用户首先建立运动部件（或者从CAD软件中导入），用约束将它们连接，通过装配成为系统，利用外力或运动将它们驱动。为了提高仿真的精度，也可以在模型中使用弹簧、阻尼器和摩擦等。ADAMS/View支持参数化建模，以便能很容易地修改模型并用于实验研究。使用ADAMS/View，用户在仿真过程中或者仿真完成后，都可以观察主要的数据变化以及模型的运动。这些就像做实际的物理实验一样。1.4国内外研究现状国外研究现状国外开始“数字化虚拟样车”技术研究与应用的时间较早，并己形成了一系列通用的商业化、数字化虚拟样车系统软件，这是汽车领域运用数字化新技术的大趋势。美国福特汽车公司早在70年代末就已经在其新开发的轻型车上采用了这样的技术，之后美国通用汽车公司、克莱斯勒汽车公司及德国、日本等国的汽车公司都纷纷开始研究与应用“数字化虚拟样车”技术。各大汽车公司都投入巨资构建其高度自动化的虚拟仿真系统，如近30家大汽车公司拥有经二次开发的ADAMS/Car系统并用于整车的设计开发。1.4．2国内研究现状从上可以看出国外在工程界，特别是汽车工程领域，在多体系统动力学方面I.I.的研究已经比较广泛和深入。虽然目前国内汽车产业己经成为国民经济的支柱产业，而且整车及零部件设计厂家众多，但却普遍存在着提升汽车及零部件设计水平的迫切需求。此外，我国在这方面的研究虽然起步较晚，但发展很快，在汽车工程领域已经获得了不少成果。与国外相比，国内专门从事ADAMS软件在汽车方面的研究的科研院所并不多，而且大多只局限于理论研究。更主要的是国内的一些汽车研发中心(如泛亚汽车技术中心有限公司等)和汽车公司(如奇瑞等)等运用ADAMS软件较多，实用性较强。长春汽车研究所、东风汽车工程研究院、上海汽车集团、北京汽车集团等单位引进国外软件进行了“数字化虚拟样车”方面的仿真分析和局部应用，但因缺乏整车及零部件基础数据积累、实车试验验证及仿真建模方面的经验积累，在仿真模型精确程度、建模与仿真分析的效率等方面都不足以完全满足产品设计的要求，“数字化虚拟样车”还不能成为替代传统汽车设计方法的实用化手段。基于ADAMS/View前悬架的建模对所建立模型的假设由于较复杂的模型在计算机中难以建立，所以对所建立的模型做如下简化和假设：(1)悬架中所有零部件都认为是刚体，同时零部件之间的所有连接都简化为铰链，内部间隙不计；(2)减振器简化为线性弹簧和阻尼；(3)认为其车轮的上下跳动量都不会达到其限位位置；(4)各运动副内的摩擦力忽略不计；(5)轮胎简化为刚性体。前悬架模型的建立汽车前悬架采用双横臂式独立悬架，如图2-1，双横臂式独立悬架可以使轮距Iltl-T图Iltl-T图2-14747及前轮定位参数变化均在可接受的限定范围内，这种特性有利于减少轮胎磨损，提高汽车行驶平顺性和方向稳定性，目前已广泛应用在轿车的前后悬架上部分运动型轿车及赛车的后轮也采用这一悬架结构。本文的参数考了文献［4］中的数据，模型基本结构参数见表2-2。该模型由主表2-2前悬架结构参数上横臂卜横臂长/内倾角/后倾角/mm(°)(°)长度/上横臂卜横臂长/内倾角/后倾角/mm(°)(°)长度/mm倾角/(°)

横向水平

面面长度/mm倾角代)__zic¥面面车轮前束角/(°)330102.535011-55009.5100.2(销Kingpin)、上横臂(UCA)、下横臂(LCA)、拉臂(Pull_arm)、转向拉杆(Tie_rod)、转向节(Knuckle)、车轮(Wheel)以及测试平台(Test_Patch)等物体组成。前悬架左侧模型各设计点坐标布置如表2-3，右侧模型与左侧关于Z轴对称。故根据坐标点位置只建立左侧部件。表2-3设计点的位置设计点X坐标Y坐标Z坐标LCA_outer000UCA_outer57.25324.6814.39UCA_inner399.51391.2144.90LCA_inner485.6581.27-86.82Tie_rod_outer-26.95100-170.71Tie_rod_inner439.55181.19-252.50Knuckle_inner18.91107.244.75Knuckle_outer-235.05102.813.86根据表2-3所示点的坐标建立前悬架模型左侧各部件，各部件的尺寸见表2-4所示。弹簧和减振器的功能由螺旋弹簧参数设定，设置弹簧刚度K=129.8N・mm,阻尼C=6000N・s・mm1。前悬架模型左侧构件之间所需约束副汇总见表2-5所示，模型右侧所需约束

副的添加参照左侧进行。表2-4前悬架模型左侧各部件尺寸名称主销上横臂下横臂拉臂转向拉杆Tiwnxi转向节KingpinUCALCAPull_tninKnuckle连FirstLCAouterUCAouterLCAouterKnuckleinnerTierodKnuckleouterouterUCAouterUCAinnerLCAinnerTierodKnuckle占Secondfierodouter.-innerinner半径/mm202020151520KM/mm330350500184.6480.5146.5名称球面副固定副旋转副IPartUCALCAJpartKingpin限制的自由度TierodPullamiKnuckleKingpin3个平移自山度UCALCAChassis2个旋转3名称球面副固定副旋转副IPartUCALCAJpartKingpin限制的自由度TierodPullamiKnuckleKingpin3个平移自山度UCALCAChassis2个旋转3个平移在各部件的连接处成功添加约束后，即可建立双横臂式独立前悬左侧架模型，如FRONTSUSPMARKER_15's^pring_upperjK图2-6所示。2-6前悬架仿真模型2.3前悬架模型定位参数的测量该模型包括八个移动构件（每个移动件有六个自由度）、两个转动副（每个旋转副约束五个自由度）、四个球副（每个球副约束三个自由度）、两个移动副（每个移动副约束五个自由度）、三个固定副（每个移动副约束六个自用度、一个平面副（每个平面副约束三个自由度）及一个驱动。故构件的自由度为pkp_乙q_乙pkiji=1j=1式中，n式中，n活动构件总数；p——第i个运动副的约束条件数；im——运动副总数；q——第j运动机的驱动约束条件数；jl——原动机数；p——其他约束条件数。k故该模型有1个自由度，即车轮的上下跳动。将测试平台的驱动函数表达式输入为：Function=100*sin（360d*time）,仿真试验时间为1s,跳动幅度为100mm。进行车轮垂直跳动模拟，计算悬架跳动过程中车轮、主销及悬架与车身之间相互影响、相互作用的结果，从而预估评价悬架系统的特性，并提出改进策略。2.3.1车轮跳动时前轮定位参数变化（1）主销内倾角的变化。主销内倾有利于主销横向偏移距的减小，从而可减少转向时驾驶员加在转向盘上的力，使转向操纵轻便，同时也可减少从转向轮传到转向盘上的冲击力。内倾角不宜过大，否则在转向时，在车轮绕主销转动的过程中，轮胎与路面之间将产生较大的滑动，增加了轮胎与路面间摩擦阻力，这不仅使转向发沉，而且加速了轮胎的磨损。主销内倾角的表达式：Kingpin_Inclination=ATAN（DX（.Kingpin.MAR_2,.Kingpin.MAR_4）/DY（Kingpin.MAR_2,.Kingpin.MAR_4））式中，DX（Kingpin）——主销沿X轴的长度；DY（Kingpin）——主销沿Y轴的长度。借助ADAMS/View中的函数编辑器提供的基本函数，求解主销内倾角的大小Kingpin_Inclination测试平台振动过程中主销内倾角的变化仿真曲线如图2-7所示。图2-7主销内倾角随测试平台振动的变化曲线随测试平台在100mm垂直范围内作正弦振动时，主销内倾角在10。〜11.7°范围内变化。后倾角的变化。主销后倾角对转向时的车轮外倾变化影响较大。若主销后倾角设计较大，则外侧转向轮的外倾角会向负方向变化。当前轮主销后倾角较大时，需增加前轮转向所必须的横向力，以抵消外倾推力，这样不足转向弱，最大横向加速度会增大。而且一般主销后倾角越大，主销后倾拖距也越大，则回正力矩的力臂越大，因此回正力矩也就越大，但是在实际中回正力矩不宜过大，否则在转向时为了克服此力矩，驾驶员必须在转向盘上施加较大的力(转向盘沉重)。因此主销后倾角一般不超过2°〜3°，而且一般希望后倾角随着车轮的上跳而增加，当车轮上跳时，悬架每压缩10mm，后倾角变化范围为10,〜40\抵消制动点头时后倾角减小的趋势，使回正能力增强，从而提高制动时的方向稳定性，改善高速行驶时的方向敏感性。主销后倾角的表达式：Caster_Angle=ATAN(DZ(.Kingpin.MAR_2,.Kingpin.MAR_4)/DY(.Kingpin.MAR_2,.Kingpin.MAR_4))式中，DZ(Kingpin)主销Kingpin沿Z轴方向的长度。测试平台振动过程中主销内倾角的变化仿真曲线如图2-8所示。图2-8主销后倾角随测试平台振动的变化曲线由2-8图可知，当车轮随振动台在100mm垂直范围内作正弦振动时，主销后倾角在2.538。〜2.55。范围内变化。前轮外倾角的变化。车轮跳动时前轮外倾角的变化对车辆的直行稳定性、稳态响应特性等有很大的影响。由于轮胎与地面之间有相对的外倾角，路面对车轮作用有外倾推力，该力与侧倾角产生的侧向力汇合而成车辆转向所需要的横向力。从提高转向性能出发，侧倾时车轮对地面的倾角最好不变。同时车辆在直行状态下，由于路面不平引起的车轮跳动而使外倾变化时，会由外倾推力引发横向力，这样较大的对地外倾变化会使车辆的直行稳定性变差。综合考虑转向性能和直行稳定性，应尽量减少车轮相对车身跳动时的外倾角变化，一般上跳时，对车身的外倾变化为-2°〜0.5°，希望在车轮上跳时前轮外倾角向减小的方向变化，而在下落时朝正值方向变化。前轮外倾角的表达式：Camber_Angle=ATAN(DY(.Kingpin.MAR_10,.Kingpin.MAR_26)/DX(.Kingpin.MAR_10,.Kingpin.MAR_26))式中，DY(Knuckle)转向节Knuckle沿Y轴方向的长度；DX(Knuckle)转向节Knuckle沿X轴方向的长度。测试平台振动过程中前轮外倾角的变化仿真曲线如图2-9所示。

图2-9前轮外倾角随测试平台振动的变化曲线由2-9图可知，当车轮随振动台在100mm垂直范围内作正弦振动时，前轮外倾角在一0.7。〜0.9993°范围内变化。前轮前束角的变化。车轮上跳及下落时的前束变化对车辆的直行稳定性、车辆的稳态转向响应特性有很大的影响，是汽车悬架的重要设计参数之一。在汽车行驶中保持前束不变或变化幅度较小非常重要，这比在汽车静止时有一个正确的前束更为重要。侧倾时的前束变化也称为侧倾转向。对于汽车前轮，车轮上跳时的前束值多设计在零至弱负前束的变化。设计值取在零附近是为了控制直行时由路面的不平引起的前束变化，确保良好的直行稳定性。另外，取弱负前束变化图2-10前轮前束角随测试平台振动的变化曲线为了使车辆获得弱的不足转向特性，以使装载质量变化引起车高变化时也能保持不足转向。前轮前束角的表达式：Toe_Angle=ATAN(DZ(.Kingpin.MAR_10,.Kingpin.MAR_26)/DX(.Kingpin.MAR_10,.Kingpin.MAR_26))式中，DZ(Knuckle)转向节Knuckle沿Z轴方向的长度。振动台振动过程中前轮外倾角的变化仿真曲线如图2-10所示。由图2-10可知，当车轮随测试平台在100mm垂直范围内作正弦振动时，前轮前束角在-0.5。〜0.2008。范围内变化。车轮接地点侧向滑移量的变化。当汽车向前滚动的时候，由于车轮具有外倾角的作用，左右车轮都有外滚的趋势；而同时因前轮前束的作用，左右车轮都有内滚的趋势。这两种趋势作用的最终结果只有两个，一个是平衡，汽车正直向前滚动；另一个是不平衡，汽车产生侧滑。侧滑量只是综合表征前轮外倾角和前束是否处于最佳状况，而不能判别外倾和前束是否超限，更与主销倾角无关。实践证明，仅靠限制侧滑量大小不一定能保证车辆的行驶稳定性。测试平台振动过程中车轮接地点侧向滑移量的变化仿真曲线如图2-11所示。图2-11车轮接地点侧向滑移量随振动台振动的变化曲线由图2-11可知，当车轮随振动台在100mm垂直范围内作正弦振动时，车轮接地点侧向滑移量在一7.5〜22mm范围内变化。2.3.2车轮跳动时前悬架特性曲线(1)主销内倾角随车轮跳动的变化。进入ADAMS/PostProcessor定制曲线窗口，选择主销内倾Kingpin_Inclination的测量曲线为定制曲线的X轴，选择车轮跳动量Wheel_Travel为定制曲线的Y轴，创建如图2-12所示的主销内倾角相对于车轮跳动的变化曲线。Analysis:Last_RunAngle(deg)2009-12-3115:01:20Analysis:Last_RunAngle(deg)2009-12-3115:01:20图2-12主销内倾角相对于车轮跳动的变化曲线主销内倾角有使车轮自动回正的作用，由图2-12表明在车轮下落时主销内倾角有增大的趋势，符合主销内倾角的设计要求，有利于减少转向时驾驶员加在转向盘上的力，使转向操纵轻便，同时也可减少从转向轮传到转向盘上的冲击力。(2)主销后倾角随车轮跳动的变化。选择主销后倾角Caster_Angle的测量曲线为定制曲线的X轴，选择车轮跳动量Wheel_Travel为定制曲线的Y轴，创建如图2-13所示的主销后倾角相对于车轮跳动的变化曲线。

Analysis:Last_RunAngle[dc^)2010-^4-1121:43:33Analysis:Last_RunAngle[dc^)2010-^4-1121:43:33图2-13主销后倾角相对于车轮跳动的变化曲线主销后倾角能形成回正的稳定力矩，所以我们不希望在车轮上下的运动中，主销后倾角出现大的变化，否则会出现驾驶员要在转向盘上施加较大的力，从而使操纵性能恶化。现在一般采用的主销后倾角不超过2。〜3。，如图2-13中可以看出，主销后倾角在2.535°~2.555°之间变化，有利于操纵的稳定。(3)前轮外倾角随车轮跳动的变化。选择前轮外倾角Camber_Angle的测量曲线为定制曲线的X轴，选择车轮跳动量Wheel_Travel为定制曲线的Y轴，创建如图2-14所示的主销后倾角相对于车轮跳动的变化曲线。FROMT_SUSF'图2-14前轮外倾角相对于车轮跳动的变化曲线主销后倾角和内倾角两个角度保证汽车稳定直线行驶外，前轮外倾角也具有定位作用。为了使轮胎磨损均匀和减轻轮毂外轴承的负荷，车轮应具有一定的外倾角，但不能过大，否则会造成轮胎产生磨损。由图2-14可知外倾角的变化范围在-0.6°~1.1°之间，对操纵稳定性没有太大的影响。⑷前轮前束角随车轮跳动的变化。选择前轮前束角Toe_Angle的测量曲线为定制曲线的X轴，选择车轮跳动量Wheel_Travel为定制曲线的Y轴，创建如图2-15所示的主销后倾角相对于车轮跳动的变化曲线。由于车轮存在外倾角，在滚动时就类似滚锥，从而导致两侧车轮向外滚开。由于横向拉杆和车桥的约束使车轮不可能向外滚开。车轮在地面出现边滚边滑的现象，增加了轮胎的磨损，所以利用前束来弥补不利的影响。前悬架上跳时车轮产生前束角变变小，如图2-15下落时前束角变大，这使得悬架具有侧倾不足转向特性，有利于改善汽车的操纵性能。FRONIT_SUSP150.0-IFLINCTION训血已11~阳四1:FUNCTIONToE/Kri£1皀10D.D-图2-15前轮前束角相对于车轮跳动量的变化曲线(5)前轮接地点侧向滑移量随车轮跳动的变化。选择前轮接地点侧向滑移量Sideways_Displacement的测量曲线为定制曲线的X轴，选择车轮跳动量Wheel_Travel为定制曲线的Y轴，创建如图2-16所示的主销后倾角相对于车轮跳动的变化曲线。

FRONT_SUSPAnalysis:Last_RunLength{mm)2010-04-1121:43:33FRONT_SUSPAnalysis:Last_RunLength{mm)2010-04-1121:43:33图2-16前轮接地点侧向滑移量相对于车轮跳动量的变化曲线仿真结果如图2-16，得出了轮胎侧向滑移量随车轮上下跳动100mm过程中变化曲线，发现车轮的侧向滑移量最大值几乎达到了28mm。这在一定程度上加大了轮胎的磨损量，说明该悬架结构参数还存在不合理的地方，有待进一步改进。前悬架模型的优化3.1参数化分析参数化分析是研究设计参数变化对于仿真样机性能的影响。在参数化分析中，系统对于不同的设计参数值，自动的运行一系列仿真分析，然后返回分析结果。通过对参数化分析结果的研究，可以获得一个或多个参数变化对仿真样机的影响，获得最危险的工况以及最优化样机仿真模型。研究设计之前，要确定研究的对象。将对悬架的运动产生影响的部件作为研究对象，并将其设置为研究的变量，确定变量的初始值以及变量的变化范围（依据设计要求大体确定一个范围）。这样可以对悬架导向机构各部分作一定的调整，以便于进行分析时选择一个合适参数值。3.2变量设计根据具体的情况综合考虑，合理地选择设计变量，对于本模型，将主销的参数(长度、后倾角、内倾角)、上横臂的参数(长度、上横臂水平斜置角、上横臂设计变量名称主销上悬臂下悬臂长度(mm)内倾角(°)后倾角/(°)长度(mm)倾角(°)长度(mm)倾角(°)横向面水平面横向面水平面最小值310503008048055标准值330102.53501055009.510最大值35015640015155501515表3-1设计变量的变化范围横向平面倾角)、下横臂的参数(长度、下横臂水平斜置角、下横臂横向平面倾角)九个变量作为研究对象，并确定为变量，变量的变化范围如表3-1所示，然后将悬架设计点、Marker点和模型分别参数化。3.3参数优化ADAMS优化分析的原理是：在设计研究过程中，对某个设计参数在一定范围内取若干值，然后自动进行一系列的仿真分析，每次取不同的设计参数，完成设计分析后自动显示各次分析的结果，并分析设计参数的影响。在具体的模型中，根据我们设计的确定目标，在各种设计要求和指定的变量变化范围内，通过运行程序，让计算机自动的根据设计变量，运行分析