对联合建立的汽车悬架模型的运动学分析.pdf

1、第 2 3卷第 3 期 河北建筑科技学院学报 2 0 0 6年 9月 J o u rna l o f H e b e i I n s t i t u t e o f A r c h i t e c t u r a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V ( ) 1 2 3 No 3 S e p 2 0 06 文章编号： 1 0 0 76 7 4 3 ( 2 0 0 6 ) 0 3 0 0 7 3 0 3 对联合建立的汽车悬架模型的运动学分析 孙扬 ， 刘桂华 ， 张京军 ， 高瑞 贞 ( 1 河北工程大学 机电学院， 邯郸0 5 6 0 3 8

2、； 2 。 邯郸电视台， 邯郸0 5 6 0 0 2 ) 摘要： 悬架的主要性能参数在悬架运动过程中的变化规律是影响悬架性能的主要 因素， 对悬架 系统进行运动学仿真分析是评价悬架性能的重要手段， 也是进行汽车操纵稳定性和平顺性 分析 的基础。本文通过 A D A M S和 P r o E联合建 立 1 4双横臂 汽车独立悬架复杂 系统 的仿 真模 型， 对悬架主要性能参数在悬架运动过程中的变化规律进行了研究， 结果表明这种模型更加精确。 关键词 ： 汽车悬架； A D A M S ； P m E ； 运动学仿真 中图分类号 ： U 4 6 3 文献标识码 ： A 悬架 是保证 车轮或 车桥与

3、汽车承载 系统 ( 车 架或承载式车身) 之 间具 有弹性 联系并能传递 载 荷 、 缓和冲击、 衰减振动等有关装置的总称。悬架 的主要功能是传递作用在车轮 和车架 ( 或车身 ) 之 间的一切力和力矩 ， 并缓 和汽车驶过不平路 面时 所产生的冲击， 衰减由此引起的承载系统的振动， 以保证汽车行驶平顺性 。汽车行驶 中 ， 在路 面对 车轮施加的各方 向上 的力和力矩作 用下 ， 悬架 导 向杆系产生运动及变形 ， 车轮定位参数随之发生 变化 ， 从 而影响到汽车操纵 稳定性l l j 。汽车悬 架 系统是影响汽车行驶平顺性和操 纵稳定性的重要 因素， 导向机构在车轮的上下跳动过程中， 应不

4、使 主销的定位参数 变化 过大 ， 车轮与导 向机构应 运 动协调。A D A MS ( A u t o m a t i c D y n a mi c A n a l y s i s o f M e - c h a n i c a l S y s t e m) 软件最初由美国 M D I 公司( Me c h a n i c a l D y n a mi c s I n c ) 开发 ， 目前 已被美 国 Ms C公 司 收购 ， 是最 著名的虚拟样机 分析软件。它集 成 了 最新的多体系统动力 学理论成果 、 各种方便 的建 模工具 、 高效的求解器 、 功能强大 的后处理模块 以 及可视化

5、界面和约束库 、 力库等， 用它们建立机械 系统的仿真模型， 用户不必关心建立方程、 求解方 程这些繁重的： 作， 从而大大提高了仿真的效率。 仿真的第一步是建立机械系统的三维实体模型， 尽管 A D A M S具有一定 的三维建模功能 ，但对 于 汽车悬架系统 ，零部件的几何外 型极不规则 ，此 时用 A D A M S进行 三维建模就 显得力不从心 。因 此 ，将 A D A MS和一些三维建模功能很 强的 C A D 软件结合起来能更好地建立汽车悬架系统 的仿真 模型 ，可以实现对复杂机械系统 的运动学和动力 学仿真。 1模 型的建立 在 A D A M S 交互式图形环境下， 使用其零

6、件库、 约束库、 力库创建 l 4 双横臂汽车独立悬架系统模 型。 该模型包括上控制臂、 下控制臂 、 转向节 、 主销、 车轮 、转向机、 转向传动轴和转向盘等。AD A M S 虽 然具有一定的三维建模功能 ， 但是对一些几何外型 不规则的零部件的建模还是无能为力的， 因此只能 在 AD AM S中建立将构 件简 化 的模 型， 如 ： 上控 制 臂、下控制臂、 转向节、 车轮、 转向机、 转向传动轴等。 但是如果要对复杂的汽车悬架 系统进行 比较精确 的运动学仿真研究， 就要借助于建模功能强大的 C AD 软件， 如： P r o E 。在 P r o E中可以建立汽车悬 架中几何外型不

7、规则 的零部件 ， 当利 用 AD AM S的 M e c h a n i c a l P r o 模块将 P r o E中建立好 的模型转换 为 AD AM S环境下 时， 有两种转换类型， 即 r e n d e r 和 S I _ A。选择任何一种类型均可以完成转换 的 目的。 但两种类 型还是有一些 不同： 转换后 ， 每个零部 件均形成一个相关文件 ， 选 r e n d e r 格式 时零件后缀 名为 s l p ， 选 S E A格式时零件后缀名为 s t l 。如果 ：选择 S L A格式， 则转换 到 AD AM S环境后， P r o E环 境下零部件的颜色信息会丢失； 而

8、选择 r e n d e r 格式， 转换到 AD A M S环境后还能保留一部分颜色。转换 的选项里还有转换精度选择的问题， 转换精度分为 十级， 级别越高， 转换到 ADA M S 环境下的图形质量 越好 J 。本文采用 re n d e r 的转换类型， 将几何外 型不规则 的零部件模 型转换 为后缀名为 s l p的 文 件， 然后通过 AD AM S的 im p o r t 命令将其导入， 在 A I ) A M S 环境下为系统添加必要的约束和受力， 利用 收稿 日期 ： 2 0 0 6 0 3 0 7 基金项 目： 国家 自然科学基金( 5 0 1 4 5 0 0 7 ) ； 河

9、北省 自然科学基金 ( 5 o 2 3 8 3 ) 特约专稿 作者简介 ： 孙扬 ( 1 9 7 9一) ， 男 ， 河北保定 人， 硕 士研究生 ， 从 事多体 系统动力学方面的研究工作。 维普资讯 7 4 河北建筑科技学院学报 2 0 0 6 在 a p p e a r a n c e 命令将原来简化的构件模型进行隐藏。 模型如图 1 。 图1联合建立的1 4 汽车悬架模型 2计算结果分析 根据前轮上下最大跳动量 ， 设置车轮上下激 振位移的最大值， 计算在车轮上下跳动过程中的 悬架特性参数 ： 车轮外倾角 、 主销后倾角 、 主销 内 倾角、 前束、 车轮横向偏移距、 车轮跳动等 。 。

10、 。 2 1车轮外倾角 汽车转 向轮上端略微 向外倾斜 ， 车轮所处 的 平面和纵向垂直平面的夹角称为车轮外倾角。当 车轮顶端向车身外侧倾斜时取正值。通常认为外 倾角应使车轮经常处于与地面垂直 的状态 。应合 理选择悬架的设计参数， 使得车轮由下向上跳动 时外倾角向减小的方向变化， 以确保汽车曲线行 驶过程中车身侧倾时 ， 外倾车轮接 近于垂 直地面 状态， 从而提高轮胎的侧偏特性。但这一要求受 到下述因素 的制约 ： 如车轮 由下 向上跳动时外倾 角向负值方 向变化过大 ， 在汽 车满载工况下可能 出现车轮外倾角负值过大， 导致轮胎磨损严重及 产生热量过大， 严重时会 造成轮胎损坏。图 2为

11、 前轮外倾角随车轮跳动的变化曲线。 2 2主销后倾角 在汽车纵 向平面 内， 主销上部 向后倾斜 的角 度称为主销后倾角。主销后倾角越大， 行驶 中产 L = = 生 !剧 J A n g l e( d o g ) 图2前轮外倾角随车轮跳动的变化曲线 行驶的稳定性就越好。但 是主销后倾角越大 ， 汽 车转向时所克服 的反 向推力就越 大， 转 向就越重。 适 当加 大主销后 倾角是 帮助 车轮 回正 的有效 方 法。转向轮发生偏转时， 主销后倾角帮助转向轮 自动 回正到中间位置。主销后倾 角与主销相对轮 心的偏置距一起 ， 应保证足够 的侧 向力回正力矩 ， 以利于汽车直线行驶 。一般主销后倾

12、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 回正力矩 不宜过 大， 否 则在转向时为 了克服此力矩 ， 驾驶员必须在方 向 盘上施加较大 的力 ( 方 向盘发 沉) ， 因此 主销后倾 角不宜过大 ， 一般认为 2 3度是合理 的范围。图 3为主销后倾角随车轮跳动的变化曲线。 2 3主销内倾角 在汽车横向平面内， 主销上部向内倾斜的角 度称为主销内倾角。主销 内倾 角也有使车轮 自动 回正的作用 ， 其有 利用汽 车本 身 的重力使车轮 回 复到原来 中间位置的效应。主销内倾可减少从转 向轮传到方 向盘上 的冲击力 ， 使转向轻便。由于

13、前轴的重心在 主销 的轴线上 ， 主销 内倾使主销轴 线延长线与路面的交点和车轮中心地面的交点距 离减小 ， 力臂 的减小使转 向变轻 了。内倾 角不宜 过大 ， 否则转 向时 ， 在车轮绕 主销转动的过程 中， 轮胎与路面之 问将产生较大 的滑动 ， 增加轮胎 与 路面间摩擦阻力 ， 这不仅使转向发沉 ， 而且加速轮 胎的磨损 。一般认 为在车轮 上跳时 ， 主销 内倾 角 的增加应尽量减小 ， 以避免主销内倾角变化过大 。 主销内倾角通常都在 1 0 。 3 O l 2 。 3 0 左右 。图 4为 主销内倾角随车轮跳动的变化 曲线。 2 4前束 前束是汽车纵轴线与( 转向车轮 的) 轮胎

14、 中心 平面之间的夹角。它也可以用水平面上两侧轮胎 前后边缘距离的差值来表示。前束影响直线行驶 和转向行驶 ， 对于前轮驱动 的车辆 ， 它可以补偿运 动轨迹上的合成弹性运动的变化。合理确定前束 随车轮跳动量的变化规律 ， 可 获得希望的不足转 向和行驶特性。前束和车轮外倾角相匹配， 车轮 A n g le(d e g ) 图3主销后倾角随车轮跳动的变化曲线 维普资讯 第 3期 孙扬等： 对联合建立的汽车悬架模型的运动学分析 7 5 外倾角越大， 前束值就越大。如果前桥车轮 上跳 时 ， 前束向负角度 方 向变 化， 或后桥 车轮上跳时 ， 前束向正角度方 向变 化， 均可使 汽车在 曲线行驶

15、 时增加不足转 向的趋势 。同时还应注 意到， 车轮 跳动过程中过大的前束变化会因轮胎的侧偏使其 磨损加剧、 滚动阻力增大以及直线行驶能力下降。 图 5为车轮前束角随车轮跳动的变化曲线。 喜 曼 喜 喜 E 毛 I 一 + b m c “ I f t 、 An gl e( d e g ) 图4主销 内倾角随车轮跳动的变化 曲线 l 、 l ，_ ， 2 000 1 0 0 0 5 0 0 A n g l e ( d e g ) 图5车轮前束角随车轮跳动的变化 曲线 、 r 0 0 01 02 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 09 1 0 图 6 车 轮 轮 心 在 T iYm

16、方e (s 箭 上 的 变 化曲 线 2 5轮距的变化 由于独立 悬架 的左 右车轮相对 独立 ， 互 不关 联轮距在车轮的上下跳动 中将 发生变化。汽车在 行驶过程中， 轮距 的变化会 引起两侧 轮胎产生方 向相反的侧偏运动 ， 从 而使 轮胎产生侧 向力 ， 则 汽 车的直线行驶能力下降， 滚动阻力增大。此外， 轮 距的变化还会对转 向传动机构 的特性产 生影响 ， 因此 ， 轮距 的变化应控 制在 一定 范 围之 内。图 6 为车轮轮心在 Y方向上的变化曲线 3结束 语 本文将 A D A M S 和 P ro E 联合建立的复杂仿真 模型 1 4汽车悬架 系统进行运 动学仿 真， 由于

17、悬 架前轮轮心的上跳极限为 4 3 3 m m， 在仿真计算 中 设置轮心的上下跳动量稍作放大处理为 5 0 ra m， 以 在更为严酷 的工况下来 考查悬架 的运动特性。以 上述有关汽车悬架系统 的各种运动特性参数的计 算结果可以看 出， 其结 果较 好地满足 汽车悬架运 动特性 的要求。因此将 A D A MS仿真软件和 P r o E 进行联合建模 的方法是可行 的 ， 可 以对复杂机 械 系统( 如汽车悬架系统) 的几何外形极不规则的零 部件进行精确 的建 模 ， 运 动学仿真结 果也 比较精 确 ， 同时为对复杂机械 系统 进行精确 的动力学仿 真打下 了基础。 参考文献 ： 1 刘

18、惟信 汽车设计 M 北京： 清华大学出版社 2 0 0 1 2 芮执元， 程林章 基于 P r o E和 A D A MS 结合 的虚拟样 机动态仿真 J 现代制造工程 ， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 5 6 5 8 3 杜中华， 王兴贵， 狄长春 用 P r o E和 A D A MS 联合建立 复杂机械系统 的仿真模型 J 机械， 2 0 0 2 ， ( 1 ) ： 1 5 3 1 5 4 4 郭孔辉 汽车操纵动力学 M 吉林：吉林科学技术出 版社 ， 1 9 9 1 5 嵇伟 新型汽车悬架与车轮定位 M 北京： 机械工业 出版社 ， 2 0 0 4 6 余志生 汽车理论 M 北京：

19、机械工业出版社 ， 2 0 0 0 T h e k i n e t i c a n a l y s i s o f v e h i c l e s u s p e n s i o n mo d e l SUN Ya n g ，L I U G_u i - h u a 2 ，Z H A N G J i n g - j u n ， G A O R u i - z h e n ( 1 C o H e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c al E n g i n e e r i n g ， He b e i Un i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g ， H and an 0 5 6 0 3 8 ，C h i n a ； 2 H and a n T e l e v i s i o n S t a t i o n ， H and a n 0 5 6 0 3 8 ) Ab s t r a c t ： T h e d y n a mi c p a r a me t e r s a r e t h e ma i n f a c t o r s t h a t i n fl u e n c e t h e v e h i c l e p e r f o r ma n c