基于ADAMSCAR前懸架仿真模板

1、操縱穩(wěn)定性是汽車(chē)的重要使用性能之一，它不僅影響到汽車(chē)駕駛的操縱方便程度，而且 也是決定高速汽車(chē)行駛安全的一個(gè)重要性能，被稱(chēng)為“高速車(chē)輛的生命線”。因此操縱穩(wěn)定 性日益受到人們的重視。但是傳統(tǒng)的研究分析方法已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代汽車(chē)的研究要求，現(xiàn)在虛 擬樣機(jī)技術(shù)作為一項(xiàng)新的產(chǎn)業(yè)技術(shù)，己經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。本文正是利用動(dòng)力學(xué)仿真軟 件ADAMS研究探討懸架系統(tǒng)對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響。 本文以汽車(chē)的前懸架系統(tǒng)為研究對(duì)象，應(yīng)用ADAM軟件對(duì)汽車(chē)做仿真優(yōu)化分析。第二章 和第三章詳細(xì)的介紹了汽車(chē)操縱穩(wěn)定性在國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及研究成果及ADAM軟件。然后利 用ADAMS/Ca濮塊建立汽車(chē)的前懸架系統(tǒng)并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿

2、真分析。 關(guān)鍵字 ADAMS/CAR汽車(chē)操縱穩(wěn)定前懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 Abstract Handling and stability is one of the important performance of the car, it not only affects the ease of man ipulati on of motorists, but also determ ine the performa nce of an importa nt high-speed cars with security, known as high-speed vehicles lifeli ne. T

3、herefore, in creas ing han dli ng stability peoples atte nti on. But the traditi onal an alysis methods have bee n un able to meet the research requireme nts of moder n car, and now virtual prototype tech no logy as a new in dustrial tech no logy, had beg un applied to various fields. This article i

4、s the use of dyn amic simulatio n software ADAMS study in vestigated the effect of steeri ng stability of the suspe nsion system. In this paper, the cars front suspe nsion system for the study, applicati on software ADAMS simulati on and optimizati on an alysis of automobile do. The sec ond and thir

5、d chapters detailed description of the vehicle handling and stability at home and abroad and the research and developme nt of ADAMS software. The n use ADAMS / Car module builds the front suspe nsion system of the vehicle and the system simulati on an alysis.| Keywords ADAMS / CAR car front suspe ns

6、ion kin ematics simulatio n steeri ng stability 摘要 Abstract 1 緒論 1.1 課題研究背景 1.2 課題的研究意義與內(nèi)容 2汽車(chē)操縱穩(wěn)定性的介紹 2.1 汽車(chē)操縱穩(wěn)定的基本概念 2.1 汽車(chē)操縱穩(wěn)定的研究歷史與現(xiàn)狀 3 ADAMS軟件介紹 3.1軟件簡(jiǎn)介 3.2 ADAMS模塊簡(jiǎn)介 4 基于ADAMS/Car汽車(chē)前懸架系統(tǒng)模型的建立 4.1 ADAMS/Car 建模原理 4.2 懸架系統(tǒng)介紹 4.2.1 雙臂獨(dú)立式懸架 4.2.2 麥佛遜式獨(dú)立懸架 4.3 前懸架系統(tǒng)模型的建立 4.4 本章小結(jié) 5 前懸架系統(tǒng)的仿真 5.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿

7、真目的 5.2 前懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 5.2.1 5.3 本章小結(jié) 6 總結(jié)與展望 參考文獻(xiàn) 致謝 1.1課題研究背景 當(dāng)今世界汽車(chē)工業(yè)迅猛發(fā)展，汽車(chē)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ詈凸まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的重 要交通運(yùn)輸工具。隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展和汽車(chē)的普及，人們對(duì)汽車(chē)的要求也越來(lái)越高，在獲得 良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，還要求汽車(chē)具有良好的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。操縱穩(wěn)定 性是影響汽車(chē)安全性的主要因素之一，因此如何評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性、獲得良好的 安全性，一直是汽車(chē)領(lǐng)域的重要課題。 在這一領(lǐng)域中，基礎(chǔ)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型理論的研究和利用所得模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究都 顯得十分重要。尤其在計(jì)算機(jī)工業(yè)高度發(fā)達(dá)

8、的今天，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真分析是一種既現(xiàn)實(shí) 又經(jīng)濟(jì)的方法。而我們所建立的汽車(chē)模型也經(jīng)歷了一個(gè)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從粗糙到精確的過(guò)程。 這是因?yàn)槠?chē)是一個(gè)包含慣性、彈性、阻尼等動(dòng)力學(xué)特性的一個(gè)多自由度非線性連續(xù)體振動(dòng) 系統(tǒng)。而且由于組成汽車(chē)的各機(jī)械子系統(tǒng)如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、輪胎等之間的相互禍合作 用，使汽車(chē)的動(dòng)態(tài)特性非常復(fù)雜。要想真實(shí)地描述汽車(chē)的動(dòng)態(tài)特性，必須考慮盡可能多零件的 運(yùn)動(dòng),得到精確的數(shù)學(xué)模型。然而，太復(fù)雜的模型方程又給求解帶來(lái)巨大困難，甚至得不到結(jié) 果。因此，各國(guó)學(xué)者在這一領(lǐng)域中研究的傳統(tǒng)方法是通過(guò)試驗(yàn)或人為地把汽車(chē)各子系統(tǒng)加以 簡(jiǎn)化，抽取出能夠代表系統(tǒng)或總成特性的本質(zhì)因素，建立起較簡(jiǎn)單

9、的數(shù)學(xué)、力學(xué)模型進(jìn)行求解 并把求得的結(jié)果試驗(yàn)加以驗(yàn)證川。 理論研究的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，使得虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。以多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理 論為基礎(chǔ)編寫(xiě)的大型通用軟件為工程技術(shù)人員提供了方便的建模手段。應(yīng)用大型通用軟件能 自動(dòng)生成運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程，并利用軟件內(nèi)部的數(shù)學(xué)求解器準(zhǔn)確的求解，不需要人工建立、 求解方程，編寫(xiě)程序，因而能夠節(jié)省大量的時(shí)間和人力物力，提高工作效率。這對(duì)于行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)逐 漸加劇的汽車(chē)工業(yè)行業(yè)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一大福音。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中采用虛擬樣機(jī)分析的開(kāi)發(fā)策略， 成為各大汽車(chē)公司縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)費(fèi)用、提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)質(zhì)量，從而提高競(jìng) 爭(zhēng)能力的主要做法。 隨著CAD/CAE/CAM

10、在汽車(chē)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的廣泛采用，人們逐漸意識(shí)到提高產(chǎn)品質(zhì)量、 縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期及降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)最有效的途徑應(yīng)用數(shù)字化功能樣機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)水平的設(shè)計(jì)。 它可以有效地將三維實(shí)體模型及應(yīng)用有限元FEA(Finite Element Analysis)軟件描述的零部件 模態(tài)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)在虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬場(chǎng)地上進(jìn)行的各種模擬試驗(yàn) 的性能。在這一領(lǐng)域美國(guó)MSC公司的ADAMS軟件是目前無(wú)可基于的汽車(chē)操縱穩(wěn)定性仿真 試驗(yàn)初步研究爭(zhēng)議的領(lǐng)導(dǎo)者 ，是世界上市場(chǎng)占有率最高的機(jī)械系統(tǒng)仿真MSS(Mecha nical System Simulation)軟件。汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性是影響其主動(dòng)安全性的主要

11、性能之一,而且計(jì)算 機(jī)仿真技術(shù)日益成熟，在這種背景下軟件將越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于汽車(chē)操縱穩(wěn)定性研究中。 1.2課題的研究意義與內(nèi)容 SUV (運(yùn)動(dòng)型多功能車(chē))通常采用非承載式車(chē)身結(jié)構(gòu)，底盤(pán)有堅(jiān)固的車(chē)架，使得SUV 在碰撞或者翻車(chē)時(shí)對(duì)乘員有良好的保護(hù)作用；同時(shí)SUV離地間隙大使得汽車(chē)有良好的通 過(guò)性能和良好的視野。這些特點(diǎn)使得SUVM有很好的道路適應(yīng)性和更多的駕駛樂(lè)趣，于 是越來(lái)越受到大家的歡迎。但是SUV重心高非簧載質(zhì)量大等缺點(diǎn)使得汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性 受到很大的影響，使得 SUV的側(cè)傾穩(wěn)定性比較差在避讓或轉(zhuǎn)彎時(shí)側(cè)翻的事故率很高，這 已經(jīng)成為生產(chǎn)廠家和交通安全部門(mén)一個(gè)十分頭疼的問(wèn)題。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)

12、，2004 年SUV翻車(chē)造成的悲劇在 SUV的各類(lèi)車(chē)禍中占到 61%，是一般轎車(chē)翻車(chē)事故死亡率的三 倍，所以SUV的安全問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注。 如果采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法來(lái)解決這一問(wèn)題，也是國(guó)內(nèi)目前普遍采用的方法，就是先分析SUV 產(chǎn)生側(cè)翻的原因主要為汽車(chē)重心高度、懸架側(cè)傾角剛度、側(cè)傾中心高度等，然后計(jì)算在某一 狀態(tài)下汽車(chē)的側(cè)傾剛度、側(cè)傾中心的一系列的參數(shù)，由于汽車(chē)的懸架系統(tǒng)是個(gè)很復(fù)雜的運(yùn)動(dòng) 系統(tǒng)，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的計(jì)算過(guò)于繁瑣，這些參數(shù)都只能在很小的范圍內(nèi)保證其準(zhǔn)確性，并且 還沒(méi)法考慮其系統(tǒng)中的橡膠襯套等元件的變形，往往通過(guò)多次試驗(yàn)才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并且 通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題也很難找到產(chǎn)生問(wèn)題的原

13、因。于是人們想到了如果利用計(jì)算機(jī)來(lái)解決這 一問(wèn)題會(huì)大大縮短開(kāi)發(fā)周期，并能提高分析的準(zhǔn)確性。 內(nèi)容還沒(méi)有完 2汽車(chē)操縱穩(wěn)定性的介紹 2.1 汽車(chē)操縱穩(wěn)定的基本概念 汽車(chē)操縱穩(wěn)定性，是指在駕駛員不感覺(jué)過(guò)分緊張、疲勞的條件下，汽車(chē)能按照駕駛員通過(guò)轉(zhuǎn)向系 及轉(zhuǎn)向車(chē)輪給定的方向（直線或轉(zhuǎn)彎）行駛；且當(dāng)受到外界干擾（路不平、側(cè)風(fēng)、貨物或乘客偏載） 時(shí), 汽車(chē)能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的性能。 操縱穩(wěn)定性不僅影響到汽車(chē)駕駛的操縱方便程度，而且也是決定高速汽車(chē)安全行駛 的一個(gè)主要性能，所以被稱(chēng)為“高速車(chē)輛的生命線”。隨著道路條件的不斷改善，汽車(chē)在公路上的行駛速 度也不斷提高。因此汽車(chē)的高速操縱穩(wěn)定性日益受到人們

14、的重視，如何研究和評(píng)價(jià)汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性 ， 以獲得良好的汽車(chē)主動(dòng)安全性也成為一個(gè)重要的課題。 2.2 汽車(chē)操縱穩(wěn)定的研究歷史與現(xiàn)狀 汽車(chē)操縱穩(wěn)定性的研究，是與汽車(chē)車(chē)速的不斷提高分不開(kāi)的。早期的低速汽車(chē)，還談不上操縱穩(wěn)定性 問(wèn)題，最早提出操縱穩(wěn)定性的問(wèn)題是在具有較高車(chē)速的賽車(chē)上。后來(lái)，隨著車(chē)速的不斷提高，在轎車(chē)、大 客車(chē)和載重汽車(chē)上也都不同程度地出現(xiàn)了類(lèi)似的問(wèn)題。操縱穩(wěn)定性不好的汽車(chē)通常會(huì)有“飄”、“反應(yīng) 遲鈍”、“晃”、“喪失路感”和“失去控制”等現(xiàn)象。 在國(guó)外，二十世紀(jì)三十年代才開(kāi)始對(duì)汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)的研究。并取得了不少有價(jià)值的研 究成果。1925年法國(guó)工程師喬治布勞海特發(fā)現(xiàn)了輪胎側(cè)

15、偏現(xiàn)象。同時(shí)，這一年也建立起了驅(qū)動(dòng)力學(xué)的 普遍原理。但由于缺乏對(duì)輪胎產(chǎn)生的橫向力的理解，此項(xiàng)理論一直沒(méi)有得到全面的應(yīng)用。1935年Evans 給出了有關(guān)輪胎力學(xué)特性較為深入的結(jié)果，包括輪胎側(cè)偏剛度隨著側(cè)偏角變化的規(guī)律。 隨后的幾年里，汽車(chē)操縱穩(wěn)定性理論的一些重要的基本概念，如不足轉(zhuǎn)向、過(guò)度轉(zhuǎn)向、臨界車(chē)速等已 被汽車(chē)工程師們所熟悉。英國(guó)的 Lanchester法國(guó)的Broulhet開(kāi)始了車(chē)輛獨(dú)立懸架的研究，并對(duì)轉(zhuǎn)向運(yùn) 動(dòng)學(xué)和懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)車(chē)輛性能的影響進(jìn)行了分析。并月人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到了輪胎側(cè)向力學(xué)的重要性。 1934年Olley首先提出車(chē)速是一個(gè)關(guān)鍵因素。固特異輪胎公司根據(jù)他們的研究成 果,進(jìn)行了轉(zhuǎn)

16、鼓實(shí)驗(yàn)，研究了輪胎特性。1935年,Evans發(fā)表了關(guān)于輪胎橫向特性的文 章,并給出了轉(zhuǎn)向力和回正力矩”。 1956 年 Cornell Aero nautical實(shí)驗(yàn)室的 William F.Millike n,David W.Whitcomb和 Leo nard Segel 發(fā)表了一套較為完整的關(guān)于車(chē)輛操縱穩(wěn)定性的理論和定量分析的文章。其中很多的理論到現(xiàn)在仍被引 用。在Whitcomb的文章中，他利用兩自由度模型得出了一系列汽車(chē)穩(wěn)定性和操縱性方面的結(jié)論。由于不 考慮側(cè)傾自由度,Whitcomb把汽車(chē)簡(jiǎn)化成了相當(dāng)于自行車(chē)的兩自由度模型，研究了兩自由度模型的穩(wěn)態(tài) 響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)。在研究汽車(chē)橫擺

17、響應(yīng)時(shí)，引入了穩(wěn)定性因數(shù) K的概念。 在二十世紀(jì)60年代以前，對(duì)操縱穩(wěn)定性的研究主要以開(kāi)環(huán)研究為主，所謂開(kāi)環(huán)研究就是把汽車(chē)作為 一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，求出汽車(chē)曲線行駛的時(shí)域響應(yīng)和頻率響應(yīng)特性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析，用橫擺 角速度頻率響應(yīng)特性、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角階躍輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)、不足轉(zhuǎn) 向特性和過(guò)度轉(zhuǎn)向特性等來(lái)表征汽車(chē)的特性。按照這種方法研究汽車(chē)操縱穩(wěn)定性，需要建立精確的汽車(chē) 動(dòng)力學(xué)模型。之前的開(kāi)環(huán)研究取得了許多的研究成果，詳細(xì)討論了汽車(chē)的不足轉(zhuǎn)向和過(guò)度轉(zhuǎn)向特性分析 了保持汽車(chē)行駛方向的穩(wěn)定性條件是臨界車(chē)速必須大于汽車(chē)最高車(chē)速等。其應(yīng)用的基礎(chǔ)是經(jīng)典控制理論 依據(jù)汽車(chē)的

18、穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分析，使用不足一過(guò)度轉(zhuǎn)向特性和轉(zhuǎn)向輸入的階躍響應(yīng)特性，來(lái)對(duì)汽車(chē)的操縱穩(wěn) 定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。 Martin Goland 和Frederick Jindra 在1961年發(fā)表的文章中用兩個(gè)自由度的模型研究了四輪汽車(chē) 的操縱性和穩(wěn)定性。他將側(cè)傾自由度用作用于輪胎上的垂直載荷來(lái)近似模擬，考慮了輪荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)，并分 析輪胎的力學(xué)特性隨著車(chē)輪載荷的變化而改變。結(jié)果表明操縱穩(wěn)定性隨著質(zhì)心的變化而變化，并且輪胎 壓力和輪胎寬度都在改變。 1967年，通用公司的R.Thomas Bundorf在文章中討論了汽車(chē)參數(shù)設(shè)計(jì)和不足轉(zhuǎn)向以及特征車(chē)速的 關(guān)系,并提出如何預(yù)測(cè)和實(shí)際測(cè)量車(chē)輛的不足轉(zhuǎn)向特性。他指出特征車(chē)

19、速是線性模型的產(chǎn)物；在正常行駛 條件下（橫向加速度小于1/3g）,車(chē)輛可由線性模型模擬，并且需要建立大直徑側(cè)滑試驗(yàn)場(chǎng)來(lái)測(cè)量特征車(chē) 速。Bundorf還推導(dǎo)出了在給定設(shè)計(jì)參數(shù)下預(yù)測(cè)特征車(chē)速的表達(dá)式。 在日本，自從近藤提出了關(guān)于駕駛員對(duì)車(chē)輛操縱動(dòng)作的基本觀點(diǎn)以來(lái)，藤井、井口、三川等人的研究 中采用了各種傳遞函數(shù)來(lái)描述駕駛員的操縱和汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)。因?yàn)橛芯_的數(shù)學(xué)模型，能夠得出精確的數(shù) 字解,這些研究工作對(duì)車(chē)輛的設(shè)計(jì)、分析和評(píng)價(jià)車(chē)輛性能是很有價(jià)值的。電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展和對(duì)輪胎側(cè) 偏特性的深入研究，使得已經(jīng)有可能對(duì)汽車(chē)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)做出相當(dāng)全面而逼真的仿真，人們提出了自由度 越來(lái)越多的數(shù)學(xué)力學(xué)模型，同時(shí)也提出了

20、各種評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性。 七十年代初期，EVS研究計(jì)劃開(kāi)始實(shí)施，促使人們?nèi)パ芯繉?shí)用的操縱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法。鑒于當(dāng)時(shí)的 駕駛員模型仍處于提高閉環(huán)跟蹤響應(yīng)的仿真精度的水平，各國(guó)研究人員主要采用系統(tǒng)工程學(xué)的方法去探 索操縱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法。依據(jù)大量的試驗(yàn)與理論分析，首先指出了穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性、瞬態(tài)響應(yīng)特性、回 正特性和側(cè)向滑移特性的安全容許范圍或極限，對(duì)操縱性進(jìn)行了客觀評(píng)價(jià)。從七十年代開(kāi)始，計(jì)算機(jī)技術(shù) 迅猛發(fā)展，操縱穩(wěn)定性的研究和計(jì)算機(jī)緊密地結(jié)合起來(lái)，車(chē)輛仿真模型變得更加復(fù)雜和真實(shí)，對(duì)操縱穩(wěn)定 性的研究也更加逼真。先期的仿真工作都在模擬計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，它能解決實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，但其致命缺點(diǎn) 是不能

21、解決非線性問(wèn)題。70年代早期，工程師設(shè)計(jì)了在數(shù)字和模擬聯(lián)合計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的代碼，使車(chē)輛動(dòng) 力學(xué)模型既可實(shí)時(shí)仿真又可包含非線性因素。具有代表性的工程師有Murpphy Tiffa ny Hick ner。 七十年代中期以后，開(kāi)始利用駕駛員對(duì)汽車(chē)直線行駛性能、轉(zhuǎn)彎性能和轉(zhuǎn)向輕便性等特性的感覺(jué)， 進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。主觀評(píng)價(jià)方法雖然沒(méi)有經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo) ,但是由于考慮了駕駛員因素和道路環(huán)境的特點(diǎn) 所以在一定程度上體現(xiàn)了閉環(huán)設(shè)計(jì)的思想。但由于對(duì)汽車(chē)的瞬態(tài)響應(yīng)等特性的主、客觀評(píng)價(jià)不一致，難 以有效地設(shè)計(jì)汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性。 八十年代初，人們從理論和試驗(yàn)兩方面入手 ，重新開(kāi)始深入研究人一車(chē)閉環(huán)系統(tǒng)。在理論方面，充分 地

22、考慮到人的學(xué)習(xí)性和適應(yīng)性 ，建立了許多確定性駕駛員方向控制模型，有效地仿真了人一車(chē)閉環(huán)系統(tǒng) 對(duì)給定路徑的跟隨過(guò)程。在試驗(yàn)方面，考慮到駕駛員模型的進(jìn)展程度不能滿(mǎn)足主動(dòng)安全性閉環(huán)設(shè)計(jì)的要 求以及安全試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法只能在樣車(chē)試制后采用并受自然條件限制等缺陷，研制了開(kāi)發(fā)型駕駛模擬器。 這種駕駛模擬器采用先進(jìn)的實(shí)時(shí)仿真、數(shù)字成像、液壓控制等技術(shù)，將真實(shí)的人和模型化的汽車(chē)相結(jié)合， 通過(guò)室內(nèi)計(jì)算機(jī)仿真代替場(chǎng)地試驗(yàn) ，緩和了理論研究的發(fā)展程度與汽車(chē)主動(dòng)安全性閉環(huán)設(shè)計(jì)要求之間的 矛盾。 九十年代以來(lái)，利用開(kāi)發(fā)型駕駛模擬器進(jìn)行人一車(chē)閉環(huán)系統(tǒng)主動(dòng)安全性研究，改進(jìn)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)性能是 國(guó)際上近期主要的發(fā)展方向之一。1991年

23、日本馬自達(dá)汽車(chē)公司興建了運(yùn)動(dòng)車(chē)型開(kāi)發(fā)型駕駛員模擬器。 1993年初，美國(guó)福特汽車(chē)公司也研制出開(kāi)發(fā)型駕駛員模擬器。我國(guó)吉林大學(xué)汽車(chē)動(dòng)態(tài)模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn) 室建設(shè)成功的開(kāi)發(fā)型駕駛模擬器也投入使用，現(xiàn)屬世界一流水平。 在我國(guó)，汽車(chē)操縱穩(wěn)定性研究始于七十年代。清華大學(xué)和長(zhǎng)春汽車(chē)研究所都同時(shí)系統(tǒng)地開(kāi)展了這方 面研究工作。我國(guó)開(kāi)展汽車(chē)操縱穩(wěn)定性研究的歷史雖不太長(zhǎng)，但吸取了國(guó)外的研究成果和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)展較 快。其中，成就最突出的是吉林大學(xué)的郭孔輝院士。郭孔輝教授在駕駛員模型、人一車(chē)閉環(huán)系統(tǒng)特性及 人一車(chē)閉環(huán)系統(tǒng)的定量評(píng)價(jià)方面做了大量研究工作。他在研究駕駛員一汽車(chē)一道路閉環(huán)操縱系統(tǒng)模型且 考慮了影響汽車(chē)操縱性的諸多

24、因素的基礎(chǔ)上，提出了物理意義明確的各個(gè)單項(xiàng)總方差評(píng)價(jià)指標(biāo)，并應(yīng)用 頻率統(tǒng)計(jì)分析方法提出了閉環(huán)系統(tǒng)主動(dòng)安全性的綜合評(píng)價(jià)與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在工程實(shí)際中得到了廣泛應(yīng) 用。 3 ADAMS軟件介紹 3.1 軟件簡(jiǎn)介 ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析(Automatic Dyn amic An alysis of Mecha nical Systems) 該軟件是美國(guó)機(jī)械動(dòng)力公司 (Mechanical Dynamics Inc.)(現(xiàn)已并入美國(guó) MSC公司)開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)分 析軟件。ADAM已經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。根據(jù)1999年機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析 軟件國(guó)際市場(chǎng)份額的統(tǒng)計(jì)資料，

25、ADAM歎件銷(xiāo)售總額近八千萬(wàn)美元、占據(jù)了51%勺份額，現(xiàn)已經(jīng)并入美 國(guó)MSC公司。 ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型, 建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn) 其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法, 行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAM軟件的仿真可用于 預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。 ADAMS 一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶(hù)可以運(yùn)用該軟件非常方便地對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行 靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開(kāi)發(fā)工具，其

26、開(kāi)放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接 口，可以成為特殊行業(yè)用戶(hù)進(jìn)行特殊類(lèi)型虛擬樣機(jī)分析的二次開(kāi)發(fā)工具平臺(tái)。 3.2 ADAMS模塊簡(jiǎn)介 ADAMS軟件由基本模塊、擴(kuò)展模塊、接口模塊、專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類(lèi)模塊組成。用戶(hù)不僅 可以采用通用模塊對(duì)一般的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真，而且可以采用專(zhuān)用模塊針對(duì)特定工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的問(wèn)題進(jìn) 行快速有效的建模與仿真分析。 Adams是全球運(yùn)用最為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件，用戶(hù)可以利用 Adams在計(jì)算機(jī)上建立和測(cè)試虛擬 樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線仿真，了解復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)性能。 MD Adams （MD代表多學(xué)科）是在企業(yè)級(jí) MSC SimEnterprise 仿真環(huán)境中與 MD Na

27、stran相互補(bǔ)充， 提供了對(duì)于復(fù)雜的高級(jí)工程分析的完整的仿真環(huán)境，SimE nterprise 是當(dāng)今最為完整的集成仿真和分 析技術(shù)。 MDAdams的發(fā)布完全支持運(yùn)動(dòng)-結(jié)構(gòu)耦合仿真，與 MDNastran的雙向集成可以釋放便利地將Adams 的模型輸出到Nastran進(jìn)行更為詳細(xì)的 NVH分析或應(yīng)力恢復(fù)，繼而進(jìn)行壽命/損傷計(jì)算。 MD Adams/Car 應(yīng)用MD Adams/Car，技術(shù)團(tuán)隊(duì)可以快速建立和測(cè)試整車(chē)和子系統(tǒng)的功能化虛擬樣車(chē)。 這可以幫助在車(chē)輛研發(fā)過(guò)程中節(jié)省時(shí)間、降低費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)，提升新車(chē)設(shè)計(jì)的品質(zhì)。通過(guò) MD Adams/Car的仿真環(huán)境，汽車(chē)工程師們可以在虛擬環(huán)境中對(duì)于不同

28、的路面、不同的 實(shí)際條件反復(fù)測(cè)試他們的設(shè)計(jì)，從而得到滿(mǎn)意的結(jié)果。 MD Adams/Car包含許多的功能模塊用于多學(xué)科仿真。 Multidiscipli ne Value多學(xué)科價(jià)值 多學(xué)科的價(jià)值在于大大地拓廣了數(shù)字分析的能力，MSC勺MD技術(shù)是優(yōu)化的涵蓋跨學(xué)科/多學(xué)科的集 成，可以充分利用現(xiàn)有的高性能計(jì)算技術(shù)解決大量大規(guī)模的問(wèn)題。多學(xué)科技術(shù)聚焦于提升仿真效率、 保 證設(shè)計(jì)初期設(shè)計(jì)的有效性、提升品質(zhì)、加速產(chǎn)品投放市場(chǎng)。 4 基于ADAMS/Car汽車(chē)前懸架系統(tǒng)模型的建立 4.1 ADAMS/Car建模原理 DAMS/Car模塊通常的建模程序是：設(shè)計(jì)人員首先在“Template Budider ”

29、 （模板）下創(chuàng)建所需的 模板，或?qū)σ延械哪０暹M(jìn)行修改以適應(yīng)建模要求；然后根據(jù)建立的模板在Sta ndard In terface （標(biāo) 準(zhǔn)界面）下建立子系統(tǒng)模型，并將子系統(tǒng)模型組裝成系統(tǒng)總成或整車(chē)模型；最后根據(jù)研究目標(biāo)對(duì)組裝好 的懸架或整車(chē)模型給出不同的分析命令，即可進(jìn)行不同工況下的仿真分析或優(yōu)化設(shè)計(jì)8。 由于ADAMS/Car模板采用的是自下而上的建模順序（即懸架整車(chē)總成模型都是建立于子系統(tǒng)模型基 礎(chǔ)之上，而不同的子系統(tǒng)則需要建立不同的模板），因此，在“Template Builder ”中建立模板是 ADAMS/Car 仿真分析首要的關(guān)鍵步驟。 （1）物理模型的簡(jiǎn)化 根據(jù)物理模型中各零件之

30、間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，定義出各零件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，把沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系 的零件進(jìn)行整合，定義為“ Ge neral Part ”。 （2）確定“ Hard Point ” （硬點(diǎn)） 硬點(diǎn)即為各零件間連接處的幾何定位點(diǎn)，確定硬點(diǎn)就是在模板坐標(biāo)系內(nèi)給出零件之間連接點(diǎn)的 幾何位置。 （3）創(chuàng)建零件 根據(jù)硬點(diǎn)位置或零件質(zhì)心的絕對(duì)坐標(biāo)創(chuàng)建零件，并將實(shí)際零件的參數(shù)（如質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì) 心位置等）輸入到相應(yīng)的對(duì)話框中。 注意，零件的三個(gè)坐標(biāo)軸方向必須與絕對(duì)坐標(biāo)系的相應(yīng)坐標(biāo)軸平行。 （4）定義“ Mount”（組裝） 系統(tǒng)總成或整車(chē)模型都是由多個(gè)子系統(tǒng)裝配而成，因而要在各子系統(tǒng)中定義“ Mount”（組裝）， 以方便

31、各子系統(tǒng)模型之間的裝配連接。 （5）創(chuàng)建零件的“ Geometry ” （幾何形體） 在硬點(diǎn)的基礎(chǔ)上建立零件的幾何形體。由于零件的動(dòng)力學(xué)參數(shù)已經(jīng)確定，因此幾何形體對(duì)動(dòng) 力學(xué)仿真結(jié)果實(shí)際上沒(méi)有影響4。但在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中，零件的外形輪廓直接關(guān)系到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干涉。 考慮到模型的直觀性，零件的幾何形狀應(yīng)盡可能地貼近實(shí)際結(jié)構(gòu)。 （6）定義“ Attachment ” （連接） 按照各個(gè)零件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系確定約束類(lèi)型，通過(guò)“Joi nt ” （約束）或“ Bush ing ” （襯套）等將 各零件連接起來(lái)，從而構(gòu)成子系統(tǒng)模板的結(jié)構(gòu)模型。定義連接是正確建模的重要步驟，它直接關(guān)系著系 統(tǒng)自由度的合理性。 （7）定

32、義“ Parameter Variable ” （參數(shù)變量） 對(duì)不同的子系統(tǒng)模板， 通常還需定義相應(yīng)的參數(shù)變量，例如懸架模型中通常需對(duì)前輪定位參數(shù)進(jìn) 行定義。 (8) 定義、測(cè)試通訊器( Communicator )。 創(chuàng)建、核對(duì)與外部連接的通訊器的類(lèi)型、名稱(chēng)、對(duì)稱(chēng)性。 4.2 越野車(chē)前懸架模型的建立 4.2.1 簡(jiǎn)化模型 設(shè)懸架模型的絕對(duì)坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為兩側(cè)車(chē)輪接地印跡中心點(diǎn)連線之中點(diǎn)，車(chē)輛行駛方向?yàn)閤 軸負(fù)向，y軸由坐標(biāo)原點(diǎn)指向駕駛員右側(cè)，z軸符合右手螺旋法則垂直向上。假設(shè)前懸架關(guān)于整車(chē)縱向 中心對(duì)稱(chēng)面對(duì)稱(chēng)，這樣在建模過(guò)程中將 type選為left，只需建立半個(gè)前懸架模型，另一半模型(包

33、括 零件、硬點(diǎn)、約束)可由 ADAMS/Car自動(dòng)生成。忽略導(dǎo)向桿件的柔性和變形，假設(shè)前懸架是一個(gè)多缸體 系統(tǒng)，除了在減振器與車(chē)身及控制臂與副車(chē)架等連接處定義了“Bushing ” (襯套)的彈性特性之外，系 統(tǒng)各零件及車(chē)身均假定為缸體。假設(shè)所研究的越野車(chē)前后部符合不耦合力學(xué)條件，即前后懸架彈簧上質(zhì) 量的垂向運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，無(wú)軸荷縱向轉(zhuǎn)移?；缮腺|(zhì)量根據(jù)質(zhì)心位置安比例分配與前、后車(chē)架上。 表4-1前懸架簡(jiǎn)化模板的約束情況 類(lèi)型 約束自由度 個(gè)數(shù) 萬(wàn)向副 4 2 圓柱副 4 2 球形副 3 2 移動(dòng)副 5 1 轉(zhuǎn)動(dòng)副 5 2 固定副 6 1 點(diǎn)線約束 2 1 由表4-1可知，汽車(chē)前懸架的約束方程數(shù)目

34、為: (4.1 ) m=4*2+4*2+5*1+5*2+6*1+2* 仁45 汽車(chē)前懸架的自由度為： DOF=6*8-m=48-45=3（ 4.2） 汽車(chē)懸架共有3個(gè)自由度，分別為車(chē)輪繞車(chē)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)、車(chē)輪繞主銷(xiāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)和車(chē)輪的上下跳動(dòng)。 4.2.2 確實(shí)硬點(diǎn)坐標(biāo) 表4-2前懸架定位參數(shù) 序號(hào) 硬點(diǎn) HardPoi nt x/mm y/mm z/mm 1 驅(qū)動(dòng)軸內(nèi)支點(diǎn) drive_shaft_i nr 0 -200 280 2 下控制臂前支點(diǎn) lca_fr ont -169 -327 233 3 下控制臂外支點(diǎn) lca_outer 0 -690 220 4 下控制臂后支點(diǎn) lca_rear 230

35、-342 233 5 上控制臂前支點(diǎn) uca_fr ont 15 -345 636 6 上控制臂外支點(diǎn) uca_outer 23 -604 661 7 上控制臂后支點(diǎn) uca_rear 139 -375 622 8 減振器下女裝點(diǎn) lwr_strut_m ount 0 -517 226 9 減振器上女裝點(diǎn) top_m ount 0 -517 636 10 轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)支點(diǎn) tierod_ inner 200 -420 336 11 轉(zhuǎn)向橫拉桿外支點(diǎn) tierod_outer 150 -720 336 12 車(chē)輪中心 wheel_ce nter 0 -750 336 13 副車(chē)架前支點(diǎn) subf

36、rame_fro nt -400 -380 233 14 副車(chē)架后支點(diǎn) subframe_rear 400 -380 233 將硬點(diǎn)坐標(biāo)輸入到Hardpoint Table 中如圖所示 圖4-1 硬點(diǎn)(hardpoint )坐標(biāo) 4.2.3生成懸架系統(tǒng)模型 在ADAMS/Car中建立的部件主要包括一般部件和安裝部件。一般部件是指確定了初始位 置、方向、質(zhì)量、慣量和質(zhì)心的剛性體，所建模型中主要包含：下控制臂(lower_control_arm )、 轉(zhuǎn)向節(jié)(upright )、加強(qiáng)臂(yoke)、減振器(strut )、轉(zhuǎn)向橫拉桿(tierod )等；安裝 部件用于模型內(nèi)部部件與其他子系統(tǒng)、試驗(yàn)

37、臺(tái)或地面連接，所建模型中主要包含：減振器與 車(chē)身子系統(tǒng)連接件(strut_to_body )、轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)連接 (tierod_to_steeri ng )、 下擺臂與車(chē)身子系統(tǒng)連接件(lca_to_body )等。在ADAMS/Car中建立的前懸架系統(tǒng)仿真模 型如圖所示。 圖4-2前懸架仿真模型 4.4本章小結(jié) 5前懸架系統(tǒng)的仿真 5.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的目的 懸架系統(tǒng)可以用來(lái)傳遞車(chē)輪與車(chē)架之間的力與力矩，它的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性影響著汽車(chē) 的使用性能，特別是汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向輕便性和輪胎的磨損。所以對(duì)前懸架系統(tǒng)進(jìn)行 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的目的是考察隨著車(chē)輪的跳動(dòng)，車(chē)輪定位參數(shù)前輪前束角、車(chē)輪外傾角、

38、主銷(xiāo)內(nèi) 傾角、主銷(xiāo)后傾角、輪距變化等相關(guān)參數(shù)的變化是否合理。 5.2 前懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 5.2.1 懸架雙輪同向跳動(dòng)試驗(yàn) 對(duì)于懸架來(lái)說(shuō)，可以進(jìn)行很多種仿真，如：雙輪同向跳動(dòng) (Parallel Wheel Travel)； 雙輪反向跳動(dòng)(Oppssite Wheel Travel);單輪跳動(dòng)(Single Wheel Travel) ;轉(zhuǎn)向 (Steering);靜載(Static Load);側(cè)傾和垂向力(Roll & Vertical Force)等。在這里我進(jìn) 行的是雙輪同向跳動(dòng)試驗(yàn)，這是懸架最常做的試驗(yàn)之一。仿真過(guò)程參數(shù)的設(shè)置如圖 IE jj Pane & Let IYUM bd

39、lM IA r 站便 i妙1 bJMfi 1b EWdlt LI 圖5-1仿真過(guò)程參數(shù) 5.2.2 仿真結(jié)果分析 仿真前定義的測(cè)量函數(shù)一前輪的定位參數(shù),在ADAMS/PostProcessor模塊中以曲線圖形 或表格數(shù)據(jù)的形式輸出，可以清楚的看出車(chē)輪上下輪跳動(dòng)時(shí)各種參數(shù)的變化。 主銷(xiāo)內(nèi)傾角 主銷(xiāo)內(nèi)傾有利于主銷(xiāo)橫向偏移距的減小，從而可減少轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員加在方向盤(pán)上的力， 使轉(zhuǎn)向操縱輕便，同時(shí)也可減少?gòu)霓D(zhuǎn)向輪傳到方向盤(pán)上的沖擊力。內(nèi)傾角不宜過(guò)大，否則在 轉(zhuǎn)向時(shí)，車(chē)輪繞主銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，輪胎與路面之間將產(chǎn)生較大的滑動(dòng)，增加了輪胎與路面 間摩擦阻力，這不僅使轉(zhuǎn)向發(fā)沉，而且加速了輪胎的磨損。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，大致范圍為：7 - 13，希望取較小的數(shù)值。從圖可以看出，在車(chē)輪跳動(dòng)過(guò)程中，主銷(xiāo)內(nèi)傾角變化幅度不大， 其變化范圍也較為理想。 Kingpin Incknajon Angk? Wheel Trawl 4