第五章 汽車操縱穩(wěn)定性仿真

1、第五章 汽車操縱穩(wěn)定性仿真分析5.1 多體系統(tǒng)動力學(xué)基礎(chǔ) 多體系統(tǒng)動力學(xué)產(chǎn)生的背景 多體系統(tǒng)動力學(xué)簡介 多剛體系統(tǒng)動力學(xué)的研究方法 多柔體系統(tǒng)動力學(xué)的研究方法 一、多體系統(tǒng)動力學(xué)產(chǎn)生的背景 隨著汽車市場的日趨完善，汽車開發(fā)速度不斷加快，完全依靠樣車試制后對汽車進行試驗來達(dá)到調(diào)整汽車性能的做法己經(jīng)不能滿足汽車產(chǎn)品開發(fā)速度快和開發(fā)質(zhì)量高的要求，所以有必要在設(shè)計中同時采用虛擬樣機技術(shù)及仿真分析方法對汽車性能進行預(yù)測，達(dá)到提高設(shè)計質(zhì)量和開發(fā)速度的目的。以多體系統(tǒng)動力學(xué)理論為基礎(chǔ)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。 傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)的基本流程如下：首先是概念設(shè)計和方案論證，然后進行產(chǎn)品設(shè)計，

2、在設(shè)計完成后，為了驗證設(shè)計方案的可行性，通常要制造物理樣機進行試驗，有時這些試驗是難以進行的甚至是破壞性的。當(dāng)試驗過程中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在一定的缺陷時，需要從頭修改設(shè)計方案，再次利用物理樣機進行必要的驗證。只有通過周而復(fù)始的設(shè)計-試驗-設(shè)計過程，產(chǎn)品才能達(dá)到所要求的性能。顯然，這一過程是極其繁瑣的，尤其是對于一些結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的系統(tǒng)，如果采用這種方法進行產(chǎn)品開發(fā)，其設(shè)計周期比較長，不能滿足靈活多變的市場需求，而且物理樣機的單機制造成本比較高，所以，基于物理樣機的產(chǎn)品設(shè)計驗證過程嚴(yán)重地制約了產(chǎn)品質(zhì)量的提高、成本的降低以及對市場的快速響應(yīng)。 為了降低產(chǎn)品的研發(fā)費用，提高產(chǎn)品的市場占有率，要求汽車的開發(fā)周期

3、盡可能短。物理樣機的制造及試驗己經(jīng)成為新產(chǎn)品開發(fā)的主要瓶頸，克服這個瓶頸的主要方法是，在一個全新的汽車產(chǎn)品設(shè)計完成之后，物理樣機制造出來之前，對汽車的操縱性和平順性等關(guān)乎汽車整體品質(zhì)的重要性能有一個較為全面的了解，并給出汽車是否滿足設(shè)計要求的相關(guān)評價，從而避免在制造出物理樣機并對其進行試驗之后，發(fā)現(xiàn)該車性能不能滿足設(shè)計要求而重新更改設(shè)計所造成的試制費用和設(shè)計時間的巨大浪費。而數(shù)字化虛擬樣機技術(shù)是縮短汽車開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品設(shè)計和制造質(zhì)量的重要途徑。 運用虛擬樣機技術(shù)可以根據(jù)設(shè)計要求對汽車產(chǎn)品進行開發(fā)，通過功能化虛擬樣機技術(shù)建立起車輛系統(tǒng)的仿真模型（即功能化虛擬樣車），將車輛作為一個

4、完整的控制系統(tǒng)進行分析和研究，這樣以來就可以很容易的對部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)與整車操縱穩(wěn)定性之間的內(nèi)在關(guān)系加以掌握。此外，在物理樣車生產(chǎn)出來之前即可對其操縱穩(wěn)定性等汽車性能進行預(yù)測，以便進行可行性研究和優(yōu)化設(shè)計，在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段也可在修改零部件設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上重新進行仿真分析，其仿真結(jié)果可以直接用于零部件設(shè)計參數(shù)的分析、優(yōu)化和改進，最終達(dá)到提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的目的。 虛擬樣機技術(shù)源于對多體系統(tǒng)動力學(xué)的研究。多體系統(tǒng)是指由多個物體通過運動副連接而成的復(fù)雜機械系統(tǒng)。對于復(fù)雜機械系統(tǒng)人們關(guān)心的問題大致可以分為三大類：一是在不考慮系統(tǒng)運動起因的情況下研究各部件的位置與姿態(tài)以及它們之間的變化速度與加速度的關(guān)系，這種

5、問題稱為系統(tǒng)的運動學(xué)分析；二是當(dāng)系統(tǒng)受到靜載荷時，確定在運動副制約下的系統(tǒng)平衡位置以及運動副反力，這類問題稱為系統(tǒng)的靜力學(xué)分析；三是討論載荷與系統(tǒng)運動之間的關(guān)系，即動力學(xué)問題。 一、多體系統(tǒng)動力學(xué)產(chǎn)生的背景 例：汽車多連桿懸架 在該系統(tǒng)中各零部件之間是通過轉(zhuǎn)動副、球絞鏈、虎克鉸、恒速度副等運動副進行連接的。由于這些零部件是彼此相連的，所以在對整個系統(tǒng)進行研究時不能孤立的對其中的某個零部件進行分析，而是應(yīng)該充分考慮與之相連的其他零部件對其產(chǎn)生的約束作用。 多體系統(tǒng)動力學(xué)的主要任務(wù)如下： （1）建立復(fù)雜機械系統(tǒng)運動學(xué)和動力學(xué)程式化的數(shù)學(xué)模型，開發(fā)實現(xiàn)這個數(shù)學(xué)模型的軟件系統(tǒng)，用戶只需輸入描述系統(tǒng)的最

6、基本數(shù)據(jù)，借助計算機就能自動地進行程式化的處理； （2）開發(fā)和實現(xiàn)有效的處理數(shù)學(xué)模型的計算方法與數(shù)值積分方法，自動得到運動學(xué)規(guī)律和動力學(xué)響應(yīng)； （3）實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)后處理，采用動畫顯示、圖表或其他方式提供數(shù)據(jù)處理結(jié)果。 二、多體系統(tǒng)動力學(xué)簡介 多體系統(tǒng)動力學(xué)中所研究的多體系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)中物體的力學(xué)特性可分為多剛體系統(tǒng)、多柔體系統(tǒng)和剛?cè)峄旌隙囿w系統(tǒng)。多剛體系統(tǒng)是指可以忽略系統(tǒng)中物體的彈性變形而將其當(dāng)作剛體來處理的系統(tǒng)，該類系統(tǒng)常處于低速運動狀態(tài)。多柔體系統(tǒng)是指系統(tǒng)在運動過程中會出現(xiàn)物體的大范圍運動與物體的彈性變形的耦合，從而必須把物體當(dāng)作柔性體處理的系統(tǒng)，大型、輕質(zhì)而高速運動的機械系統(tǒng)常屬此類。

7、在多柔體系統(tǒng)中，如果有部分物體可以當(dāng)作剛體來處理，那么該系統(tǒng)就是剛?cè)峄旌隙囿w系統(tǒng)。 對于同一物理樣機，根據(jù)研究問題的側(cè)重點不同可以分別建立起多剛體系統(tǒng)模型、多柔體系統(tǒng)模型或剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)模型，然后利用相關(guān)軟件或其他分析工具分別對其進行研究可以最終得到較為準(zhǔn)確的結(jié)論。 例：發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu) V型六缸發(fā)動機曲柄連桿 機構(gòu)的多剛體系統(tǒng)模型 二、多體系統(tǒng)動力學(xué)簡介 對于平衡性分析而言，由于考慮的是運動構(gòu)件慣性力的平衡，可采用多剛體系統(tǒng)模型計算剛體的質(zhì)量、質(zhì)心位置以及慣性矩；但如果要分析曲柄連桿機構(gòu)的振動，則需要將曲軸建成柔性體。 之所以將發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)建立成多剛體系統(tǒng)是因為該模型可用于計算系統(tǒng)中各

8、構(gòu)件的運動規(guī)律及構(gòu)件間的相互作用力，并且能夠?qū)ζ溥M行平衡性分析?；钊?、連桿、曲軸等構(gòu)件的質(zhì)量、質(zhì)心位置以及慣性矩是采用Pro/E軟件建立起相應(yīng)零件的精確實體模型后進行分析計算得到的。 三、多剛體系統(tǒng)動力學(xué)的研究方法 （1）Newton-Euler方程法。 （2）Langrage方程法。 （3）羅伯森-維滕堡方法。 （4）凱恩（Kane-Houston）方法。 （5）變分方法。 以上幾種方法是早期多剛體系統(tǒng)動力學(xué)研究的主要內(nèi)容，但是隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，借助于計算機數(shù)值分析技術(shù)來解決由多個物體組成的復(fù)雜機械系統(tǒng)動力學(xué)分析問題已經(jīng)成為一種快捷、有效地多剛體系統(tǒng)動力學(xué)解決方法。所謂計算多體系統(tǒng)動

9、力學(xué)是指用計算機數(shù)值方法來研究復(fù)雜機械系統(tǒng)的靜力學(xué)分析、運動學(xué)分析、動力學(xué)分析并可進行控制系統(tǒng)分析的一種行之有效的理論方法。 四、多柔體系統(tǒng)動力學(xué)的研究方法 多柔體動力學(xué)是多剛體動力學(xué)的自然延伸，多柔體系統(tǒng)動力學(xué)在多剛體系統(tǒng)動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上進一步考慮運動構(gòu)件的變形影響，這使得系統(tǒng)的運動自由度大大增加，運動學(xué)和動力學(xué)關(guān)系更復(fù)雜了，同時，柔體變形也使得多剛體分析中的一些常量（如慣量）發(fā)生了變化。多柔體系統(tǒng)動力學(xué)的研究方法主要有以下幾種： （1）離散化方法。 （2）模態(tài)集成法。 （3）形函數(shù)法。 在研究汽車諸多的行駛性能時，汽車動力學(xué)研究對象的建模、分析與求解始終是一個關(guān)鍵性問題。汽車本身是一個復(fù)

10、雜的多體系統(tǒng)，外界載荷的作用相對比較復(fù)雜，再加上人-車環(huán)境的相互作用，使得汽車系統(tǒng)動力學(xué)的研究十分困難。目前，在應(yīng)用多體系統(tǒng)動力學(xué)理論解決實際的汽車動力學(xué)問題時，一般要經(jīng)過以下幾個步驟： （1）實際系統(tǒng)的多體模型簡化； （2）自動生成動力學(xué)方程； （3）準(zhǔn)確求解動力學(xué)方程。四、多柔體系統(tǒng)動力學(xué)的研究方法 例：發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu) 由于發(fā)動機工作時曲軸是高速旋轉(zhuǎn)的運動部件，而且在運動過程中曲軸還要承受很大的載荷，所以如果所研究的問題對微小變形要求很高，則必須考慮曲軸的柔性。在建立曲軸的有限元模型時，需要在主軸頸與機體以及曲柄銷與連桿相連的位置設(shè)置結(jié)點，以便在該處施加約束。 在Ansys軟件中建立

11、的曲軸有限元模型 四、多柔體系統(tǒng)動力學(xué)的研究方法 由于其他零件在系統(tǒng)中的作用只是傳遞氣體爆發(fā)壓力和因運動產(chǎn)生的慣性力，所以將這些零件建成剛體即可。最終將剛體曲軸換成柔性曲軸即可得到發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的多柔體系統(tǒng)模型 。四、多柔體系統(tǒng)動力學(xué)的研究方法 發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的建模綜合利用了CAD軟件、有限元分析軟件和機械系統(tǒng)仿真軟件，三者之間的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系 ：5.2 基于ADAMS/Car的整車模型的建立 ADAMS/Car的建模原理 建立整車數(shù)字化模型所需的基本參數(shù) 整車模型的建模過程一、ADAMS/Car的建模原理 考慮到汽車基本上是一縱向?qū)ΨQ系統(tǒng)，設(shè)計人員只需要建立左邊或右邊的1/2模型，系統(tǒng)

12、就會根據(jù)對稱性自動地生成另一半 。 ADAMS/Car模塊分為“Template Builder”（模板建模器）和“Standard Interface”（標(biāo)準(zhǔn)界面）兩種模式。模板建模器主要用于模板的建立，標(biāo)準(zhǔn)界面則主要用于子系統(tǒng)和裝配組合的建立以及數(shù)字化模型的仿真分析。 通常情況下，ADAMS/CAR采用自下而上的建模順序，即先在模板建模器中建立基本模板（Template），然后進入標(biāo)準(zhǔn)界面，在基本模板的基礎(chǔ)上建立子系統(tǒng)（Subsystem），最后將各子系統(tǒng)和試驗臺（Test Rig）組合在一起構(gòu)成裝配組合（Assembly），其建模順序如圖5.2所示。 （1）模板：絕大部分的建模工作都是在

13、模板階段完成的。在建立模板階段，正確建立零部件間的連接關(guān)系和通訊器是至關(guān)重要的，這些數(shù)據(jù)在建立相應(yīng)的子系統(tǒng)和總成階段是無法修改的，而零部件的位置和特征參數(shù)在后續(xù)過程中可以更改。此外，模板是參數(shù)化的模型，在模板中含有標(biāo)準(zhǔn)模型組件的零件參數(shù)，并且定義了模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。例如，對于前懸架模板，它定義了前懸架所包含的剛體數(shù)目、剛體之間的連接方式以及與其他子系統(tǒng)之間進行信息交換的方式。 （2）子系統(tǒng)：子系統(tǒng)是基于模板創(chuàng)建的、允許標(biāo)準(zhǔn)用戶修改模板參數(shù)的零部件組合，但用戶只能修改部分參數(shù)。用戶只能在標(biāo)準(zhǔn)界面中才可以使用子系統(tǒng)。子系統(tǒng)的使用包括“新建”和“載入”兩個方面。新建子系統(tǒng)必須是基于一個現(xiàn)存的模板，而打

14、開一個現(xiàn)存的子系統(tǒng)時，與之對應(yīng)的模板也同時被讀入。子系統(tǒng)中含有相關(guān)零部件的說明，這些說明包括設(shè)計參數(shù)、引用的屬性文件和模板文件。 （3）裝配組合：裝配組合是子系統(tǒng)和試驗臺的組合件。在這一階段，產(chǎn)品設(shè)計人員可根據(jù)實際需要，將不同的子系統(tǒng)組合成為一個完整的分析模型，如懸架總成可以包括懸架子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)和試驗臺。 模型建立后，即可利用求解器進行相應(yīng)的仿真分析了，在后處理模塊中可以直接得到仿真分析的結(jié)果，對于某些不能直接得到分析結(jié)果可以利用后處理模塊中的曲線編輯功能繪制出相應(yīng)的曲線，進而得到所需的分析結(jié)果。最后將仿真分析的結(jié)果與試驗指標(biāo)進行對比，即得出表征產(chǎn)品性能的相關(guān)結(jié)論。 利用ADAMS/Ca

15、r建立汽車數(shù)字化模型時必須滿足以下要求： 第一，模型必須有足夠高的計算效率； 第二，模型必須能夠真實的模擬汽車特性。 此外，利用ADAMS/Car軟件進行產(chǎn)品開發(fā)時還可完成以下三項任務(wù)： （1）對直接設(shè)計的系統(tǒng)進行性能預(yù)測； （2）對已有的系統(tǒng)進行性能測試和評估； （3）對原有的設(shè)計進行分析和改進。 二、建立整車數(shù)字化模型所需的基本參數(shù) （1）整車尺寸參數(shù)。整車尺寸參數(shù)是指運動部件的幾何尺寸及各運動部件之間的安裝連接尺寸等參數(shù)，懸架系統(tǒng)的幾何定位參數(shù)就是整車尺寸參數(shù)中的一種。在應(yīng)用多體系統(tǒng)動力學(xué)理論建立懸架運動學(xué)和動力學(xué)模型時，需要依據(jù)懸架的結(jié)構(gòu)形式，在模型中輸入懸架各運動部件之間的安裝連接位

16、置與相對角度、車輪定位角等參數(shù)。這些參數(shù)決定了懸架各運動部件的空間運動關(guān)系，如前輪上下跳動時的主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角，車輪外傾角、前輪前束等前輪定位參數(shù)的變化規(guī)律等。 這里所說的懸架系統(tǒng)尺寸參數(shù)，主要是指懸架各定位點的三維坐標(biāo)。應(yīng)該注意的是，各運動部件的相對連接位置，應(yīng)該在統(tǒng)一的整車參考坐標(biāo)系中進行測量。在無法獲得總成圖這樣的圖紙時，可以在掌握一些基本參數(shù)（如運動部件的幾何外形參數(shù)與車輪定位角等）的基礎(chǔ)上，通過作圖法獲得運動學(xué)參數(shù)。在通常情況下，如果上述方法仍無法實現(xiàn)，則可以考慮利用三坐標(biāo)測量儀測取懸架系統(tǒng)的一些幾何定位參數(shù)。 （2）質(zhì)量特性參數(shù)。通常情況下，質(zhì)量特性參數(shù)由各個運動部件的質(zhì)量、

17、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)組成。其中，質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量等與測量時所選取的參考坐標(biāo)有關(guān)。而利用CAD/CAE一體化技術(shù)就可避免因坐標(biāo)的選擇而可能帶來的一系列問題。 在機械振動系統(tǒng)中，系統(tǒng)本身的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量等決定著系統(tǒng)的動力學(xué)特性。在分析汽車懸架系統(tǒng)的動力學(xué)特性時，整車及懸架各零部件的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)共同決定著懸架系統(tǒng)的動力學(xué)性能。 需要特別注意的是實際零部件與多體系統(tǒng)動力學(xué)意義上的運動部件是有一定的差別的，在多體系統(tǒng)動力學(xué)中，只要在運動過程中時刻具有相同運動軌跡，并具有特定聯(lián)系的部件（如通過各種方法固定在一起的零部件），就是一個運動部件，如制動盤（鼓）與車輪即是一個運動部件。同一個運動

18、部件應(yīng)該擁有一個共同的質(zhì)心與轉(zhuǎn)動慣量。運動部件的質(zhì)心與轉(zhuǎn)動慣量的參數(shù)查取，可以通過稱重、計算、試驗等方法獲得。 （3）力學(xué)特性參數(shù)。力學(xué)特性參數(shù)一般是指零部件或系統(tǒng)的剛度、阻尼等特性參數(shù)。由于汽車懸架系統(tǒng)中大量使用具有緩沖減振功能的零部件，如彈簧、橡膠元件、彈性輪胎等，這些部件大都具有復(fù)雜的力學(xué)特性，而這些零部件的特性對汽車的各項性能、特別是操縱穩(wěn)定性和平順性等具有決定性作用，所以很有必要在建立模型的過程中對其進行較為詳盡的考慮。有關(guān)零部件的剛度、阻尼等特性，一般可以在設(shè)計圖紙中查得。而橡膠元件的動態(tài)特性、減震器的力-速度特性、輪胎的力學(xué)特性等參數(shù)，一般必須通過試驗來測得。 （4）外界參數(shù)。汽

19、車的使用環(huán)境是進行汽車動力學(xué)仿真的外界條件。外界條件所包含的種類比較多，例如，汽車行駛道路的道路譜，高速行駛時的側(cè)向風(fēng)力等。道路譜主要通過測量獲得，而風(fēng)力因數(shù)可以在分析計算的基礎(chǔ)上結(jié)合試驗獲得，在建立平順性模型時主要考慮的是道路譜的影響。三、整車模型的建模過程1.建模前的準(zhǔn)備工作 車輛坐標(biāo)系的確定 ADAMS/Car模塊采用了如圖5.3所示的車輛坐標(biāo)系，具體描述如下：以車架上平面為水平面，前輪輪心連線與汽車縱向?qū)ΨQ面的交點為坐標(biāo)原點，過原點的水平面與汽車縱向?qū)ΨQ面的交線為X軸，并以汽車后退方向為“+”，前進方向為“-”，同一水平面內(nèi)過原點與X軸垂直的軸線定為Y軸，以汽車右側(cè)為“+”，左側(cè)方向為

20、“-”，根據(jù)右手定則取過原點的豎直方向的直線為Z軸，向上為“+”，向下為“-”。 利用ADAMS/Car模塊建立一個典型整車動力學(xué)仿真模型的基本步驟：（1）物理模型的簡化。例如，整車各子系統(tǒng)的分解及運動學(xué)、動力學(xué)抽象，根據(jù)子系統(tǒng)中各個零件之間的相對運動關(guān)系，構(gòu)建各子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D（Topological structure），對零件進行整合，把沒有相對運動關(guān)系的零件定義為一個一般部件（General Part），也可在建立約束時將這樣的零部件鎖定為一體。確定重新組合后各零件之間的連接關(guān)系和連接點的位置。（2）計算或測量重新組合后零件的動力學(xué)參數(shù)。例如，零件的質(zhì)量、質(zhì)心位置以及繞質(zhì)心坐標(biāo)系三個

21、坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動慣量。（3）確定零件的運動學(xué)參數(shù)。例如，各零件間連接處的關(guān)鍵幾何定位點（Hardpoint）的空間位置，在定位點的基礎(chǔ)上建立起零件的幾何模型（Geometry）按照零件間的運動關(guān)系確定約束類型，通過約束將各零件連接起來，從而在template builder下建立起各子系統(tǒng)的template文件。（4）確定減振器的阻尼特性和彈簧的剛度特性。（5）定義主銷軸線，輸入車輪的前束角和外傾角。（6）建立各子系統(tǒng)之間或子系統(tǒng)與試驗臺之間進行數(shù)據(jù)交換的輸入和輸出通訊器。（7）在Standard下建立各子系統(tǒng)相應(yīng)于template的subsystem文件，并代入子系統(tǒng)的參數(shù)特征。（8）在Stan

22、dard下建立整車的assembly文件，組裝各子系統(tǒng)模型組成整車系統(tǒng)模型。（9）針對整車研究的不同方面，填寫不同工況的仿真文件進行整車操縱穩(wěn)定性仿真。（10）仿真計算結(jié)果的加工和后處理。 由于汽車是一個極其復(fù)雜的機械系統(tǒng)，如果按照車輛的實際構(gòu)造進行建模，其工作量是非常大的，所以在ADAMS/Car中建立汽車的虛擬樣機模型需要將汽車系統(tǒng)作一定程度的簡化，使之以數(shù)學(xué)模型的形式表現(xiàn)出來。在建立整車模型時需進行以下簡化：（1）在整車系統(tǒng)中，除了輪胎、阻尼元件、彈性元件、橡膠元件以外，其余元件全部看作剛體，在仿真過程中不考慮它們的變形；（2）各運動副的摩擦力忽略不計；（3）建立參數(shù)化模型，以便動態(tài)地進

23、行參數(shù)修改；（4）為了分析問題的方便，將車身系統(tǒng)簡化為一個質(zhì)點，用一個有質(zhì)量的剛性球來代替，對于汽車的平順性仿真這樣的簡化對仿真結(jié)果影響較??；（5）由于減振器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以利用ADAMS提供的Spring-Damper力元素來模擬減振器及彈簧的作用；（6）在進行汽車平順性仿真分析時，不計發(fā)動機和傳動系自身的振動對汽車平順性的影響。 2.麥弗遜式前獨立懸架的建立 懸架系統(tǒng)的主要作用是傳遞作用在車輪與車架(或車身)之間的一切力和力矩，限定車軸(或車輪)與車架(或車身)之間的相對運動，緩和由不平路面?zhèn)鱽淼臎_擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動，從而保證汽車的平順行駛。 在麥弗遜懸架系統(tǒng)中，減震

24、器可以有效避免螺旋彈簧受力時產(chǎn)生的向前、后、左、右偏移的現(xiàn)象，從而限制螺旋彈簧只能作上下方向的振動。而且這種形式的懸架還可以用減震器的行程長短及松緊來設(shè)定懸架的軟硬及性能。 麥弗遜懸架能夠增大前輪內(nèi)側(cè)空間，具有較為合理的運動特性，所以，這種形式的懸架能夠很好的滿足整車性能的要求。此外，麥弗遜懸架還具有結(jié)構(gòu)簡單、布置緊湊，性能優(yōu)越等特點。因此麥弗遜懸架在前置前驅(qū)的轎車和輕型汽車上有著廣泛的應(yīng)用。汽車懸架設(shè)計的好壞不僅直接影響到汽車的操縱穩(wěn)定性、制動安全性、乘坐舒適性和動力性等汽車動力學(xué)性能的優(yōu)劣，而且對輪胎的磨損和使用壽命也有一定的影響。因此懸架設(shè)計一直是汽車設(shè)計人員非常關(guān)注的問題。 懸架模板的

25、建模步驟如下:（1）創(chuàng)建硬點（hardpoint）和結(jié)構(gòu)框（construction frame）。硬點和結(jié)構(gòu)框是模型的基本單元。創(chuàng)建硬點時只需要輸入相應(yīng)的位置坐標(biāo)，而創(chuàng)建結(jié)構(gòu)框時，除了輸入相應(yīng)的位置坐標(biāo)外，還需輸入相應(yīng)的方位坐標(biāo)。（2）創(chuàng)建部件。利用已經(jīng)創(chuàng)建好的硬點和結(jié)構(gòu)框建立部件（part），在創(chuàng)建部件之后，可以給新的部件添加幾何外形(geometry)。（3）創(chuàng)建部件之間的連接。在部件之間添加約束、阻尼和力元（如力和力矩）等。（4）創(chuàng)建懸架特性參數(shù)（suspension parameters）。即定義主銷軸線、輸入車輪前束角與車輪外傾角。（5）建立懸架模板與其它模板或試驗臺之間進行數(shù)據(jù)交

26、換的輸入、輸出通訊器（communicator），以便各個子系統(tǒng)之間進行正確的連接。通訊器是用來進行數(shù)據(jù)傳遞信息的，這些信息包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、位置、方向和連接、數(shù)組和參數(shù)。 模板建立以后，接下來是由模板生成子系統(tǒng)。在子系統(tǒng)中用戶只能對以前創(chuàng)建的零部件進行部分?jǐn)?shù)據(jù)的修改，如調(diào)整硬點位置、部件質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量、彈簧和阻尼及輪胎的屬性等。 建立仿真分析模型的最后一步是建立裝配組合。在這一階段，用戶可根據(jù)實際需要，將不同的子系統(tǒng)組裝在一起形成完整的裝配組合模型。在ADAMS/Car模塊中建立的麥弗遜式前獨立懸架如圖5.4所示，其空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖5.5所示。 麥弗遜式前懸架子系統(tǒng)主要由減震器、螺旋彈簧、橫擺

27、臂、轉(zhuǎn)向節(jié)總成、驅(qū)動半軸、轉(zhuǎn)向橫拉桿、副車架等組成。橫擺臂的內(nèi)端通過轉(zhuǎn)動副與副車架相連，橫擺臂的外端與轉(zhuǎn)向節(jié)通過球鉸鏈連接；減振器的下端與轉(zhuǎn)向節(jié)總成（包括減振器筒體）通過圓柱副連接，減振器上端與車身通過虎克鉸連接；轉(zhuǎn)向橫拉桿外端通過球絞鏈與轉(zhuǎn)向節(jié)相連。 3.雙橫臂式后獨立懸架的建立 不等長雙橫臂懸架有許多優(yōu)點，例如，在車輪上下跳動過程中，只要恰當(dāng)?shù)剡x擇上下橫臂的長度，并對其進行合理地布置，即可使輪距及車輪定位參數(shù)的變化量限定在允許的范圍內(nèi)，從而使懸架系統(tǒng)具有良好的運動特性，同時，還可使汽車形成恰當(dāng)?shù)膫?cè)傾中心和縱傾中心。因此，不等長雙橫臂式獨立懸架不僅能保證汽車有良好的行駛穩(wěn)定性，而且其結(jié)構(gòu)設(shè)計

28、比較靈活。 雙橫臂式后獨立懸架子系統(tǒng)由上擺臂、下擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、彈簧、減震器、副車架等部分組成。雙橫臂獨立懸架各構(gòu)件之間的約束主要包括轉(zhuǎn)動副和球鉸副兩種。其中，上、下擺臂的內(nèi)端通過轉(zhuǎn)動副與副車架相連，其外端通過球鉸鏈與轉(zhuǎn)向節(jié)相連；減震器的上端通過虎克鉸與副車架相連，其下端通過虎克鉸與下擺臂相連；減震器上、下端之間通過圓柱副連接。 4.齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系的建立 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系結(jié)構(gòu)簡單、緊 湊，質(zhì)量輕，剛性大，轉(zhuǎn)向靈敏，制 造容易、成本低， 正、逆效率都較高， 而且省略了轉(zhuǎn)向搖 臂和轉(zhuǎn)向直拉桿， 使轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)得 到一定程度的簡化， 特別適合與燭式和 麥弗遜式懸架配用。 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向盤

29、、轉(zhuǎn)向柱管、轉(zhuǎn)向傳動軸、轉(zhuǎn)向齒輪、轉(zhuǎn)向齒輪軸、轉(zhuǎn)向齒條、轉(zhuǎn)向器殼體等組成。轉(zhuǎn)向盤與副車架之間通過轉(zhuǎn)動副連接，轉(zhuǎn)向柱管和轉(zhuǎn)向傳動軸之間以及轉(zhuǎn)向傳動軸與轉(zhuǎn)向齒輪軸之間均通過虎克鉸連接，轉(zhuǎn)向柱管與副車架之間通過圓柱副連接，轉(zhuǎn)向齒輪、轉(zhuǎn)向齒輪軸與轉(zhuǎn)向器殼體之間均通過轉(zhuǎn)動副連接，轉(zhuǎn)向齒條和轉(zhuǎn)向器殼體之間通過移動副連接。 5.動力總成子系統(tǒng)的建立 ADAMS/Car模塊自帶的動力總成模板是面向發(fā)動機后置后驅(qū)的汽車， 為了建立前置前驅(qū)的 汽車模型，需要在已 有模板的基礎(chǔ)上將模 板的副特征（Minor Role）由“rear”改為 “front”。 6.制動系子系統(tǒng)的建立 在ADAMS/Car模塊中，四輪盤式

30、制動系是一個簡化的制動系模型。制動鉗通過安裝型輸入通訊器與懸架子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向節(jié)連接，制動盤通過輸入通訊器安裝在車輪上，制動盤 與制動鉗之間以一個 單作用力矩制動器來 定義制動力，制動器 旋轉(zhuǎn)中心軸方向由參 變量型傳遞的車輪外 傾角、前束角來定義。 7.前后輪胎子系統(tǒng)的建立 輪胎對汽車的操縱穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響，因為組成輪胎的材料具有非線性、可壓縮、各向異性和粘彈性，使輪胎在使用過程中具有許多特殊性質(zhì)，其中前后輪胎的側(cè)偏特性是影響汽車操縱穩(wěn)定性的重要因素，前后輪胎側(cè)偏剛度的匹配，直接影響到汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性。因此，建立合適的輪胎模型是十分必要的。ADAMS提供了5種輪胎模型：Fiala輪胎模型

31、、Smithers輪胎模型、UA輪胎模型、Delft輪胎模型和User Defined（用戶自定義）輪胎模型。 其中，F(xiàn)iala輪胎模型、UA輪胎模型和User Defined輪胎模型為解析模型，Delft輪胎模型、Smithers輪胎模型為試驗?zāi)Ｐ汀?在ADAMS/Car中建立輪胎模型的基本步驟如下： （1）定義輪胎的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量； （2）定義輪胎的屬性文件； （3）定義輪胎的安裝位置和方向。 一般來說，輪胎屬性文件主要包括的輪胎特性參數(shù)有以下幾種：輪胎自由半徑、滾動半徑、扁平率、輪胎的充氣壓力、輪胎徑向剛度、縱向滑移剛度、側(cè)偏剛度、外傾剛度、徑向相對阻尼系數(shù)、滾動阻力系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、

32、動摩擦系數(shù)以及任一時刻輪胎 相對于路面的運動而產(chǎn)生的輪 胎變形和側(cè)偏角等運動信息。 PAC89輪胎模型的主要輪胎特 性參數(shù)見表5-3。 8.車身子系統(tǒng)的建立 由于在整個仿真過程中，不考慮空氣動力學(xué)因素的影響，即忽略空氣對車輛表面的作用，所以，對汽車的外形不作嚴(yán)格要求，只需作為一個簡單的球體來近似處理即可。雖然這樣處理得到的模型結(jié)構(gòu)較為簡單，但是由于車身起到連接前后懸架以及轉(zhuǎn)向系的作用，因此在建模過程中應(yīng)特別注意車身子系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)之間的正確連接關(guān)系。這樣才能保證整車模型仿真過程的順利進行。雖然在不考慮空氣動力學(xué)的前提下車身外形對仿真結(jié)果沒有影響，但是為了不影響視覺效果，可以在簡化的球體上進一

33、步建立出車身的外形。 ADAMS/Car中提供的車身子系統(tǒng)模型，如圖5.12所示。 9.整車模型的建立 在標(biāo)準(zhǔn)界面（Standard interface）中將前面所建立的各子系統(tǒng)模型與整車測試平臺（MDI_SDI_TESTRIG）組裝在一起，得到整車虛擬樣機模型， 如圖5.13所示。 值得注意的是， 裝配過程中，各 子系統(tǒng)都應(yīng)在整 車的絕對坐標(biāo)系 下完成裝配。 至此，整車模型建立完畢，整個建模過程可用如圖5.14所示的框圖來說明。 5.3 前懸架模型的仿真與優(yōu)化 評價懸架性能的基本指標(biāo) 前懸架模型的仿真結(jié)果分析 前懸架模型的優(yōu)化設(shè)計5.4 前懸架模型的仿真與優(yōu)化 懸架系統(tǒng)是汽車的重要組成部分，

34、其性能的好壞直接影響到整車操縱穩(wěn)定性和平順性的優(yōu)劣，所以，在對整車模型進行操縱穩(wěn)定性和平順性仿真之前有必要對懸架系統(tǒng)的性能進行仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果以及設(shè)計要求對懸架進行優(yōu)化，從而得到性能比較優(yōu)越的懸架系統(tǒng)，為下一步的仿真工作作好充分準(zhǔn)備。 影響懸架系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵因素之一就是懸架系統(tǒng)中各硬點坐標(biāo)之間的匹配情況。如果各硬點坐標(biāo)之間搭配合理，那么，懸架系統(tǒng)的性能一般會比較出眾，但是如果懸架系統(tǒng)中各硬點坐標(biāo)之間搭配不夠合理，彼此之間不夠協(xié)調(diào)，那么，懸架系統(tǒng)的性能往往是不能令人滿意的。對懸架系統(tǒng)進行仿真分析并對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化的主要目的就在于找出對懸架性能影響比較大的硬點，通過對這些硬點重新進行合理

35、地布置，最終得到能使懸架系統(tǒng)性能最優(yōu)的硬點坐標(biāo)。上一節(jié)中建立的麥弗遜式前獨立懸架的硬點坐標(biāo)見表5-5。 為了保證汽車直線行駛，汽車的轉(zhuǎn)向輪通常設(shè)計成具有自動回正作用的轉(zhuǎn)向輪。這種自動回正作用是由轉(zhuǎn)向輪的定位參數(shù)來保證的，也就是說汽車的轉(zhuǎn)向輪、主銷與車橋之間的安裝應(yīng)滿足一定的相對位置關(guān)系。 （1）車輪前束角（Toe Angle）：汽車的前束角是指汽車縱向中心平面與車輪中心平面和地面的交線之間的夾角。如果車輪的前部靠近汽車縱向中心平面，則前束角為正值；如果車輪的前部遠(yuǎn)離汽車縱向中心平面，則前束角為負(fù)值。 （2）車輪外傾角（camber Angle）：車輪的外傾角是指通過車輪中心的汽車橫向平面和車輪

36、平面的交線與地面垂線之間的夾角。負(fù)的外傾角是指車輪上端向內(nèi)傾，正的外傾角是指車輪上端向外傾。 空車時如果車輪的安裝正好垂直于路面，則滿載時車橋?qū)⒁虺休d變形而可能出現(xiàn)車輪內(nèi)傾，這樣將加速汽車輪胎的偏磨損。另外，路面對車輪的垂直反作用力沿輪轂的軸向分力將使輪轂壓向輪轂外端的小軸承，加重了外端小軸承及輪轂緊固螺母的負(fù)荷，降低了它們的使用壽命。但外傾角也不宜過大，因為過大的外傾角會使輪胎產(chǎn)生偏磨損。 （3）主銷內(nèi)傾角（Kingpin Inclination Angle）：主銷內(nèi)傾角是指在汽車的橫向垂直平面內(nèi)，主銷軸線與地面垂直線之間的夾角。主銷內(nèi)傾可使前輪依靠汽車本身的重力進行回正，從而使車輛保持在穩(wěn)

37、定的直線行駛狀態(tài)。 與主銷內(nèi)傾角相關(guān)的主銷偏移距是指主銷軸線的延長線與地平面的交點和車輪中心平面與支承面的交線之間的距離。當(dāng)主銷軸線的延長線與地平面的交點在輪胎接地點的內(nèi)側(cè)時主銷偏移距為正，反之為負(fù)。（4）主銷后傾角（caster Angle）：主銷后傾角是指主銷軸線和地面垂直線在汽車縱向平面內(nèi)的夾角。主銷后傾的作用是當(dāng)汽車直線行駛偶然受外力作用而稍有偏轉(zhuǎn)時，主銷后傾將產(chǎn)生與車輪轉(zhuǎn)向反方向的力矩使車輪自動回正，可保證汽車直線行駛的穩(wěn)定性。在確定車輪定位參數(shù)時應(yīng)特別注意以下幾點： （1）前束的變化特性應(yīng)有助于提高不足轉(zhuǎn)向性能性。 （2）外傾角的變化應(yīng)考慮在輪距變化不大時輪胎特性與前束變化相適應(yīng)。

38、車身側(cè)傾時，外傾角是影響操縱穩(wěn)定性的重要因素。 （3）主銷后傾角應(yīng)隨車輪的上跳而增加，從而減少制動時后傾角的變化，從而達(dá)到提高制動穩(wěn)定性的目的。 （4）選擇較大的主銷后傾角與內(nèi)傾角都是提高汽車回正性的途徑。但內(nèi)傾角的回正作用只在很低的車速下才能顯示出來。選擇較大的主銷內(nèi)傾角更主要的意義在于改善汽車的制動穩(wěn)定性。二、前懸架模型的仿真結(jié)果分析 雙輪同向激振（Parallel Wheel Travel）試驗是進行懸架運動特性分析的基本試驗。雙輪同向激振試驗實際上是對車輪遇到障礙物時懸架的運動、路面不平引起的顛簸運動、汽車加減速時車身縱傾引起的懸架運動和車身側(cè)傾時引起的懸架運動等多種運動的綜合分析。該

39、試驗可以較為全面地反映懸架的運動特性，是分析懸架運動合理性的重要依據(jù)。 在ADAMS/Car模塊中，給懸架系統(tǒng)施加一個雙輪同向激振，使兩側(cè)車輪同向跳動，其跳動范圍為-50mm50mm，仿真步數(shù)為30。仿真結(jié)果如圖5.155.19所示。 （1）車輪前束角。 在汽車行駛過程中，保持前束不變比在汽車靜止時有一個正確的前束更為重要。為了確保良好的直行穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向時的不足轉(zhuǎn)向特性，希望前輪上跳時呈弱負(fù)前束變化。在平衡位置時的車輪前束角為0.1，由圖5.15可知，在車輪從初始位置向上跳動時是呈現(xiàn)較弱的負(fù)前束變化的，這樣可以使汽車具有較好的直行穩(wěn)定性并能保證轉(zhuǎn)向時的不足轉(zhuǎn)向特性。但是在車輪向下跳動的過程中，

40、呈現(xiàn)了較大的車輪正前束變化，由于較大的正前束容易引起車輛偏擺和側(cè)傾頻率響應(yīng)特征的共振，這對汽車的直線行駛穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向時的操縱性都是不利的，而且大的前束變化對輪胎的磨損也是有害的。 （2）車輪外傾角。 車輪外傾角是影響汽車操縱穩(wěn)定的重要參數(shù)，車輪上跳及車輪回落時的外傾變化對車輛直線行駛穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性和輪胎的磨損等都有較的大影響。為了使汽車具有較好的操縱穩(wěn)定性，一般來說，希望在車輪上跳的過程中，前輪外傾角向減小的方向變化，而在車輪向下跳動的過程中，車輪外傾角應(yīng)該朝正值方向變化。 （3）主銷后傾角。 一般不希望主銷后傾角在車輪上下跳動的過程中出現(xiàn)較大的變化，這樣可以避免在載荷發(fā)生變化時出現(xiàn)回正

41、力矩過大或過小的現(xiàn)象，從而保證汽車有較好的操縱穩(wěn)定性。此外，還應(yīng)要求主銷后傾角具有隨車輪上跳而逐漸增加的趨勢，這是因為現(xiàn)代轎車為了提高舒適性，往往把懸架剛度設(shè)計得很低，當(dāng)汽車緊急制動時，車身的“點頭”現(xiàn)象將會變得十分嚴(yán)重，為了克服“點頭”現(xiàn)象對整車舒適性及制動穩(wěn)定性的影響，必須要求車輪上跳時后傾角增大。否則，在出現(xiàn)制動“點頭”現(xiàn)象時，由于后傾角減小甚至出現(xiàn)負(fù)后傾，會使汽車的回正性減弱，從而出現(xiàn)制動跑偏或轉(zhuǎn)舵等不穩(wěn)定現(xiàn)象。（4）主銷內(nèi)傾角。 主銷內(nèi)傾角主要對車輪的回正作用產(chǎn)生影響。由圖5.18可知，主銷內(nèi)傾角在車輪跳動過程中的變化范圍為9.620910.9519，其變化量為1.331。 （5）主

42、銷偏距。 由圖5.19可知，主銷偏距在車輪跳動過程中的變化范圍為24.459836.8849mm，其變化量為12.4251mm 三、前懸架模型的優(yōu)化設(shè)計 由于最初建立的麥弗遜式前獨立懸架的性能不能滿足我們的設(shè)計要求，尤其是車輪定位參數(shù)在車輪上下跳動的過程中，其變化量或變動范圍超出了允許范圍，所以我們很有必要在ADAMS/Insight模塊中對麥弗遜式前獨立懸架進行優(yōu)化，我們選取車輪前束角、車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角和主銷偏距五個因素作為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化過程中使上述五個因素的最大值的絕對值最小。 由于麥弗遜式前懸架下控制臂的前點、后點、外點以及轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)點、外點對上述五個因素的影響較大，

43、所以我們選取以上五個硬點的15個坐標(biāo)值（每個硬點具有X、Y、Z三個方向的坐標(biāo)值）作為設(shè)計因素（factor）。我們設(shè)定每個硬點相對于原坐標(biāo)值的變化范圍是-10mm10mm，ADAMS/Insight將進行215次迭代運算，其計算量及其龐大，所以我們只進行64次部分迭代（Fractional Factorial）。 迭代運算完成后，可以將優(yōu)化結(jié)果以交互式網(wǎng)頁的形式存儲起來，如圖5.20所示。通過網(wǎng)頁瀏覽器（Web Browser）我們可以直觀地觀察迭代后的結(jié)果，并且可以將各硬點的坐標(biāo)值對優(yōu)化目標(biāo)的影響程度以直方圖的形式顯示出來，如圖5.21所示，通過交互式網(wǎng)頁瀏覽器，我們還可以方便的調(diào)整各硬點的

44、坐標(biāo)值，經(jīng)刷新后即可得到優(yōu)化目標(biāo)的相應(yīng)變動。 由于修改各硬點的坐標(biāo)值后，上述五項優(yōu)化目標(biāo)可能出現(xiàn)完全相反的變化趨勢，例如，修改懸架下控制臂外點的Y坐標(biāo)值后，主銷偏距（scrub_radius）與初始值相比變小了，但主銷內(nèi)傾角（kingpin_inclination_angle）卻比初始值變大了，此時雖然主銷偏距滿足我們的設(shè)計要求，但主銷內(nèi)傾角卻背離了我們的設(shè)計原則。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時，我們需要綜合考慮各優(yōu)化目標(biāo)的重要性，使懸架系統(tǒng)的綜合性能到達(dá)最優(yōu)。優(yōu)化后各硬點的坐標(biāo)值見表5-6。 優(yōu)化前后車輪定位參數(shù)的變化情況如圖5.265.30所示（實線為優(yōu)化前的曲線，虛線為優(yōu)化后的曲線）。 對于汽車前輪，

45、車輪上跳時其前束值的變化規(guī)律多設(shè)計成零至負(fù)前束，這樣在汽車轉(zhuǎn)彎行駛時，可使汽車的不足轉(zhuǎn)向量增加，對于提高汽車的安全性具有重要意義。此外，車輛在行駛過程中，如果前束角變化過大將會影響車輛直線行駛的穩(wěn)定性，而且使輪胎與地面之間的滾動阻力增大，加劇了輪胎的磨損。所以，前束角的設(shè)計原則是在車輪上下跳動過程中其變化量越小越好。由圖5.26可知，優(yōu)化后，車輪前束角的變化量為2.2176，比優(yōu)化前的變化量減小了0.1851。 綜合考慮轉(zhuǎn)向性能和直行穩(wěn)定性，應(yīng)盡量減少車輪相對車身跳動時的外傾角變化。一般希望車輪在上下跳動50mm時，外傾角的變化在1以內(nèi)。由圖5.27可知，車輪外傾角曲線變化比較平緩，在車輪上跳

46、時向負(fù)方向變化，在車輪下跳時向正方向變化。車輪外傾角的變化量為0.5669，比優(yōu)化前的變化量減小了0.1807。較小的外傾角變動量可以防止制動時因左右制動力誤差造成的直線行駛穩(wěn)定性變壞，并且能夠減小汽車的跑偏趨勢，對減少輪胎的磨損也是有利的。 合理的主銷偏距可以使汽車在地面縱向力作用下保持穩(wěn)定的直線行駛狀態(tài)而不發(fā)生跑偏。汽車轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(zhuǎn)動，地面對轉(zhuǎn)向輪的阻力矩與主銷偏距的大小成正比。主銷偏距越小，轉(zhuǎn)向阻力矩也越小，所以一般希望主銷偏距小一些，以減小轉(zhuǎn)向時的操縱力以及地面對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的沖擊。較理想的主銷偏距值為-1030mm。主銷偏距與主銷內(nèi)傾是密切相關(guān)的，一般來說，主銷偏距減小后會導(dǎo)致

47、主銷內(nèi)傾角的增加，所以在優(yōu)化過程中應(yīng)綜合考慮這兩方面的利益，權(quán)衡利弊，在保證這兩個設(shè)計目標(biāo)位于合理設(shè)計范圍內(nèi)的同時，盡量它們的變化量最小。 由圖5.30可知，優(yōu)化后，主銷偏距的變化范圍為13.8148mm27.173mm，其變化量為13.3582mm，雖然優(yōu)化后的變化量比優(yōu)化前的變化量增加了0.9331mm，但是優(yōu)化前主銷偏距的變化范圍較大的偏離了理想的設(shè)計范圍，而優(yōu)化后主銷偏距的變化范圍能夠很好的滿足合理的設(shè)計要求，所以優(yōu)化后懸架的綜合性能比優(yōu)化前有所提高。 綜上所述，利用ADAMS/Insight模塊可對麥弗遜式前獨立懸架進行優(yōu)化，但是由于受到車身布置的限制，對懸架系統(tǒng)硬點坐標(biāo)的修改只能局

48、限在一定的小范圍內(nèi)，所以最終得到的優(yōu)化值只是一個相對值，而非絕對的優(yōu)化結(jié)果。 5.5 汽車操縱穩(wěn)定性仿真及結(jié)果分析 汽車操縱穩(wěn)定性評價方法 操縱穩(wěn)定性試驗標(biāo)準(zhǔn)及ADAMS仿真機理 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗 轉(zhuǎn)向回正性能試驗 轉(zhuǎn)向輕便性試驗 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入試驗 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入試驗 蛇行試驗5.5 汽車操縱穩(wěn)定性仿真及結(jié)果分析 汽車的操縱穩(wěn)定性是指在駕駛者不感到過分緊張、疲勞的條件下，汽車能遵循駕駛者通過轉(zhuǎn)向系及轉(zhuǎn)向車輪給定的方向行駛，且當(dāng)遭遇外界干擾時汽車能抵抗干擾而保持穩(wěn)定行駛的能力。 汽車在行駛過程中，外界（包括駕駛員）對汽車的作用主要包括以下三個方面：一是駕駛員通過操縱機構(gòu)對汽車進行操縱，二是

49、路面通過輪胎施加給汽車一定的作用力，三是空氣對汽車的作用力。就汽車的操縱穩(wěn)定性而言，駕駛員對汽車的輸入所引起的響應(yīng)是汽車的操縱性問題，而路面和空氣對汽車的輸入所引起的響應(yīng)是汽車的穩(wěn)定性問題。操縱穩(wěn)定性良好的車輛應(yīng)該有如下表現(xiàn)： （1）汽車容易控制（對駕駛員的要求不應(yīng)過高） （2）在出現(xiàn)擾動時，不應(yīng)使駕駛員感到突然和意外 （3）操縱穩(wěn)定性的行駛極限應(yīng)能清楚的辨別 對操縱穩(wěn)定性的研究和評價主要從以下三個方面進行： （1）通過試驗(包括場地試驗和模擬試驗)，測量開環(huán)和閉環(huán)條件下汽車的主要運動量，研究汽車及人-車閉環(huán)系統(tǒng)的特性，并對此進行研究和評價； （2）通過試驗中駕駛員的主觀感覺，對汽車的特性進行

50、研究和評價； （3）通過建立汽車動力學(xué)模型和人-車閉環(huán)系統(tǒng)模型，從理論上來研究和評價汽車的操縱穩(wěn)定性。 從理論與試驗的角度來講，汽車操縱穩(wěn)定性的研究方法可以分為： （1）理論分析和動態(tài)仿真研究，在開環(huán)或閉環(huán)條件下評價車輛的操縱穩(wěn)定性； （2）試驗研究，包括客觀評價和駕駛員的主觀評價。 汽車操縱穩(wěn)定性的第一類評價方法是進行開環(huán)和閉環(huán)條件下的評價，即把汽車作為一個控制系統(tǒng)，按照對控制系統(tǒng)操縱性、穩(wěn)態(tài)品質(zhì)和瞬態(tài)響應(yīng)特性的一般性要求來分析和和研究汽車運動特性的方法稱為開環(huán)方法。這種方法就是把操縱穩(wěn)定性作為汽車自身的性能，是一種不包括駕駛員特性的汽車性能，可以按圖5.31所示的系統(tǒng)進行研究和評價。 事實

51、上，汽車的性能是通過人的操縱來實現(xiàn)的，汽車操縱穩(wěn)定性的優(yōu)劣，不但取決于汽車本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，還涉及駕駛員和道路交通環(huán)境等主觀因素。在真實的行駛過程中，駕駛員根據(jù)需要操縱轉(zhuǎn)向盤使汽車作一定的轉(zhuǎn)向運動，再加上路面的凹凸不平對汽車產(chǎn)生的作用力以及空氣對汽車的作用，使得汽車不再是一個孤立的系統(tǒng)，而是一個涵蓋人、車、環(huán)境的閉環(huán)系統(tǒng)。因此，為更全面徹底地研究和評價汽車的操縱穩(wěn)定性，就應(yīng)考慮到駕駛員特性與汽車特性的配合問題，即把汽車作為駕駛員-汽車-環(huán)境閉環(huán)系統(tǒng)的被控環(huán)節(jié)，根據(jù)整個系統(tǒng)的特性分析和綜合，對汽車的操縱穩(wěn)定性進行研究和評價，這種方法稱為閉環(huán)方法。 進行汽車操縱穩(wěn)定性評價的另一類方法是客觀評價和主觀

52、評價。客觀評價就是通過實車試驗測試一些與操縱穩(wěn)定性有關(guān)的汽車運動量，然后與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)比較進行評價；主觀評價則是駕駛員根據(jù)任務(wù)要求操縱汽車時，依據(jù)對操縱動作難易程度的感覺來評價汽車操縱穩(wěn)定性。 主觀評價的缺點是，它受到評價者個人主觀因素的影響，不同評價者可能給出差別較大的評價結(jié)果。它不能給出“汽車性能”與“汽車結(jié)構(gòu)”二者之間有何種聯(lián)系的信息。 所以客觀評價方法在汽車操縱穩(wěn)定性評價中仍然占據(jù)重要地位。二、操縱穩(wěn)定性試驗標(biāo)準(zhǔn)及ADAMS仿真機理 現(xiàn)階段我國主要依據(jù)GB/T6323-1994和QC/T480-1999來進行汽車操縱穩(wěn)定性的試驗與評價。在我國，國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了如下幾種汽車操縱穩(wěn)定性試驗方

53、法：蛇行試驗、轉(zhuǎn)向瞬態(tài)響應(yīng)試驗（轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角階躍輸入和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角脈沖輸入）、轉(zhuǎn)向回正性能試驗（低速回正和高速回正）、轉(zhuǎn)向輕便性試驗、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試驗。 ADAMS/Car模塊的仿真機理 ADAMS/Car模塊為了提高仿真效率、簡化仿真參數(shù)的設(shè)置過程而提供了許多專用的仿真菜單，但是很多情況下，汽車的具體運動情況是通過文件來控制的，其中，與閉環(huán)控制有關(guān)的文件主要有以下幾種：（1）驅(qū)動控制文件（Driver Control File,*.dcf）。 驅(qū)動控制文件是將一個復(fù)雜的試驗事件分解成逐個執(zhí)行的單元塊，稱之為微操縱（Mini-Maneuvers）。在每個微操縱之前應(yīng)該設(shè)置相應(yīng)的初始條件，然后在微操縱中

54、依次指定轉(zhuǎn)向、油門、制動、變速器和離合器的控制方式及參數(shù)。（2）驅(qū)動參數(shù)文件（Driver Control Data File,*.dcd）。驅(qū)動參數(shù)文件(*.dcd)必須與驅(qū)動控制文件（*.dcf）配合使用，該文件包含了驅(qū)動控制文件所需的數(shù)據(jù)，如果在驅(qū)動控制文件中要求汽車沿某一軌跡線運動，那么在相應(yīng)的驅(qū)動參數(shù)文件需要通過坐標(biāo)點來確定汽車的具體運動軌跡。（3）駕駛員輸入文件（Driver Input File,*.din）。駕駛員輸入文件制定了ADAMS/Driver模塊所需的各種控制參數(shù)的數(shù)值，如徑向動態(tài)特性、側(cè)向動態(tài)特性、車輛結(jié)構(gòu)特性以及學(xué)習(xí)文件的參數(shù)等，用來指導(dǎo)整車分析。 三、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)試

55、驗 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性對汽車的操縱穩(wěn)定性有著非常重要的影響。過多轉(zhuǎn)向和過大的不足轉(zhuǎn)向，都會使汽車難于控制。有些汽車由于設(shè)計參數(shù)選擇不當(dāng)，在側(cè)向加速度很小時具有一定的不足轉(zhuǎn)向特性，但在稍大的側(cè)向加速度下卻表現(xiàn)出強烈的過多轉(zhuǎn)向特性，使汽車出現(xiàn)意外的甩尾或激轉(zhuǎn)現(xiàn)象，造成嚴(yán)重的事故。 汽車的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向特性試驗方法有兩類：一類是變側(cè)向加速度法，這種方法又分為固定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角法和固定轉(zhuǎn)向半徑法兩種，它們都是用改變前進車速使汽車得到不同的側(cè)向加速度；另一類是固定側(cè)向加速度法，用這種方法進行試驗時除改變車速外還要改變轉(zhuǎn)向半徑。我國主要采用定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角試驗法。 GB/T6323.6-94中規(guī)定的固定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角連續(xù)加速的穩(wěn)

56、態(tài)回轉(zhuǎn)試驗方法如下：試驗汽車首先以最低穩(wěn)定車速沿半徑為15m或20m的圓周穩(wěn)定行駛，然后固定轉(zhuǎn)向盤不動，讓汽車緩慢而均勻地加速（縱向加速度不超過0.25m/s2），直至汽車的側(cè)向加速度達(dá)到6.5 m/s2，（或受發(fā)動機功率限制所能達(dá)到的最大側(cè)向加速度，或汽車出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)）為止。記錄整個過程中汽車的狀態(tài)響應(yīng)。表征汽車穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)性能的各參量分述如下： （1）轉(zhuǎn)彎半徑比Ri/R0與側(cè)向加速度ay之間的關(guān)系曲線。根據(jù)仿真得到的橫擺角速度時間歷程曲線及汽車前進車速時間歷程曲線（圖5.345.35），用下面的公式計算各點的轉(zhuǎn)彎半徑，得到的汽車轉(zhuǎn)彎半徑時間歷程曲線如圖5.36所示。 轉(zhuǎn)彎半徑比Ri/R0時間歷程曲線如圖5.37所示。在ADAMS的后處理模塊中得到的側(cè)向加速度ay時間歷程曲線如圖5.38所示，根據(jù)上