基于ADAMS的汽車懸架系統(tǒng)建模與仿真

1、 研究生課程論文 是否進修生？ 是 否 基于ADAMS的汽車懸架系統(tǒng)建模與仿真（武漢理工大學汽車工程學院，汽研141班,1049721402323）摘要：本文首先介紹了ADAMS軟件。然后借助多體動力學軟件ADAMS，進行汽車懸架系統(tǒng)的建模與仿真。論文首先以CAR模塊為研究平臺,建立了懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型。并進行了懸架的運動學和彈性運動學仿真分析，做出懸架性能相關參數(shù)的變化曲線。懸架性能參數(shù)的變化曲線即本次建模仿真得到的結(jié)果。對于汽車操縱穩(wěn)定性的評價有重要的意義。關鍵詞：建模仿真；ADAMS；懸架系統(tǒng)Automotive suspension system modeling and simulat

2、ion based on ADAMSAbstract:In this paper, multi-body dynamics software ADAMS is introduced firstly. Using multi-body dynamics software ADAMS, the author does modeling and simulation of suspension systems.Based on the templates owned by CAR module,the author establish a suspension and steering system

3、s model.Then the author does a simulation study on the kinematics and elastic kinematics of suspension ,based on which the author made a suspension-related parameter changes curve.Key Words：Modeling and simulation；ADAMS；suspension system1.ADAMS軟件及其核心模塊 ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical

4、System ）軟件是原美國MDI公司（現(xiàn)已被MSC合并）開發(fā)的機械系統(tǒng)動力學仿真軟件。MSC.ADAMS經(jīng)成為CAE領域中使用范圍最廣、應用行業(yè)最多的機械系統(tǒng)動力學仿真工具，是一款集建模、求解、可視化技術于一體的虛擬樣機軟件。它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格朗日方法，建立系統(tǒng)動力學方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力車分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS一方面是虛擬樣機分析的應用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便的對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析。另一方面，又是虛擬樣機分

5、析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發(fā)工具平臺。ADAMS軟件主要包括核心模塊、功能拓展模塊、專業(yè)模塊、接口模塊以及工具箱五大部分，共30多個模塊。它的核心模塊包括用戶界面模塊ADAMS/View，求解器ADAMS/Solver和后處理模塊ADAMS/PostProcessor。 ADAMS/View是以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境。它將簡單的按鈕、菜單、鼠標點取操作與交互式圖形建模、仿真計算、動畫顯示、X-Y曲線圖處理等功能完美地集成在一起，同時還提供完整的約束庫和力/力矩，建?？焖佟２捎糜脩羰煜さ腤indows界面，提高了相對任意參考

6、坐標系方便定位的功能，從而大大提高了快速建模能力。用戶利用Table Editor，可像Excel一樣方便地編輯模型數(shù)據(jù)1。 ADAMS/Solver可自動形成機械系統(tǒng)模型的動力學方程，提供靜力學、運動學和動力學的解算結(jié)果。ADAMS/Solver該軟件有各種建模和求解選項，以便精確有效地解決各種工程應用問題?？蓪傮w和彈性體進行仿真研究。為了進行有限元分析和控制系統(tǒng)研究，用戶除要求軟件輸出位移、速度、加速度和力外，還可要求模塊輸出用戶自己定義的數(shù)據(jù)。 后處理模塊ADAMS/Processor用來處理仿真結(jié)果數(shù)據(jù)、顯示仿真動畫等。既可以在ADAMS/View環(huán)境中運行，也可脫離該環(huán)境獨立運行。

7、ADAMS/Processor的主要特點是：采用快速高質(zhì)量的動畫顯示，便于從可視化角度深入理解設計方案的有效性；具有豐富的數(shù)據(jù)作圖、數(shù)據(jù)處理及文件輸出功能；多視窗動畫與曲線結(jié)果同步顯示，并可錄制成電影文件；具有完備的曲線數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能：如均值、均方根、極值、斜率等；具有豐富的數(shù)據(jù)處理功能，能夠進行曲線的代數(shù)運算、反向、偏置、縮放、編輯和生成波特圖等；能支持模態(tài)形狀動畫，模態(tài)形狀動畫可記錄的標準圖形文件格式有：*.gif，*.jpg，*.bmp，*.xpm，*.avi等；在日期、分析名稱、頁數(shù)等方面增加了圖表動畫功能；可進行幾何屬性的細節(jié)的動態(tài)演示2。2.懸架仿真分析 本文建立的懸架模型以東風EQ

8、2050越野汽車的懸架為原型，其采用雙橫臂獨立懸架，獨立懸架具有以下優(yōu)點：（1）在懸架彈性元件一定的變形范圍內(nèi)，兩側(cè)車輪可以單獨運動，而互不影響，這樣在不平道路上行駛時可減少車架和車身的振動，且有助于消除轉(zhuǎn)向輪不斷偏擺的不良現(xiàn)象。（2） 獨立懸架減少了非簧載質(zhì)量。在用獨立懸架時，對驅(qū)動橋而言，由于主減速器、差速器及外殼都固定在車架上，成了簧載質(zhì)量；對于轉(zhuǎn)向橋而言，它僅具有轉(zhuǎn)向主銷和轉(zhuǎn)向節(jié)，而中部的整體梁不再存在。所以采用獨立懸架時，非簧載質(zhì)量只包括車輪質(zhì)量和懸架系統(tǒng)中的一部分零件的全部或者部分質(zhì)量，非簧載質(zhì)量越小，懸架所受的沖擊載荷也越小。（3）能給予車輪較大的上下運動空間，因而可以將懸架剛度

9、設計得較小，使車身振動頻率降低，以改善行駛平順性3。2.1前懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模 本文在ADAMS/CAR環(huán)境中在已有的雙A臂（Double-wishbone）模板基礎上，通過修改模板參數(shù)，建立前懸掛系統(tǒng)且存儲于private模板中。建立的前懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多剛體模型如圖2.1所示。 圖2.1 前懸掛轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 由圖2.1可知，前雙橫臂獨立懸架 運動學模型由如下機構(gòu)組成：車身、左右兩個上（下）橫臂、左右兩橫向穩(wěn)定桿、左右兩減 振器上（下）活塞桿、左右兩轉(zhuǎn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向系轉(zhuǎn)向節(jié)通過輪轂連接，將車輪與轉(zhuǎn)向節(jié)看成一個整體不考慮車輪繞后軸旋轉(zhuǎn)）。此中，車身通過萬向節(jié)與減振器上活塞桿連接，減振器上、下活塞桿之間通過圓

10、柱副連接；車身通過旋轉(zhuǎn)鉸與左右兩個上下橫臂連接，四個橫臂通過球鉸和轉(zhuǎn)向節(jié)相連；故模型中共有2個萬向節(jié)鉸，2個圓柱鉸,4個球鉸和4個旋轉(zhuǎn)鉸。2.2懸掛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運動學仿真本節(jié)將利用建立好的懸掛轉(zhuǎn)向模型（包括前懸、轉(zhuǎn)向系、懸架系統(tǒng)測試平臺）進行懸架運動學和彈性運動學試驗，共兩項：左右車輪平行跳動實驗和外加載荷輸入試驗。2.2.1左右車輪平行跳動試驗仿真分析 懸架系統(tǒng)運動學分析的基本方法是左右車輪平行跳動實驗。該項試驗實際是給左右車輪一個相同的路面激勵使車輪跳動。此實驗中車輪遇到激勵時的運動情況能模擬多種工況下的懸架運動，例如車輛遇到障礙物時的運動，車輛行駛在凹凸不平路面上的運動，車輛行駛中車身發(fā)生側(cè)

11、傾時的運動和車輛在加速和制動過程中車身俯仰導致的運動。并輸出各個懸架性能參數(shù)作為研究對象。在前懸架模型建立以后，需要設置懸架的簧載質(zhì)量、軸距、前后軸制動力分配、質(zhì)心高度等參數(shù)，在此試驗中左右兩車輪中心同時在相對輸入位置的-100mm100mm（垂直向上為正）內(nèi)移動，即給左右兩輪同向激勵。 圖2.2 車輪外傾角與輪跳的關系因為車輪跳動時的外傾角對車輛的穩(wěn)態(tài)響應特性等有很大影響4，所以應盡量減少車輪相對車身跳動時的外傾角變化5。一般跳動變化為2.8/100mm以內(nèi)為宜6。由圖2.2分析可知，在車輪上跳100mm時，此獨立懸架車輪外傾角大約變化1.3；車輪下跳100mm時，外傾角大約變化2.7。外傾

12、角的變化在理想范圍之內(nèi)。 圖2.3 車輪前束角與輪跳的關連前束角可以中和前輪外傾角帶來的不利影響。前束角的作用是減少輪胎的磨損，車輪跳動時它的變化對車輪直線行駛、穩(wěn)態(tài)響應有很大影響，通常希望前束角的變化幅度盡量小7。一般在車輪100mm的跳動范疇時，前束角的變化量在0.020.15左右。而根據(jù)圖2.3，車輪跳動100mm時，車輪前束角的變化都超過了這個范圍，這對操縱穩(wěn)定性是不利的。 圖2.4 主銷后傾角與輪跳的關系 圖2.5 主銷后傾拖距與輪跳的關連 主銷后傾角對轉(zhuǎn)向時的車輪外傾變化影響大，如果主銷后傾角設計過大，則外傾轉(zhuǎn)向輪的外傾角會負方向變化。當前輪主銷后傾角較大時，需增加前輪轉(zhuǎn)向所必須的

13、橫向力，以抵消外傾推力，這樣不僅轉(zhuǎn)向弱，而且最大橫向加速度也會增加，一般認為23是合理的范圍8。車輪每跳動100mm時，后傾角的理想變化范圍應為0.20.67左右9。后傾拖距是主銷延長線與地面的交點到輪胎印跡中心（橫向）的距離，它對汽車轉(zhuǎn)向特性、路感和轉(zhuǎn)向時的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響10。圖2.4中，后傾角的變化范圍大約是5.375.84，變化幅度為0.47，符合后傾角理想的變化范圍。2.2.2外加載荷輸入試驗仿真分析施加外加載荷的位置有兩種，包括在輪胎與地面接觸位置或者車輪中心處，施加的載荷有縱向力、側(cè)向力和回正力矩等力和力矩11。對懸架彈性運動學的分析和評價主要就是通過這些參數(shù)隨外加載荷的變動曲

14、線來衡量的12。本文采取的是在車輪上施加縱向制動力的外加載荷的仿真方法。 創(chuàng)建一個載荷文件給兩個前輪施加相等的制動力，本車的質(zhì)量為3500kg，給其一個負0.8g的加速度，其前輪的制動比為60%后輪的制動比為40%，那么前輪總的制動力為：,每個前輪分配的制動力約為8240N，每個后輪的制動力約為5494N。仿真后的到的懸架參數(shù)隨制動力變化的曲線2.62.9所示。 圖2.6 外傾角與制動力的關系 由圖2.6可知，車輪外傾角隨制動力的增大而增大，從-0.7增加到-0.02，負的外傾角能減小轉(zhuǎn)彎時離心力使汽車產(chǎn)生不足轉(zhuǎn)向的趨勢，能滿足高的操縱穩(wěn)定性要求，而正的外傾角能減小偏距及使輪胎接地點向內(nèi)縮，從

15、而提高制動時縱向力作用下的方向穩(wěn)定性，減少轉(zhuǎn)向力，有利于改善汽車直線行駛穩(wěn)定性13。 圖2.7 前束角與制動力的關系由圖2.7可知，車輪前束角隨制動力的增大減小，且變化幅度大，這對車輛制動時的行駛穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向制動時的操縱穩(wěn)定性是不利的，會導致制動跑偏。 圖2.8 主銷后傾拖距與制動力關連 圖2.9 主銷后傾拖距與制動力關連 如圖2.8和圖2.9，主銷后傾角和主銷后傾拖距都隨制動力的增加而減小，主銷后傾角由5.4減小到2.4，主銷后傾拖距由正值減小為負值，這是不利趨勢，會引起車輪磨損和晃動。 3.總結(jié) 本文主要成果是利用了ADAMS軟件進行了汽車懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模與仿真。本文首先介紹了ADAMS

16、軟件及其核心的三個模塊：用戶界面模塊ADAMS/View，求解器ADAMS/Solver和后處理模塊ADAMS/PostProcessor。然后以ADAMS/CAR模塊為平臺，以東風EQ2050越野車為模板，建立懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型。最后在此模型上進行了左右車輪平行跳動實驗和外加載荷輸入試驗兩項試驗，并得出相關參數(shù)的變化曲線。 參考文獻1石博強等編著.ADAMS基礎與工程范例教程M.北京市：中國鐵道出版社.2007.2陳立平等編著.機械系統(tǒng)動力學分析及ADAMS應用教程M.北京市：清華大學出版社.2005.3臧杰主編.汽車構(gòu)造 下M.北京市：機械工業(yè)出版社.2011.4郭孔輝.汽車操縱動力學M.長春：吉林科學技術出版社.19915宋傳學,蔡章林. 基于ADAMS/CAR的雙橫臂獨立懸架建模與仿真J. 吉林大學學報(工學版),2004,04:554-558.6姜攀，王貴槐，李青基于ADAMCAR的汽車前懸架仿真分析J公路與汽運，10(3)：7-117趙秋芳. 基于ADAMS的汽車操縱穩(wěn)定性仿真試