基于adams的麥弗遜式前懸架多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析

基于adams的麥弗遜式前懸架多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析

1懸架的優(yōu)化設(shè)計(jì),提高車輪使用性能獨(dú)立懸掛式排氣的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，非彈簧載質(zhì)量小，便于配置，適合不同形狀的彈簧，并能自動調(diào)整車身高度。但是,由于主銷軸線位置在減振器與車身連接鉸鏈中心和橫擺臂與轉(zhuǎn)向節(jié)連接鉸鏈中心的連線上,因此當(dāng)懸架在變形時(shí),主銷軸線也隨之改變,前輪定位參數(shù)和輪距也都會相應(yīng)改變,且變化量可能很大。因此,如果懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng),就會大大影響汽車產(chǎn)品的使用性能(如轉(zhuǎn)向沉重、擺振、輪胎偏磨、影響輪胎使用壽命等)。某客貨兩用皮卡車的前懸采用的就是麥弗遜懸架,廠家反映該懸架輪胎磨損非常嚴(yán)重,為解決此問題,我們借助ADAMS/Car專業(yè)模塊,構(gòu)建該懸架的電子樣機(jī)模型,使用ADAMS/insight試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析模塊進(jìn)行虛擬試驗(yàn),進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)軟件是美國MDI(MechanicalDynamicsInc.)公司開發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件,其Car專業(yè)模塊是MSC與Audi、BMW、Renault和Volvo等公司合作開發(fā)的整車設(shè)計(jì)軟件包,整合了他們在汽車設(shè)計(jì)、開發(fā)方面的經(jīng)驗(yàn),能夠幫助工程師快速建造高精度的包括車身、懸架系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、引擎、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),制動系統(tǒng)等子系統(tǒng)在內(nèi)的參數(shù)化虛擬汽車模型。ADAMS/Insight功能擴(kuò)展模塊是ADAMS基于網(wǎng)頁的試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析模塊,能對仿真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),使用戶可以更精確地對設(shè)計(jì)進(jìn)行量化研究,應(yīng)用ADAMS/Insight,我們可以很方便地進(jìn)行一系列的仿真試驗(yàn),從而精確地預(yù)測所設(shè)計(jì)的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)在各種工作條件下的性能,并對試驗(yàn)結(jié)果提供專業(yè)化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。2模型的構(gòu)建2.1運(yùn)動學(xué)分析的特點(diǎn)實(shí)車的前懸架是結(jié)構(gòu)左右對稱的麥弗遜懸架,轉(zhuǎn)向器為齒輪齒條式。由于ADAMS/Car模塊建立懸架模型只需要輸入懸架單側(cè)的參數(shù)就會自動對稱建立另一邊的模型,因此,這里建模過程只涉及到左側(cè)懸架。根據(jù)實(shí)際懸架及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)?？梢猿橄蟪鋈鐖D1所示運(yùn)動學(xué)仿真系統(tǒng)模型:麥弗遜獨(dú)立懸架左懸架部分由轉(zhuǎn)向節(jié)總成、車輪、減振器上體、轉(zhuǎn)向橫拉桿、下擺臂、轉(zhuǎn)向機(jī)齒條等剛體組成。減振器下體與轉(zhuǎn)向節(jié)連為一體。下擺臂1個,轉(zhuǎn)向節(jié)總成1個(包括減振器下體,輪轂軸,制動底板等),轉(zhuǎn)向橫拉桿1個,減振器上體1個,轉(zhuǎn)向器齒條1個,車輪總成1個,車身1個,共7個剛體。減振器上體用萬向節(jié)鉸A與車身相連,轉(zhuǎn)向節(jié)總成與減振器上體用圓柱鉸B約束,相對減振器上半部分可以進(jìn)行軸向移動和轉(zhuǎn)動;下擺臂一端通過轉(zhuǎn)動鉸F和G與車身相連(其中一個為虛約束),可相對車身上下擺動,另一端通過球鉸E與轉(zhuǎn)向節(jié)總成相接,轉(zhuǎn)向橫拉桿一端通過球鉸C與轉(zhuǎn)向節(jié)總成相連,另一端通過萬向節(jié)鉸H與轉(zhuǎn)向齒條相連,轉(zhuǎn)向齒條通過移動鉸I與車身相連,可相對車身左右移動;車輪總成和轉(zhuǎn)向節(jié)總成通過轉(zhuǎn)動鉸鏈D相連,進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析時(shí),車身與地面是固定在一起的。1/2前麥弗遜懸架約束方程數(shù)目為:m=6×1+5×3+4×3+3×2=391/2懸架自由度DOF=6×7-m=31/2懸架有3個自由度,分別是車輪繞著車軸的轉(zhuǎn)動,車輪繞主銷的轉(zhuǎn)動和車輪的上下跳動。2.2汽車懸架性能測試模型關(guān)鍵點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)和相關(guān)參數(shù)是建立ADAMS運(yùn)動學(xué)模型的關(guān)鍵,由于廠家未能提供零部件裝配圖,因此我們使用三坐標(biāo)儀進(jìn)行測繪。在測量該皮卡車前懸架零部件的空間位置和參數(shù)時(shí),我們采用ISO坐標(biāo)制,以地面為XY平面,汽車中心對稱面為XZ平面,通過前輪輪心連線,垂直另外兩平面的而為YZ平面,取垂直向上為Z軸正方向,車身右側(cè)為Y軸正方向,以車前進(jìn)方向的反方向?yàn)閄軸正方向。于是我們得到以下左側(cè)懸架空間參數(shù):使用GCD-I型光束水準(zhǔn)車輪定位儀測量前輪定位參數(shù),車輪外傾角為1.5度,主銷后傾角為3度,主銷內(nèi)傾角為8.5度。2.3麥弗遜懸架的建模調(diào)用ADAMS/Car中自帶的模板,輸入相關(guān)參數(shù)建立懸架子系統(tǒng)(subsystem),調(diào)用該懸架子系統(tǒng)建立前懸架模型系統(tǒng)(system)。由于該車輪胎為165/R13,根據(jù)參考書目中的公式ε≈C2Dε≈C2D和C=2DφLφr+4αLαC=2DφLφr+4αLα以及實(shí)車的有關(guān)參數(shù),我們們可以計(jì)算得到理想前束角為0.286°,在ADAMS/Car中輸入懸架參數(shù)車輪外傾角1.5度,前束角0.286°,完成麥弗遜懸架的建模。懸架運(yùn)動學(xué)仿真模型如圖2所示:3車輪定位參數(shù)分析進(jìn)行雙側(cè)車輪平行跳動仿真來分析車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角的變化,由于前束是為了消除車輪外傾帶來的邊滾邊滑的不良后果,這里我們直接分析前輪側(cè)滑量的變化。由于該麥弗遜懸架左右結(jié)構(gòu)對稱,定位參數(shù)完全一樣,故我們只分析左車輪定位參數(shù)。跳動的范圍選擇為皮卡車常用的±40mm,定位參數(shù)以及車輪側(cè)滑量變化如圖3～4所示:從上圖我們注意到定位參數(shù)的初始值與我們使用GCD-I型光束水準(zhǔn)車輪定位儀測量的參數(shù)一致,可以判斷模型是合理的,同時(shí)從以上的圖可知,該車定位參數(shù)存在以下問題:1.車輪的側(cè)向滑移量過大,上跳-40mm處滑移值為12.4378mm,在+40mm處為-8.2429mm,該車行駛時(shí)輪胎將嚴(yán)重磨損;2.車輪定位參數(shù)在車輪上下跳動過程中變化過大,其中車輪外傾角變動量達(dá)到4.3547°,主銷的內(nèi)傾角變動量達(dá)到4.1609°皮卡車性能將變得很不穩(wěn)定。4優(yōu)化結(jié)果分析為了解決以上問題,我們考慮對前懸架進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整。由于主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角的初始值的調(diào)整會影響車身高度、質(zhì)心位置、輪距和軸距等基本參數(shù),從而會極大的影響整車的各項(xiàng)性能,不能做較大范圍的調(diào)整,而且以前的研究表明:細(xì)微的調(diào)整對其他定位參數(shù)的變化影響并不大,而下控制臂的側(cè)傾角和俯仰角對側(cè)滑量以及其他定位參數(shù)有顯著影響。我們采用ADAMS/Insight進(jìn)行進(jìn)一步的分析下擺臂的布置對這些參數(shù)的具體影響。由于該車磨損問題非常嚴(yán)重,因此,這里我們將車輪的側(cè)滑量作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。先將下控制臂的前后兩支點(diǎn)的Y坐標(biāo)值和Z坐標(biāo)值作為影響因素,將其變動范圍定為±100mm進(jìn)行仿真試驗(yàn)來分析參數(shù)對目標(biāo)函數(shù)的影響,經(jīng)過16次仿真試驗(yàn)分析,我們得到如下的試驗(yàn)圖5。如照圖5并查詢ADAMS/Insight中的WORKSPACE,經(jīng)過我們分析得到:當(dāng)后支點(diǎn)Y=-155,Z=225,前支點(diǎn)Z=237時(shí),可以得較小的側(cè)向滑移量,這也意味著這三個參數(shù)對我們的性能有較大的影響。固定這幾點(diǎn),然后單獨(dú)分析前支點(diǎn)Y坐標(biāo)對目標(biāo)函數(shù)的影響,得到優(yōu)化后的前支點(diǎn)Y值為-225。固定這點(diǎn),然后進(jìn)一步分析后支點(diǎn)的Y坐標(biāo)和Z坐標(biāo)以及前支點(diǎn)Z坐標(biāo)對目標(biāo)函數(shù)的影響。將后支點(diǎn)的Y基本值定為-155,Z定為225前支點(diǎn)Z基本值定為237,在ADAMS/Insight里面先進(jìn)行±10mm,1000次的試驗(yàn)分析,然后進(jìn)行自動優(yōu)化。最后,我們得到以下的坐標(biāo)值:前支點(diǎn)Y=-225,Z=227.5,后支點(diǎn)Y=-164.5,Z=215.5。在ADAMS/Car里面將關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)做相應(yīng)的調(diào)整,再進(jìn)行雙側(cè)車輪平行跳動±40mm仿真,得到了下列前輪定位參數(shù)和車輪側(cè)向滑移量對比圖:優(yōu)化前后各個參數(shù)變化如下表:從圖(6)～(9)以及表1中,我們可以看到:1.與原懸架相比,車輪跳動±40mm時(shí),車輪外傾角和主銷內(nèi)傾角的變化范圍明顯減小。具體而言,車輪外傾角變化范圍由原來的4.3547°減小到2.1439°,主銷內(nèi)傾角變化由原來的4.1609°變?yōu)?.4920°;2.與原懸架相比,車輪跳動±40mm時(shí),車輪后傾角變化范圍稍有減小。具體而言,原為1.4939°,現(xiàn)為1.428°。但在負(fù)行程處,后傾角絕對值有0.1861°的增大;3.與原懸架相比,車輪跳動±40mm時(shí),車輪側(cè)滑有顯著的改善,具體而言,上跳-40mm處,左車輪側(cè)滑值為12.4378mm變?yōu)?.6965mm,右車輪由原來的-12.4378mm變?yōu)?1.6965mm。在+40mm處,左車輪側(cè)滑值由原來的-8.2429mm變?yōu)?.7236mm,右車輪由原來的-8.2429mm變?yōu)?1.7236mm。左右側(cè)滑獲得改善的同時(shí),右輪側(cè)滑也獲得了改善。5優(yōu)化設(shè)計(jì)的提出及實(shí)施本文利用機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件ADAMS的Car模塊建立了某皮卡車麥克弗遜式懸架運(yùn)動學(xué)計(jì)算機(jī)仿真模型,使用ADAMS/Insight模塊將下擺臂布置對懸架的定位參數(shù)和側(cè)滑的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析,并進(jìn)一步進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),