基于ADAMS的汽車(chē)懸架系統(tǒng)建模與仿真

1、研究生課程論文是否進(jìn)修生？是口否口基于ADAMS的汽車(chē)懸架系統(tǒng)建模與仿真(武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)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(dòng)力學(xué)軟件ADAMS，進(jìn)行汽車(chē)懸架系統(tǒng)的建模與仿真。論文首先以CAR模塊為研究平臺(tái),建立了懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型。并進(jìn)行了懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)和彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，做出懸架性能相關(guān)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(duì)于汽車(chē)操縱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)有重要的意義。關(guān)鍵詞：建模仿真；ADAMS；懸架系統(tǒng)Automotivesuspensionsystemmodelingandsimulationbased

2、onADAMSAbstract:Inthispaper,multi-bodydynamicssoftwareADAMSisintroducedfirstly.Usingmulti-bodydynamicssoftwareADAMS,theauthordoesmodelingandsimulationofsuspensionsystems.BasedonthetemplatesownedbyCARmodule,theauthorestablishasuspensionandsteeringsystemsmodel.Thentheauthordoesasimulationstudyonthekin

3、ematicsandelastickinematicsofsuspension,basedonwhichtheauthormadeasuspension-relatedparameterchangescurve.KeyWords：Modelingandsimulation；ADAMS；suspensionsystem1. ADAMS軟件及其核心模塊ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)軟件是原美國(guó)MDI公司（現(xiàn)已被MSC合并）開(kāi)發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件。MSC.ADAMS經(jīng)成為CAE領(lǐng)域中使用范圍最廣、應(yīng)用行業(yè)最多的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿

4、真工具，是一款集建模、求解、可視化技術(shù)于一體的虛擬樣機(jī)軟件。它使用交互式圖形環(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，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法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，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)力車(chē)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶(hù)可以運(yùn)用該軟件非常方便的對(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)。ADAMS軟件主要包括核心模塊、功能拓展模塊、專(zhuān)業(yè)模塊、接口模塊

5、以及工具箱五大部分，共30多個(gè)模塊。它的核心模塊包括用戶(hù)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(hù)為中心的交互式圖形環(huán)境。它將簡(jiǎn)單的按鈕、菜單、鼠標(biāo)點(diǎn)取操作與交互式圖形建模、仿真計(jì)算、動(dòng)畫(huà)顯示、X-Y曲線圖處理等功能完美地集成在一起,同時(shí)還提供完整的約束庫(kù)和力/力矩,建模快速。采用用戶(hù)熟悉的Windows界面，提高了相對(duì)任意參考坐標(biāo)系方便定位的功能,從而大大提高了快速建模能力。用戶(hù)利用TableEditor，可像Excel一樣方便地編輯模型數(shù)據(jù)1。ADAMS/Solver可自動(dòng)形成機(jī)械系統(tǒng)模型的動(dòng)

6、力學(xué)方程,提供靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的解算結(jié)果。ADAMS/Solver該軟件有各種建模和求解選項(xiàng),以便精確有效地解決各種工程應(yīng)用問(wèn)題?？蓪?duì)剛體和彈性體進(jìn)行仿真研究。為了進(jìn)行有限元分析和控制系統(tǒng)研究,用戶(hù)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(hù)自己定義的數(shù)據(jù)。后處理模塊ADAMS/Processor用來(lái)處理仿真結(jié)果數(shù)據(jù)、顯示仿真動(dòng)畫(huà)等。既可以在ADAMS/View環(huán)境中運(yùn)行,也可脫離該環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行。ADAMS/Processor的主要特點(diǎn)是：采用快速高質(zhì)量的動(dòng)畫(huà)顯示,便于從可視化角度深入理解設(shè)計(jì)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(dòng)畫(huà)與曲線結(jié)果同

7、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(jì)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(jìn)行曲線的代數(shù)運(yùn)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(dòng)畫(huà),模態(tài)形狀動(dòng)畫(huà)可記錄的標(biāo)準(zhǔn)圖形文件格式有：*.gif,*.jpg,*.bmp,*.xpm,*.avi等；在日期、分析名稱(chēng)、頁(yè)數(shù)等方面增加了圖表動(dòng)畫(huà)功能；可進(jìn)行幾何屬性的細(xì)節(jié)的動(dòng)態(tài)演示2。2. 懸架仿真分析本文建立的懸架模型以東風(fēng)EQ2050越野汽車(chē)的懸架為原型，其采用雙橫臂獨(dú)立懸架，獨(dú)立懸架具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）在懸架彈性元件一定的變形范圍內(nèi)，兩側(cè)車(chē)輪可以單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，而互不影響，這樣在不平道路上行駛時(shí)可減少車(chē)架和

8、車(chē)身的振動(dòng)，且有助于消除轉(zhuǎn)向輪不斷偏擺的不良現(xiàn)象。（2）獨(dú)立懸架減少了非簧載質(zhì)量。在用獨(dú)立懸架時(shí)，對(duì)驅(qū)動(dòng)橋而言，由于主減速器、差速器及外殼都固定在車(chē)架上，成了簧載質(zhì)量；對(duì)于轉(zhuǎn)向橋而言，它僅具有轉(zhuǎn)向主銷(xiāo)和轉(zhuǎn)向節(jié)，而中部的整體梁不再存在。所以采用獨(dú)立懸架時(shí)，非簧載質(zhì)量只包括車(chē)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(chē)輪較大的上下運(yùn)動(dòng)空間，因而可以將懸架剛度設(shè)計(jì)得較小,使車(chē)身振動(dòng)頻率降低，以改善行駛平順性32.1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(chǔ)上，通過(guò)修改模板參數(shù)，

9、建立前懸掛系統(tǒng)且存儲(chǔ)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。由圖2.1可知，前雙橫臂獨(dú)立懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)模型由如下機(jī)構(gòu)組成：車(chē)身、左右兩個(gè)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(guò)輪轂連接，將車(chē)輪與轉(zhuǎn)向節(jié)看成一個(gè)整體不考慮車(chē)輪繞后軸旋轉(zhuǎn)）。此中，車(chē)身通過(guò)萬(wàn)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(guò)圓柱副連接；車(chē)身通過(guò)旋轉(zhuǎn)鉸與左右兩個(gè)上下橫臂連接，四個(gè)橫臂通過(guò)球鉸和轉(zhuǎn)向節(jié)相連;故模型中共有2個(gè)萬(wàn)向節(jié)鉸，2個(gè)圓柱鉸,4個(gè)球鉸和4個(gè)旋轉(zhuǎn)鉸。2.2懸掛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)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

10、架系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)）進(jìn)行懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)和彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)試驗(yàn)，共兩項(xiàng)：左右車(chē)輪平行跳動(dòng)實(shí)驗(yàn)和外加載荷輸入試驗(yàn)。2.2.1左右車(chē)輪平行跳動(dòng)試驗(yàn)仿真分析懸架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基本方法是左右車(chē)輪平行跳動(dòng)實(shí)驗(yàn)。該項(xiàng)試驗(yàn)實(shí)際是給左右車(chē)輪一個(gè)相同的路面激勵(lì)使車(chē)輪跳動(dòng)。此實(shí)驗(yàn)中車(chē)輪遇到激勵(lì)時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況能模擬多種工況下的懸架運(yùn)動(dòng)，例如車(chē)輛遇到障礙物時(shí)的運(yùn)動(dòng)，車(chē)輛行駛在凹凸不平路面上的運(yùn)動(dòng)，車(chē)輛行駛中車(chē)身發(fā)生側(cè)傾時(shí)的運(yùn)動(dòng)和車(chē)輛在加速和制動(dòng)過(guò)程中車(chē)身俯仰導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)。并輸出各個(gè)懸架性能參數(shù)作為研究對(duì)象。圖2.3車(chē)輪前束角與輪跳的關(guān)連在前懸架模型建立以后，需要設(shè)置懸架的簧載質(zhì)量、軸距、前后軸制動(dòng)力分配、質(zhì)心高度等參數(shù)，在此試驗(yàn)中左右

11、兩車(chē)輪中心同時(shí)在相對(duì)輸入位置的-100mm100mm（垂直向上為正）內(nèi)移動(dòng)，即給左右兩輪同向激勵(lì)。圖2.2車(chē)輪外傾角與輪跳的關(guān)系因?yàn)檐?chē)輪跳動(dòng)時(shí)的外傾角對(duì)車(chē)輛的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性等有很大影響，所以應(yīng)盡量減少車(chē)輪相對(duì)車(chē)身跳動(dòng)時(shí)的外傾角變化刃。一般跳動(dòng)變化為2.8°/100mm以?xún)?nèi)為宜。由圖2.2分析可知,在車(chē)輪上跳100mm時(shí)，此獨(dú)立懸架車(chē)輪外傾角大約變化1.3°；車(chē)輪下跳100mm時(shí)，外傾角大約變化2.7°。外傾角的變化在理想范圍之內(nèi)。珊f丹那刪T制蚌艸肌3昭前束角可以中和前輪外傾角帶來(lái)的不利影響。前束角的作用是減少輪胎的磨損，車(chē)輪跳動(dòng)時(shí)它的變化對(duì)車(chē)輪直線行駛、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)有

12、很大影響，通常希望前束角的變化幅度盡量小。一般在車(chē)輪100mm的跳動(dòng)范疇時(shí)，前束角的變化量在0.02°0.15。左右。而根據(jù)圖2.3，車(chē)輪跳動(dòng)土100mm時(shí)，車(chē)輪前束角的變化都超過(guò)了這個(gè)范圍，這對(duì)操縱穩(wěn)定性是不利的。圖2.4主銷(xiāo)后傾角與輪跳的關(guān)系圖2.5主銷(xiāo)后傾拖距與輪跳的關(guān)連主銷(xiāo)后傾角對(duì)轉(zhuǎn)向時(shí)的車(chē)輪外傾變化影響大，如果主銷(xiāo)后傾角設(shè)計(jì)過(guò)大，則外傾轉(zhuǎn)向輪的外傾角會(huì)負(fù)方向變化。當(dāng)前輪主銷(xiāo)后傾角較大時(shí)，需增加前輪轉(zhuǎn)向所必須的橫向力，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(huì)增加，一般認(rèn)為2°3°是合理的范圍。車(chē)輪每跳動(dòng)100mm時(shí)，后傾角的理想變化范圍應(yīng)為0

13、.2°0.67。左右。后傾拖距是主銷(xiāo)延長(zhǎng)線與地面的交點(diǎn)到輪胎印跡中心（橫向）的距離，它對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向特性、路感和轉(zhuǎn)向時(shí)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5.37°5.84°,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(yàn)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(chē)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(duì)懸架彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析和評(píng)價(jià)主要就是通過(guò)這些參數(shù)隨外加載荷的變動(dòng)曲線來(lái)衡量的12。本文采取的是在車(chē)輪上施加縱向制動(dòng)力的外加載荷的仿真方法。創(chuàng)建一個(gè)載荷文件給兩個(gè)前輪

14、施加相等的制動(dòng)力，本車(chē)的質(zhì)量為3500kg，給其一個(gè)負(fù)0.8g的加速度，其前輪的制動(dòng)比為60%后輪的制動(dòng)比為40%，那么前輪總的制動(dòng)力為：3500kgx0.8x9.81m/s2/gx0.6=16480N,每個(gè)前輪分配的制動(dòng)力約為8240N，每個(gè)后輪的制動(dòng)力約為5494N。仿真后的到的懸架參數(shù)隨制動(dòng)力變化的曲線2.62.9所示。圖2.6外傾角與制動(dòng)力的關(guān)系由圖2.6可知，車(chē)輪外傾角隨制動(dòng)力的增大而增大，從-0.7°增加到-0.02°，負(fù)的外傾角能減小轉(zhuǎn)彎時(shí)離心力使汽車(chē)產(chǎn)生不足轉(zhuǎn)向的趨勢(shì)，能滿(mǎn)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(diǎn)向內(nèi)縮，從而提高制動(dòng)時(shí)縱向力

15、作用下的方向穩(wěn)定性，減少轉(zhuǎn)向力，有利于改善汽車(chē)直線行駛穩(wěn)定性13。頤2Q0D咖刪d頑醐div»oano咖Fmj.fwt圖2.7前束角與制動(dòng)力的關(guān)系由圖2.7可知，車(chē)輪前束角隨制動(dòng)力的增大減小，且變化幅度大，這對(duì)車(chē)輛制動(dòng)時(shí)的行駛穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向制動(dòng)時(shí)的操縱穩(wěn)定性是不利的，會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)跑偏。%+3HI3KK潮）型in1KIKIOC<嘟Imo圖2.8主銷(xiāo)后傾拖距與制動(dòng)力關(guān)連1111w阿dsni<MP胴q刪o側(cè)onmkkiArFL-Sam圖2.9主銷(xiāo)后傾拖距與制動(dòng)力關(guān)連如圖2.8和圖2.9，主銷(xiāo)后傾角和主銷(xiāo)后傾拖距都隨制動(dòng)力的增加而減小，主銷(xiāo)后傾角由5.4。減小到2.4°，主

16、銷(xiāo)后傾拖距由正值減小為負(fù)值，這是不利趨勢(shì)，會(huì)引起車(chē)輪磨損和晃動(dòng)。3. 總結(jié)本文主要成果是利用了ADAMS軟件進(jìn)行了汽車(chē)懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模與仿真。本文首先介紹了ADAMS軟件及其核心的三個(gè)模塊：用戶(hù)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(tái)，以東風(fēng)EQ2050越野車(chē)為模板，建立懸架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型。最后在此模型上進(jìn)行了左右車(chē)輪平行跳動(dòng)實(shí)驗(yàn)和外加載荷輸入試驗(yàn)兩項(xiàng)試驗(yàn)，并得出相關(guān)參數(shù)的變化曲線。參考文獻(xiàn)石博強(qiáng)等編著.ADAMS基礎(chǔ)與工程范例教程M.北京市：中國(guó)鐵道出版社.2007.2 陳立平等編著機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程M.北京市：清華大學(xué)出版社.2005.3 臧杰主編.汽車(chē)構(gòu)造下M.北京市：機(jī)械工業(yè)出版社.2011.4 郭孔輝汽車(chē)操縱動(dòng)力學(xué)M.長(zhǎng)春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社.19915 宋傳學(xué)，蔡章林.基于ADAMS/CAR的雙橫臂獨(dú)立懸架建模與仿真J.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2004,04:554-558.姜攀，王貴槐，李青.基于ADAMCAR的汽車(chē)前懸架仿真分析J.公路與汽運(yùn),10(3)：7-11趙秋芳.基于ADAMS的汽車(chē)操縱穩(wěn)定性仿真試驗(yàn)初步研