【正文】 中，外傾角的變化范圍比理想值大。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。 19 第 4 章 基于 ADAMS/Car 的動力學仿真分析 麥弗遜前懸架系統(tǒng)仿真分析 ADAMs/Car 提供了強大的懸架系統(tǒng)分析功能，可以進行的懸架分析包括 :車輪同向運動分析（ parallel wheel travel）、車輪彈塑性運動分析（ elasticplastic movement travel）、側(cè)傾和垂直力分析（ roll and vertical forces）、單輪運動分析（ single wheel travel）、轉(zhuǎn)向分析（ steering）、靜態(tài)分析（ static load）、外部文件分析（ external file）等試驗仿真分析 [17]。 108 1225 608 根據(jù)表 32 可以在 ADAMS 里編制減振器速度 —— 阻尼力特性樣條曲線，如圖 33 所示。 虛擬樣機模型的建立 建模所需的有關硬點坐標數(shù)據(jù)由廠家提供，具體數(shù)據(jù)如表 31 所示。各剛體之間的連接關系如下：下控制臂一端通過轉(zhuǎn)動副與車體相連，另一端通過球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)總成下端相連；車輪與輪軸之間用固定鉸相連 。2轉(zhuǎn)向節(jié)總成 。因此麥弗遜式懸架在前置前驅(qū)的轎車和微型汽車上有著廣泛的應用。建立仿真分析模型的最后一步是建立分析總成系統(tǒng)。通訊器是用來進行數(shù)據(jù)傳遞信息的，這些信息包括：拓撲結(jié)構(gòu)、位置、方位和連接、數(shù)組和參數(shù)。 （ 2）創(chuàng)建部件。首先建立模板文件，然后有模板文件生成子系統(tǒng)文件，最后將子系統(tǒng)與測試臺）裝配在一起形成總成（ Assembly）分析系統(tǒng)模型。 （ 2）子系統(tǒng)子系統(tǒng)是基于模板創(chuàng)建的，也可以認為它是特殊的模板，即對模板的某些特性做了調(diào)整。專家用戶可以創(chuàng)建和修改模板，即可以使用創(chuàng)建模板的工具 （ Template builder）。 ADAMS/Car 是 MDI 公司與 Audi， BMW， Renault 和 Volvo 等公司合作開發(fā)的整車設計軟件包，集成了他們在汽車設計，開發(fā)方面的專家經(jīng)驗，能夠幫助工程師快速建造高精度的整車虛擬樣機，其中包括車身、懸架、傳動機構(gòu)、發(fā)動機、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、制動系統(tǒng)等，工程師可以通過高速動畫直觀地再現(xiàn)在各種試驗工況下（例如：天氣、道路狀況、駕駛員經(jīng)驗）整車的動力學響應，并輸出標志操縱穩(wěn)定性、制動性、乘坐舒適性和安全性的特征參數(shù)，從而減少對物理樣機 的依賴，而仿真時間只是物理試驗樣機的幾分之一 [14]。國外一些著名大學也都開始了介紹 ADAMS 軟件的課程，而將三維 CAD 軟件，有限元分析軟件和虛擬樣機軟件作為機械類專業(yè)學生所必須了解的工具軟件。目前， ADAMS 己經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。由物理模型，采用笛卡爾坐標或拉格朗日坐標建模方法，應用自動建模技術(shù)，組裝 8 系統(tǒng)運動方程中的各系數(shù)矩陣，得到系統(tǒng)數(shù)學模型。它與結(jié)構(gòu)力學不同，部件在自身變形運動同時，空間中經(jīng)歷著較大的剛性移動和轉(zhuǎn)動，剛性運動和變形運動相互影響、強烈結(jié)合 。由于多剛體系統(tǒng)動力學由計算機按程式化方法自動建模和分析，并且只要輸入少量信息就可對多種結(jié)構(gòu)及多種連接方式的系統(tǒng)進行計算，因此其通用性非常強，同一程式可對各類復雜系統(tǒng)進行分析。 （ 4）凱恩方法： RW方法提出了解決多剛體系統(tǒng) 動力學統(tǒng)一公式 ,而凱恩方法提供了分析復雜機械系統(tǒng)動力學性能的統(tǒng)一方法，并沒有給出一個適合于任意多剛體系統(tǒng)的普遍形式的動力學方程，廣義速度的選擇也需要一定的經(jīng)驗和技巧，這是它的缺點，但這種方法不用動力學函數(shù)，無需求導計算，只需進行矢量點積、叉積等計算，節(jié)省時間。 （ 2）拉格朗日法：由于多剛體系統(tǒng)的復雜性，在建立系統(tǒng)的動力學方程時，采用系統(tǒng)獨立的拉格朗日坐標非常困難，而采用不獨立的笛卡爾廣義坐標則比較方便，對于具有多余坐標的完整或非完整約束系統(tǒng)，用帶乘子的拉格朗日方程處理是十分規(guī)格化的方法。 通過上述對比分析可知， ADAMS 軟件在建模與仿真分析等很多其他方面都強大的優(yōu)勢。 （ 5） ADAMS 軟件 ADAMS （ Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）軟件，是由美國機械動力公司（ Mechanical Dynamics Inc.）開發(fā)的最優(yōu)秀的機械系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件，是世界上最具權(quán)威性的，使用范圍最廣的機械系統(tǒng)動力學分析軟件。在建模方面，提供的建模元素包括豐富的運動副庫、力庫、約束庫、控制元件庫、液壓元件庫、輪胎接口等。而在一個車型的設計過程中，人們往往只關注看得到的部分，例如汽車的車身和內(nèi)飾等，而對看不見的懸架投入的精力就比較少。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 ADAMS軟件的成功應用使虛擬樣機技術(shù)脫穎而出。并將遺傳算法的神經(jīng)網(wǎng)絡自適應模糊控制策略應用到汽車半主動懸架的控制中。首次分析了汽車懸置以上結(jié)構(gòu)彈性體的一階扭轉(zhuǎn)振動對擺振性能的影響。早在 80年代初，就有許多通用的軟件可以對汽車系統(tǒng)進行分析計算，而且還有各種針對汽車某一類問題的專用多體軟件。懸架結(jié)構(gòu)形式和性能參數(shù)的選擇合理與否，直接對汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和舒適性有很大的影響。為汽車懸架系統(tǒng)及整車系統(tǒng)開發(fā)設計提供了一種現(xiàn)代化手段和方法。 技術(shù)要求與主要內(nèi)容： 技術(shù)要求： 1）查詢與本畢業(yè)設計相關的資料； 2）對查詢到的資料進行整理，分析； 3）嚴格按照《哈爾濱工業(yè)大學本科生畢業(yè)論文撰寫規(guī)范》撰寫畢業(yè)論文。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 畢業(yè)設計（論文） 題 目： 基于 ADAMS/Car 的汽車懸架系統(tǒng)動力學建模與仿真分析 畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 主要內(nèi)容： 1）研究懸架系統(tǒng)動力學分析與仿真的目的和意義； 2）針對某種懸架進行動力學建模與仿真； 3）對建立的模型進行優(yōu)化分析。研究內(nèi)容主要包括；運用多體動力學理論和軟件，對懸架系統(tǒng)進行了剛性條件和彈性條件下的虛擬樣機仿真，分析研究懸架系統(tǒng)各個參 數(shù)的影響。 ADAMS/Car是 MDI公司與 Audi、 BMW、 Renault和 Volvo等公司合作開發(fā)的整車設計軟件包，集成了他們在汽車設計、開發(fā)方面的專家經(jīng)驗，能夠幫助工程師快速建造高精度的整車虛擬樣機 [1]。研究的范圍從局部結(jié)構(gòu)到整車系統(tǒng)，涉及汽車系統(tǒng)動力學的方方面面。 1989年，吉林工業(yè)大學的林逸利用 RW方法，建立了對汽車獨立懸架中的單橫臂及擺柱式懸架進行空間運動分析的通用計算程序 [4]。 上海 交通大學的趙亦希、黃宏成、劉奮以 S 型轎車前懸架系統(tǒng)為實例，利用ADAMS/Car 模塊，進行雙輪反向激振動力學仿真，仿真結(jié)果是各種側(cè)傾特性參數(shù)，對照轎車標準系數(shù)，對 S 型轎車側(cè)傾的情況有一個全面了解，為設計和優(yōu)化懸架系統(tǒng)提供了實用高效的方法 [7]?；?ADAMS的虛擬樣機技術(shù)，可把懸架視為是由多個相互聯(lián)結(jié)、彼此能夠相對 運動的多體運動系統(tǒng)，其運動學及動力學仿真比以往通常用幾個自由度的質(zhì)量 —— 阻尼剛體（振動）數(shù)學模型計算描述更加真實反映懸架特性及其對汽車行駛動力學影響，也比圖解法更為直接。這又要求懸架設計人員在盡可能短的時間內(nèi)，以盡可能少的花費設計出好的懸架。在分析方面，提供了裝配分析、運動學分析、正向動力學分析、逆向動力學分析、靜平衡分析、預載荷分析等 6 種分析功能。在當今動力學分析軟件市場上 ADAMS 獨占鰲頭，擁有 70%的市場份額， ADAMS擁有 Windows版和 Unix兩個版本，目前最高版本為 ADAMS2020。 多體系統(tǒng)動力學理論基礎 多體系統(tǒng)動力學，包括多剛體系統(tǒng)和多柔體系統(tǒng)動力學，是研究多體系統(tǒng)運動規(guī)律的學科。導出的以笛卡爾廣義坐標為變量的動力學 方程是與廣義坐標數(shù)目相同的帶乘子的微分方程，還需要補充廣義坐標的代數(shù)約束方程才能封閉。 （ 5）變分方法是經(jīng)典力學的重要部分。 （ 2）可計算大位移運 動。與一般系統(tǒng)不同，它是一個高度結(jié)合、高度非線性的復雜系統(tǒng) [12]。對系統(tǒng)數(shù)學模 型，根據(jù)情況應用求解器中的運動學、動力學、靜平衡或逆向動力學分析算法，迭代求解，得到所需的分析結(jié)果。ADAMS 是世界上最具權(quán)威性的，使用范圍最廣的機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件。由此可見， ADAMS 軟件具有強大的功能和影響力 [13]。 建立仿真模型是將汽車系統(tǒng)作一定程度的簡化，使之以數(shù)學模型的形式來體現(xiàn)。標準用戶只能基于現(xiàn)有模板進行建模型和仿真國。例如，對于懸架可以是硬點的位置以及彈簧和阻尼的特性文件。模板是用來定義各部件之間的拓撲連接關系的，它的建立是整個建模過程中最重要的環(huán)節(jié)，分析總成的絕大部分建模工作都是在模板階段完成的。利用已經(jīng)創(chuàng)建好的硬點和方向點建立部件（ part），在創(chuàng)建部件之后，可以給新的部件添加幾何。正確建立各個子系統(tǒng)之間的連接關系至關重要，這些連接關系數(shù)據(jù)在以后的子系統(tǒng)和總成系統(tǒng)階段無法修改，而零部件的位置和特征參數(shù)在后續(xù)過程中還可進行調(diào)整。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分析總成模型。雖然麥弗遜懸架在行車舒適性上的表現(xiàn)令人滿意，其結(jié)構(gòu)體積不 大，可有效擴大車內(nèi)乘坐空間，但也由于其構(gòu)造為直筒式，對左右方向的沖擊缺乏阻擋力，抗剎車點頭作用較差 [16]。3輪軸 。輪軸與轉(zhuǎn)向節(jié)總成之間用轉(zhuǎn)動鉸相連；減振器內(nèi)外筒之間通過移動副相連；減 振器外筒與轉(zhuǎn)向節(jié)總成之間通過固定鉸相連；減振器內(nèi)筒與車體之間通過球鉸相連；螺旋彈簧套在減振器的外筒上，其上端與車體相連，下端固定在減振器外筒上；轉(zhuǎn)向橫拉桿一端通過球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)總成相連，另一端通過萬向節(jié)與轉(zhuǎn)向器齒條相連 。前輪定位參數(shù)為：前輪前束角為 0176。 16 圖 33 減振器速度特性曲線 根據(jù)上述數(shù)據(jù)，可以得到該麥弗遜式前懸架虛擬樣機的模板模型，再在標準模式下由模板模型建立其子系統(tǒng)，最后將懸架子系統(tǒng)和測試臺組裝在一起得到懸架總成系統(tǒng)虛擬樣機模型如圖 34 所示。 本章將對懸架系統(tǒng)進行車輪同向運動分析（ parallel wheel travel）和車輪彈塑性運動分析（ elasticplastic movement travel），并對不同的仿真結(jié)果進行比較，最終得出結(jié)論。獨立懸架的缺點在于汽車作曲線行駛時車輪隨車身一起傾斜，即車身外側(cè)車輪相對地面向正的外傾角方向變化，從而降低了承載較高一側(cè)的輪胎的側(cè)偏 性能，為消除這一影響，轎車的懸架常常設計成車輪上跳時外傾角朝負值方向變化，而在下落時朝正的方向變化 [18]。 （ 2）車輪前束角 車輪有了外傾角后，在滾動時，就類似于滾錐，從而導致兩側(cè)車輪向外滾開。前束角的變化范圍都為 ～ 176。由圖可以得出，主銷內(nèi)傾角的變化范圍為 ～ 176?？梢钥闯?，車輪同向跳動時，主銷后傾角的變化范圍幾乎不變，符合變化量小的設計要求。前束角的 變化范圍為 23 ~。 圖 48 同向跳動主銷后傾角變化曲線 從上述仿真分析結(jié)果可以看出，車輪在彈塑性運動的情況下，車輪外傾角、懸架的車輪前束角、主銷內(nèi)傾角的變化范圍比較大，主銷后傾角的變化基本上在合理范圍內(nèi)。然后分別進行了車輪激振仿真和彈塑性仿真，并逐步分析和評價了在車輪跳動時，車輪外傾角和車輪前束角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角的參數(shù)變化范圍。 (3)對仿真結(jié)果進行分析，仿真分析結(jié)果表明，車輪在兩種不同跳動情況下，彈塑性約束下的主銷內(nèi)傾角、車輪前束角、主銷后傾角的變化范圍較剛性運動情況下的范圍都要大。 由于時間和能力有限，尚有許多方面有待進一步的研究和探討。 28 結(jié) 論 近年來，隨著人們對行駛平順性、操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性等整車性能要求的不斷提高，汽車懸架系統(tǒng)及整車系統(tǒng)性能的研究越來越受到人們的重視。 25 圖 49 同向跳動前輪外傾角變化曲線 圖 410 同向跳動前輪前束角變化曲線 26 圖 411 同向跳動主銷內(nèi)傾角變化曲線 圖 412 同向跳動主銷后傾角變化曲線 兩次仿真結(jié)果數(shù)據(jù)比較如表 41 表 41 仿真結(jié)果比較 仿真條件 剛性約束（度） 彈性約束（度） 前輪外傾角 ～ ～ 前輪前束角 ～ ～ 主銷內(nèi)傾角 ～ ～ 主銷外傾角 0 ～ 0 從上述仿真分析結(jié)果可以看出，車輪在剛性運動與彈塑性運動情況下的比較。 圖 45 同向跳動前輪外傾角變化曲線 圖 46 同向跳動前輪前束角變化曲線 （ 3）主銷內(nèi)傾角 圖 47 是主銷內(nèi)傾角隨車輪跳動的變化曲線。 車輪彈塑性運動仿真 同車輪同向激振仿真一樣，按空載時懸架所承受的簧載質(zhì)量要求，將測試臺架上下激振位移設置為 100mm，在 100mm~100mm 的常見工況下，進行彈塑性仿真分析。 圖 43 同向跳動主銷內(nèi)傾角變化曲線 （ 4）主銷后傾角 22 設計轉(zhuǎn)向橋時，