基于ADAMS的汽车悬架系统建模与仿真

研究生课程论文是否进修生？是□否□基于ADAMS的汽车悬架系统建模与仿真（武汉理工大学汽车工程学院，汽研141班,1049721402323）摘要：本文首先介绍了ADAMS软件。然后借助多体动力学软件ADAMS，进行汽车悬架系统的建模与仿真。论文首先以CAR模块为研究平台,建立了悬架转向系统模型。并进行了悬架的运动学和弹性运动学仿真分析，做出悬架性能相关参数的变化曲线。悬架性能参数的变化曲线即本次建模仿真得到的结果。对于汽车操纵稳定性的评价有重要的意义。关键词：建模仿真；ADAMS；悬架系统AutomotivesuspensionsystemmodelingandsimulationbasedonADAMSAbstract:Inthispaper,multi-bodydynamicssoftwareADAMSisintroducedfirstly.Usingmulti-bodydynamicssoftwareADAMS,theauthordoesmodelingandsimulationofsuspensionsystems.BasedonthetemplatesownedbyCARmodule,theauthorestablishasuspensionandsteeringsystemsmodel.Thentheauthordoesasimulationstudyonthekinematicsandelastickinematicsofsuspension,basedonwhichtheauthormadeasuspension-relatedparameterchangescurve.KeyWords：Modelingandsimulation；ADAMS；suspensionsystem1.ADAMS软件及其核心模块ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem）软件是原美国MDI公司（现已被MSC合并）开发的机械系统动力学仿真软件。MSC.ADAMS经成为CAE领域中使用范围最广、应用行业最多的机械系统动力学仿真工具，是一款集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件。它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力车分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便的对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。ADAMS软件主要包括核心模块、功能拓展模块、专业模块、接口模块以及工具箱五大部分，共30多个模块。它的核心模块包括用户界面模块ADAMS/View，求解器ADAMS/Solver和后处理模块ADAMS/PostProcessor。ADAMS/View是以用户为中心的交互式图形环境。它将简单的按钮、菜单、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、X-Y曲线图处理等功能完美地集成在一起，同时还提供完整的约束库和力/力矩，建模快速。采用用户熟悉的Windows界面，提高了相对任意参考坐标系方便定位的功能，从而大大提高了快速建模能力。用户利用TableEditor，可像Excel一样方便地编辑模型数据[1]。ADAMS/Solver可自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。ADAMS/Solver该软件有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种工程应用问题。可对刚体和弹性体进行仿真研究。为了进行有限元分析和控制系统研究，用户除要求软件输出位移、速度、加速度和力外，还可要求模块输出用户自己定义的数据。后处理模块ADAMS/Processor用来处理仿真结果数据、显示仿真动画等。既可以在ADAMS/View环境中运行，也可脱离该环境独立运行。ADAMS/Processor的主要特点是：采用快速高质量的动画显示，便于从可视化角度深入理解设计方案的有效性；具有丰富的数据作图、数据处理及文件输出功能；多视窗动画与曲线结果同步显示，并可录制成电影文件；具有完备的曲线数据统计功能：如均值、均方根、极值、斜率等；具有丰富的数据处理功能，能够进行曲线的代数运算、反向、偏置、缩放、编辑和生成波特图等；能支持模态形状动画，模态形状动画可记录的标准图形文件格式有：*.gif，*.jpg，*.bmp，*.xpm，*.avi等；在日期、分析名称、页数等方面增加了图表动画功能；可进行几何属性的细节的动态演示[2]。2.悬架仿真分析本文建立的悬架模型以东风EQ2050越野汽车的悬架为原型，其采用双横臂独立悬架，独立悬架具有以下优点：（1）在悬架弹性元件一定的变形范围内，两侧车轮可以单独运动，而互不影响，这样在不平道路上行驶时可减少车架和车身的振动，且有助于消除转向轮不断偏摆的不良现象。（2）独立悬架减少了非簧载质量。在用独立悬架时，对驱动桥而言，由于主减速器、差速器及外壳都固定在车架上，成了簧载质量；对于转向桥而言，它仅具有转向主销和转向节，而中部的整体梁不再存在。所以采用独立悬架时，非簧载质量只包括车轮质量和悬架系统中的一部分零件的全部或者部分质量，非簧载质量越小，悬架所受的冲击载荷也越小。（3）能给予车轮较大的上下运动空间，因而可以将悬架刚度设计得较小，使车身振动频率降低，以改善行驶平顺性[3]。2.1前悬架转向系统建模本文在ADAMS/CAR环境中在已有的双A臂（Double-wishbone）模板基础上，通过修改模板参数，建立前悬挂系统且存储于private模板中。建立的前悬架转向系统多刚体模型如图2.1所示。由图2.1可知，前双横臂独立悬架运动学模型由如下机构组成：车身、左右两个上（下）横臂、左右两横向稳定杆、左右两减振器上（下）活塞杆、左右两转向节与转向系转向节通过轮毂连接，将车轮与转向节看成一个整体不考虑车轮绕后轴旋转）。此中，车身通过万向节与减振器上活塞杆连接，减振器上、下活塞杆之间通过圆柱副连接；车身通过旋转铰与左右两个上下横臂连接，四个横臂通过球铰和转向节相连；故模型中共有2个万向节铰，2个圆柱铰,4个球铰和4个旋转铰。2.2悬挂转向系统运动学仿真本节将利用建立好的悬挂转向模型（包括前悬、转向系、悬架系统测试平台）进行悬架运动学和弹性运动学试验，共两项：左右车轮平行跳动实验和外加载荷输入试验。2.2.1左右车轮平行跳动试验仿真分析悬架系统运动学分析的基本方法是左右车轮平行跳动实验。该项试验实际是给左右车轮一个相同的路面激励使车轮跳动。此实验中车轮遇到激励时的运动情况能模拟多种工况下的悬架运动，例如车辆遇到障碍物时的运动，车辆行驶在凹凸不平路面上的运动，车辆行驶中车身发生侧倾时的运动和车辆在加速和制动过程中车身俯仰导致的运动。并输出各个悬架性图2.1前悬挂转向系统能参数作为研究对象。在前悬架模型建立以后，需要设置悬架的簧载质量、轴距、前后轴制动力分配、质心高度等参数，在此试验中左右两车轮中心同时在相对输入位置的-100mm~100mm（垂直向上为正）内移动，即给左右两轮同向激励。图2.2车轮外倾角与轮跳的关系因为车轮跳动时的外倾角对车辆的稳态响应特性等有很大影响[4]，所以应尽量减少车轮相对车身跳动时的外倾角变化[5]。一般跳动变化为2.8°/100mm以内为宜[6]。由图2.2分析可知，在车轮上跳100mm时，此独立悬架车轮外倾角大约变化1.3°；车轮下跳100mm时，外倾角大约变化2.7°。外倾角的变化在理想范围之内。图2.3车轮前束角与轮跳的关连前束角可以中和前轮外倾角带来的不利影响。前束角的作用是减少轮胎的磨损，车轮跳动时它的变化对车轮直线行驶、稳态响应有很大影响，通常希望前束角的变化幅度尽量小[7]。一般在车轮100mm的跳动范畴时，前束角的变化量在0.02°~0.15°左右。而根据图2.3，车轮跳动±100mm时，车轮前束角的变化都超过了这个范围，这对操纵稳定性是不利的。图2.4主销后倾角与轮跳的关系图2.5主销后倾拖距与轮跳的关连主销后倾角对转向时的车轮外倾变化影响大，如果主销后倾角设计过大，则外倾转向轮的外倾角会负方向变化。当前轮主销后倾角较大时，需增加前轮转向所必须的横向力，以抵消外倾推力，这样不仅转向弱，而且最大横向加速度也会增加，一般认为2°~3°是合理的范围[8]。车轮每跳动100mm时，后倾角的理想变化范围应为0.2°~0.67°左右[9]。后倾拖距是主销延长线与地面的交点到轮胎印迹中心（横向）的距离，它对汽车转向特性、路感和转向时的稳定性产生重要影响[10]。图2.4中，后倾角的变化范围大约是5.37°~5.84°，变化幅度为0.47°，符合后倾角理想的变化范围。2.2.2外加载荷输入试验仿真分析施加外加载荷的位置有两种，包括在轮胎与地面接触位置或者车轮中心处，施加的载荷有纵向力、侧向力和回正力矩等力和力矩[11]。对悬架弹性运动学的分析和评价主要就是通过这些参数随外加载荷的变动曲线来衡量的[12]。本文采取的是在车轮上施加纵向制动力的外加载荷的仿真方法。创建一个载荷文件给两个前轮施加相等的制动力，本车的质量为3500kg，给其一个负0.8g的加速度，其前轮的制动比为60%后轮的制动比为40%，那么前轮总的制动力为：Ngsmkg164806.0//81.98.035002,每个前轮分配的制动力约为8240N，每个后轮的制动力约为5494N。仿真后的到的悬架参数随制动力变化的曲线2.6~2.9所示。图2.6外倾角与制动力的关系由图2.6可知，车轮外倾角随制动力的增大而增大，从-0.7°增加到-0.02°，负的外倾角能减小转弯时离心力使汽车产生不足转向的趋势，能满足高的操纵稳定性要求，而正的外倾角能减小偏距及使轮胎接地点向内缩，从而提高制动时纵向力作用下的方向稳定性，减少转向力，有利于改善汽车直线行驶稳定性[13]。图2.7前束角与制动力的关系由图2.7可知，车轮前束角随制动力的增大减小，且变化幅度大，这对车辆制动时的行驶稳定性和转向制动时的操纵稳定性是不利的，会导致制动跑偏。图2.8主销后倾拖距与制动力关连图2.9主销后倾拖距与制动力关连如图2.8和图2.9，主销后倾角和主销后倾拖距都随制动力的增加而减小，主销后倾角由5.4°减小到2.4°，主销后倾拖距由正值减小为负值，这是不利趋势，会引起车轮磨损和晃动。3.总结本文主要成果是利用了ADAMS软件进行了汽车悬架转向系统的建模与仿真。本文首先介绍了ADAMS软件及其核心的三个模块：用户界面模块ADAMS/View，求解器ADAMS/Solver和后处理模块ADAMS/PostProcessor。然后以ADAMS/CAR模块为平台，以东风EQ2050越野车为模板，建立悬架转向系统模型。最后在此模型上进行了左右车轮平行跳动实验和外加载荷输入试验两项试验，并得出相关参数的变化曲线。参考文献[1]石博强等编著.ADAMS基础与工程范例教程[M].北京市：中国铁道出版社.2007.[2]陈立平等编著.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程[M].北京市：清华大学出版社.2005.[3]臧杰主编.汽车构造下[M].北京市：机械工业出版社.2011.[4]郭孔辉.汽车操纵动力学[M].长春：吉林科学技术出版社.1991[5]宋传学,蔡章林.基于ADAMS/CAR的双横臂独立悬架建模与仿真[J].吉林大学学报(工学版),2004,04:554-558.[6]姜攀，王贵槐，李青．基于ADAM~CAR的汽车前悬架仿真分析[J]．公路与汽运，~10(3)：7-11[7]赵秋芳.基于ADAMS的汽车操纵稳定性仿真试验初步研究[D].大连理工大学,2006.[8]《汽车工程师手册》编辑委员会.汽车工程师手册/设计篇/制造篇.人民交通出版社.