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1麦弗逊前独立悬架汽车的操纵稳定性研究作者：张俊伟学号：0802020407摘要20世纪80年代以来，汽车作为极其重要的交通工具，在交通运输领域和人民日常生活中的地位日益突出。国内、国际汽车市场的竞争变得空前激烈，用户对汽车安全性、行驶平顺性、操纵稳定性的要求越来越高。汽车悬架系统是影响车辆动态特性最为关键的子系统，其中由悬架所决定的汽车车轮定位参数对整车操纵动特性有着直接的影响。悬架的运动学/动力学仿真分析在汽车悬架系统的设计和开发中占有重要的地位。由于汽车悬架系统是一个复杂的多体系统，其构件之间的运动关系十分复杂，这就给通过传统的计算方法分析悬架的各种特性带来许多的困难。本论文以机械CAD设计、虚拟样机仿真技术为前题。提出运用虚拟样机仿真软件ADAMS里的CAR模块分析并进行优化汽车悬架的设计方法。首先，根据悬架各部件之间的相对运动关系和各部件的参数在ADAMS\CAR中建立某轿车的麦弗逊前悬架的三维CAD模型，再加上路面激励，分析悬架参数在汽车行驶中的变化规律。然后利用ADAMS\Jnsight对建立的悬架模型进行结构优化，得到悬架系统结构的优化解。在上述基础上建立了包括前后悬架、发动机、转向系、前后轮胎等在内的整车虚拟样机仿真模型，并根据我国现行整车操纵稳定性试验标准GB/T6323.1.94～GB/T6323.6-94的要求，编写了用于整车操纵稳定性仿真分析的驱动控制文件(DriverControlFiles，缩写为DCF)和驱动控制数据文件(DriverControlDa切Rles，缩写为DCD)，进行了转向盘转角阶跃输入试验、转向回正试验、稳态回转试验、蛇行试验和转向轻便性试验等整车操纵稳定性试验仿真分析，并参照GB/T113047-9l《汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》对该轿车的操纵稳定性进行了评价计分。关键词：汽车悬架，建模，ADAMS，操纵稳定性2ABSTRACTSince1980s，thestatusofautomobilehasbeenbecomingmoreandmoleoutstandingintransportationfieldandpeople’sdailylives．Thecompetitionofnationalandintemationalautomobilemarketshasbecomedrasticunprecedented，andconsumers’demandforsafety,handlingstabilityandridecomfortisbecominghigherandhigher．Automobilesuspensionsystemisthemostpivotalsubsystemthataffectingvehicle’sdynamicperformances，andtheautomobilewheelalignmentparametersthatdecidedbysuspensionhasadirecteffecttovehicle’sdynamichandlingstability．Therefore，thekinematic/dynamicsimulationanalysesofsuspensionplaysaveryimportantroleinsuspension'sdesignandexploitation．Assuspensionsystemisacomplexmulti-bodysystem，themovementrelationbetweenpartsisverycomplicated，whichbringsmuchdifficultyforanalyzingsuspension'sperformancesbytraditionalcalculatingmethods．BasedonmechanicalCADdesignandvirtualpmtotypingsimulationtechnology,thispapersuggestedadesignmethodforanalyzingandoptimizingvehiclesuspensionbyusingvirtualprototypingsoftwareADAMS/CAR．First，buildthethree—dimensionalCADmodelofacar’sfrontMacphersonsuspensionaccordingtotherelativemovementrelationsandparametersofallpartsandanalyzethesuspensionparameters’variationruleduringdrivingafteraddingroadactuation．ThenoptimizethesuspensionstructureandgetanoptimizedresultfortheuspensionsystembyusingADAMS/Insight．Based0ntheabove，theauthorbuiltthevehiclevirtualprototypingsimulatingmodelincludingthefrontandrearsuspensions，thepowertrain，thesteeringsystem，thefrontandlear·tires，wrotethedrivercontrolfiles(abbreviation．dcoanddrivercontroldatafiles(abbreviation．dcd)forvehiclehandlingstabilitysimulationanalyzingaccordingtotherequirementsofthecurrentstandardsGB/T6323．1-94-GB/T6323．6-94ofonrnation’sforvehiclecontrollabilityandstabilitytest,carriedoutsimulationandanalysesforvehiclehandlingstabilitysuchassteeringwheelanglestepinputtest,leturnabilitytest，steadystaticcirculartest，pyloncourseslalomtestandsteeringeffortstest，andevaluatedthecar’shandlingstabilityperformancebyscoringaccordingtoGB/T13047-91Criterionthresholdsandevaluationofcontrollabilityandstabilityforautomobiles．Keywords：Automobilesuspension，modeling，ADAMS，handlingstability30.引言汽车操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过汽车转向系给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。汽车操纵稳定性不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，而且也是决定汽车高速行驶安全的一个主要指标。随着高速公路的不断发展，汽车以lOOkm/h甚至更高车速行驶的情况越来越常见。因此，汽车操纵稳定性日益受到重视，是现代汽车的重要使用性能之一。1.研究对象1.1汽车悬架的介绍悬架是车身与车轮之间的一切传力连接装置的总称。汽车悬架的作用除了缓冲和吸收来自车轮的振动之外，还要在汽车行驶过程中传递车轮与路面之间的驱动力和制动力，在汽车转向时，悬架还要承受来自车身的侧向力，并在汽车起步和制动时能够抑制车身的俯仰振动。提高汽车的行驶稳定性相安全性。根据现代汽车对悬架提出的各种性能要求，悬架的结构形式和振动控制方法随时在更新和完善。悬架的结构形式很多，分类方法也不尽相同。按导向机构的形式，可分为独立悬架和非独立悬架两大类。如果按控制力进行分类，则可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架三种基本类型。三种悬架的简化模型如图1.1所示，其中1一传感器、2一可调减振器、3一执行器。41.1.1被动悬架被动悬架概念是在1934年壶Olley提出的。它通常是指：结构上必包括弹和阻尼器(减振器)的系统。简化模型如图1.1(a)所示，其中，弹簧主要用来支承簧上质量的静载药，而减振器主要用詈控制响应特性。传统的被动悬架虽然结构简单、造价低廉且不消耗外部能源，但因为其参数固定，所以具有较大的局限性。主要表现在：悬架参数固定，不能随路矿改变，只能针对某种特定工况，进行参数优设计；而且悬架元件仅对局部的相对运动做出响应，故限制了悬架参数的取值范围。1.1.2主动悬架主动控制悬架的最初装置是由AP公司基于气液悬架发展的一静机械系统。主动控制悬架简化模型如图1.1(b)所示，主动悬架通常包括三部分：传感器、控制器以及执行机构，并由它们与汽车系统组成闭环控制系统。其中控制器是整个系统的信怠处理和管理中心，它接受来函各个传感器的信号，依据特定的数据处理方法和控制规律，决定并控制执行机构的动作，从而达到改变车身的运动状态、满足隔振减振要求的目的。主动悬架一般采用闭环控制。所谓闭环控制就是说输出量反过来又对系统的控制作用有直接影响的控制，也就是说对弹簧刚度和减振阻尼的控制结果，还必须有反馈系统把信息传递给电脑，再由电脑进行分析和修正，以达到最佳的控制效果。由于主动悬架的诸多优点，所以它在现代汽车上得到广泛的应用。1.1.3半主动悬架半主动悬架的研究工作始予1973年由D。A．Crosby和D．C。Kamopp首先提出。半主动悬架的简化模型如图1.1(c)所示，由可变特性的弹簧和减振器组成。其基本工作原理是根据簧上质量相对车轮的速度响应和加速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律调节可调弹簧的刚度或可调减振器的阻尼力。半主动悬架在产生力的方面近似于被动悬架，但是半主动悬架的阻尼系数或刚度系数是可交的。通常以改变减振器的阻尼力为主，将阻尼分为两和三级，由人工选择或根据传感器信号自动确定阻尼级。1984年日产公司研制出一种声纳式半主动悬架，它能通过声纳装置预测前方路面信息，及时调整悬架减振器的三种状态。另外，D．A．Crosby等人又提出了阻尼连续可调的半主动悬架系统。52.研究方法2.1麦弗逊式独立前悬架的结构分析以某轿车的麦弗逊式前独立悬架为例进行虚拟样机建模和仿真分析，经简化所得到的运动学模型如图2-1所示。该麦弗逊式前独立悬架主要由三角臀总成、转向节总成、螺旋弹簧、减振器等组成。各刚体之间的连接关系如下：三角臂的一端通过转动铰与车架相连(其中一个转动铰为虚约束，车架相对于地面不动)，另一端通过球铰与转向节总成下端相连：车轮与轮轴之间用固定铰相连：轮轴与转向节总成之闻用转动铰相连；减振器内外籁之闻通过圆柱铰相连；减振器外筒与转向节总成之间通过固定铰相连；减振器内筒与车架之阃通过万向节铰链相连；螺旋弹簧套在筒式减振器的外筒上，其上端与车身相连，下端固定在减振器外筒上；转向横拉杆一端通过球铰与转向节总成相连，另一端通过万向节铰链与转向器齿条相连；运动分析时，不考虑转向系的影响，转向器齿条与齿条罩之间没有相对运动，相当于齿条通过固定铰与车架相连。当车轮上下跳动时，转向节总成沿摆动的主销轴线AD转动。因此，该悬架在变形时，主销的定位角和轮距都有些变化。然而，如果适当地调整导向机构的布置，可以使车轮定位参数的变化极小。图2-1麦弗逊前悬架结构示意图6式中，A为三角臂与转向节连接的球铰中心点；D为减振器与车架的铰接点；B、C分别是轮轴内外端点。与双横臂式悬架相比，麦弗逊式悬架的优点是：结构紧凑，车轮跳动时前轮定位参数变化小，有良好的操纵稳定性，加上由于取消了上横臂。给发动机及转向系统的布置带来方便；与烛式悬架相比，它的滑柱受到的侧向力又有了较大的改善。麦弗逊式悬架