5.2悬挂动力学解析

5.2 汽车悬架动力学

研究目的及意义

悬架是现代汽车最重要的总成之一，它把车轮和车身弹性地连接起来，传递它们之间一切力和力矩，并且缓和由不平路面传给车身的冲击载荷，以保证汽车的平顺性。现代汽车的高速行驶对悬架提出越来越高的要求，不仅具有减振性能，而且具备良好的导向特性，车轮定位参数随车轮跳动和外力而变化对汽车的操纵稳定性有十分重要的影响。此外悬架的合理设计需要对悬架各个构件以及铰接在各种工况下受力变形情况作出分析，以满足强度和刚度的需要。在本项目中由于采用了参考车辆的悬架参数，所以我们有必要对各个定位参数进行分析，选择合理的悬架参考位置坐标。

5.2.1A DAMS软件及其在悬架运动学／动力学中的应用

ADAMS软件的简单介绍

ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System) 全称是机械系统自动动力学分析软件，它是目前世界范围内最广泛使用的多体系统仿真分析软件。通过预测和分析多体系统经受大位移运动时的性能，ADAMS可以帮助改进各种多体系统的设计，从简单的连杆机构到广泛使用的车辆系统。

ADAMS软件可以方便地建立参数化实体模型，并应用了多刚体系统动力学原理进行仿真计算。只要用户输入具体多刚体系统的模型参数，ADAMS软件就可以根据多刚体系统动力学原理，自动建立动力学方程，并用数值分析的方法求解这个动力学方程，这就给多体系统的计算带来了方便。而且ADAMS软件建模仿真的精度和可靠性在所有的动力学分析软件中是最好的。国外有人用ADAMS软件对Ford BroncoII进行整车操纵模拟的仿真分析。在车速为20m/s、0.4s内输入阶跃激励下，横摆角速度和侧向加速度曲线的数值仿真结果与实验结果具有很好的一致性。基于这些优点本课题将采用ADAMS仿真分析软件来对悬架运动学和弹性运动学，以及动力学进行初步的计算机仿真分析。ADAMS使用交互式图形环境和部件库、约束库、力库用堆积木方式建立三维机械系统参数化模型，并通过对其运动性能的仿真分析和比较来研究“模拟样机”可供选择的设计方案。ADAMS仿真可用于估计机械系统性能、运动范围、碰撞检测、峰值荷载以及计算有限元的载荷输入。它提供了多种可选模块，核心软件包括交互式图形环境ADAMS View （图形用户界面）和ADAMS Solver（仿真求解器)，还有ADAMS FEA（有限元接口），ADAMS IGES(与CAD软件交换几何图形数据)等模块，尤其是它的ADAMS Vehicle(车辆和悬架模块)和ADAMS Tire（轮胎模块）使ADAMS软件在汽车行业中的应用更为广泛。

ADAMS软件在悬架动力学的应用

本课题拟用ADAMS View来对悬架进行建模。ADAMS View中有各种实体建立命令以及各种铰接型式，约束型式，可建立悬架的三维参数化模型。在进行运动

分析时可以不考虑悬架的弹性，将它简化为多连杆机构，得到车轮定位参数与轮跳之间的关系。进行弹性运动学分析时可将弹性铰接处用BUSHING这个力约束来代替弹性衬套（具体设置见后），弹性运动学可以分析车轮定位参数与车轮受到的力和力矩之间的关系。模型中具体的结构尺寸均设成参数，这样建立出来的模型可适用于不同尺寸的同种悬架，只需修改相应的参数即可。模型建好后，用ADAMS Solver模块的功能来进行仿真计算，以得到各种车轮定位参数在悬架变形时的变化规律，以及各个铰接处的受力情况。在仿真分析中，只需给悬架一个位移（运动分析中加一个车轮跳动量）或一个力（弹性运动学和动力学分析中的纵向力和侧向力等），ADAMS Solver就会自动输出悬架的各特性值，包括计算机自定义的各特性值，如各杆的空间位移，受力，扭矩，变形等，也可以自定义特性参数，如本课题中所需的各种前轮定位参数，并可以将这些参数以图表形式输出，以便清晰地看出它们的变化规律，进行操纵稳定性分析。在设计过程中，还可以用Animation模块中的功能进行实体动画显示，以便直观看出仿真效果并进行优化设计。

本课题对该车的麦弗逊式前悬架，后钢板弹簧独立合式悬架进行研究。分析车轮定位参数：车轮前束、车轮外倾、主销内倾角以及主销后倾角及轮距这些定位参数在车轮上下跳动时变化。

具体的做法是用ADAMS View模块来对此悬架进行建模。在进行运动学分析时只需施加一段车轮跳动的位移，此时可以不考虑悬架的弹性，将它简化成多连杆结构，进行弹性运动学分析时可将弹性衬套简化六分力型式的Bushing这个力约束。三个线刚度和三个角刚度是经过试验测试确定的。模型建好后用ADAMS Solver模块的功能来进行仿真计算，从而得到各种车轮定位参数在悬架变形时的变化规律，及各铰接处的受力情况。

所建立的悬架模型的各种结构和性能参数都是参数化的。通过改变输入参数就可以方便地改变所模拟的结构，这样建立的轿车悬架运动学/动力学模拟分析系统，就可以作为开发麦弗逊式前悬架，后独立悬架的计算机辅助分析（CAE）工具。

5.2.2前悬架模型

本课题采用ADAMS这个多刚体系统动力学分析软件进行建模和仿真计算。课题研究的汽车悬架除了若干橡胶支撑元件，大部分构件都可以抽象成为理想的刚体，即忽略各构件的内部变形。汽车能够完成前进、后退、转向、侧倾等各种运动，是由于各个构件之间通过特定的方式连接起来。这些连接也可以抽象成为相应的理想约束和力元约束，所以可以将悬架简化为刚体构件通过特定的约束连接起来的多刚体系统。当然这种简化要尽可能接近实际情况，然后就可以在ADAMS 软件中建立这样的多刚体系统模型。

柱总成、转向节、横摆臂、减振器等刚体，刚体之间用一些运动副相连接。

各机构的简化情况如下：

1.车身被认为是与地面固定不动的。

2. 转向支柱总成2是最重要的构件，它包括减振器下部的缸筒、转向节臂和轮

胎支撑部分等几个实际零件，但由于它们之间没有相对运动，所以应作为一个刚体处理。

3. 车轮（车轮通过轮毂与转向节相连，不考虑车轮绕车轴的旋转运动，则车轮

转向节也可以看成一个刚体）

4. 下摇臂

5. 减振器活塞杆

6. 转向横拉杆

7. 转向器

各刚体之间的铰接关系如下：

（1）点是减振器上支点与车身的连接点，在运动学分析中，此处只有3个旋 转自由度，故简化为球铰。

（9）点是转向横拉杆与转向器的连接点，简化为3个自由度的球铰。

（3）点是转向横拉杆与转向节臂连接处的铰点，也用球铰代替。

（6）点下摇臂的球头与转向节下端连接处的铰点，用球铰代替。

（7）、（8）点分别是左右下摇臂与车身的连接。下摇臂沿（7）、（8）的连线转 动，故简化成旋转运动副（只有一个方向旋转自由度）。

（2）为减振器活塞杆与下部缸筒的旋转滑动副连接。

（10）点是转向横拉杆与转向器的滑动副连接。

我们可以计算一下该简化模型的自由度：

DOF=72515248369=⨯-⨯-⨯-⨯-⨯

(b) 坐标点的输入

在ADAMS View 中建立模型需要输入关键点的空间坐标才可以建立起简化的八个刚体的数学模型，然后在刚体之间加以合适的约束建立起ADAMS 悬架模型，所以需要确定这些参数。

对于该车前悬架中定位参数数据为左右对称。下面将前右侧悬架在空载状态