轿车前悬架弹性运动学特性

名 名

论文分类号 U463.33 单 位 代 码 10183 密 级 内 部

研 究生学号 2990119

吉 林 大 学

硕 士 学 位 论 文

Santana 轿车前悬架弹性运动学特性的 ADAMS 建模与仿真

Elasto-kinetic Modeling and Simulating of Santana Front

Suspension with ADAMS

作者姓

隋 震 宇 专 业

车辆工程 导师姓 管 欣 及 职 称

教 授

论文起止年月 2000 年 10 月至 2002 年 6 月

提要

本文探索了用ADAMS/CAR Template Builder 进行悬架建模的方法介绍了衬套缓冲块等元件的原理和使用方法用该软件对Santana 轿车前悬架建立多种模型进行了平行轮跳试验和静态加载试验将车轮定位参数仿真结果与实车试验进行了比较与传统的刚性约束模型相比衬套的使用改善了仿真结果与试验结果的一致性而包含缓冲块的模型结果更好因此传统上经常忽略的缓冲块实际上对考虑柔性约束的悬架系统有相当大的影响

在有左右不对称因素如侧向力作用时转向系等效刚度对悬架特性参数也有较大的影响仿真结果能够反映与实车试验相同的变化趋势柔性模型比刚性模型效果好但仍有一定误差尤其是侧向力试验综合考虑轮胎变形和转向系统变形才能得到更好的结果

应用以上模型本文还研究了应用非实时的多体动力学建模方法来获得基于侧倾中心的实时建模方法所需的各种非线性系数的方法并绘制了它们的变化场图

第一章绪论

1.1 有关汽车动力学仿真和悬架运动学/弹性运动学的

国内外研究现状

悬架是现代汽车上的重要总成之一它把车架

或车身

与车轴或车轮弹性的连接起来其主要任务是传递作用在车轮与车架

或车身之间的一切力和力矩规定车轴

或车轮

与车架

或车身之间的相对运动

并且缓和由不平路面传给车架

或车身的冲击载荷衰减由此引起的承载系统的振动以保证汽车平顺的行驶汽车悬架的设计的好坏直接影响到操纵稳定性[1][2] 制动安全性乘坐舒适性和动力加速性等汽车动力学性能的优劣[3][4][5][6]对轮胎的磨损和使用寿命也有一定的影响

由于悬架的重要作用国内外众多的学者和研究人员提出了许多方法并建立了大量数学模型用来仿真悬架的运动学和动力学特性目前在汽车悬架建模理论中最为典型的是基于侧倾中心或力矩中心的建模方法[2][7][8] 和基于多体动力学的建模方法[9][10]

基于侧倾中心或力矩中心的建模方法其主要思路是由试验测定整车的侧倾中心通过做实车实验确定悬架机构对车身的六种作用力及悬架变形从而确定这二者之间非线性系数的数据库再将之用于整车动力学仿真分析悬架系统对整车动力学的影响[11] 作用于车身的六种作用力分别为弹簧力阻尼力附加侧倾刚度力抗俯仰力抗侧倾力和举升力[12][13][14][15]弹簧力与阻尼力是由于汽车悬架减振器运动产生的其弹性系数和阻尼系数都是非线性函数附加侧倾刚度力是由于车身相对于路面侧倾时前后悬架安装的横向稳定杆的扭转效应产生的其前后悬架附加侧倾刚度系数也是非线性的抗俯仰力和抗侧倾力是当车轮受到驱动或制动力矩以及侧向力作用时由于悬架导向机构的布置而产生的其抗俯仰效应系数和抗侧倾效应系数也是非线性的举升力是当车轮受到驱动或制动力以及侧向力作用时车轮产生举升效应引起的其举升力系数也是非线性的

这种理论实际上是对悬架作了大量的简化较少考虑悬架各构件的具体结构和尺寸而是从悬架整体上从车轮与车身的相互作用效果的角度进行研究它最大的优点就是所建立的模型计算

速度快 具有良好的实时性 能够满足要求实时仿真的情况 尤

其是有驾驶员作用的整车驾驶 模拟器对实时性的要求 所以得到

了广泛的应用 当然 这种分析方法也存在有很大的弊

端 1

这些非线性系数的测定与确定非常不方便 并且由于以上数

据的 测量是在悬架系统静态下得到的 没有考虑

到在实际驾驶情况下 整车的运动也会对悬架系统产生影响 因而造成得到的这些数据

库非常不可靠 2

由于这种方法建立

的模型做了大量的简化 而且不直接面对

具体结构参数 使模型对悬架的具体尺寸 弹性 件的弹性特性等参数的分析很不方便 对于准确的计算动态下的

悬架特性参数也不方便

3 这种方法

建立的悬架模型不适用于 大位移运动的汽车动力学仿真

应用多体系统动力学方法对悬架系统建立动力学模型发展到 目前已比较成熟 它包括两种方法 一种是多刚体系统动力学理

论 [16] 另一种是多柔体系统动力学理论 [10] 在对悬架系统进

行实际建模分析过程中 对刚体特点明显的构件应用多刚体系统 动力学理论建立模型 对柔性特点明显的构件应用多柔体系统动

力学理论建立模型 而

对刚性和柔性这两者特征都有但都不很明 显的构件往往是这两种方法联合应用 对其建立模型 [17][18] 多体系统动力学方法的优点是 能够直接面向具体的结构 针对不

同的杆件和弹性元件 建立高度接近实际结构的模型 可

以方便 的对不同尺寸参数 弹性元件特性甚至柔性体进行分析与比较 但这种理论有一个致

命的缺点 就是多体动力学模型在计算过程 中 需要求解大量的微分方程组

或微分代数混合方程组 很难达 到实

时性的要求 在有大量刚体的整车建模和考虑柔性体的柔体 建模中 实时性更是极端的恶化

目前 应用多刚体系统动力学理论对悬架系统进行建模与分 析 已经形成了比较系统的研究方法 一般有以下方法 经典力 学方法 以牛顿 欧拉方程为代表的矢量力学方法和以拉格朗日 方程为代表的分析力学方法

图论

R W

方法 凯

恩方法 变 分方法 [19]~[21] 应用这几种方法建立悬架模块 或整车模型的主 要特点如下

(1) 牛顿 欧拉法

对作为隔离体的单个刚体列写牛顿 欧拉方程时 铰约束力

的出现使未知变量的数目明显增加 直接采用牛顿 欧

拉方法时 必须加以发展 制定出便于计算机识别的刚体联系情况和铰约束