基于ADAMS和MATLAB的汽车悬架系统仿真分析

基于ADA MS和MAT LAB的汽车悬架系统仿真分析3
韩朝晖
(湖南文理学院继续教育学院,湖南常德　415000)
摘要:文中对汽车半主动悬架系统的仿真分析采用了ADAMS和MAT LAB联合仿真方法。

在ADAMS中建立了1/4汽车悬架的动力学模型,然后用MAT LAB软件建立汽车半主动悬架的阻尼控制模型,通过改变阻尼系数减小汽车的垂直振动。

在MAT LAB/SI M UL I N K中建立采用模糊逻辑控制的控制系统模型,分析汽车车身垂直方向的加速度,来达到汽车行驶的平顺性。

ADAMS和MAT LAB联合仿真方法为汽车动力学仿真提供了一种新途径。

关键词:虚拟样机技术;半主动悬架;模糊控制;联合仿真
中图分类号:TH122 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2008)07-0016-04
车辆振动是影响车辆行驶性能的重要因素,这种振动不仅大大降低了车辆行驶平顺性,也影响其操纵稳定性。

车辆振动严重时,还影响其行驶速度,同时车辆振动也是车内噪声的主要来源。

为了提高汽车平顺性,减少振动,对汽车的悬架控制系统进行研究显得尤为重要。

1　ADAMS与MAT LAB软件简介
ADA MS是目前世界上最著名的虚拟样机分析软件,广泛应用于汽车制造业、工程机械、航空航天、国防等领域。

ADAMS软件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动力学模型,利用拉格朗日第一类方程建立系统最大量坐标动力学微分-代数方程,求解器算法稳定,对刚性问题十分有效,可以对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析,后处理程序可输出位移、速度、加速度和反作用力曲线以及动画仿真。

仿真结果可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷,以及计算有限元的输入载荷等[1～3]。

MAT LAB是矩阵实验室(M atrix Laborat ory)的简称,除具备卓越的数值计算能力外,还具有功能强大的工程应用工具箱,广泛应用于我国的各项领域[4,5]。

文中在调用其中的控制应用模块程序的基础上,开展汽车悬架系统仿真研究。

2　ADAMS和MAT LAB联合仿真
2.1　半主动悬架的动力学模型
下面以某型号汽车为研究对象,建立其动力学模型[6,7],如图1所示。

根据牛顿第二定律,系统的运动方程为:
m1x¨1+k1(x1-x0)-c(x・2-x・1)-k(x2-x1)=0
m2x¨2+c(x・2-x・1)+k(x2-x1)=0
(1)式中:x¨1,x¨2———分别为车身非簧载部分与簧载部分的垂直加速度;
x・1,x・2———分别为车身非簧载部分与簧载部分的垂直速度;
c———阻尼系数,为控制量。

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Rea li za ti on s on the con structi on of v i rtua l exper i m en t a l syste m for m echan i ca l i n nova ti on desi gn ba sed on X3D CHEN M i n,W U Sheng2nan,L I U X i a o2q i u
(Electr o2Mechanical Engineering Depart m ent of Nanchang Ca mpus,J iangxi University of Science and Engineering,Nanchang 330013,China)
Abstract:I nteractivity is fav ourable t o ins p ire the interest of study and t o devel op the main2body acti on of kno wledge.The cons ol2 idati on and devel opment of kno wledge would exist only when the in2 novati on exists.The virtual laborat ory of mechanical innovati on de2sign is a kind of open laborat ory and it depends upon the ex peri m en2 tal envir on ment under the conditi on of co mputer net w ork.It possesses characteristics of g ood interactivity,str ong sense of i m mersi on,con2 venient in both manufacturing and use,ins p iring the interest of stud2 y,enhancing the ability f or starting work,ex p l oiting the thought and raising the cooperative p r operty etc..This paper analyzed the key technol ogy,modeling and app licati on of constructing the virtual ex2 peri m ent of on lined mechanical innovati on design and realized the mechanical innovative virtual ex peri m ental syste m that can be inter2 acted with the users on internet by the use of X3D technol ogy.An analytical discussi on was carried out on ho w t o make the virtual ex2 peri m ent of mechanical design and the designing i m p le mentati on p r ocess of the virtual laborat ory of mechanical design was ex pounded.
Key words:X3D(extendible3D);virtual laborat ory;me2 chanical innovati on design
Fig6Tab0Ref8“J ixie Sheji”7596
第25卷第7期2008年7月
机　械　设　计
JOURNAL OF MACH I N E DESI G N
Vol.25　No.7
Jul. 2008
3收稿日期:2007-12-03;修订日期:2008-01-22
基金项目:湖南省自然科学基金资助项目(07JJ3095)
作者简介:韩朝晖(1962-),男,湖南常德人,副教授,硕士,主要研究方向:机械设计与制造、计算机仿真技术、高教管理等,发表论文二十余篇。

c ———悬架减振器的阻尼;k 1———轮胎的刚度;
m 1———非簧载质量;m 2———簧载质量;k ———悬架弹簧刚度;x 0,x 1,x 2———分别为路面的激励、非簧载质量及簧载质量的绝对位移
图1　悬架动力学模型图
2.2　ADAMS 和MAT LAB 联合仿真
如上所述,已在ADAM S 中建立了悬架的虚拟样机模型[8],下面通过ADAMS/C ONTROL 模块与MAT LAB 程序接口,建立联合仿真的控制系统。

2.2.1　确定ADAMS 的输入和输出
ADAMS/Contr ols 程序和控制程序之间,通过相互传递状态
变化进行信息交流。

因此,必须将样机模型的输入和输出变量,及其输入和输出变量引用的输入和输出函数,同一组状态变量紧密联系起来。

这个状态变量函数及所定义的元素会在仿真计算过程中随时保持着计算更新,以保证满足仿真计算的功能需求。

这里输出指的是进入控制程序的变量,表示从AD 2
AMS/Contr ol 输出到控制程序的变量。

而输入指的是从控制程
序返回到ADAMS 的变量,表示控制程序的输出。

通过定义输入和输出,实现ADAMS 和其他程序之间的信息闭环循环。

悬架机械系统和控制系统之间的输入输出关系如图2所示。

从图中可以看到,控制系统向悬架的机械系统输入一个控制阻尼系数c ,悬架的机械系统则向控制系统输出车身的垂直速度v 和车身与车轴的相对速度差d v。

图2　悬架系统输入和输出关系示意图
(1)确定输入变量。

从图2可以看出,ADAMS 的输入为阻尼系数,通过State
Variable 命令创建一个状态变量contr ol,用于接受控制系统传
递过来的ADAMS 的输入信号,即控制系统的输出信号。

(2)确定输入函数。

确定输入变量后,需要将输入变量引入输入函数中。

在文中是控制悬架阻尼器的阻尼系数,所以在这里要通过运行函数VARVAL (contr ol )将阻尼系数的值传给阻尼器。

由于ADAMS 中的弹簧阻尼器不支持运行函数VARVAL (),故用F ORCE 代替阻尼力,弹簧阻尼器的阻尼系数的值设为0,只起弹簧的作用。

力的函数为:
-VARVAL (.macphes on .contr ol )3VR (MARKER _106,MARKER _107)
(3)确定输出变量。

确定输出变量的方法同输入变量相同。

悬架模型向控制系统输出两个信号,车身的速度v 和车身与车轴之间的相对速度d v ,它们的函数表达式分别为VY (body .c m )和VY (body .
c m,wheel .c m )。

(4)输出ADAM S 模型。

通过上面的工作,已经在ADAMS/V ie w 的机械系统模型中,确定了相关的输入和输出变量和函数。

接下来需要在
ADAM S/Contr ols 模块中定义输入和输出变量,以便可以通过ADAM S/Contr ols 模块同其他控制程序相连接。

图3　Pl an t Export 对话框
通过Plant Export 命令,将生成xuanjia 文件,ADAMS/con 2tr ols 将输入和输出信息保存在m (MAT LAB 程序)文件中,同时产生一个ADAMS/V ie w 命令文件(.cmd )和一个ADAMS/Solver 命令文件(.ad m )供协同仿真分析时使用。

2.2.2　输入ADAMS 模块
启动MAT LAB 程序,在MAT LAB 中输入ADAM S 模块的方法如下:
在MAT LAB 命令窗口中输入命令:xuanjia,显示如下:
%%%I N F O :ADAMS p lant actuat ors na mes:1contr ol
%%%I N F O :ADAMS p lant sens ors names:1body_acc 2body_dis 3body_vel 4dvel
其中:contr ol ———控制阻尼系数;
body_vel ———车身的垂直速度;dvel ———车身与车轴的相对速度差。

输入who 命令,显示文件中定义的变量列表。

选择任何一个变量名进行检验。

在MAT LAB 命令窗口中输入命令:ada m s_sys,如图4所示。

图4　adam s_sys 模块窗口
双击ada m s_sub 模块,显示adam s_sub 模块的子系统,如图
5所示。

双击ADAMS p lant 模块,设置仿真参数:
(1)在out put Files p refix 文本输入框设置输出文件为‘mytest ’,则ADAMS/Contr ols 将以文件名my test 保存仿真分析结果。

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12008年7月韩朝晖:基于ADAMS 和MAT LAB 的汽车悬架系统仿真分析
(2)在仿真分析模式(Si m ulati on mode )栏中选择discrete
参数,仿真分析模式定义了ADAMS 程序求解机械系统方程的方式,以及控制程序求解控制系统方程的方式。

图5　adam s_sub 模块的子系统
(3)在动画显示(Ani m ati on mode )栏中选择interactive 参
数,动画显示决定了在ADAMS/V ie w 中动态跟踪仿真结果的方式。

2.2.3　建立控制系统模型
启动SI M UL I N K,显示一个新的SI M UL I N K 模块窗口,将
ada m s_sub 模块连同输出显示器拖到SI M UL I N K 建模窗口中。

选择其他模块建立,控制系统框图如图6所示。

图6　控制系统图
2.2.4　控制系统调试与参数设置
经过初步仿真,得到车身垂直方向速度v =-250～250
mm /s,车身与车轴之间的相对速度差d v =-1000～1000mm /s 。

所以输入变量的量化因子分别为0.024和0.06,输出变
量的比例因子为2。

仿真参数设置如图7所示。

图7　设置仿真参数
3　仿真分析
评价一个悬架性能的优劣,主要是看悬架系统把地面的激
励通过阻尼系统吸收后,其余的激励传到车身的幅度大小。

通常用3个参数考察悬架性能的优劣:(1)车身的垂直加速度x ¨2,即舒适性和平顺性;(2)车轮相对动载(x 1-x 0),即安全性;(3)悬架弹簧的行程(x 2-x 1),即悬架的动挠度(汽车中心高度和弹簧的寿命)。

但其中最主要的参数是车身垂直加速度,所以文中主要考虑车身的垂直加速度。

将仿真结果文件(.res )导入后处理模块ADAM S/P OSTPROCESS OR,绘制车身垂直加速度等曲线。

3.1　阶跃输入
阶跃输入激励采用的函数是step (ti m e,0,0,0.2,50),如图
8和图9所示。

(a )
(b )
图8　车身的垂直加速度、垂直位移
(a )被动悬架车身加速度的频域响应
(b )半主动悬架车身加速度的频域响应
图9　被动悬架、半主动悬架车身加速度的频域响应
从被动悬架与半主动悬架的垂直加速度曲线比较可知,半主动悬架加速度的最大值明显减小,达到稳定时间也有所减少,而且车身的垂直位移也有改善。

从频域响应看,半主动悬架加速度振幅比被动悬架的加速度振幅下降了约40%。

因此半主动悬架减小了加速度响应,对
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1机　械　设　计
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汽车的平顺性起到了作用。

3.2　随机输入
随机输入激励采用了某种随机路面激励,如图10和图11所示[4]。

(a )
被动悬架的加速度时域响应
(b )半主动悬架的加速度时域响应
图10
　被动悬架、
半主动悬架的加速度时域响应
(a )被动悬架的加速度频域响应
(b )半主动悬架的加速度频域响应
图11　被动悬架、半主动悬架的加速度频域响应
从上图被动悬架和半主动悬架的加速度曲线对比可以看出,采用模糊控制的半主动悬架系统在汽车行驶平顺性方面得到了改善。

对于随机输入路面的情况,车身的最大加速度绝对值减少了12.48%,加速度均方根值减少了16.25%,低频段加速度的振幅也减小了约37%,这说明模糊控制的可变阻尼悬架能起到改善汽车平顺性的作用。

4　总结
文中通过ADAM S 和MAT LAB 联合仿真的方法,实现了汽车半主动悬架的模糊控制仿真分析。

该方法直接在ADAMS
中建立悬架系统虚拟样机模型,而无需推导复杂的动力学方程来描述悬架系统,大大简化了仿真建模过程,而且建立的虚拟模型能更好地反映实际的物理模型。

ADAM S 和MAT LAB 联合仿真的方法充分发挥了ADAM S 和MAT LAB 各自的优势,结合先进的虚拟样机技术和控制技术,为汽车动力学仿真提供了一种新的途径。

文中在悬架评价指标方面只考虑了平顺性,即车身的垂直加速度,对于车轮相对动载及悬架动挠度都未考虑。

所以,其模糊控制还有待进一步完善。

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S i m ul a ti ve ana lysis of Auto m ob ile suspen si on fram e sys 2
tem ba sed on ADA M S and M AT LAB
HAN Zhao 2hu i
(School of Continuati on Educati on,Hunan I nstitute of A rts and Science,Changde 415000,China )
Abstract:The si m ulative analysis of aut omotive se m i 2active sus pensi on fra me system adop ted the ADAM S and MAT LAB j oint si m ulati on method .The dynam ics model of 1/4aut omobile sus pen 2si on frame was established in the ADAM S,and then using MAT 2LAB s oft w are t o establish the da mp ing contr ol model of aut omobile se m i 2active sus pensi on fra me,and reduced the vertical vibrati on of car by means of changing the da mp ing coefficients .W ithin the MAT LAB /SI M UL I N K t o establish contr ol system model by adop ting the fuzzy l ogic contr ol,t o analyze the accelerati on in the vertical di 2recti on of car body s o as t o reach the running ease ment of aut omo 2bile .The j oint si m ulati on method of ADAM S and MAT LAB p r ovid 2ed a ne w way for the dyna m ic si m ulati on of aut omobile .
Key words:virtual p r ot otype technol ogy;se m i 2active sus pen 2si on frame;fuzzy contr ol;j ointed si m ulati on
Fig 11Tab 0Ref 8
“J ixie Sheji ”7714
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