第五章 汽车操纵稳定性仿真分析(2)

利用ADAMS/Car建立汽车数字化模型时必须满足以下要求： ? 第一，模型必须有足够高的计算效率；

? 第二，模型必须能够真实的模拟汽车特性。

此外，利用ADAMS/Car软件进行产品开发时还可完成以下三项任务：

? （1）对直接设计的系统进行性能预测； ? （2）对已有的系统进行性能测试和评估； ? （3）对原有的设计进行分析和改进。

二、建立整车数字化模型所需的基本参数

? （1）整车尺寸参数。整车尺寸参数是指运动部件的几何尺寸及各运动部件之间的安装连接尺寸等参数，悬架系统的几何定位参数就是整车尺寸参数中的一种。在应用多体系统动力学理论建立悬架运动学和动力学模型时，需要依据悬架的结构形式，在模型中输入悬架各运动部件之间的安装连接位置与相对角度、车轮定位角等参数。这些参数决定了悬架各运动部件的空间运动关系，如前轮上下跳动时的主销内倾角、主销后倾角，车轮外倾角、前轮前束等前轮定位参数的变化规律等。

这里所说的悬架系统尺寸参数，主要是指悬架各定位点的三维坐标。应该注意的是，各运动部件的相对连接位置，应该在统一的整车参考坐标系中进行测量。在无法获得总成图这样的图纸时，可以在掌握一些基本参数（如运动部件的几何外形参数与车轮定位角等）的基础上，通过作图法获得运动学参数。在通常情况下，如果上述方法仍无法实现，则可以考虑利用三坐标测量仪测取悬架系统的一些几何定位参数。

? （2）质量特性参数。通常情况下，质量特性参数由各个运动部件的质量、质心、转动惯量等参数组成。其中，质心、转动惯量等与测量时所选取的参考坐标有关。而利用CAD/CAE一体化技术就可避免因坐标的选择而可能带来的一系列问题。

在机械振动系统中，系统本身的质量、质心、转动惯量等决定着系统的动力学特性。在分析汽车悬架系统的动力学特性时，整车及悬架各零部件的质量、质心、转动惯量等参数共同决定着悬架系统的动力学性能。

需要特别注意的是实际零部件与多体系统动力学意义上的运动部件是有一定的差别的，在多体系统动力学中，只要在运动过程中时刻具有相同运动轨迹，并具有特定联系的部件（如通过各种方法固定在一

起的零部件），就是一个运动部件，如制动盘（鼓）与车轮即是一个运动部件。同一个运动部件应该拥有一个共同的质心与转动惯量。运动部件的质心与转动惯量的参数查取，可以通过称重、计算、试验等方法获得。

? （3）力学特性参数。力学特性参数一般是指零部件或系统的刚度、阻尼等特性参数。由于汽车悬架系统中大量使用具有缓冲减振功能的零部件，如弹簧、橡胶元件、弹性轮胎等，这些部件大都具有复杂的力学特性，而这些零部件的特性对汽车的各项性能、特别是操纵稳定性和平顺性等具有决定性作用，所以很有必要在建立模型的过程中对其进行较为详尽的考虑。有关零部件的刚度、阻尼等特性，一般可以在设计图纸中查得。而橡胶元件的动态特性、减震器的力-速度特性、轮胎的力学特性等参数，一般必须通过试验来测得。

? （4）外界参数。汽车的使用环境是进行汽车动力学仿真的外界条件。外界条件所包含的种类比较多，例如，汽车行驶道路的道路谱，高速行驶时的侧向风力等。道路谱主要通过测量获得，而风力因数可以在分析计算的基础上结合试验获得，在建立平顺性模型时主要考虑的是道路谱的影响。

三、整车模型的建模过程

1.建模前的准备工作 ? 车辆坐标系的确定

ADAMS/Car模块采用了如图5.3所示的车辆坐标系，具体描述如

下：以车架上平面为水平面，前轮轮心连线与汽车纵向对称面的交点为坐标原点，过原点的水平面与汽车纵向对称面的交线为X轴，并以汽车后退方向为“+”，前进方向为“-”，同一水平面内过原点与X轴垂直的轴线定为Y轴，以汽车右侧为“+”，左侧方向为“-”，根据右手定则取过原点的竖直方向的直线为Z轴，向上为“+”，向下为“-”。 ? 利用ADAMS/Car模块建立一个典型整车动力学仿真模型的基本步骤：

（1）物理模型的简化。例如，整车各子系统的分解及运动学、动力学抽象，根据子系统中各个零件之间的相对运动关系，构建各子系统的结构拓扑图（Topological structure），对零件进行整合，把没有相对运动关系的零件定义为一个一般部件（General Part），也可在建立约束时将这样的零部件锁定为一体。确定重新组合后各零件之间的连接关系和连接点的位置。

（2）计算或测量重新组合后零件的动力学参数。例如，零件的质量、

质心位置以及绕质心坐标系三个坐标轴的转动惯量。

（3）确定零件的运动学参数。例如，各零件间连接处的关键几何定位点（Hardpoint）的空间位置，在定位点的基础上建立起零件的几何模型（Geometry）按照零件间的运动关系确定约束类型，通过约束将各零件连接起来，从而在template builder下建立起各子系统的template文件。

（4）确定减振器的阻尼特性和弹簧的刚度特性。 （5）定义主销轴线，输入车轮的前束角和外倾角。

（6）建立各子系统之间或子系统与试验台之间进行数据交换的输入和输出通讯器。

（7）在Standard下建立各子系统相应于template的subsystem文件，并代入子系统的参数特征。

（8）在Standard下建立整车的assembly文件，组装各子系统模型组成整车系统模型。

（9）针对整车研究的不同方面，填写不同工况的仿真文件进行整车操纵稳定性仿真。

（10）仿真计算结果的加工和后处理。

由于汽车是一个极其复杂的机械系统，如果按照车辆的实际构造进行建模，其工作量是非常大的，所以在ADAMS/Car中建立汽车的虚拟样机模型需要将汽车系统作一定程度的简化，使之以数学模型的形式表现出来。在建立整车模型时需进行以下简化：

（1）在整车系统中，除了轮胎、阻尼元件、弹性元件、橡胶元件以外，其余元件全部看作刚体，在仿真过程中不考虑它们的变形； （2）各运动副的摩擦力忽略不计；

（3）建立参数化模型，以便动态地进行参数修改；

（4）为了分析问题的方便，将车身系统简化为一个质点，用一个有质量的刚性球来代替，对于汽车的平顺性仿真这样的简化对仿真结果影响较小；

（5）由于减振器的结构比较复杂，所以利用ADAMS提供的Spring-Damper力元素来模拟减振器及弹簧的作用；

（6）在进行汽车平顺性仿真分析时，不计发动机和传动系自身的振动对汽车平顺性的影响。

2.麦弗逊式前独立悬架的建立

悬架系统的主要作用是传递作用在车轮与车架(或车身)之间的

一切力和力矩，限定车轴(或车轮)与车架(或车身)之间的相对运动，

缓和由不平路面传来的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，从而保证汽车的平顺行驶。

在麦弗逊悬架系统中，减震器可以有效避免螺旋弹簧受力时产

生的向前、后、左、右偏移的现象，从而限制螺旋弹簧只能作上下方向的振动。而且这种形式的悬架还可以用减震器的行程长短及松紧来设定悬架的软硬及性能。 麦弗逊悬架能够增大前轮内侧空间，具有较为合理的运动特性，所以，这种形式的悬架能够很好的满足整车性能的要求。此外，麦弗逊悬架还具有结构简单、布置紧凑，性能优越等特点。因此麦弗逊悬架在前置前驱的轿车和轻型汽车上有着广泛的应用。汽车悬架设计的好坏不仅直接影响到汽车的操纵稳定性、制动安全性、乘坐舒适性和动力性等汽车动力学性能的优劣，而且对轮胎的磨损和使用寿命也有一定的影响。因此悬架设计一直是汽车设计人员非常关注的问题。 悬架模板的建模步骤如下:

（1）创建硬点（hardpoint）和结构框（construction frame）。硬点和结构框是模型的基本单元。创建硬点时只需要输入相应的位置坐标，而创建结构框时，除了输入相应的位置坐标外，还需输入相应的方位坐标。

（2）创建部件。利用已经创建好的硬点和结构框建立部件（part），在创建部件之后，可以给新的部件添加几何外形(geometry)。

（3）创建部件之间的连接。在部件之间添加约束、阻尼和力元（如力和力矩）等。

（4）创建悬架特性参数（suspension parameters）。即定义主销轴线、输入车轮前束角与车轮外倾角。

（5）建立悬架模板与其它模板或试验台之间进行数据交换的输入、输出通讯器（communicator），以便各个子系统之间进行正确的连接。通讯器是用来进行数据传递信息的，这些信息包括拓扑结构、位置、方向和连接、数组和参数。

? 模板建立以后，接下来是由模板生成子系统。在子系统中用户只能对以前创建的零部件进行部分数据的修改，如调整硬点位置、部件质量和转动惯量、弹簧和阻尼及轮胎的属性等。

? 建立仿真分析模型的最后一步是建立装配组合。在这一阶段，用户可根据实际需要，将不同的子系统组装在一起形成完整的装配组合模型。在ADAMS/Car模块中建立的麦弗逊式前独立悬架如图5.4所示，其空间拓扑结构图如图5.5所示。

麦弗逊式前悬架子系统主要由减震器、螺旋弹簧、横摆臂、转向节总成、驱动半轴、转向横拉杆、副车架等组成。横摆臂的内端通过转动副与副车架相连，横摆臂的外端与转向节通过球铰链连接；减振器的下端与转向节总成（包括减振器筒体）通过圆柱副连接，减振器上端与车身通过虎克铰连接；转向横拉杆外端通过球绞链与转向节相连。

3.双横臂式后独立悬架的建立

不等长双横臂悬架有许多优点，例如，在车轮上下跳动过程中，

只要恰当地选择上下横臂的长度，并对其进行合理地布置，即可使轮距及车轮定位参数的变化量限定在允许的范围内，从而使悬架系统具有良好的运动特性，同时，还可使汽车形成恰当的侧倾中心和纵倾中心。因此，不等长双横臂式独立悬架不仅能保证汽车有良好的行驶稳定性，而且其结构设计比较灵活。

双横臂式后独立悬架子系统由上摆臂、下摆臂、转向节、弹簧、减震器、副车架等部分组成。双横臂独立悬架各构件之间的约束主要包括转动副和球铰副两种。其中，上、下摆臂的内端通过转动副与副车架相连，其外端通过球铰链与转向节相连；减震器的上端通过虎克铰与副车架相连，其下端通过虎克铰与下摆臂相连；减震器上、下端之间通过圆柱副连接。

4.齿轮齿条式转向系的建立

齿轮齿条式转向系结构简单、紧 凑，质量轻，刚性大，转向灵

敏，制

造容易、成本低， 正、逆效率都较高， 而且省略了转向摇 臂和转向直拉杆， 使转向传动机构得 到一定程度的简化， 特别适合与烛式和 麦弗逊式悬架配用。

齿轮齿条式转向子系统由转向盘、转向柱管、转向传动轴、转向齿轮、转向齿轮轴、转向齿条、转向器壳体等组成。转向盘与副车架之间通过转动副连接，转向柱管和转向传动轴之间以及转向传动轴与转向齿轮轴之间均通过虎克铰连接，转向柱管与副车架之间通过圆柱副

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