汽車懸架系統(tǒng)動力學(xué)研究完整版

1、（研究生課程論文）汽車懸架系統(tǒng)動力學(xué)研究辦公室：VV986T-J682P2&JP266L&68PNN汽車動力學(xué)論文題目：汽車懸架系統(tǒng)動力學(xué)研究指導(dǎo)老師：喬維高 學(xué)院班級: 學(xué)生姓名: 學(xué) 號:2015年1月汽車懸架系統(tǒng)動力學(xué)研究摘要：汽車懸架類型的選擇和懸架參數(shù)的差異對汽車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順 性具有重要的影響。主要分析了麥弗遜懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并通過ADAMS軟件建 立麥弗遜懸架的3D模型,對其進(jìn)行仿真分析,得出懸架參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。 關(guān)鍵詞：麥弗遜懸架；ADAMS多剛體動力學(xué)；仿真分析TheaUtOmobilesuspensionsystemdynam icsresearchCaiSiV

2、ehiCIe141AbStraC t:DifferentkindSOfSUSPenSiOnSyStemSandOfdifferenCeSinSUSPenS Ionparametersonthevehiclesteeringstabilityandridingcomforthaveimporta ntinfluence MainIyanaIyZedtheStrUCtUreCharaCteriStiCSOfMaCPherSOnSUSP ension, andbyusingADAMSsoftwaretoestablish3DmodelofMacphersonsuspensio n,CarryOnth

3、eSimUIatiOnanaIysis, Themethodofoptimaldesignparametersofth esuspension.KeyWOr ds ： MaCPherSOnSUSPenS ion; ADAMS/Car; multi-rigid-bodydynamics ;SimUIat i OnandanaIyS i S引言汽車懸架是汽車車輪與車身之間一切裝置的總稱。其功用在于：在垂直方向 能夠衰減振動和起懸掛作用；在側(cè)向可防止車身側(cè)傾和左右車輪載荷轉(zhuǎn)移；在 行駛方向上能夠保證驅(qū)動與制動的實(shí)現(xiàn)并保持行駛方向的穩(wěn)定性。不同的懸架 設(shè)置會使駕駛者有不同的感受?？此坪唵蔚膽壹芟到y(tǒng)綜合

4、多種作用力，決定著 轎車的穩(wěn)定性、舒適性和安全性，是現(xiàn)代轎車十分關(guān)鍵的部件之一。懸架系統(tǒng) 起著傳遞車輪和車身之間的力和力矩、引導(dǎo)與控制汽車車輪與車身的相對運(yùn) 動、緩和路面?zhèn)鬟f給車身的沖擊、衰減系統(tǒng)的振動等作用，汽車懸架系統(tǒng)對汽 車的操縱穩(wěn)定性、行駛平順性都有很大的影響1。通過對麥弗遜懸架的仿真提 出其優(yōu)化分析方法。麥弗遜懸架系統(tǒng)山兩大基本部分組成：支柱式減震器和三角形托臂，具有結(jié) 構(gòu)簡單，占用空間小，非簧載質(zhì)量小，且與減震器彈簧配合使用組成一個(gè)可相 對運(yùn)動的結(jié)構(gòu)體，可以實(shí)現(xiàn)車身高度和懸架剛度的自IlI調(diào)節(jié)。但是，由于主銷軸 線位置在減振器與車身連接錢鏈中心和橫擺臂與轉(zhuǎn)向節(jié)連接較鏈中心的連線上,

5、 當(dāng)懸架在變形時(shí),主銷軸線也隨之改變，前輪定位參數(shù)和輪距也都會相應(yīng)改變,且 變化量可能很大。因此,如果懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，就會大大影響汽車產(chǎn)品的使用 性能2。IADAMS軟件簡介ADAMS模塊是美國前MDl公司(MeChaniCaIDynanliCSInc.)與德國寶馬(BMW)、 奧迪(AUdi)、法國雷諾(RenaUIt)和瑞典沃爾沃(VOIVO)等公司合作開發(fā)的整車 設(shè)計(jì)軟件包。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建 完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)兒何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉 格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué) 和動力學(xué)分析

6、，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。其由基本模塊、擴(kuò) 展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類模塊組成。利用該軟件不僅能快速建立高精度的整車虛擬樣機(jī)模型，其中包括車身、懸 架、轉(zhuǎn)向系、發(fā)動機(jī)、傳動系和制動系等。用戶還能夠利用后處理模塊通過高 速動畫觀察各種復(fù)雜工況的車輛運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)響應(yīng)，并輸出表征操縱穩(wěn)定性 和安全性的性能參數(shù)。為了分析某車型麥弗遜懸架的性能，在ADAMS/Car模塊 中搭建汽車前轉(zhuǎn)向輪的麥弗遜懸架模型，使用ADMAS/Insight虛擬樣機(jī)進(jìn)行試 驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出改進(jìn)方案，并驗(yàn)證了方案的可行性。2懸架系統(tǒng)建模以某轎車的麥弗遜前獨(dú)立懸架為例進(jìn)行建模和仿真

7、分析。山于麥弗遜懸架左 右對稱,所以在CAR環(huán)境下只需要輸入單側(cè)模型的參數(shù),系統(tǒng)會自動地建立列一 邊的模型。因此,這里建模過程只涉及到左側(cè)懸架。2.1物理模型的簡化 麥弗遜懸架系統(tǒng)主要山車身1、上下擺臂2、轉(zhuǎn)向橫拉桿3、減震器及減震彈簧 4、轉(zhuǎn)向齒條5、車輪總成6和轉(zhuǎn)向節(jié)帶制動器總成7組成。懸架各剛體之間的 連接關(guān)系為：減震器4的上端用螺栓和橡膠襯墊與車身相連接，減震器4下端 固定在轉(zhuǎn)向節(jié)7上，轉(zhuǎn)向7通過球狡接與下擺臂連接；下擺臂一端通過兩個(gè)轉(zhuǎn) 動狡接與車身相連（其中一個(gè)為虛約束），另一端通過球狡接與轉(zhuǎn)向節(jié)總成7 相連；轉(zhuǎn)向橫拉桿一端通過球狡接與轉(zhuǎn)向節(jié)總成相連，另一端通球狡接與轉(zhuǎn)向 齒條相連。

8、在進(jìn)行運(yùn)動分析時(shí)，轉(zhuǎn)向齒條通過固定副與車身相連，車輪總成和 轉(zhuǎn)向節(jié)總成也通過固定副相連，車身相對地面不動。對于單側(cè)車輪的麥弗遜懸架約束方程數(shù)Ll為：n二6+1+5+3+4+3+3+2=39；對于 單側(cè)車輪的麥弗遜懸架自山度數(shù)Ll為：DoF二6+7-n二3。這意味著單側(cè)車輪的麥弗 遜懸架有3個(gè)自山度，包括：車輪繞車軸的轉(zhuǎn)動自山度；車輪繞主銷的轉(zhuǎn)動自 由度；車輪上下方向跳動的自由度。2. 2系統(tǒng)坐標(biāo)系的確立在建立多體模型時(shí),坐標(biāo)系的選擇對建立樣機(jī)模型的力學(xué)方程的難易程度起到 很大的作用。該模型的坐標(biāo)原點(diǎn)為兩側(cè)車輪接地印跡中心點(diǎn)連線的中點(diǎn)。以地 面為XY平面,汽車中心對稱面為XZ平面,通過前輪輪心連

9、線,垂直XY、XZ兩平 面的面為YZ平面,取豎直向上為Z軸正向，車身右側(cè)為Y軸正向，以車前進(jìn)方向 的反方向?yàn)閄軸正向。2. 3模型關(guān)鍵硬點(diǎn)的獲取硬點(diǎn)是各零件之間連接處的關(guān)鍵兒何定位點(diǎn),確定硬點(diǎn)就是在子系統(tǒng)坐標(biāo)系中 給出零件之間連接點(diǎn)的兒何位置。模型關(guān)鍵硬點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)和相關(guān)系數(shù)是 建立運(yùn)動學(xué)模型的關(guān)鍵,從廠家提供的零/部件裝配圖上可以得到硬點(diǎn)的坐標(biāo) 值。2.4仿真模型的建立根據(jù)某乘用車的前懸架及整車設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算或測量整合零件的質(zhì)量、質(zhì)心 位置及繞質(zhì)心坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動慣量,將這些動力學(xué)參數(shù)填寫到對應(yīng)的對 話框中。然后在硬點(diǎn)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建零件的兒何模型，并定義各零件間的運(yùn)動關(guān)系 確定約束類

10、型,通過約束將各零件連接起來,從而構(gòu)成子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。最后將建好的子系統(tǒng)模型組裝成懸架系統(tǒng)模型,完成ADCAR模型下的建模過程。在 多體動力學(xué)軟件ADMAS/Car中建立該車帶轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的麥弗遜前懸架及整車多體 動力學(xué)仿真模型。如圖1所示。圖1前懸架總成模型3前懸架運(yùn)動性能分析3.1主銷后傾角對整車運(yùn)動學(xué)性能的影響主銷后傾角是指主銷軸線和地面垂直線在汽車縱向平面內(nèi)的夾角。LLl于有主 銷內(nèi)傾角的存在,使得主銷延長線接地點(diǎn)落在輪胎接地點(diǎn)前面,產(chǎn)生回正力矩,從 而保證汽車穩(wěn)定直線行駛?；卣夭灰走^大,否則將使駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤過于 吃力,影響整車的操縱穩(wěn)定性。現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)主銷后傾角一般不超過2。-3

11、o o 3. 2主銷內(nèi)傾角對整車運(yùn)動學(xué)性能的影響主銷內(nèi)傾角是指主銷軸線與地面垂直線在汽車橫向平面內(nèi)的夾角。同主銷后 傾角一樣,也使車輪有自動回正作用。由于有主銷內(nèi)傾角的存在,使得駕駛員轉(zhuǎn) 向操縱輕便,也可以減小從車輪傳遞到方向盤的沖擊力。但內(nèi)傾角不易過大,否 則在汽車轉(zhuǎn)向時(shí),輪胎與路面產(chǎn)生較大的滑動,使得轉(zhuǎn)向操縱沉重,影響整車穩(wěn)定 性，同時(shí)加劇輪胎磨損。3. 3車輪外傾角對整車運(yùn)動學(xué)性能的影響車輪外傾角是指通過車輪中心的汽車橫向平面與車輪平面的交線與地面垂線之 間的夾角。山于車輪外傾角的存在,保證汽車直線訂駛穩(wěn)定性的同時(shí),使得駕駛 員轉(zhuǎn)向操縱輕便，同時(shí)也與拱形路面相適應(yīng)。3. 4前束角對整車運(yùn)

12、動學(xué)性能的影響因前輪有外傾角的存在,將導(dǎo)致兩側(cè)車輪有向外滾開的趨勢，山于轉(zhuǎn)向橫拉桿等 一些構(gòu)件對車輪有約束作用，車輪會出現(xiàn)既有滾動乂有滑動的情況。因此為了消除前輪外傾 角的存在而帶來的不良后果，在汽車設(shè)訃時(shí)添加前輪詢束，前束也可用前束角 來表示。前束角選擇的合理可以延緩輪胎磨損。3. 5主銷偏距對整車運(yùn)動學(xué)性能的影響ill*主銷偏距是指主銷延長線與地面的交點(diǎn)到輪胎接地中心的距離。主銷偏距的大 小對轉(zhuǎn)向操縱輕便與否起到非常關(guān)鍵作用，主銷偏距小，則轉(zhuǎn)向時(shí)阻力也小,主銷 偏距大,則使轉(zhuǎn)向沉重的同時(shí)加劇輪胎磨損。3. 6輪距變化量對整車運(yùn)動學(xué)性能的影響汽車在行駛時(shí),車輪會產(chǎn)生上下跳動,這樣會導(dǎo)致輪距變

13、化。輪距變化一方面會 使輪胎加劇磨損，另一方面也會影響汽車行駛的直線穩(wěn)定性和操縱穩(wěn)定性。因 此,輪距變化量越小對整車行駛越有利。4仿真分析本仿真試驗(yàn)分析主要采用雙輪同向激振仿真,保持左右車輪相同高度,對車輪 施加設(shè)定數(shù)值的上挑和回彈運(yùn)動,從而獲取懸掛特征參數(shù)。通過進(jìn)行雙側(cè)車輪平 行跳動仿真來分析前輪前束角、車輪外傾角、主銷后傾角。跳動的范圉選擇為 轎車經(jīng)常用的50mm,前輪定位參數(shù)變化曲線如圖2圖4所示。圖2前輪前束角的變化曲線圖3車輪外傾角的變化曲線圖4主銷后傾角的變化曲線5結(jié)論主銷后傾角越大，越有助于保持車輛行駛的方向穩(wěn)定性，但過大的主銷后傾 角可能導(dǎo)致不平順的行駛狀況，若在低速，甚至?xí)?dǎo)

14、致轉(zhuǎn)向前輪產(chǎn)生擺振，因 此主銷后傾宜在2。-3范圍內(nèi)。在車輪跳動過程中，車輪外傾角對輪胎的側(cè) 滑影響小，但是，外傾角過大，會使輪胎出現(xiàn)偏磨損現(xiàn)象，故車輪外傾角應(yīng)在 0.5 -2范圍內(nèi)，。對于前束角應(yīng)配合車輪外傾角的取值,控制在0.2。- 1.0o o在車輪跳動過程中，特別在低速行駛過程中，主銷內(nèi)傾角過大，會使轉(zhuǎn)向發(fā) 飄。在車輪上跳過程中外傾角減小，能有效補(bǔ)償曲于車身側(cè)傾引起的不良影 響。主銷后傾角對內(nèi)傾角變化影響較大，并且隨著車輪的上跳，主銷內(nèi)傾角增 加，能有效補(bǔ)償山于載荷增加而降低汽車轉(zhuǎn)向輕便性的趨勢，有利于提高汽車 的轉(zhuǎn)向輕便性。主銷內(nèi)傾角對后傾角的變化影響最大，并且，主銷后傾角隨車 輪上跳而增大，由側(cè)向力引起的不足轉(zhuǎn)向特性將得到提高。根據(jù)某車型存在的問題，研究的車輪跳動過程中車輪定位參數(shù)與輪胎磨損的 關(guān)系以及定位參數(shù)相互之間的影響將為汽車的初始設(shè)計(jì)提供可靠的技術(shù)依據(jù)， 為有效地減小車輪側(cè)滑、降低輪胎磨損以及提高汽車的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了探 索。本文分析了懸架運(yùn)動學(xué)參數(shù)對整車性能的影響利用多體動力學(xué)軟件ADAMS/Car對麥弗遜懸架進(jìn)行建模與