ADAMSCAR环境下的麦弗逊悬架建模与仿真.docx

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ADAMSCAR环境下的麦弗逊悬架建模与仿真

前言1

1ADAMS/CAR软件介绍2

1.1ADAMS/CAR简介3

1.2ADAMS/CAR软件相关模块6

1.2.1悬架设计软件包SD6

1.2.2概念化悬架模块CSM7

1.2.3经济动力学模型EDM7

1.2.4驾驶员模块Driver7

1.2.5动力传动模块Driveline7

1.2.6三维路面模块3DRoad7

1.2.7Solver模块7

1.2.8Controls模块9

1.2.9用性分析模块Durability9

1.2.10EniginePoweredbyFEV工具包9

1.2.11图形接口模块Exchange9

1.2.12Pro/E接口模块MECHANISM/Pro·9

1.3ADAMS/CAR的优点9

2汽车悬架概述11

2.1悬架的作用11

2.2悬架的分类11

2.3悬架的组成11

2.4麦弗逊悬架的特点13

2.5麦弗逊悬架结构分析13

3模型的建立16

3.1物理模型的简化16

3.1.1模型分析16

3.1.2系统坐标系的确立17

3.1.3模型关键点的坐标17

3.1.4建立仿真模型18

4仿真分析20

4.1ADAMS仿真分析步骤20

4.2外倾角22

4.3前束角22

4.4主销内倾角23

4.5主销后倾角24

4.6轮距24

结论26

致谢27

参考文献28

摘要

本文介绍了adams系统的特点、发展及其应用，此基础上提出数字化样机的概念，并由此引入机械系统动力学分析与仿真，概述了机械系统动力学分析与仿真在数字化功能样机中的重要作用，阐述了机械系统动力学分析与仿真的发展方向及前沿。

并以某车型为例，介绍了基于ADAMS的麦弗逊悬架的运动仿真。

关键词：

ADAMS/Car，麦弗逊悬架，建模，仿真

Abstract

Thispaperintroducesthecharacteristicsofthesystem，Adams，thedevelopmentandapplicationareputforwardbasedontheconceptofdigitalprototype，thusintroducingmechanicalsystemdynamicsanalysisandsimulation，summarizesthemechanicalsystemdynamicsanalysisandsimulationontheimportantroleofdigitalfunctionprototype，expoundsthemechanicalsystemdynamicsanalysisandsimulationdevelopmentdirectionandfront.Andwithloaderasexample，thepaperintroducestheloaderworkingdevicebasedonADAMSofthemovementsimulation..

Keywords:

ADAMS/Car,McPhersonsuspension,modeling,simulation

前言

麦弗逊式悬挂是当今世界用的最广泛的轿车前悬挂之一。

麦弗逊式悬挂由螺旋弹簧、减震器、三角形下摆臂组成，绝大部分车型还会加上横向稳定杆。

主要结构简单的来说就是螺旋弹簧套在减震器上组成，减震器可以避免螺旋弹簧受力时向前、后、左、右偏移的现象，限制弹簧只能作上下方向的振动，并可以用减震器的行程长短及松紧，来设定悬挂的软硬及性能。

麦弗逊式悬挂结构简单所以它轻量、响应速度快。

并且在一个下摇臂和支柱的几何结构下能自动调整车轮外倾角，让其能在过弯时自适应路面，让轮胎的接地面积最大化，虽然麦弗逊式悬架并不是技术含量很高的悬架结构，但麦弗逊式悬挂在行车舒适性上的表现还是令人满意，不过由于其构造为直筒式，对左右方向的冲击缺乏阻挡力，抗刹车点头作用较差，悬挂刚度较弱，稳定性差，转弯侧倾明显。

由于其占用空间小适合小型车以及大部分中型车使用国内常见的广州本田飞度、东风标致307、一汽丰田卡罗拉、上海通用君越、一汽大众迈腾等前悬挂均采用了麦弗逊式独立悬挂。

悬架是现代汽车上的重要总成之一，它最主要的功能是传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切力和力矩，并缓和汽车驶过不平路面时所产生的冲击，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的行驶平顺性。

因此必须在车轮与车架或车身之间提供弹性联接，依靠弹性元件来传递车轮或车桥与车架或车身之间的垂向载荷，并依靠其变形来吸收能量，达到缓冲的目的。

采用弹性联接后，汽车可以看作是由悬挂质量（即簧载质量）、非悬挂质量（即非簧载质量）和弹簧（弹性元件）组成的振动系统，承受来自不平路面、空气动力及传动系、发动机的激励。

为了迅速衰减不必要的振动，悬架中还必须包括阻尼元件，即减振器。

此外，悬架中确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩可靠传递并决定车轮相对于车架或车身的位移特性的连接装置统称为导向机构。

导向机构决定了车轮跳动时的运动轨迹和车轮定位参数的变化，以及汽车前后侧倾中心及纵倾中心的位置，从而在很大程度上提高了整车的操纵稳定性和抗纵倾能力。

总之，悬架的设计关系到汽车的操纵稳定性、转向轻便性、行驶舒适性、轮胎寿命以及汽车布置中的运动干涉等诸多方面。

此次设计是对桑塔纳2000前独立悬架设计。

现代汽车悬架的结构形式多种多样,其中以福特公司的工程师EarelS.Macpherson的名字命名的麦弗逊独立悬架是广泛应用的一种结构,与其他独立悬架相比,麦弗逊悬架简化了结构,减小了质量,还节省了空间,降低了制造成本,并且几乎不占用横向空间,有利于车身前部地板的构造和发动机布置,这一点在用于紧凑型轿车的前悬架时,具有无可比拟的优势。

另外,麦弗逊悬架铰接点的数目较少;上下铰点之间有较大的距离,下铰点与车轮接地点之间的距离较小,这对减少铰点处的受力有利;弹簧行程较大,当车轮跳动时,其轮距、前束及车轮外倾角等均改变不大,减轻了轮胎的磨损,也使汽车具有良好的行驶稳定性。

现代三维仿真设计技术可以直接应用已建立的几何模型，进行二维或三维机械系统的复杂运动分析，可分析机构最小距离、反作用力，图解合成位移、速度和加速度，绘制运动轨迹包络等。

采用多体（刚体和柔体）动力学分析方法进行汽车动力学仿真，可在研究阶段预测整车的动力学性能，对这些性能进行优化，以达到提高产品性能、缩短开发时间、减少开发费用的目的

对汽车的零部件和整体结构进行动力学仿真和分析，是研究其可靠性、寻求最佳设计方案的主要手段。

以整车的操纵稳定性为例，由于影响因素涉及到轮胎、悬架、转向等多个方面，简单的计算难以得到合理的结论，哪怕是定性的结论往往也不可靠。

为此，已开发出多种机械动力学仿真软件。

如可以应用MSC.ADAMS软件来进行汽车操纵稳定性、汽车行驶平顺性的动态仿真。

ADAMS中的TIRE模块提供若干种轮胎模型供分析时选用，以准确地建立轮胎的动力学模型。

ADAMS中的CAR模块是专为汽车动力学仿真而设计的，使用十分方便。

国内已有多家汽车公司利用该软件进行了货车、轿车、汽车列车和大客车的动力学仿真分析，并取得了较好的效果。

论文分为以下几个部分，第一部分ADAMS/CAR软件的介绍，简单介绍了ADAMS/CAR软件,第二部分是悬架的介绍以及麦弗逊悬架的介绍，第三部分是模型的建立，第四部分是仿真以及结果分析，第五部分就是结论致谢以及参考文献。

1ADAMS/CAR软件介绍

1.1ADAMS/CAR简介

ADAMS软件，即机械系统动力学自动分析软件ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems），是美国MDI公司（MechanicalDynamicsInc.）开发的虚拟样机分析软件。

目前，ADAMS己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。

根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件销售总额近8千万美元、占据了51%的份额。

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几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。

ADAMS软件的仿真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。

ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。

另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。

ADAMS软件有两种操作系统的版本：

UNIX版和WindowsNT/2000版。

本书将以Windows2000版的ADAMSl2.0为蓝本。

ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成，如表1-1所示。

用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。

表1-1ADAMS软件模块

Table1-1theADAMSsoftwaremodules

基本模块

用户界面模块

ADAMS／View

求解器模块

ADAMS／Solver

后处理模块

ADAMS／PostProcessor

扩展模块

液压系统模块

ADAMS/Hydraulics

振动分析模块

ADAMS/Vibration

线性化分析模块

ADAMS/Linear

高速动画模块

ADAMS/Animation

试验设计与分析模块

ADAMS/Insight

耐久性分析模块

ADAMS/Durability

数字化装配回放模块

ADAMS/DMUReplay

接口模块

柔性分析模块

ADAMS/Flex

控制模块

ADAMS/Controls

图形接口模块

ADAMS/Exchange

CATIA专业接口模块

CAT/ADAMS

Pro/E接口模块

Mechanical/Pro

专业领域模块

轿车模块

ADAMS/Car

悬架设计软件包

SuspensionDesign

概念化悬架模块

CSM

驾驶员模块

ADAMS/Driver

动力传动系统模块

ADAMS/Driveline

轮胎模块

ADAMS/Tire

柔性环轮胎模块

FTireModule

柔性体生成器模块

ADAMS/FBG

经验动力学模型

EDM

发动机设计模块

ADAMS/Engine

配气机构模块

ADAMS/EngineValvetrain

正时链模块

ADAMS/EngineChain

附件驱动模块

AccessoryDriveModule

铁路车辆模块

ADAMS/Rail

FORD汽车公司专用汽车模块

ADAMS/Pre（现改名为Chassis）

工具箱

软件开发工具包

ADAMS/SDK

虚拟试验工具箱

VirtualTestLab

虚拟试验模态分析工具箱

VirtualExperimentModalAnalysis

钢板弹簧工具箱

LeafspringToolkit

飞机起落架工具箱

ADAMS/LandingGear

履带/轮胎式车辆工具箱

Tracked/WheeledVehicle

齿轮传动工具箱

ADAMS/GearTool

利用ADAMS/Car的数据库功能，可以有效地选择衬套、限位块、减振器等以装配各个子系统，节约用户每次重复输入数据的时间。

通过高速动画直观地显示在各种试验工况下整车动力学响应，并输出标志操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性的特征参数，从而减少对物理样机的依赖。

ADAMS/CAR是ADAMS系列产品的核心模块之一，采用以用户为中心的交互式图形环境，将图标操作、菜单操作、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、X-Y曲线图处理、结果分析和数据打印等功能集成在一起。

ADAMS/CAR采用简单的分层方式完成建模工作。

采用Parasolid内核进行实体建模，并提供了丰富的零件几何图形库、约束库和力/力矩库，并且支持布尔运算、支持FORTRAN/77和FORTRAN/90中的函数。

除此之外，还提供了丰富的位移函数、速度函数、加速度函数、接触函数、样条函数。

自9.0版后，ADAMS/CAR采用用户熟悉的Motif界面（UNIX系统）和Windows界面（NT系统），从而大大提高了快速建模能力。

在ADAMS/CAR中，用户利用TABLEEDITOR，可像用EXCEL一样方便地编辑模型数据，同时还提供了PLOTBROWSER和FUNCTIONBUILDER工具包。

DS（设计研究）、DOE（实验设计）及OPTIMIZE（优化）功能可使用户方地进行优化工作。

ADAMS/CAR新版采用了改进的动画/曲线图窗口，能够在同一窗口内可以同步显示模型的动画和曲线图；具有丰富的二维碰撞副，用户可以对具有摩擦的二维点－曲线、圆－曲线、平面－曲线、以及曲线－曲线、实体－实体等碰撞副自动定义接触力；具有实用的Parasolid输入/输出功能，可以输入CAD中生成的Parasolid文件，也可以把单个构件、或整个模型、或在某一指定的仿真时刻的模型输出到一个Parasolid文件中；具有新型数据库图形显示功能，能够在同一图形窗口内显示模型的拓扑结构，选择某一构件或约束（运动副或力）后显示与此项相关的全部数据；具有快速绘图功能，绘图速度是原版本的20倍以上；采用合理的数据库导向器，可以在一次作业中利用一个名称过滤器修改同一名称中多个对象的属性，便于修改某一个数据库对象的名称及其说明内容；具有精确的几何定位功能，可以在创建模型的过程中输入对象的坐标、精确地控制对象的位置；多种平台上采用统一的用户界面、提供合理的软件文档；支持lntelWindowsNT平台的快速图形加速卡，确保ADAMS/CAR的用户可以利用高性能OpenGL图形卡提高软件的性能；命令行可以自动记录各种操作命令，进行自动检查。

图1.1ADAMS/CAR模块界面

Figure1.1ADAMS/CARmoduleinterface

1.2ADAMS/CAR软件相关模块

图1.2ADAMS/CAR软件相关模块

Figure1.2ADAMS/CARsoftwarerelatedmodules

1.2.1悬架设计软件包SD

SuspensionDesign中包括以特征参数（前束、定位参数、速度）表示的悬架模型。

通过这些特征参数，设计师可以快速确定在任意载荷和轮胎下的轮心位置和方向，在此基础上，快速建立包括橡胶衬套在内的柔体悬架模型。

它采用的是全参数的面板建摸方式。

借助悬架模块，设计师可以提出原始的悬架设计方案。

在此基础上，通过调整悬架参数就可以快速确定满足理想悬架特性的悬架方案。

图1.3单轮悬架图1.4双轮悬架

Figure1.3singlewheelFigure1.4doublesuspension

SuspensionDesign可以进行的试验包括：

单轮激振试验、双轮同向激振试验、双轮反向激振试验、转向试验和静载试验等。

输出的参数包括39种标准悬架特性参数。

1.2.2概念化悬架模块CSM

CSM是一个选装模块，可以是ADAMS/CAR的一部分，也可以单独使用。

利用CSM，通过预先定义悬架运动时或受外力作用时车桥的轨迹，可以在ADAMS/CAR中实现悬架的运动分析。

利用CSM，不需要建立详细的多体悬架模型，就可以研究系统级的车辆动力学性能。

由于特征文件.SCF中不包含任何相关的几何信息，所以CSM模型不但可以与他人共享悬架特征文件，而且不必担心泄密。

另外，使用CSM可以在同一个车辆装配中把概念悬架与多体悬架相结合使用。

也可以通过表格数据（二维或三维的样条函数）或三元多项式系数定义悬架特征曲线。

从ADAMS/CAR多体悬架分析中可自动产生悬架特性.SCF文件。

用户可以如同悬架设计模块一样进行整车的仿真分析。

SD与CSM的区别：

SD需要建立详细的多体悬架模型，或者是借助已有的多体悬架模型进行改进。

CSM不需要建立详细的多体悬架模型，只注重悬架布局的最终结果。

1.2.3经验动力学模型EDM

虚拟样机功能的巨大发展，应归功于MDI公司与MTS系统公司共同开发的EDM模块。

利用EDM，可快速建立基于试验数据的高精度弹性件模型，特别是在设计复杂的悬架、阻尼器、衬套和轮胎等。

1.2.4驾驶员模块Driver

ADAMS/Driver是一个可选模块，是在德国的IPG-Driver基础上经过二次开发形成的成熟产品。

利用该模块，可以提高车辆动力学仿真的真实感，特别使用与装备有各种正负反馈的智能系统（例如：

ABS、4WS、CCS）的汽车。

1.2.5动力传动模块Driveline

使用ADAMS/Driveline，可以方便的建立整车的传动系统，以研究传动系与悬架的相互作用。

动力传动模块提供了一系列的标准试验，可以做前轮驱动，后轮驱动及四轮驱动，力矩转移、分配、陀螺效应和平衡效应、轴承动力学和弹性、以及部件级的噪声和振动激励等分析。

1.2.6三维路面模块3DRoad

应用ADAMS/3DRoad模块，用户可以方便地建立三维光滑的路面，例如：

多层停车场，赛车跑道和高速公路。

1.2.7Solver模块

ADAMS/Solver是一个自动建立并解算用于机械系统运动仿真方程的，快速、稳定的数值分析工具。

可以对以机械部件、控制系统和柔性部件组成的多域问题进行分析。

ADAMS/Solver支持多种分析类型，其中包括运动学、静力学、准静力学、线性或非线性动力学分析。

它可以提供多种积分方法以有效的进行方程解算。

ADAMS/Solver可以用户化。

方便的使用用户子程序建立特定的用户模型。

1.2.8Controls模块

Controls模块是CAR模块的一个可选装模块。

使用Controls，用户可以将基于几何外形的ADAMS完整系统模型方便地放到所使用的控制系统设计软件（例如EASY5，MATLABorMATRIXx等）所定义的框图中。

Controls提供的工具可以将Matlab输出的C代码输入进ADAMS中，这样就可以方便的在ADAMS统一环境中进行仿真。

由于充分考虑了控制系统的行为，用Controls和控制软件联合求解所得的结果是真实而准确的。

1.2.9耐用性分析模块Durability

耐用性试验是产品开发的一个关键步骤，主要解决这样一个问题：

“机构何时报废或零件何时失效？

”疲劳测试是产品发展的一个评价标准。

疲劳特性往往与一些其他的设计属性，例如操纵稳定性，行驶性和NVH（噪声，振动粗糙度），相矛盾。

使用ADAMS/Durability，可以找到这些因素的平衡点，但又不象传统物理实验那样耗费大量的时间。

1.2.10EnginepoweredbyFEV工具包

ADAMS/EnginepoweredbyFEV是一个工具包，具有建立并仿真功能化数字发动机的功能。

通过仿真分析，在最短时间内获得可靠、有效和功率强大的发动机。

1.2.11图形接口模块Exchange

ADAMS/Exchange为ADAMS与其他CAD/CAM/CAE软件之间的数据交换提供了工业标准的接口，实现双向传输。

1.2.12Pro/E接口模块MECHANISM/Pro

使用MECHANISM/Pro，用户可以方便的将Pro/ENGINEER的数据和几何外形用于机构仿真中。

二者采用无缝连接的方式。

Driveline、Vibration、Controls、Durability、AutoFlex通过ADAMS/CAR界面中的Tools下的Plugins下拉菜单加载选装。

1.3ADAMS/CAR的优点

相对传统的汽车设计开发，使用ADAMS及其CAR模块，可以在如下方面收到明显效果：

1）分析时间由数月减少为数日；

2）降低工程制造和测试费用；

3）在产品制造出之前，就可以发现并更正设计错误，完善设计方案；

4）在产品开发过程中，减少所需的物理样机数量；

5）当进行物理样机测试有危险、费时和成本高时，可利用虚拟样机进行分析和仿真；

6）缩短产品的开发周期。

福特汽车公司在一个新车型的开发过程中采用此项技术，设计周期缩短了70天。

全公司范围内，由于采用了这项技术，设计费用减少了4000万美元，制造费用节省了10亿美元。

由于设计制造周期的缩短，新车上市早，额外赢利达到其成本的数倍。

在车辆动力学研究的历史长廊中，对汽车的建模与仿真始终是一个关键问题。

汽车本身是一个由各种力学铰链和弹性元件构成的复杂的多体系统，加上实际工况的复杂性，这给车辆动力学的研究提出了许多挑战。

最初由于计算机硬件与软件方面的限制，人们不得不对汽车进行简化，采用经典力学方法，手工推导其动力学方程，手工编制程序，从最初的两自由度到十几自由度。

这种经典方法对车辆动力学的研究起了非常重要的作用，特别是在车辆动力学的理论研究方面起了奠基作用。

但这种方法均是不同程度对汽车进行某种简化下得出的，这使汽车的许多特性无法精确得到，如在汽车的某种工况下所有铰链的受力情况。

虽然多体分析商品化软件能够解决车辆动力学中的模型的复杂性和精确性，但其本身应用也有一些问题。

由于将汽车考虑为一复杂的多体系统，与经典方法相比建模的工作量明显增加，而且建模者需有较强的力学背景知识，加上车辆动力学的各种工况的复杂性，以及建模中输入变量、输出变量的复杂性，以及不同模型的变拓扑结构等问题，使一般的产品设计人员较难直接应用多体通用程序进行虚拟样机模拟来解决实际问题。

因此国外的汽车公司均在多体商品化软件基础上开发有自己特色的虚拟样机仿真系统，如福特公司的ADAMS/PRE，ISUZU公司的ADAMS/ISUZU，大约28个主要汽车。

公司拥有在ADAMS基础上二次开发的专用仿真系统，其用户界面十分友好，一般产品设计人员均可直接使用，大大提高了仿真的工作效率。

ADAMS本身是一个通用多体分析程序，如果直接利用ADAMS构造汽车的整车模型，则十分繁复，针对这种情况，MDI公司先后就汽车工业特点开发了ADAMS/Vehicle和ADAMS/Car，ADAMS/Vehicle是一个悬架仿真程序，不能完成整车的动力学仿真。

ADAMS/Car是针对整车仿真开发的一个平台，借助这个平台可以更容易地二次开发各具特点的整车仿真程序。

ADAMS拥有一个强有力的软件开发工具包SDK。

SDK使用流行的C或C++语言作为编程接口环境，利用它用户可以把运动仿真功能完全集成到自己的软件包中，也可以为已有的产品进行二次开发，增加更强的运动仿真能力。

ADAMS/V