基于ADAMS和MATLAB的轿车.docx
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基于ADAMS和MATLAB的轿车
成绩
硕士研究生课程论文
基于ADAMS和MATLAB的轿车
前悬架系统仿真分析
学院：
汽车工程学院
课程名称：
汽车动力学
专业：
车辆工程
班级：
汽研141
指导老师：
乔维高
学生姓名：
2015年1月
基于ADAMS和MATLAB的轿车前悬架系统仿真分析
摘要：
汽车作为极其重要的交通工具，在交通运输领域和人民日常生活中的地位日益突出。
用户对汽车安全性、行驶平顺性、操纵稳定性的要求也越来越高。
本文采用ADAMS和MATLAB对汽车半主动悬架系统进行联合仿真。
首先在ADAMS中建立动力学模型，然后用MATLAB软件建立汽车半主动悬架的阻尼控制模型，通过分析汽车垂直方向的加速度，来达到汽车的行驶平顺性。
关键词：
半主动悬架；建模；联合仿真
Abstract:
Vehicles,asanextremelyimportantmeansoftransportation,whosestatusisbecomingmoreandmoreprominentinthefieldoftransportationandpeople’sdailylife.Theusers’requirementofautomobilesafetyandridingcomfortandhandingstabilityisalsoincreasing.Inthispaper,ADAMSandMATLABareusedtojointsimulationforautomotivesemi-activesuspensionsystem.DynamicsmodelisestablishedintheADAMSatfirst,andthenusingMATLABtoestablishthevehiclesemi-activesuspensiondampingcontrolmodel,toachieveridingcomfortthroughtheanalysisoftheaccelerationofverticaldirection.
Keywords:
Semi-activesuspension;modeling;jointsimulation
1引言
随着汽车工业的发展，汽车的技术水平不断提高，人们对汽车的行驶平顺性也越来越关注。
而对平顺性起到决定性影响的因素是汽车悬架的性能，悬架很重要的一个作用就是缓冲各种力和力矩。
悬架是汽车车身（或车架）与车桥之间的所有传力连接装置的总称。
路面作用于车轮上的垂直反力（支承力）、纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些力所构成的力矩都要通过悬架传到车身上，以保证汽车的正常行驶。
为了减小因路面的不平所激起的震动，改善汽车的行驶平顺性及操纵稳定性，悬架通常由弹性元件、导向机构、横向稳定器以及减震器等组成。
这三个组成部分分别起缓冲、减振和导向的作用，然而三者共同的作用则是传力。
由于汽车悬架系统对整车行驶动力学（如操纵稳定性、行驶平顺性等）有举足轻重的影响，因此，悬架的动力学仿真分析在汽车悬架系统的设计和开发中占有很重要的地位。
本文以某前置前驱轿车的麦弗逊悬架为研究对象，以改善汽车的行驶平顺性为目的，基于多刚体系统动力学理论，利用ADAMS和MATLAB软件对麦弗逊悬架进行了运动学的虚拟样机建模、仿真分析和优化设计。
2ADAMS和MATLAB软件介绍
ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem）软件，是由美国机械动力公司（MechanicalDynamicInc.）开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学分析软件。
用户使用ADAMS软件，可以自动生成包括机-电-液一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计、到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。
由于ADAMS具有通用、精确的仿真功能，方便、友好的用户界面和强大的图形动画显示能力，所以该软件已在全世界数以千计的著名大公司中得到成功的应用。
MATLAB由美国MATHWORKS开发，是矩阵实验室（MatrixLaboratory）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。
MATLAB是当今国际上科学界（尤其是自动控制领域）最具影响力、也是最有活力的软件。
它起源于矩阵运算，并己经发展成一种高度集成的计算机语言。
它提供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的与其他程序和语言接口的功能。
MATLAB/SIMULINK是一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境。
它的出现使人们有可能考虑许多以前不得不做简化假设的非线性因素、随机因素，从而大大提高了人们对非线性随机动态系统的认知能力。
MATLAB主要应用于电学、自动控制、工程运算。
它可以与其它机械系统仿真软件（如ADAMS）一起组成联合仿真系统。
3ADAMS和MATLAB联合仿真
3.1利用ADAMS/CAR建立悬架的动力学模型
ADAMS/CAR里主参考系是OXYZ，采用ISO坐标系。
两汽车前轮轮心连线的中点指定为坐标原点，X轴的正方向指向汽车的后退方向，Y轴的正方向指向汽车右侧，Z轴的正方向指向汽车的上方，遵守右手法则。
在建立分析总成模型的过程中，ADAMS/CAR的建模顺序自下而上。
首先建立模板（template）文件，然后根据所建立的模板在标准模块下建立子系统模型，最后将子系统模型组装成系统总成或整车模型。
建立模板有以下几个步骤组成：
（1）简化物理模型。
依据系统各部件之间的相对运动，抽象归纳出各零件
的拓扑结构，对于没有相对运动的零件进行整合，定义为整合零件。
（2）确定硬点。
硬点为零件连接处的几何定位点。
确定硬点是指在坐标系内定义零件之间的连接点的具体坐标。
（3）创建零件。
根据硬点三维坐标或零件质心的绝对坐标创建一般部件，并将实际零件的参数（如长度、质量、惯量等）输入到相应的对话框中。
必须保证零件的坐标轴与绝对坐标系的坐标轴平行。
（4）定义组装。
系统总成是由多个子系统装配而成，为保证各个子系统之间的正确装配，必须在各个子系统中定义组装。
（5）创建零件的几何体。
零件的几何形体是在硬点的基础上建立的。
由于各个零件的动力学参数已经确定，所以几何形体的外形是相近的即可。
但由于考虑到零件的干涉情况和模型的直观性，应尽可能使零件的几何形体接近实体结构。
（6）定义连接。
对各个零件施加约束关系，通过约束或衬套将各零件衔接，组成结构模板。
定义连接直接决定系统自由度是否合理。
（7）定义参数变量。
鉴于子系统模板的多样性，需要对各个模板定义相关的参数变量。
将建好的子系统模板通过标准模式的系统装配模块最终组装成系统总成，最终完成整个建模过程。
在不影响麦弗逊悬架基本性能的同时，为方便建立运动学仿真模型，通常对麦弗逊式悬架各子系统做以下简化和假设：
（1）认为所有杆件都是刚体，即不考虑变形；
（2）假设汽车的车轮为刚体，且永不变形；
（3）假定部件间为铰链连接，间隙忽略不计；
（4）不考虑运动副内的摩擦力；
（5）车身相对于地面不动。
以某前置前驱轿车的麦弗逊悬架为研究对象，将其结构简化成简单的运动模型，如图3-1所示：
图3-1麦弗逊前悬架结构示意图
1—三角臂总成；2—转向节总成；3—轮轴；4—车轮；5—减振器；
6—螺旋弹簧；7—车架；8—转向横拉杆；9—转向器齿条；
从图中可以看出，该悬架主要由控制臂、转向拉杆、减振器、螺旋弹簧和转向节等组成。
其中控制臂的内端通过转动铰链与车架相连接，控制臂的外端与转向节下端通过球铰相连接；减振器外筒与转向节总成之间的连接用固定铰，同时减震器的外筒也与螺旋弹簧的下端相连；减振器内筒通过万向节铰链连接到车身上；用圆柱铰链接减振器的内外筒；螺旋弹簧套在减震器上，并与车身相连接；轮轴通过转动铰与转向节相连接，并与车轮通过固定铰连接在一起；转向横拉杆的一端与转向器齿条通过万向节连接在一起，另一端通过球铰连接在转向节上。
如果只做车轮的上下跳动运动分析时，不考虑转向因素的影响，通常认为转向器齿条与车架通过固定铰连接，而忽略与齿条罩的相对运动，并认定转向节的转动轴线与摆动的主销轴线相一致。
所以，销的定位角和轮距都随着悬架的变形而产生变化。
通过对麦弗逊悬架进行结构分析，统计出各种约束副的数量和限制自由度数如表3-1所示。
表3-1约束副类型和数量
约束副类型
约束副限制自由度
约束副数量
万向节
4
4
圆柱副
4
2
球铰
3
4
移动副
2
5
固定铰
6
2
旋转铰
5
2
平面副
2
2
建模所需的有关空间点坐标数据如下表3-2：
表3-2建模硬点坐标
硬点名称
X
Y
Z
wheel_center
0
717.5
300
lca_outer
-4.378
663.835
218.505
sturt_lwr_mount
8.19
589.486
381.772
spring_lwr_mount
21.065
568.213
603.064
top_mount
21.017
555.825
814.94
lca_front
-24.265
330.52
224.5
lca_rear
244.3
311.198
224.5
tierod_outer
137.597
641.974
272.4
tierod_inner
156.504
237.75
285.5
满载时静态前轮定位参数为：
前轮前束1~-3mm；主销后倾角2.5°~3.2°；主销内倾角10°~11.5°；车轮外倾角0~1°；对该前悬架实体模型进行分析后，对其进行合理的结构简化，根据各部件硬点坐标、质量参数、转动惯量参数以及螺旋弹簧刚度和减振器阻尼特性参数在ADAMS/CAR中依次建立各部件，并在各部件之间添加约束副和力元，得到该麦弗逊式前独立悬架虚拟样机的模板模型，再在标准模式下由模板模型建立其子系统，最后将悬架子系统和测试台（Test-rig）组装在一起得到悬架总成系统虚拟样机模型如图3-2所示。
图3-2前悬架总成系统模型
3.2利用MATLAB进行联合仿真
该轿车前悬架的动力学模型如图3-3所示。
图3-3悬架动力学模型图
c—悬架减震器的阻尼；——轮胎的刚度；——非簧载质量；
——簧载质量；k--悬架弹簧刚度；
——分别为路面的激励、非簧载质量及簧载质量的绝对位移；
根据牛顿第二定律，系统的运动学方程为：
式中——分别为车身非簧载部分与簧载部分的垂直加速度
——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。
ADAMS/Controls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ADAMS/Control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3-4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dv。
图3-4悬架系统输入输出关系示意图
ADAMS的输入为阻尼系数，通过StateVariable命令创建一个状态变量control，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。
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dv，它们的函数表达式分别为VY（body.cm）和VY（body.cm，wheel.cm）。
再通过PlantExport命令，将生成xuanjia文件，ADAMS/controls将输入和输出信息保存在m（MATLAB程序）文件中，同时产生一个ADAMS/View命令文件（.cmd）和一个ADAMS/Solver命令文件（.adm）供协同仿真分析时使用。
启动MATLAB程序，在MATLAB中输入ADAMS模块的方法如下：
在MATLAB命令窗口输入命令：
xuanjia，显示如下：
%%%INFO:
ADAMSplantactuatorsnames:
1control
%%%INFO:
ADAMSplantsensorsnames:
1body_acc
2body_dis
3body_vel
4dvel
其中，control——控制阻尼系数；body_vel——车身的垂直速度；dvel——身与车轴的相对速度差。
在MATLAB命令窗口中输入命令：
adams_sys，如图3-5所示：
图3-5adams_sys模块窗口
双击adams_sub模块，显示adams_sub模块的子系统，如图3-6所示。
图3-6adams_sub模块的子系统
启动SIMULINK，显示一个新的SIMULINK模块窗口，将adams_sub模块连同输出显示器拖到SIMULINK建模窗口中。
选择其他模块建立控制系统框图如图3-7所示。
图3-7控制系统图
经过初步仿真，得到车身垂直方向速度v=-250~250mm/s，车身与车轴之间的相对速度差dv=-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。
4仿真分析
评价一个悬架系统的优劣，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。
通常用以下3个参数考察悬架系统性能的优劣。
1）车身的垂直加速度，即舒适性和平顺性；
2）车轮相对动载，即安全性；
3）悬架弹簧的行程，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ADAMS/POSTPROCESSOR，绘制车身垂直加速度等曲线。
4.1阶跃输入
阶跃输入激励采用的函数是step（time,0,0,0.2,50），如图4-1和图4-2所示。
（a）
（b）
图4-1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4-2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，对汽车的平顺性起到了作用。
5总结
本文通过ADAMS和MATLAB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。
ADAMS和MATLAB联合仿真的方法充分发挥了ADAMS和MATLAB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。
另外，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。
参考文献
[1]余志生.汽车理论[M].机械工业出版社，2000.
[2]陈家瑞.汽车构造[M].人民交通出版社，2002.
[3]方飞.麦弗逊前独立悬架汽车操纵稳定性研究[硕士学位论文].武汉：
武汉理工大学，2006.
[4]韩朝晖.基于ADAMS和MATLAB的汽车悬架系统仿真分析[J].机械设计，2008.25（7）：
17-19.
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