基于ADAMS的整车操纵稳定性优化设计.docx

1、基于ADAMS的整车操纵稳定性优化设计基于ADAMS的整车操纵稳定性优化设计AD摘要：操纵稳定性是汽车的一种运动性能，不仅影响到汽车驾驶的操纵方便程度，而且也是决定高速汽 车安全行驶的一个重要因素。而悬架性能与汽车的操纵稳定性又是密不可分的，研究悬架对操纵稳定性 的影响，对提高整车的操纵稳定性有着非常重要的意义。本文便是采用了先进的动力学仿真软件 AMS，通过对悬架参数的设计，达到优化汽车操纵稳定性的目的。关键词：操纵稳定性 悬架 ADAMS优化设计1引言操纵稳定性是汽车性能的一个重要评价指标，被人们称之为“高速车辆的生命线”。悬架设计中， 很多参数都会对操纵稳定性造成影响，因此，分析悬架对整

2、车操纵稳定性的影响，是很有必要的。1.1汽车的操纵稳定性汽车的操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及 转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇到外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。操纵稳定 性是汽车的一种运动性能，这种性能通过驾驶员在一定路面和环境下的操纵反映出来。通常认为汽车的 操纵稳定性包含相互联系的两个部分： 一是操纵性，二是稳定性。操纵性是指汽车能够确切地响应驾驶员转向指令的能力。稳定性是指汽车受到外界扰动（路面扰动和突然阵风扰动）后恢复原来运动状态 的能力。两者很难断然分开，稳定性好坏直接影响操纵性好坏，因此通常称为操纵稳定性。汽车的操纵

3、 稳定性是影响汽车主动安全性的重要性能之一。2.2本文工作引入本课题，分析操纵稳定性的研究现状，为模型的建立与分析做准备。2悬架参数对汽车操纵稳定性的影响在前悬架设计过程中，侧倾中心高度，侧倾转向，侧倾外倾系数，磨胎半径等参数对汽车的操纵稳 定性影响很大，以下就对这些参数进行具体分析。2.1侧倾中心高度车厢相对地面转动时的瞬时轴线称为车厢的侧倾轴线，该轴线通过车厢在前后轴处横断面上的瞬时转动中心，称为汽车的侧倾中心，如图 1，O点即为该车的侧倾中心图1侧倾中心高度示意图美国通用汽车公司曾对 2 9辆轿车试验的结果表明：轿车前侧倾中心高度在 014cm间。车厢在侧向力作用下绕侧倾轴线的转角车厢的

4、侧倾角，车厢的侧倾角是评价汽车操纵稳定性和平顺 性的重要参数。首先，侧倾角的数值影响到汽车的横摆角速度稳态响应和横摆角速度瞬态响应；其次， 侧倾角本身也是评价汽车操纵稳定性的重要指标，过大的侧倾角使驾驶员感到不稳定、不安全，对平顺 性而言，侧倾过大的汽车，乘客也会感到不舒适，若是侧倾角过小，悬架的侧倾角刚度大，汽车一侧的 车轮遇到凸起或凹坑时，车厢内会感受到冲击，平顺性较差。车厢的侧倾角与侧倾力矩成正比，而侧倾力矩又与车厢的侧倾中心高成正比，因此，侧倾中心角的 大小取决于车厢的侧倾中心高。2.2 侧倾转向在侧向力作用下，车厢发生侧倾，由车厢侧倾引起的前轮绕主销的转动，后轮绕垂直于地面轴线的 转

5、动，称为侧倾转向。独立悬架的侧倾转向效果，可以用车轮相对车厢跳动时的前束变化曲线来说明， 如图2所示。图2为某独立悬架的前轮定位参数变化曲线。转弯行驶时，车厢侧倾，外侧车轮与车厢的距离缩 短，处于压缩行程；内侧车轮与车厢间的距离加大，处于复原行程。因此，装有此种悬架的汽车，外侧 车轮的前束减小，车轮向外转动；内侧车轮的前束增加，车轮向汽车纵向中心线方向转动，这样就增加 了汽车的不足转向量。此外，具有侧倾转向效应的汽车在直线行驶时，路面不平引起车轮相对于车厢的跳动也会使车轮产 生一定的转向角，从而影响汽车直线行驶的稳定性。所以，近代轿车趋于减小侧倾转向量。外條r)图2车轮相对车厢跳动时的前束变化

6、曲线2.3侧倾外倾侧倾外倾，就是指车厢侧倾时车轮外倾角的变化。车厢侧倾时，车轮外倾角也会发生变化，车轮外 倾角的变化又会引起外倾侧向力的改变。当车轮外倾倾斜的方向与地面侧向反作用力一致时，侧偏角绝 对值减小，反之增大。因此，悬架的车轮外倾角变化规律将影响汽车的稳态和瞬态响应。同时，随着外 倾角的增加，轮胎的侧向附着性能降低，因此，外倾角的变化还影响汽车的极限侧向加速度。汽车在不平整地面上直线行驶时，由于侧倾外倾角的缘故，车轮的上下跳动使车轮外倾角不断变 化，产生相应的外倾侧向力的变化，从而影响汽车直线行驶的稳定性。车厢侧倾角和车轮外倾角之间成 正比关系，比例系数称为侧倾外倾系数，即车厢每侧倾一

7、度，而引起的车轮侧倾角。经过试验测定，轿 车的前侧倾外倾系数为 0.610 .88。2.4磨胎半径磨胎半径是悬架设计中最主要的参数之一。它是指主销或其延长线的落地点与车轮接地印记中心线 间的距离，如图3所示。前悬架设计的主要目标之一是减小磨胎半径，因为它的存在会导致纵向力转 向，制动转向和 ABS工作时引起的转动扰动等。2.5抗点头在稳态制动或驱动中，在汽车的轴距、质心高度以及制动力的共同影响下，前后轴的轴荷会发生转 移。轴荷的转移会使前悬架产生“点头”，后悬架产生“抬头”，显然，这是悬架设计中应尽量避免图3磨胎半径示意图3基于 ADAMS 软件的前悬架优化设计ADAMS/Car 是 ADAM

8、S 软件中的专业模块之一，是 MDI 公司与 AudiBM WRenault 和Volvo 等公司合作开发的整车设计软件包，集成了他们在汽车设计、开 发方面的专家经验，能够帮助汽车研究人员快速建造高进度的整车虚拟样机，其中包括车身、悬架、传 动系统、发动机、转向机构、制动系统等，研究人员可以通过计算机仿真试验实现在各种工况下的整车 动力学分析，并输出标志操纵稳定性、制动性、舒适性和安全性的特征参数，从而减少了对实车试验的 依赖。ADAMS/Insight 是专门用于试验设计和分析的模块，它采用全参数法、部分参数法、对角线法、BoxBehnkn 法、PlacketBruman 法、DOptima

9、l法等试验设计方法，对各设计方案进行试验设计，预测方案的性能，从而得到更高品质的设计方案。本文使用 ADAMS/Car 模块建立前悬架模型，通过前轮同向跳动试验，绘制测量曲线，分 析其不足，进而使用 ADAMS/Insight 模块对模型进行优化，3.1建模本文建立的模型是麦弗逊悬架，由减震器、转向节、转向横拉杆、摆臂、车轮等部件组成，具体各 部件坐标如表1所示。1-车身2-螺旋弹簧3-减震器上体4-转向节总成5-转向横拉杆6-转向齿条7-下摆臂8-车轮总成麦弗逊悬架结构Loc xLoc yLoc zHpl drive shaft inr267.0-200.0255.0Hplca fr ont

10、67.0-400.0180.0Hplca outer267.0-750.0130.0Hpl lca rear467.0-450.0185.0Hplwr strut m ount267.0-600.0180.0Hpl subframe fr ont-133.0-450.0180.0Hpl subframe rear667.0-450.0180.0Hpl tierod i nner467.0-400.0330.0Hpl tierod outer417.0-750.0330.0Hpl top mount307.0-500.0680.0Hpl uca front367.0-450.0555.0Hpl

11、uca outer307.0-675.0555.0Hpl uca rear517.0-490.0560.0Hpl wheel ce nter267.0-760.0330.0表1 悬架模型硬点坐标-模型中各刚体之间的连接关系如下：1减震器上端与车身的连接点用球铰约束；2转向节与减震器上端用圆柱铰约束；3下摆臂一端用转动铰和车身连接，另一端用球铰和转向节连接;4横拉杆用球铰和转向节连接。仿真分析中，建立一个虚拟激振台， 设置上下激振位移为 50mm, 以左右车轮同向上下跳动 来计算悬架跳动过程中主要性能参数的变化规律。3.2仿真模型并绘制测量曲线图4车轮跳动一前束曲线图5为车轮在上下激振 5 0m

12、m时，车轮外倾角的变化曲线。如图所示，平衡位置处，前轮外 倾角为一0.5 ，测试过程中，外倾角在 0.3一1.7之间变化。车轮跳动时的外倾角变化对 车辆的稳态响应特性等有很大影响， 所以应尽量减少车轮相对车身跳动时的外倾角变化。为防止车轮出现过大的不足转向或过度转向趋势， 一般希望车轮从满载位置起上下跳动 40mm的范围内，车图5车轮跳动一外倾角曲线图6为车轮在上下激振5 0 mm时，侧倾外倾系数的变化曲线，由曲线可知，平衡位置处，侧倾外倾系数为 0.78，测试过程中，侧倾外倾系数在 0.690.86 之间变化图6车轮跳动一侧倾外倾系数曲线图7为车轮在上下激振 5 0 mm时，侧倾中心高度的变

13、化曲线，由曲线可知，平衡位置处，侧倾中心高度的变化曲线，由曲线可知，平衡位置处，侧倾中心高度为 14 6mm，测试过程中，侧倾图7车轮跳动一侧倾中心高度曲线为车轮在上下激振 5 0 mm时，抗点头率的变化曲线，由曲线可知，平衡位置处，抗点头 3%,测试过程中，抗点头率在 19%11%之间变化。为车轮在上下激振50mm时，侧倾转向的变化曲线，由曲线可知，平衡位置处，侧倾转 测试过程中，侧倾转向在为车轮在上下激振6，测试过程中，磨胎半径在图10车轮跳动一磨胎半径曲线3.3优化模型利用 ADAMS/Insight 模块，对上述前悬架模型进行优化3.3.1设定设计目标以前束角(Toe angle )和

14、外倾角(Camber angle )的最大值为设计目标, 即在以下优化试验中，使二者的最大值达到最小。3.3.2设定设计变量分别以前悬架模型硬点tierod outer 的X值、Y值和Z值作为设计变量，设 定三者的变化范围在一5 5 mm 之间，ADAMS/In sight 给出四种设计方案，如表 2所示。Tierod xTierod yTierod zTrial 1 J412-755335Trial 2 412-745325Trial 3422-755325Trial 4422-745335表2四种设计方案硬点坐标3.3.3进行仿真通过对四种设计方案的仿真试验，得出在四种设计方案下的前束值(

15、Toe angle )和外倾值(Camber angle)，四次仿真的前束变化和外倾变化如图 11所示。图11四次仿真的前束变化和外倾变化3.3.4方案比较为了进一步在四种方案中选取最优者，可再次在四种方案下对前悬架进行车轮同向跳动试验，结果 显示，方案三最优。以下各图是方案三和原模型参数的变化情况。图12方案三和原模型参数变化情况结论(1)通过优化，前束和外倾角的最大值减小，且变化范围减小，符合设计要求。其中，由于外倾角 的变化趋势较小，故难以在图表中表现出来。(2)通过优化，侧倾中心高，侧倾外倾系数，侧倾转向，磨胎半径，抗点头率等指标均有所善，其 中，侧倾中心高度和磨胎半径的改善较小。(3

16、)由以上分析可知，可以将原前悬架模型拉杆外侧的坐标由(417，-750，330 )处改 至(422，-755，325 )处，以达到优化悬架性能，提高整车操纵稳定性的目的。致谢本文自始至终是在宋宇导师的悉心指导下完成。在论文工作期间，导师和作者就研究工作进行多次 的探讨，提出许多的宝贵意见和建议，并对学术论文的某些问题给与指导和修正。导师严谨的治学态度、一丝不苟的工作作风和高尚的人格，令作者终生难忘。在此向我的导师致以 最诚挚的感谢。作者还得到教研室各位老师和身边同学的关心和帮助，在此他们表示衷心的感谢。参考文献1李军，邢俊文，覃文洁.ADAMS 实例教程北京理工大学出版社，2 0 0 2.2郑

17、建荣.ADAMS 虚拟样机技术入门与提高.机械工业出版社，2 0 0 1.3陈家瑞.汽车构造.人民交通出版社，2 0 0 0.4余志生.汽车理论.机械工业出版社，2 0 0 2.5李白娜.汽车操纵稳定性的仿真分析研究.华中科技大学，2 0 0 6.6于海峰.基于 ADAMS/Car 的悬架系统对操纵稳定性影响的仿真试验研究. 大连理工大学，2 0 0 77SHBAHATA Y.l nproveme nt of Vehicle Mameuverability by Direc Yaw Mome nt Con trolJ.Vehicle System Dyn amics,19938Nuno M. C. de Oliveira;Lorenz T. Biegler ， Constraint handing and stability propertiesOptimal desig n of mountainof model-predictive contro ， 19949Yan Bu;Tia n Hua ng;Zh on gxia Xian g;Xiaofa n Wu and Chun Chen bicycle based on biomechanics ，2010