畢業(yè)設(shè)計---汽車雙橫臂懸架的動態(tài)模擬與仿真

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計論文</b></p><p>　　學 院： 機械工程學院 專 業(yè)： 車輛工程 </p><p>　　設(shè)計(論文)題目： 汽車雙橫臂懸架的動態(tài)模擬與仿真 </p><p>　　設(shè)計(論文)地點： </p><p

2、>　　指 導 教 師： </p><p>　　職 稱： 教 授 </p><p><b>　　2011年6月6日</b></p><p><b>　　畢業(yè)論文中文摘要</b>

3、;</p><p><b>　　畢業(yè)論文外文摘要</b></p><p><b>　　目 次</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1汽車懸架概述1</p><p>　　1.2懸架的發(fā)展3</p

4、><p>　　1.3 車輛動力學仿真技術(shù)研究現(xiàn)狀5</p><p>　　1.4論文主要內(nèi)容7</p><p>　　2 雙橫臂獨立懸架8</p><p>　　2.1雙橫臂獨立懸架簡介8</p><p>　　2.2 雙橫臂獨立懸架的應用9</p><p>　　2.3雙橫臂獨立懸架運動學分析

5、10</p><p>　　2.4雙橫臂獨立懸架建模參數(shù)11</p><p>　　3 UG軟件11</p><p>　　3.1 UG軟件概述及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展11</p><p>　　3.2 UG各功能模塊12</p><p>　　3.3三維UG建模14</p><p>　　4 AD

6、AMS軟件17</p><p>　　4.1仿真軟件應用及發(fā)展16</p><p>　　4.2 ADAMS軟件概述19</p><p>　　4.3 應用ADAMS軟件分析步驟23</p><p>　　4.4 在ADAMS中前輪定位參數(shù)的測定24</p><p>　　5 基于ADAMS的雙橫臂懸架動態(tài)分析及仿真

7、27</p><p>　　5.1 雙橫臂獨立懸架模型的導入28</p><p>　　5.2 仿真分析及結(jié)果處理30</p><p><b>　　結(jié) 論40</b></p><p>　　參 考 文 獻41</p><p><b>　　致 謝43</b></p

8、><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1汽車懸架概述（2）</p><p>　　汽車懸架是車架（車身）與車橋（或車輪）之間彈性連接的部件。主要由彈性元件、導向裝置及減振器三個基本部分組成。此外，還可包括一些特殊功能的部件，如緩沖塊和穩(wěn)定桿等?，F(xiàn)代汽車還采用了控制機構(gòu)，形成可控式懸架 </p><p&g

9、t;　　圖1-1懸架在整車位置圖</p><p>　　彈性元件用來傳遞垂直力，并緩和由不平路面引起的沖擊和振動，其種類有鋼板彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧、空氣彈簧、油氣彈簧及橡膠彈簧等。懸架的導向機構(gòu)型式很多，在雙軸汽車上常見有獨立懸架和非獨立懸架兩大類，在三軸汽車的后懸架上常采用平衡式懸架，現(xiàn)代轎車上又出現(xiàn)了交聯(lián)式懸架和主動式懸架等新型式。新式導向機構(gòu)的設(shè)計工作雖是更復雜了，但卻對現(xiàn)代汽車日益提高的性能要求更為適應

10、，所以是有發(fā)展前途的。</p><p>　　圖1-2 a非獨立懸架；b為獨立懸架。</p><p>　　非獨立懸架可分為：縱置板簧式非獨立懸架，螺旋彈簧非獨立懸架，空氣彈簧非獨立懸架，尤其彈簧非獨立懸架。</p><p>　　非獨立懸架的特點是左右車輪用一根鋼性軸連接起來，并通過懸架與車架（或車身）相連。其典型代表是縱置板簧式懸架。主要型式有縱置板簧式非獨立懸架、螺

11、旋彈簧非獨立懸架、空氣彈簧非獨立懸架、油氣彈簧非獨立懸架。非獨立懸架結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，被廣泛應用于貨車的前、后懸架。在轎車中，非獨立懸架僅用于后橋?，F(xiàn)代轎車的前懸架都用獨立懸架來代替非獨立懸架。</p><p>　　獨立懸架可分為：雙橫臂式，單橫臂式，單縱臂式，單斜臂式，麥弗遜式和扭轉(zhuǎn)梁隨動臂式。</p><p>　　獨立懸架的特點是左右車輪不連在一根軸上，單獨通過懸架和車架（或車身）相

12、連。獨立懸架按車輪運動的形式可分為：車輪在汽車橫向平面內(nèi)擺動的（單橫臂式或雙橫臂式）懸架；車輪在汽車縱向平面內(nèi)擺動的（單縱臂式或雙縱臂式）懸架；車輪繞著與汽車縱軸線成一定角度的軸線擺動的（斜臂式）懸架；車輪沿主銷滑動的滑柱擺臂式懸架。</p><p>　　汽車懸架性能是影響汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和行駛速度的重要因素，在懸架的設(shè)計中應滿足如下性能的要求[3]：</p><p>　　1)保

13、證汽車有良好的行駛平順性。即汽車應有較低的振動頻率，乘員在車中承受的振動加速度應不超過國際標準2631-78規(guī)定的人體承受振動界限值。</p><p>　　2)有合適的減振性能。它應與懸架的彈性特性很好匹配，保證車身和車輪在共振區(qū)的振幅小，振動衰減快，使汽車具有良好的乘坐舒適性。</p><p>　　3)保證汽車有良好的操縱穩(wěn)定性。導向機構(gòu)在車輪跳動時，應不使主銷定位參數(shù)變化過大，車輪運動

14、與導向機構(gòu)運動應協(xié)調(diào)，不出現(xiàn)擺振現(xiàn)象。轉(zhuǎn)向時整車應有一些不足轉(zhuǎn)向特性。</p><p>　　4)汽車制動和加速時能保持車身穩(wěn)定，減少車身縱傾（即‘點頭’或‘后仰’）的可能性。</p><p>　　5)能可靠地傳遞車身與車輪間的一切力和力矩，零部件質(zhì)量輕并有足夠的強度和壽命，保證車輛的正常行駛，和減少輪胎磨損等功能。</p><p>　　此外，通過彈性元件的彈性作用及

15、其對側(cè)傾中心的影響，保證汽車有良好的側(cè)傾穩(wěn)定性。所以，在懸架的設(shè)計中除了考慮其支承車身及承載物的重量，傳遞從車輪到車身的各種力和力矩外，還要保證使車輛具有良好的平面性和穩(wěn)定性。</p><p><b>　　1.2懸架的發(fā)展</b></p><p>　　懸架系統(tǒng)是汽車的一個重要組成部分。汽車懸架性能是影響汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和行駛速度的重要因素。因此，研究汽車振動

16、，設(shè)計新型懸架系統(tǒng)，將振動控制到最低水平是提高現(xiàn)代汽車質(zhì)量的重要措施。為了滿足對懸架系統(tǒng)提出的各種要求，在近二十年來其發(fā)展異常迅速。汽車懸架總成如圖1-3所示</p><p>　　圖1-3汽車懸架總成</p><p>　　懸架的結(jié)構(gòu)形式很多，分類方法也不盡相同。按導向機構(gòu)的形式，可分為獨立懸架和非獨立懸架兩大類。如果按控制力進行分類則可分為被動懸架、半主動懸架和主動懸架三種基本類型[3]。

17、以下從被動懸架、半主動懸架、主動懸架、空氣懸架四方面來闡述懸架的發(fā)展。</p><p><b>　　1.被動懸架</b></p><p>　　這種懸架系統(tǒng)的阻尼和剛度參數(shù)一般是通過經(jīng)驗設(shè)計或優(yōu)化設(shè)計方法選擇，一經(jīng)確定，在汽車行駛過程中就無法隨外部狀態(tài)變化而變化。因此，對于在某個特定工況下按目標優(yōu)化出的懸架系統(tǒng)，一旦車輛參數(shù)、運行工況等發(fā)生變化，這種懸架系統(tǒng)便難以適應這

18、種復雜的多變性。具體地講，對于汽車懸架應滿足兩個方面的要求，一方面為提高轉(zhuǎn)彎、制動等操縱過程的穩(wěn)定性，要求懸架應具有高阻尼系數(shù)；另一方面為隔開隨機路面不平對汽車的擾動，提高乘坐舒適性，要求懸架應具有低阻尼系數(shù)。由于參數(shù)不能任意選擇和調(diào)節(jié)，限制了被動懸架系統(tǒng)性能的進一步提高。被動懸架的減振性能很差。</p><p><b>　　2.半主動懸架</b></p><p>　

19、　半主動懸架由可變特性的彈簧和減振器組成。其基本工作原理是：根據(jù)簧上質(zhì)量相對車輪的速度響應、加速度響應等反饋信號，按照一定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)可調(diào)彈簧的剛度或可調(diào)減振器的阻尼力。半主動懸架在產(chǎn)生力的方面近似于被動懸架，但是半主動懸架的阻尼系數(shù)或剛度系數(shù)可以根據(jù)運行狀態(tài)作為實時或準靜態(tài)調(diào)整，以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。</p><p><b>　　3.主動懸架</b></p><p&g

20、t;　　主動控制懸架由彈性元件和一個力發(fā)生器組成。主動懸架技術(shù)成為汽車懸架發(fā)展的重要趨勢，它為同時改善汽車行駛安全性和乘坐舒適性提供了廣闊的前景。但是它也有其自身固有的缺點：由于主動執(zhí)行機構(gòu)的加入，增加了汽車動力的消耗，就限制了其實用化和產(chǎn)品化；另外，要使主動懸架具有良好的動力學性能，就要選用高性能的執(zhí)行機構(gòu)（如液壓伺服機構(gòu)、電磁伺服器等），并且需要一套復雜的傳感器和儀器設(shè)備，從而導致主動懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、技術(shù)性高、成本昂貴，而且其可靠

21、性也成為一個問題。</p><p><b>　　4.空氣懸架</b></p><p>　　空氣懸架系統(tǒng)是以空氣彈簧為彈性元件，利用氣體的可壓縮性實現(xiàn)其彈性作用的。通過壓縮氣體的氣壓能夠隨載荷和道路條件變化進行自動調(diào)節(jié)，不論滿載還是空載，整車高度沒有變化，可以大大提高乘坐的舒適性。</p><p>　　目前，國外無論是客車還是載重車都已經(jīng)比較普遍

22、采用空氣懸架系統(tǒng)，而國內(nèi)卻處于剛剛起步階段，只應用在一些豪華客車和少部分重型載重車上。由于國外對空氣懸架特性研究結(jié)果表明,安裝有空氣懸架的汽車能提高汽車的整體性能。同時,國內(nèi)也有一些外資企業(yè)在中國進行空氣懸架的生產(chǎn)和銷售,如美國的Ｎｅｗａｙ公司、德國的ＳＡＦ公司等[4]。</p><p>　　目前我國還沒有整套空氣懸架的生產(chǎn)廠家。但是，隨著高等級公路的發(fā)展,客貨運輸量的增加,要求汽車具有更好的操縱穩(wěn)定性、行駛平順

23、性和安全性,空氣懸架汽車必將得到廣泛應用。伴隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展,汽車控制系統(tǒng)的智能化程度越來越高,電子控制空氣懸架將是未來的發(fā)展趨勢。</p><p>　　1.4 車輛動力學仿真技術(shù)研究現(xiàn)狀</p><p>　　汽車是一個包含慣性、彈性、阻尼等動力學特征的復雜非線性系統(tǒng)，其特點是運動零件多、受力復雜。由于組成汽車各機械系統(tǒng)(如轉(zhuǎn)向、懸架、傳動機構(gòu))之間的相互禍合作用，使汽車的動態(tài)特征

24、非常復雜。特別是汽車的前懸架與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，是多連桿式機構(gòu)，而且確定了主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角等車輪定位角，車輪定位角對車輛的行駛狀態(tài)起重要的作用，在運動學分析中必須獲得車輪定位角的變化情況。在研究汽車諸多的行駛性能時，汽車動力學研究對象的建模、分析與求解始終是一個關(guān)鍵性問題。汽車本身是一個復雜的多體系統(tǒng)，外界載荷的作用更加復雜。由于理論方法和計算手段的限制，該學科曾一度發(fā)展較為緩慢。主要阻礙之一在于無法有效的處理復雜受力下多自由度分析模型的

25、建立和求解問題。許多情況下，不得不把模型簡化，以便使用古典力學的方法人工求解，從而導致汽車的許多重要的特征無法得到較精確的定量分析。</p><p>　　國外汽車動力學中的研究經(jīng)歷由試驗到理論研究，由開環(huán)研究到閉環(huán)研究的發(fā)展過程力學模型逐漸由線性模型發(fā)展到非線性多體系統(tǒng)模型;模型的自由度由兩個自由度發(fā)展數(shù)十個自由度。到了80年代初，不僅有許多通用的軟件可以對汽車系統(tǒng)進行分析計算，而且還有各針對汽車某一問題的專用多

26、體軟件。研究的范圍從局部結(jié)果到整車系統(tǒng)，涉及汽車系統(tǒng)力學的方方面面。80年代中期是多體系統(tǒng)動力學在汽車工程上應用發(fā)展最快的時期。主要汽車廠商和研究機構(gòu)在其CAD系統(tǒng)中安裝了多體系統(tǒng)動力學軟件，并與有限元、模分析、優(yōu)化設(shè)計等軟件一起構(gòu)成了一個有機的整體，在汽車設(shè)計開發(fā)中發(fā)揮了重要作用。</p><p>　　國內(nèi)在汽車動力學的研究中，采用多剛體系統(tǒng)動力學進行分析和計算的工作起步較晚七十年代初，長春汽車研究所和清華大學

27、同時發(fā)展了汽車動力學的研究。研究工作集中平順性、操縱穩(wěn)定性性能指標的評價方法、試驗方法及操縱穩(wěn)定性力學模型的建立、模的計算方法、性能預測方法和優(yōu)化設(shè)計方法等。力學模型從七十年代研究汽車側(cè)偏和橫運動的二自由度線性模型，發(fā)展到包括側(cè)傾和轉(zhuǎn)向系在內(nèi)的三至五自由度乃至十三個自度的非線性模型，其功能也從對汽車穩(wěn)定性的穩(wěn)態(tài)響應和瞬態(tài)響應的分析，發(fā)展到汽車彎制動性能的分析。</p><p>　　90年代初人們開始把多柔體系統(tǒng)動

28、力學理論和方法用于汽車技術(shù)領(lǐng)域，這標志著汽多體系統(tǒng)動力學向新的層次發(fā)展，許多有益的工作值得借鑒。在文獻〔5〕中，把車身處為柔性體，為了減少自由度采用了集中質(zhì)量法的離散化過程，并考慮了轉(zhuǎn)動慣量的影響。</p><p>　　在文獻〔6〕中采用了子結(jié)構(gòu)的分析技術(shù)，汽車懸架處理為子結(jié)構(gòu)，采用模態(tài)綜合方法用態(tài)坐標描述車身的變形，通過約束條件把整個系統(tǒng)組裝起來聯(lián)合求解。文獻（7）中討論了懸架系統(tǒng)廣泛采用的彈性約束(橡膠鉸鏈)

29、對汽車性能的影響及處理方法?？傊藗冊噲D用各種有效的方法將柔性體的力學效應并入多體動力學方程中進行分析和求解。這些方法即有探索直接建立和求解剛?cè)峄旌系亩囿w動力學方程的方法，也有采用現(xiàn)有的剛體系統(tǒng)動力學軟件來近似對多柔體系統(tǒng)進行分析的方法。</p><p>　　1997年，清華大學的張越今采用多體系統(tǒng)動力學的理論方法，應用機械系統(tǒng)分析軟ADAMS，進行了汽車前后懸架系統(tǒng)和整車動力學性能仿真及優(yōu)化研究，分析了汽車中性

30、元素(橡膠減振元件)對動力學性能的影響（8）。</p><p>　　吉林大學的蔡章林運用ADAMS/Car軟件，對懸架和整車動力學幾個方面進行詳細研究。在論證模型可行性的基礎(chǔ)上，討論了懸架結(jié)構(gòu)對操縱穩(wěn)定性的影響，對影響操縱定性的若干因素進行研究仁（8）。</p><p>　　武漢理工大學的鮑衛(wèi)寧利用ADAMS viwe軟件，建立麥弗遜式懸架的某轎車前懸架多體動力學模型，并對車輪跳動和轉(zhuǎn)向時

31、，懸架的各種參數(shù)的變化進行分析（9）。</p><p>　　合肥工業(yè)大學的王其東博士，進行了不同形式的動力學方程所描述的多體系統(tǒng)響應靈敏度分析，推導了相應的公式;建立了汽車主要總成的多體動力學模型，并整合整車多體模型，建立了道路輸入模型，進行整車的動力學仿真:提出了基于動力學仿真的汽懸架CAD的思路，針對具體車型，進行了鋼板彈簧的結(jié)構(gòu)改進設(shè)計，將改進后的鋼板簧裝車進行了平順性和操縱穩(wěn)定性試驗。并將遺傳算法的神經(jīng)網(wǎng)

32、絡(luò)自適應模糊控制策略用到汽車半主動懸架的控制中（10）。</p><p>　　南京理工大學的蘇小平博士，在整車系統(tǒng)多體動力學模型的基礎(chǔ)上，采用模態(tài)集成法和離散化方法分別建立汽車橫向穩(wěn)定桿和板簧的柔性體。對依維柯汽車的操縱穩(wěn)定性、行駛平順性、緊急制動性能進行了仿真計算并分析與探討了對這些性能影響因素的變化律，結(jié)合該車換型時在行駛平順性上出現(xiàn)的問題，對該車懸架系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，提了一種懸架系統(tǒng)特性參數(shù)動態(tài)優(yōu)化數(shù)學模

33、型和一套基于仿真的懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法（11）。</p><p>　　上海交通大學的趙亦希、黃宏成、劉奮以S型轎車前懸架系統(tǒng)為實例，利用ADMAS/Car模塊，進行雙輪反向激振動力學仿真，仿真結(jié)果是各種側(cè)傾特性參數(shù)，對照轎車標準系數(shù)對S型轎車側(cè)傾情況有一個全面了解，為設(shè)計和優(yōu)化懸架系統(tǒng)提供了實用高效的方法(12)。</p><p>　　江蘇大學的湯靖、高翔、陸丹以多體系統(tǒng)動力學理論為基礎(chǔ)，

34、應用機械系統(tǒng)動力學真分析軟件ADAMS的、Car專業(yè)模塊建立某皮卡車麥弗遜式前懸架多體系統(tǒng)模型，并用ADAMS/insihgt模塊進行性能分析，找出磨損嚴重的原因，同時進一步進行懸架布置化設(shè)計，最終得出優(yōu)化的懸架布置方案，較好地解決了輪胎磨損的問題(13)。</p><p>　　合肥工業(yè)大學的喬明俠針對江淮汽車股份有限公司的瑞風商務(wù)車，利用多體動力學析軟件ADMAS建立了包括車身、前后懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪胎、人一椅

35、等系統(tǒng)在內(nèi)的整車體模型。開發(fā)了隨機路面生成軟件和平順性評價程序。實現(xiàn)了懸架偏頻的仿真測量和不等級路面、不同車速下隨機路面輸入的平順性仿真(14)。</p><p>　　吉林大學的樂升彬以某車的前雙橫臂獨立懸架為研究對象，采用該車的實際結(jié)構(gòu)參數(shù)運用ADAMS/Car軟件建立了該車的前懸架子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系子系統(tǒng)組成的懸架系統(tǒng)模型應用該模型對該車前獨立懸架模型進行了運動學、動力學仿真分析，得出了其車輪外傾角前輪前束角、主

36、銷后傾角等前輪定位參數(shù)、懸架剛度、側(cè)傾剛度、側(cè)傾中心等參數(shù)在前左右輪心上下跳動時的變化規(guī)律。并且利用前人的經(jīng)驗對這些特性曲線進行分析，發(fā)現(xiàn)懸架存在不合理的地方，并針對存在的問題提出相應的解決方案（15）。</p><p>　　1.4 論文主要內(nèi)容</p><p>　　概述懸架的基礎(chǔ)，雙橫臂獨立懸架研究的必要性、發(fā)展趨勢等。</p><p>　　前雙橫臂獨立懸架總成U

37、G模型的建立。</p><p>　　介紹了多體系力學軟件ADAMS的特點、優(yōu)點等。</p><p>　　利用軟件ADAMS對雙橫臂獨立懸架進行仿真、分析，發(fā)現(xiàn)存在不符合要性能參數(shù)，然后針對存在的問題提出相應的方案，最后對各種調(diào)整。</p><p>　　依次進行仿真、分析，在保證原來滿足要求的參數(shù)在調(diào)整后仍然符求，又使原來不符合要求的參數(shù)得到改善的原則下，選擇那些最優(yōu)

38、整方案。</p><p>　　2 雙橫臂獨立懸架</p><p>　　2.1雙橫臂獨立懸架簡介[16]</p><p>　　雙橫臂式獨立懸架按其上、下橫臂的長短又可分為等長雙橫臂式和不等長雙橫臂式兩種。等長雙橫臂式在其車輪作上、下跳動時，可保持主銷傾角不變，但輪距卻有較大的變化，會使輪胎磨損嚴重，故己很少采用，多為不等長雙橫臂式懸架所取代。后一種型式的懸架在其車輪

39、上、下跳動時，只要適當?shù)剡x擇上、下橫臂的長度并合理布置，即可使輪距及車輪定位的參數(shù)的變化量限定在允許范圍內(nèi)。這種不大的輪距改變，不應引起車輪路面的側(cè)滑，而為輪胎的彈性變形所補償。因此，不等長雙橫臂式獨立懸架能保證汽車有良好的行駛穩(wěn)定性，已為中、高級轎車的前懸架所廣泛采用。雙橫臂懸架的突出優(yōu)點在于設(shè)計的靈活性，可以通過合理選擇空間導向桿系的鉸接點的位置及導向臂（或稱為控制臂）的長度，使得懸架具有合適的運動特性，并且形恰當?shù)膫?cè)傾中心和縱傾中

40、心 。</p><p>　　圖2-1雙橫臂獨立懸架原理圖</p><p>　　圖2-2雙橫臂獨立懸架實物</p><p>　　2.2 雙橫臂獨立懸架的應用</p><p>　　隨著汽車行駛速度的不斷提高，傳統(tǒng)的鋼板彈簧式懸架已難以滿足汽車行駛舒適性和操縱穩(wěn)定性等方面提出的要求，因而在輕型載貨車及輕型客車上推廣使用獨立懸架，尤其是雙橫臂獨立懸架

41、得到較大的發(fā)展。獨立懸架的應用不僅降低了汽車在不平路面上行駛時車架與車身的振動，減小了汽車的非簧載質(zhì)量，而且可以使動力總成的位置降低與前移，使整車質(zhì)心位置下降，從而提高了行駛穩(wěn)定性和乘坐舒適性。雙橫臂獨立懸架的特點、優(yōu)點及主要應用[13][18]：</p><p>　　1）可以通過調(diào)整其導向機構(gòu)較容易地得到所需要的前輪定位參數(shù)，得到較好的整車性能。</p><p>　　2）由于設(shè)計的自由度

42、大，可通過合理布置，使懸架與轉(zhuǎn)向桿系的運動干涉減小，不易發(fā)生跳擺。</p><p>　　3）彈簧剛度和減振器阻尼可以根據(jù)需要，較容易調(diào)整；非簧載質(zhì)量小，有利于行駛平順性。</p><p>　　4）能夠降低發(fā)動機和駕駛室高度，從而降低質(zhì)心。</p><p>　　5）有效彈簧距等于輪距，有利于提高橫向角剛度，但一般來講，其側(cè)傾中心高度低，不利于其側(cè)傾穩(wěn)定性，一般需加橫向

43、穩(wěn)定桿。雙橫臂式獨立懸架多用于轎車和輕型客、貨汽車的前懸架上，在麥弗遜式懸架出現(xiàn)后，逐漸被麥弗遜式懸架所替代，但是進入九十年代以來，隨著轎車豪華化和高性能化，采用該結(jié)構(gòu)的車種不斷增加，在一些對平順性和操縱穩(wěn)定性要求較高的汽車上，不僅前懸架，而且后懸架也采用了雙橫臂式懸架[11]。</p><p>　　比如：法拉利（412、328GTB、F40、328GTS等高檔轎車）吉林大學碩士學位論文的前后獨立懸架、勞斯—萊斯

44、的險路（Corniche）的前懸架、捷豹XJ6 2.9的前后懸架、本田的雅閣（2.0si Exclusive、LXi）的前后懸架、本田的市民CRX 1.6i 16V的前后懸架、三菱帕杰羅的前懸架，均采用了雙橫臂獨立懸架。</p><p>　　可見，雙橫臂獨立懸架得到了廣泛的應用，所以研究雙橫臂獨立懸架是非常必要的。</p><p>　　2.3雙橫臂獨立懸架運動學分析[3]</p>

45、;<p>　　圖2-3為雙橫臂獨立懸架的空間拓撲結(jié)構(gòu)。圖中，雙橫臂獨立懸架系統(tǒng)由5個構(gòu)件組成。其中，構(gòu)件1為車架（在該仿真中固定到地面）；構(gòu)件2為雙橫臂獨立懸架的下擺臂;構(gòu)件3為雙橫臂獨立懸架的主銷(轉(zhuǎn)向節(jié))，假設(shè)輪胎與轉(zhuǎn)向節(jié)軸之間沒有相對轉(zhuǎn)動，當作一個構(gòu)件;構(gòu)件4為轉(zhuǎn)向橫拉桿;構(gòu)件5為雙橫臂獨立懸架的上擺臂。雙橫臂獨立懸架系統(tǒng)構(gòu)件之間的約束由轉(zhuǎn)動副和球鉸兩種鉸鏈組成。其中，構(gòu)件1, 2之間為轉(zhuǎn)動約束;構(gòu)件1, 5之間為轉(zhuǎn)

46、動約束;構(gòu)件2, 3之間為球鉸相連;構(gòu)件3, 5之間為球鉸相連;構(gòu)件3, 4通過球鉸相連;構(gòu)件1, 4通過球鉸相連。</p><p>　　圖2-3雙橫臂獨立懸架空間拓撲結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　其中:</b></p><p>　　A:上擺臂擺動安裝點 B:下擺臂擺動安裝點</p><

47、p>　　L1:下擺臂擺動軸線 L2:上擺臂擺動軸線</p><p>　　C:轉(zhuǎn)向節(jié)下球頭銷中心 F:轉(zhuǎn)向節(jié)上球頭銷中心</p><p>　　M:轉(zhuǎn)向梯形斷開點 N:轉(zhuǎn)向節(jié)臂球銷中心</p><p>　　G:輪胎中心

48、 P:主銷軸線與轉(zhuǎn)向節(jié)軸線的交點</p><p>　　采用空間笛卡兒坐標[12]來描述雙橫臂獨立懸架系統(tǒng)構(gòu)件的位置。整體坐標系的選取與整車設(shè)計所選取的坐標系相一致，X軸方向沿車身縱向水平向后為正；Y軸方向取豎直向上為正；Z軸方向取沿車身向前方向為正。</p><p>　　根據(jù)該雙橫臂獨立懸架系統(tǒng)的多體運動學模型[18]，在整個系統(tǒng)的運動過程中，構(gòu)件4通過球鉸與構(gòu)件1和構(gòu)件3相連接，但

49、是它只提供了構(gòu)件1和構(gòu)件3之間的距離約束。因此可根據(jù)多體系統(tǒng)運動學理論將構(gòu)件4模型化為一個球面—球面組合運動副中的連桿。因此，整個雙橫臂獨立懸架系統(tǒng)的模型可以定義為由4個構(gòu)件組成。在空間笛卡兒坐標系中，采用極大數(shù)目坐標法來描述系統(tǒng)每一個構(gòu)件的空間位置。即對組成系統(tǒng)的任一構(gòu)件i，采用7個廣義坐標來描述它的空間位置與姿態(tài)，該構(gòu)件的廣義坐標為:</p><p>　　q i=[x i,y i,z i,e 0i,e1i,e

50、2i,e3i]</p><p>　　上式中的e 0i,e1i,e2i,e3i為描述構(gòu)件的歐拉參數(shù)。</p><p>　　對于整個雙橫臂獨立懸架系統(tǒng)，其廣義坐標矢量組為:</p><p>　　q =[ q 1T, q 2T, q 3T ,q 5T]T</p><p><b>　　3 UG軟件</b></p>

51、<p>　　3.1 UG軟件概述及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　UG是Unigraphics的縮寫，這是一個交互式CAD/CAM(計算機輔助設(shè)計與計算機輔助制造)系統(tǒng)，它功能強大，可以輕松實現(xiàn)各種復雜實體及造型的建構(gòu)。它在誕生之初主要基于工作站，但隨著PC硬件的發(fā)展和個人用戶的迅速增長，在PC上的應用取得了迅猛的增長，目前已經(jīng)成為模具行業(yè)三維設(shè)計的一個主流應用。UG的開發(fā)始于1990年7月，它

52、是基于C語言開發(fā)實現(xiàn)的。UG NX是一個在二和三維空間無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上使用自適應多重網(wǎng)格方法開發(fā)的一個靈活的數(shù)值求解偏微分方程的軟件工具。其設(shè)計思想足夠靈活地支持多種離散方案。因此軟件可對許多不同的應用再利用?！　∫粋€給定過程的有效模擬需要來自于應用領(lǐng)域(自然科學或工程)、數(shù)學(分析和數(shù)值數(shù)學)及計算機科學的知識。UG的目標是用最新的數(shù)學技術(shù)，為復雜應用問題的求解提供一個靈活的可再使用的軟件基礎(chǔ)。 </p><p>

53、　　UG軟件不僅具有強大的實體造型、曲面造型、虛擬裝配和產(chǎn)生工程圖等設(shè)計功能；而且，在設(shè)計過程中可進行有限元分析、機構(gòu)運動分析、動力學分析和仿真模擬，提高設(shè)計的可靠性；同時，可用建立的三維模型直接生成數(shù)控代碼，用于產(chǎn)品的加工，其后處理程序支持多種類型數(shù)控機床。具體來說，該軟件具有以下特點：l）具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，真正實現(xiàn)了CAD/CAE/CAM等各模塊之間的無數(shù)據(jù)交換的自由切換，可實施并行工程。2）采用復合建模技術(shù)，可將實體建模、曲面

54、建模、線框建模、顯示幾何建模與參數(shù)化建模融為一體。3）用基于特征（如孔、凸臺、型膠、槽溝、倒角等）的建模和編輯方法作為實體造型基礎(chǔ)，形象直觀，類似于工程師傳統(tǒng)的設(shè)計辦法，并能用參數(shù)驅(qū)動。4）曲面設(shè)計采用非均勻有理B樣條作基礎(chǔ)，可用多種方法生成復雜的曲面，特別適合于汽車外形設(shè)計、汽輪機葉片設(shè)計等復雜曲面造型。5）出圖功能強，可十分方便地從三維實體模型直接生成二維工程圖。能按ISO標準和國標標注尺寸、形位公差和漢字說明等。并能直接對實

55、體做旋轉(zhuǎn)剖、階梯剖和軸測圖挖切生成各種剖視圖，增強了繪制工程圖的實用性。6）以Parasolid為實體建模核心，實體造型功</p><p>　　具有良好的用戶介面，絕大多數(shù)功能都可通過圖標實現(xiàn)；進行對象操作時，具有自動推理功能；同時，在每個操作步驟中，都有相應的提示信息，便于用戶做出正確的選擇。3.2 UG各功能模塊 UG的各功能是靠各功能模塊來實現(xiàn)的，有不同的功能模塊，來實現(xiàn)不同的用途，從而支持其強大

56、的Unigraphics 三維軟件。下面簡要介紹各常用模塊。1．UG/Gateway (入口) 提供一個Unigraphics基礎(chǔ)，UG/Gateway在一個易于使用的基于Motif環(huán)境中形成連接所有UG模塊的底層結(jié)構(gòu)，它支持關(guān)鍵操作，包括打開已存的UG部件文件，建立新的部件文件，繪制工程圖和屏幕布局以及讀入和寫出CGM等，也提供層控制，視圖定義和屏幕布局，對象信息和分析，顯示控制，存取“幫助”系統(tǒng)，隱藏/再現(xiàn)對象和實體和曲面模型的

57、著色。UG/Gateway包括一個沒有限制的高分率的繪圖儀許用權(quán)，模塊也提供一個現(xiàn)代化的電子表格應用，構(gòu)造和管理零件家族并操縱部件間表達式2． UG/Solid Modeling (實體建模)提供業(yè)界最強的復合建模功能，UG/Solid Modeling無縫地集成基于約束的特征建模和顯</p><p>　　6． UG/Drafting (制圖)U UG/Drafting建立與幾何模型相關(guān)的尺寸，確保在一模型

58、改變時，圖將被更新，減少圖更新所需的時間，視圖包括消隱線和相關(guān)的模截面視圖，當模型修改時也是自動地更新，自動的視圖布局能力提供快速的圖布局，包括正交視圖投射，截視圖，輔助視圖和細節(jié)視圖，UG/Drafting支持在主要業(yè)界制圖標準，利用由UG/Assenigly Modeling創(chuàng)建的裝配信息方便地建立裝配圖，包括快速地建立裝配分解視圖的能力，無論是制作一單一片圖或一多片細 節(jié)的裝配和組件工程圖，UG/Drafting減少工程圖生成的時

59、間和成本。7． UG/Assembly Modeling (裝配建模)提供一個并行的自頂一向下的產(chǎn)品開發(fā)方法，UG/Assemly Modeling的主模型可以在總裝配的上下文中設(shè)計和編輯，組件被靈活地配對或定位,并且是相關(guān)的改進了性能和減少存貯的需求，參數(shù)化地裝配建模提供為描述組件間配對關(guān)系和為規(guī)定共同的緊固件組和其它重復的零件的附加功能，結(jié)構(gòu)體系允許極大的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)由一設(shè)計隊伍來創(chuàng)建和共享，這個使隊伍成員繼續(xù)它們的工作與其它人并行

60、，部件的版本和 </p><p><b>　　3.3三維UG建模</b></p><p>　　3.31雙橫臂獨立懸架位置坐標</p><p>　　圖3-1雙橫臂獨立懸架空間結(jié)構(gòu)</p><p>　　表3-1主要空間鉸點坐標</p><p><b>　　前輪定位參數(shù)：</b>&

61、lt;/p><p>　　前輪外傾角: 主銷內(nèi)傾角:</p><p>　　主銷后傾角: 前束值:0-2</p><p>　　按上述數(shù)據(jù)建模和運動仿真分析，需對雙橫臂獨立懸架、車輪和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行如下簡化:</p><p>　　1.假設(shè)所有桿件全部為剛體，在車輪轉(zhuǎn)向及跳動和懸架

62、運動過程中不發(fā)生變形;</p><p>　　2.假設(shè)輪胎為剛體，不考慮其變形;</p><p>　　3.假設(shè)輪胎為一個圓形平面，不考慮其厚度;</p><p>　　4.假設(shè)球頭銷中心和與之相連接的銷孔為一個點，不考慮零件厚度;</p><p>　　5.假設(shè)所有桿件全部都為沒有厚度和寬度的空間線段。</p><p>　　

63、3.32.汽車雙橫臂懸架的建模</p><p>　　三維設(shè)計軟件的主要特征有：</p><p>　?、倏梢暬_零件設(shè)計?？梢匝杆賱?chuàng)建基礎(chǔ)零件的外型特征，易于添加常規(guī)通用的機械特征（例如孔，倒圓和倒角）。</p><p>　?、趶姶蟮难b配設(shè)計。通過施加約束和裝配關(guān)系采用拖放方式操作，使得零件裝配像搭積木一樣方便，對裝配、子裝配、零件、裝配特征、約束等進行管理，可以完

64、成裝配件爆炸、剖切、干涉檢查、運動仿真、最小間隙、物性計算、零件列表等。裝配同時支持“自頂而下”和“自下而上”的設(shè)計技術(shù)，既可使用傳統(tǒng)的技術(shù)完成裝配，也可以在裝配環(huán)境設(shè)計新的零件。三維軟件可將裝配件進行剖視，以便清晰地觀察裝配件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及內(nèi)部零件的裝配情況。三維設(shè)計軟件還可以創(chuàng)建爆炸圖，既可產(chǎn)生具有演示質(zhì)量的渲染圖像，也可方便的進行零件注釋，便于零件的生產(chǎn)，裝配，維修。</p><p>　　③生成工程圖?？梢匝?/p>

65、速將設(shè)計完成的三維零件和裝配件轉(zhuǎn)換為二維圖，能夠根據(jù)三維模型的尺寸，準確無誤地自動生成二維尺寸，并可靈活調(diào)整尺寸的種類和位置。只要二維裝配件的裝配關(guān)系正確，生成的二維工程圖就不會有尺寸上的錯誤。</p><p>　?、苤悄茕秩竞椭悄軇赢嫛ＴO(shè)計者在創(chuàng)建一個三維零件圖，可運用色彩，材質(zhì)，各種渲染技術(shù)達到逼真效果，還可以進行模擬仿真動畫。</p><p>　　UG采用基于特征和約束的建模技術(shù)，具

66、有交互建立和編輯復雜實體模型的能力，可以快速的進行概念設(shè)計和結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計。它為三維建模提供了多種不同的應用模塊，如實體建模，特征建模，自由曲面建模和自定義特征等。裝配是將產(chǎn)品的各個部件進行組織和定位操作的一個過程，通過配對條件在部件間建立約束關(guān)系來確定部件在產(chǎn)品中的位置。UG軟件采用虛擬裝配模式，即在裝配中，部件的三維模型是被裝配引用，而不是簡單的被復制到裝配圖中，其中運用引用集的思想簡化了模型信息。同時以主模型為基礎(chǔ)保持裝配部件的幾何

67、相關(guān)性，如果某部件被修改，則引用它的裝配部件會自動更新，以反映部件的最新變化。在UG中可采用自頂向下，自底向上或混合裝配的裝配方法，這里采用自底向上的方法。即由已建立的單個部件的三維模型逐級的進行組裝，最后組成裝配件。</p><p>　　創(chuàng)建的懸架模型中，包括主銷（kingpin）、上橫臂（UCA）、下橫臂（LCA）、拉臂（Pull_arm）、轉(zhuǎn)向拉桿（Tie_rod）、轉(zhuǎn)向節(jié)（Knuckle）、車輪（Whee

68、l）、以及測試平臺（Text_patch）。</p><p>　　首先設(shè)置新模型的工作環(huán)境，創(chuàng)建所需的9個設(shè)計點，然后完成主銷，上下橫臂，拉臂，轉(zhuǎn)向拉桿等物體的建立，完成模型的建立，</p><p>　　建立UG模型如圖3-2所示</p><p>　　圖3-2汽車雙橫臂UG模型</p><p>　　4 ADAMS軟件</p>

69、<p>　　4.1仿真軟件應用及發(fā)展</p><p>　　目前國內(nèi)外工程仿真軟件層出不窮，但各仿真軟件都有其各自應用的范圍應用的仿軟件主要有:</p><p><b>　　1 DADS軟件</b></p><p>　　比利時LMS的DADS支持機械系統(tǒng)的快速裝配、分析和優(yōu)化，并提供了功能虛擬機技術(shù)功能，可以為物理樣機試驗提供設(shè)計的裝配

70、特性、功能特性和可靠性的預測與校分析。在建模方面，提供的建模元素包括豐富的運動副庫、力庫、約束庫、控制元件庫、液壓元件庫、輪胎接口等。在分析方面，提供了裝配分析、運動學分析、正向動力學分析、逆向動力學分析、靜平衡分析、預載荷分析等6種分析功能。并且針對不同的需求，提了多種模塊，包括DADS舊asci(包括基本動力學仿真的建模、求解、后處理和動畫功能)、DADSS/tnadard(基本模塊加接觸分析、液壓與控制分析和用戶自定義子程序功能)

71、、DADS/Advnaecd(包括DADS加DADS舊xe，后者提供有限元分析接口)、DADS川1na(t供與控制系統(tǒng)軟件Easys、Matlba和Matrix禍合的動力學仿真)、DADS腳gine(發(fā)動機動力系統(tǒng)仿真)，以及接口模塊Catl/aDADS(與Catia接口)、DADSP/or(與Pro膽接口)、DADS八MS(與I一DEAS接口)。</p><p>　　2 Matlab軟件</p>

72、<p>　　Matlab由美國州叻JHWORKs開發(fā)，MATLAB是當今國際上科學界(尤其是自動制領(lǐng)域)最具影響力、也是最有活力的軟件。它起源于矩陣運算，并己經(jīng)發(fā)展成一種高集成的計算機語言。它提供了強大的科學運算、靈活的程序設(shè)計流程、高質(zhì)量的圖形可化與界面設(shè)計、便捷的與其他程序和語言接口的功能。MAfLAB語言在各國高校與研究位起著重大的作用。在歐美大學里，諸如應用代數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計、自動控制、數(shù)字信號處理、模擬與數(shù)字通信、時間序

73、列分析、動態(tài)系統(tǒng)仿真等課程的教科書都把M八TLAB作為內(nèi)容。在那里，州叭JLAB是攻讀學位的大學生、碩士生、博士生必須掌握的基本工具。</p><p>　　MATLAB主要應用于電學、自動控制、工程運算。它可以與其它機械系統(tǒng)仿真軟件(如DADS，ADAMS等)一起組成聯(lián)合仿真系統(tǒng)。</p><p>　　3 ADAMS軟件（19）</p><p>　　ADAMS(A

74、utmoatieDynamicAnalysisofMehcaniealSystem)軟件，是由美國機械動力司(MeehanicalDynmaieshi.c)開發(fā)的最優(yōu)秀的機械系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件，是世界上最具權(quán)威的，使用范圍最廣的機械系統(tǒng)動力學分析軟件。DAMS軟件的仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。</p><p>　　ADAMS一方面是機械系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件的應用

75、軟件，用戶可以運用該軟件非常方地對虛擬樣機進行靜力學、運動學和動力學分析。另一方面，又是機械系統(tǒng)動態(tài)仿真分開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進行特殊類型機械統(tǒng)動態(tài)仿真分析的二次開發(fā)工具平臺。</p><p>　　ADAMS軟件包括3個最基本的解題程序模塊:ADAMS朋ew(基本環(huán)境)、ADAMS</p><p>　　Sovler(求解器)和ADAMS/PosPto

76、recssor(后處理)。另外還有一些特殊場合應用的附加序模塊，例如:ADAMSC/ar(轎車模塊)、ADAMS瓜ali(機車模塊)、ADAMS/Driver(駕員模塊)、ADAMS/Tier(輪胎模塊)、ADAMS/Linear(線性模塊)、ADAMS沮xe(柔性模塊)、ADAMS/cnoort(sl控制模塊)、ADAMS/FEA(有限元模塊)、ADAMS似ydruahes(液壓塊)、ADAMs腸ehange(接口模塊)、Mehcan

77、ism壓ro(與pro/Engineer的接口模塊)、ADAMS偽衛(wèi)lmatnin(高速動畫模塊)等。</p><p>　　DADS與ADAMS同屬機械系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件，兩者的原理和功能相似。但ADAM軟件是專門針對汽車及懸架開發(fā)，在模擬和仿真汽車及懸架系統(tǒng)方面比其它的軟件方便多。</p><p>　　4.2 ADAMS軟件概述 </p><p>　　ADAMS (

78、Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)軟件，是由美國機械動力公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的最優(yōu)秀的機械系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件，是世界上最具權(quán)威性的，使用范圍最廣的機械系統(tǒng)動力學分析軟件。用戶使用ADAMS軟件，可以自動生成包括機-電-液一體化在內(nèi)的、任意復雜系統(tǒng)的多體動力學數(shù)字化虛擬樣機模型，能為用戶提供從產(chǎn)品概念設(shè)計、方案論證、詳細設(shè)計、到產(chǎn)品方案修改

79、、優(yōu)化、試驗規(guī)劃甚至故障診斷各階段、全方位、高精度的仿真計算分析結(jié)果，從而達到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量及競爭力的目的。。</p><p>　　ADAMS（7）一方面是機械系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件的應用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬樣機進行靜力學、運動學和動力學分析。另一方面，又是機械系統(tǒng)動態(tài)仿真分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進行特殊類型機械系統(tǒng)動態(tài)仿真分析的

80、二次開發(fā)工具平臺。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，工程師通過應用ADAMS軟件會收到明顯效果:</p><p>　　（1）.分析時間由數(shù)月減少為數(shù)日</p><p>　?。?）.降低工程制造和測試費用</p><p>　　（3）.在產(chǎn)品制造出之前，就可以發(fā)現(xiàn)并更正設(shè)計錯誤，完善設(shè)計方案</p><p>　?。?）.在產(chǎn)品開發(fā)過程中，減少所需的物理樣機數(shù)量&

81、lt;/p><p>　?。?）.當進行物理樣機測試有危險、費時和成本高時，可利用虛擬樣機進行分析和仿真。</p><p>　　（6）.縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期</p><p>　　ADAMS仿真分析結(jié)果的后處理，可以通過調(diào)用后處理模塊ADAMS/ PostProcessor來完成。ADAMS / PostProcessor:模塊具有相當強的后處理功能，它可以回放仿真結(jié)果，也可

82、以繪制各種分析曲線。除了可以直接繪制仿真結(jié)果曲線以外，ADAMS / PostProcessor還可以對仿真分析曲線進行一些數(shù)學和統(tǒng)計計算;可以輸入實驗數(shù)據(jù)繪制試驗曲線，并同仿真結(jié)果進行比較;可以進行分析結(jié)果曲線圖的各種編輯。</p><p>　　一般ADAMS分析功能如下：</p><p>　　(1)可有效地分析三維機構(gòu)的運動與力。例如可以利用ADAMS來模擬作用在輪胎上的垂直、轉(zhuǎn)向、陀

83、螺效應、牽引與制動、力與力矩;還可應用ADAMS進行整個車輛或懸架系統(tǒng)道路操縱性的研究。</p><p>　　(2)利用ADAMS可模擬大位移的系統(tǒng)。ADAMS很容易處理這種模型的非線性方程，而且可進行線性近似。</p><p>　　(3)可分析運動學靜定(對于非完整的束或速度約束一般情況的零自由度)系統(tǒng)。</p><p>　　(4)對于一個或多自由度機構(gòu)，ADAM

84、S可完成某一時間上的靜力學分析或某一時間間隔內(nèi)的靜力學分析。</p><p>　　DADS與ADAMS同屬機械系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件，兩者的原理和功能相似。但ADAMS軟件是專門針對汽車及懸架開發(fā)，在模擬和仿真汽車及懸架系統(tǒng)方面比其它的軟件方便得多。</p><p>　　4.2.1 多剛體動力學概述</p><p>　　對于汽車及懸架這樣的大型復雜的機械系統(tǒng)，很多構(gòu)件的運

85、動是大位移非線性的，在構(gòu)造動力學方程時，面臨復雜繁重的代數(shù)和微積分運算，由于方程的非線性和復雜性，很難求出其封閉解析解，在經(jīng)典的力學基礎(chǔ)上發(fā)展起來一個新的學科分支-多體動力學，它為解決這一問題提供了有力的工具。</p><p>　　多體動力學研究對象是多個剛體或彈性體用不同的運動副連接組成的復雜的機械系統(tǒng)，其主要研究任務(wù)是如何用計算機自動建立復雜的系統(tǒng)運動方程(一般是代數(shù)微分混合方程組，即DAES)，以及如何快速

86、準確地求解這些方程，以實現(xiàn)機械系統(tǒng)的運動學和動力學仿真，構(gòu)造虛擬樣機。在多體動力學發(fā)展過程中，一直將汽車動力學仿真作為主要的研究對象。</p><p>　　4.2.2 自由度[19]</p><p>　　機械系統(tǒng)的自由度表示機械系統(tǒng)中各構(gòu)件相對于地面機架所具有的獨立運動數(shù)量。機械系統(tǒng)的自由度與構(gòu)成機械的構(gòu)件數(shù)量、運動副的類型和數(shù)量、原動機的類型和數(shù)量、以及其他約束條件有關(guān)。例如:.一個在3

87、維空間自由浮動的剛體有6個自由度;一個圓柱副約束了兩個移動和兩個轉(zhuǎn)動，共提供了4個約束條件。</p><p>　　表2 ADAMS常用的運動副及自由度約束數(shù)</p><p>　　機械系統(tǒng)的自由度DOF可以用下式計算:</p><p>　　式中:n—活動構(gòu)件總數(shù);</p><p>　　pj,m---第i個運動副的約束條件數(shù)，運動副總數(shù);<

88、/p><p>　　qi, x--第j個原動機的驅(qū)動約束條件數(shù)，原動機總數(shù):</p><p>　　Rk—其他的約束條件數(shù)。</p><p>　　機械系統(tǒng)的自由度DOF和原動機的數(shù)量與機械系統(tǒng)的運動特性有著密切的關(guān)系，在ADAMS軟件中，機構(gòu)的自由度決定了該機構(gòu)的分析類型:運動學分析或動力學分析。</p><p>　　當DOF=0時，對機構(gòu)進行運動學

89、分析，即僅考慮系統(tǒng)的運動規(guī)律，而不考慮產(chǎn)生運動的外力。在運動學分析中，當某些構(gòu)件的運動狀態(tài)確定后，其余構(gòu)件的位移、速度和加速度隨時間變化的規(guī)律，不是根據(jù)牛頓定律來確定的，而是完全由機構(gòu)內(nèi)構(gòu)件間的約束關(guān)系來確定，是通過位移的非線性代數(shù)方程與速度、加速度的線性代數(shù)方程迭代運算解出。</p><p>　　當DOF>0時，對機構(gòu)進行動力學分析，即分析其運動是由于保守力和非保守力的作用而引起的，并要求構(gòu)件運動不僅滿足

90、約束要求，而且要滿足給定的運動規(guī)律。它又包括靜力學分析、準靜力學分析和瞬態(tài)動力學分析。動力學的運動方程就是機構(gòu)中運動的拉格朗日乘子微分方程和約束方程組成的方程組。</p><p>　　當DOF<0時，屬于超靜定問題，ADAMS無法解決。</p><p>　　在計算機械系統(tǒng)自由度時應注意以下一些特殊問題:</p><p>　　(1)復合鉸鏈兩個以上的構(gòu)件同在一處

91、以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)接，構(gòu)成了所謂復合鉸鏈。當有m個構(gòu)件(包括固定構(gòu)件)以復合鉸鏈相聯(lián)接時，其轉(zhuǎn)動副的數(shù)目應為(m-1)個。</p><p>　　(2)局部自由度與機械系統(tǒng)中需要分析的構(gòu)件運動無關(guān)的自由度稱為局部自由度。在計算機械系統(tǒng)自由度時，局部自由度可以除去不計。</p><p>　　(3)虛約束起重復限制作用的約束稱為虛約束，因此，虛約束又稱為多余約束。虛約束常出現(xiàn)于下列情況中:</p

92、><p>　　1)軌跡重合。如果機構(gòu)上有兩構(gòu)件用轉(zhuǎn)動副相聯(lián)接，而兩構(gòu)件上聯(lián)接點的軌跡相重合，則該聯(lián)接將帶入虛約束。在機構(gòu)運動過程中，當不同構(gòu)件上兩點間的距離保持恒定時，用一個構(gòu)件和兩個轉(zhuǎn)動副將此兩點相聯(lián)，也將帶入虛約束。</p><p>　　2)轉(zhuǎn)動副軸線重合。當兩構(gòu)件構(gòu)成多個轉(zhuǎn)動副且其軸線互相重合，這時只有一個轉(zhuǎn)動副起約束作用，其余轉(zhuǎn)動副都是虛約束。</p><p>

93、　　3)移動副導路平行。兩構(gòu)件構(gòu)成多個移動副且其導路互相平行，這時只有一個移動副起約束作用，其余轉(zhuǎn)動副都是虛約束。</p><p>　　4)機構(gòu)存在對運動重復約束作用的對稱部分。在機械系統(tǒng)中，某些不影響機構(gòu)運動傳遞的重復部分所帶入的約束也為虛約束。虛約束的存在雖然對機械系統(tǒng)的運動沒有影響，但引入虛約束后不僅可以改善機構(gòu)的受力情況，還可以增加系統(tǒng)的剛性，因此在機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中得到較多使用。</p>&

94、lt;p>　　但是，計算機在求解運動方程組時，不應有虛約束(即:相關(guān)方程)的存在。因此，計算機進行機械系統(tǒng)運動分析時，程序?qū)⒆詣拥夭檎姨摷s束，如果機械模型中有虛約束存在，計算機會隨機地將多余的虛約束刪除。這種處理方法使得計算結(jié)果同實際情況有所不同，而且可能出現(xiàn)多組解。</p><p><b>　　4.2.3 坐標系</b></p><p>　　ADAMS采用了兩

95、種直角坐標系:總體坐標系和局部坐標系，它們之間通過關(guān)聯(lián)矩陣相互轉(zhuǎn)換?？傮w坐標系是固定坐標系，它不隨任何機構(gòu)的運動而運動。它是用來確定構(gòu)件的位移、速度、加速度等的參考系。局部坐標系因定在構(gòu)件上，隨構(gòu)件一起運動。構(gòu)件在空間內(nèi)運動時，其運動的線物理量(如線位移、線速度、線加速度等)和角物理量(如角速度、角位移、角加速度)都可由局部坐標系相對于總體坐標系移動、轉(zhuǎn)動時的相應物理量確定。而約束方程表達式均由相連接的兩構(gòu)件的局部坐標系的坐標描述。&l

96、t;/p><p>　　4.3 應用ADAMS軟件分析步驟</p><p>　　具體到研究汽車系統(tǒng)動力學，建立車輛仿真模型時，一般遵循以下</p><p>　　幾個典型的基本步驟:</p><p>　　1.機械系統(tǒng)的物理抽象。</p><p>　　2.獲取模型的運動學(幾何定位)參數(shù)，建立抽象系統(tǒng)的運動部件、約束，從而建立運

97、動學模型。校驗模型的自由度及正確性。</p><p>　　3.獲得模型的動力學參數(shù)，定義模型中部件、鉸鏈與彈性元件及外界條件，如道路模型、空氣阻力等的特性，建立動力學模型。</p><p>　　4.對動力學模型進行調(diào)整與仿真計算。</p><p>　　5.對仿真計算結(jié)果進行后處理。</p><p>　　為使仿真分析能夠較順利的進行，應采取以下

98、的分析技巧:</p><p>　　1)應該采取漸進的，從簡單分析逐步發(fā)展到復雜的機械系統(tǒng)分析的分析策略。</p><p>　?、僭谧畛醯姆抡娣治鼋r，不必過分追求構(gòu)件幾何形體的細節(jié)部分同實際構(gòu)件完全一致，因為這往往需要花費大量的幾何建模時間，而此時的關(guān)鍵是能夠順利地進行仿真并獲得初步結(jié)果。從程序的求解原理來看，只要仿真構(gòu)件幾何形體的質(zhì)量、質(zhì)心位置、慣性矩和慣性積同實際構(gòu)件相同，仿真結(jié)果是

99、等價的。待獲得滿意的仿真分析結(jié)果以后，再完善構(gòu)件幾何形體的細節(jié)部分和視覺效果。</p><p>　　②如果樣機模型中含有非線性的阻尼，可以先從分析線性阻尼開始，待線性阻尼分析順利完成后，再改為非線性阻尼進行分析。</p><p>　　2)在進行較復雜的機械系統(tǒng)仿真時，可以將整個系統(tǒng)分解為若干個子系統(tǒng)，先對這些子系統(tǒng)進行仿真分析和試驗，逐個排除建模等仿真過程中隱含的問題，最后進行整個系統(tǒng)的仿

100、真分析試驗。</p><p>　　3)在設(shè)計虛擬樣機時，應該盡量減小機械系統(tǒng)的規(guī)模，僅考慮影響樣機性能的構(gòu)件。</p><p>　　4.4 在ADAMS中前輪定位參數(shù)的測定</p><p>　　為保證汽車穩(wěn)定的直線行駛，應使轉(zhuǎn)向輪具有自動回正作用。就是當轉(zhuǎn)向輪在偶遇外力(如碰到石塊)作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，在外力消失后，應能立即自動回到直線行駛的位置。這種自動回正作用是由轉(zhuǎn)

101、向輪定位參數(shù)來保證實現(xiàn)的。這些定位參數(shù)有:主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角和前輪前束.</p><p>　　4.4.1 主銷后傾角[23]γ </p><p>　　主銷后傾角γ形成回正的穩(wěn)定力矩，當主銷具有后傾角γ時，主銷軸線與路面交點A將位于車輪與路面接觸點B的前面，如圖4-1所示。當汽車直線行駛時，若轉(zhuǎn)向輪偶然受到外力作用而稍有偏轉(zhuǎn)(例如向右偏轉(zhuǎn)如圖中箭頭所示)，將使汽車行駛方向向右

102、偏離。這時由于汽車本身離心力的作用，在車輪與路面接觸點B處，路面對車輪作用著一個側(cè)向反作用力Y。反力Y對車輪形成繞主銷軸線作用的力矩Yl，其方向正好與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反。在此力矩作用下，將使車輪回復到原來中間的位置，從而保證了汽車穩(wěn)定的直線行駛。故此力矩稱為穩(wěn)定力矩。但此力矩也不宜過大，否則在轉(zhuǎn)向時為了克服此穩(wěn)定力矩，駕駛員須在轉(zhuǎn)向盤上施加較大的力(即所謂轉(zhuǎn)向盤沉重，因穩(wěn)定力矩的大小，取決于力臂的數(shù)值，而力臂又取決于后傾角γ的大小。因此為

103、不使轉(zhuǎn)向盤沉重，主銷后傾角γ不宜過大，現(xiàn)在一般采用的γ角不超過2030?，F(xiàn)代高速汽車由于輪胎氣壓降低彈性增加，而引起穩(wěn)定力矩增加，因此，Y角可以減小到接近于零，甚至為負值。</p><p>　　圖4-1主銷后傾角γ</p><p>　　在ADAMS里，是用主銷軸線單位矢量在X軸及Y軸的方向投影計算主銷后傾角γ的。</p><p>　　Sx= Steer—axis*

104、road—X—Axis(即轉(zhuǎn)向軸或主銷軸在路面X方向的投影)</p><p>　　Sy=Steer—axis*road—Z—Axis(即轉(zhuǎn)向軸或主銷軸在路面Y方向的投影)</p><p>　　γ =arctan(SX/Sy)</p><p>　　4.4.2 主銷內(nèi)傾角β</p><p>　　主銷內(nèi)傾角β是指在汽車的橫向平面內(nèi)，主銷上部向內(nèi)傾斜

105、的角度。如圖4-2所示，主銷內(nèi)傾角也就是轉(zhuǎn)向節(jié)軸線EG在汽車橫向平面內(nèi)與一個鉛垂線的夾角。主銷偏移距γs減小，從而可減少轉(zhuǎn)向時駕駛員加在轉(zhuǎn)向盤上的力，使轉(zhuǎn)向操縱輕便，同時也可減少從轉(zhuǎn)向輪傳到轉(zhuǎn)向盤上的沖擊力。但內(nèi)傾角不宜過大，也就是主銷偏移距γs不宜過小，否則在轉(zhuǎn)向時，車輪饒主銷偏轉(zhuǎn)的過程中，輪胎與路面間產(chǎn)生較大的滑動，因而增加了輪胎和路面間的摩擦阻力，加速了輪胎的磨損。主銷內(nèi)傾角也有車輪自動回正的作用。從圖4-2可以看出主銷內(nèi)傾角引起

106、的車輪自動回正作用。</p><p>　　圖4-2主銷內(nèi)傾角和車輪外傾角</p><p>　　將作用在車輪接地點Fn移至車輪軸線方向和其垂直方向分解成：Fncosσ和Fnsinσ。轉(zhuǎn)彎時，垂直力分量Fnsinσ產(chǎn)生回正力矩：MSZ = Fnsinσsinδ*γn，見圖4-3左，其中γn = （γS +γdyntgσ）cosσ, γdyn = 滾動半徑，這里的γS指的是主銷偏移距離。<

107、;/p><p>　　它也是一個車輪定位參數(shù)?？梢姡麂N偏移距[22]γS對轉(zhuǎn)向回正力矩M的大小有影響，γS大，轉(zhuǎn)向回正能力加強；若取值較小或者甚至為負值，轉(zhuǎn)向回正力矩變小。但過大的主銷偏移距離卻對汽車的制動穩(wěn)定性不利。這是因為當一根車橋的兩個車輪的制動力矩大小不同時，如圖 4-3左圖所示，假設(shè)左前輪出現(xiàn)較右前輪大的制動力Fbvr，左右兩個車輪的制動力差為MSZ = Fbv -Fbl,此外，它還引起了轉(zhuǎn)向力矩MSb =