毕业设计我帮你

基于ADAMS的汽车悬架系统仿真分析与优化

摘要

汽车悬挂结构的设计能够直接对车轮定位参数造成影响，同时其对汽车行驶的平顺性，操稳性以及安全性都具有非常重要的作用。若车轮定位参数设计不够理想，那么不仅会加剧汽车轮胎的磨损，更会威胁汽车行驶的安全。

本文以虚拟样机软件MSC.ADAMS 2014的CAR模块为依托，针对某小型轿车的前麦弗逊式独立悬挂结构并不能使该型车具有良好的车轮定位参数的问题，通过对悬挂机构零部件进行简化分析，计算分析出了前麦弗逊独立悬架零部件之间的约束以及其空间自由度。同时根据该车型的关键硬点数据在ADAMS/CAR中建立了带有测试台的前悬挂总成虚拟样机模型。通过对样机模型的仿真分析我们得出该车型主销内倾角在车轮振动的过程中并不能在理想的范围内变化。

通过对影响车轮定位参数的主要七个硬点坐标的X、Y、Z三个方向的21个因子进行各个因子对各个定位参数的灵敏度分析，得出对主销内倾角影响较大而对其他定位参数影响较小的两个设计变量。之后经过修正这两个硬点坐标，并对比分析优化前后车轮定位参数随轮跳的变化曲线发现车轮定位参数得到了优化。

本文以虚拟样机软件为依托对悬挂结构进行了优化分析，较相比于传统的建立汽车物理样机实体模型而言节省了巨大的人力和物力，因而本文解决的问题具有十分重要的现实意义。

关键词：麦弗逊式悬架，虚拟样机，ADAMS/CAR，车轮定位参数，优化仿真

 

目录

1 绪论 1

1.1 论文研究的背景及意义 1

1.2 研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 本课题的主要任务 2

2 多体系统动力学及虚拟样机技术 4

2.1 多体系统动力学研究方法 4

2.2 虚拟样机技术与ADAMS软件 5

3 前悬架虚拟样机模型的建立 6

3.1 麦弗逊式悬架结构分析 6

3.2  ADAMS/CAR建模原理 6

3.2.1  ADAMS/CAR中模型的拓扑结构 6

3.2.2 建模步骤 7

3.3 麦弗逊式独立悬架建模 8

3.4本章小结 13

4 前悬架仿真分析 14

4.1 设置仿真参数 14

4.2 双轮同向跳动仿真与分析 16

4.3 双轮反向跳动仿真与分析 20

4.4 单轮跳动工况分析 22

4.5 本章小结 25

5 麦弗逊式悬架优化设计 26

5.1 参数化分析方法介绍 26

5.2 麦弗逊式悬架试验设计 26

5.3 车轮定位参数优化设计 32

5.4 本章小结 34

6 结论与展望 36

参考文献 37

致谢 39

 

1．选题依据：

悬架是现代汽车的重要组成之一，是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并减少由此引起的震动，以保证汽车能平顺地行驶[1]。

一、论文的背景、目的和意义

悬架是影响汽车性能的主要指标之一，悬架系统汽车自问世以来一直备受关注，人们对汽车性能的要求也越来越高，而汽车悬架系统直接影响汽车的平顺性、操纵稳定性和乘车的舒适性。汽车在行驶时，当路面的不平度激起汽车的振动达到一定程度时，将使乘客感到不舒适或运载货物的损坏。同时，由于车轮与路面之间的动载荷还会影响到车轮的附着效应，因而也会影响到汽车的操纵性、安全性及对路面的破坏。另外，悬架性能还会引起车身姿态发生变化（侧倾或俯仰），也会影响行车的安全和使乘客感到不舒适[2]。因此，研究汽车振动，将振动控制在最低水平，对改善车辆的行驶平顺性、操纵稳定性都具有非常重要的意义[2][3]。

衡量悬架性能好坏的主要指标是汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，但这两个方面是相互排斥的性能要求，不能同时满足。怎样在二者之间取得合理的平衡以达到最好的效果，一直是工程技术人员研究的课题[4]。

传统的汽车设计主要采用实验评价的方法，需经过反复样车试制与试验，设计周期较长，不仅花费大量人力、物力和财力，而且有些试验因其危险性而难以进行。ADAMS作为虚拟样机技术的代表性软件，是汽车产品性能分析的有力工具。利用ADAMS软件，用户可以建立并测试包括选件、轮胎和转向机构在内的整车模型，可以在屏幕上模拟汽车的运功状态，显示重要参数的图形曲线；计算机可以在不同道路状态下使其虚拟样机完成各种试验，从而在制造物理样机之前就可以更准确的预测到整车操纵稳定性、行驶平顺性和其他性能参数。这样就可以减少试制和试验的次数，在产品开发阶段，节省大量人力、物力和财力，缩短设计周期[5]。

本次毕业设计题目的应用意义在于通过ADAMS软件对汽车悬架系统进行仿真分析，初步掌握利用计算机辅助设计悬架的方法，可以为现有的和新设计的车辆提供一个快速而又经济的设计计算汽车悬架性能的方法和工具。可以直观地查看、显示悬架系统各个参数对汽车性能的影响并且合理调整这些参数达到最优的设计方案。能在很短的时间内对设计方案进行计算，并且为使用者提供了较为简单方便的应用方式。

二、国内外研究现状

2.1 国内研究现状

悬架的运动特性仿真技术在国内外已经很成熟。随着上世纪60年代多刚体系统动力学只是的产生并日趋成熟，它已经广泛应用于悬架系统仿真。其一般做法是建立刚体运动方程，建立所需描述对象的函数表达式，再通过编程来实现仿真。在国内，研究单位主要集中在高校、企业，主要有：

1. 吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室[11]

（1）运用ADAMS/Car软件建立了某皮卡车双横臂独立悬架模型，在理论验证的基础上揭示了该悬架的运动规律。通过实验证明：将下控制臂与车架前安装点下调20mm，可使悬架的抗点/抬头性能、悬架刚度和侧倾角刚度得到明显改善。

（2）针对车辆动力学实时仿真的要求提出一种新的建模方法，将悬架系统视为车身与车轮之间的无质量复合约束，基于这个概念建立了动力学、运动学和静力学自由度完全独立的汽车整车多刚体动力学模型，并将仿真结果和道路试验及ADAMS软件仿真结果进行了对比，有较好的一致性，与基于侧倾力矩中心理论建立的车辆实时仿真模型相比，利用该方法建立的模型面向车辆具体结构，可分析车辆内部作用力，并能更准确地描述悬架在水平方向的导向作用。与应用传统多刚体动力学理论建立的模型相比，该方法解决了车辆模型仿真实时性的问题。

（3）根据图论理论推导出整车及悬架系统运动学、动力学关系式，并编制出相应软件。在将多刚体理论应用于汽车动力学研究方面进行了开拓性工作，研究成果据国内领先水平[11]。

2.汽车悬架系统计算机辅助设计——方锡邦、王其东等，安徽省科技进步三等奖

（1）应用机械系统动力学分析软件ADAMS软件建立整车及悬架系统数学模型、生成整车和悬架系统虚拟样机，模拟生成不同路面，以不同车速对整车和悬架系统进行运动学和动力学仿真，预测其基本性能。

（2）根据确定的目标函数和约束条件，优选出悬架特性参数，在此基础上确定悬架系统配置形式，进行各部件结构优化设计，并应用ANSYS/LS-DANA软件进行有限元非线性分析[12]。

2.2国外研究现状

在德国宇航中心（DLR）由INTEC公司和世界领先的汽车公司共同开发的SIMPACKAutomotive+模块。Automotive+SIMPACK的附加模块，用户可以通过该模块专用数据库快速便捷地建立准确的车辆模型。SIMPACK采用开放式模型结构，模型中每个零件或子结构都可以针对分析内容方便地进行修改。在SIMPACK中，通过零件和子结构建模可以快速地建立汽车摩托车、卡车模型，并进行高速、高精度的求解。主要特点有：车辆零件预定义的子结构，全参数化驱动，零件和整车运动性能仿真。不同仿真置信度的车辆模型，是世界上精度最高的仿真结果，与SIMPACK的其他模块完全兼容。可以对悬架进行运动学分析、弹性运动学分析、机械振动（频变特性零件等）、柔性零件（钢板弹簧等[13]。

综上所述，在以往对悬架系统的研究中，大量的使用了虚拟样机技术，大大缩短了研究汽车悬架性能研发周期，对于提高企业效益具有十分重要的现实意义。本设计也将已汽车行驶的平顺性为平价指标，采用虚拟样机仿真软件ADAMS对汽车悬架基本参数进行仿真与优化，进而改善汽车行驶的平顺性。

２．研究方案：

一、研究及解决问题

1、掌握悬架系统的工作原理、结构和特性；

2、学习多体系动力学理论

3、学习ADAMS软件相关操作

4、掌握汽车行驶平顺性评价指标

5、用ADAMS软件完成汽车悬架系统仿真分析与优化

二、研究的方法和途径

ADAMS软件作为世界上使用最广泛的多体动力学（MBD）软件，Adams 可帮助工程师研究运动部件的动力学特性以及在整个机械系统内部荷载和作用力的分布情况。利用ADAMS软件对汽车悬架系统能进行匹配计算分析[16]。

本设计将于汽车行驶平顺性为平价指标，利用ADAMS对悬架进行运动学仿真，反复修改与优化参数，以达到较好的要求；对悬架结构参数进行优化，找出悬架结构参数的最佳匹配，达到改善汽车平顺性的最终目的[9][10]。本设计主要途径有以下几部分组成。

1、检索相关资料文献，掌握掌握轿车平顺性的评价指标及参数选择的原则； 

2、根据任务数据对轿车进行平顺性能总体计算分析；· 

3、学习利用AutoCAD，用AutoCAD绘制出悬架主要零件图及装配图一套。

4、学习并利用ADAMS高效优化仿真软件对汽车悬架进行仿真。

5、检索相关文献资料，熟悉汽车悬架系统优化方法。

 

三、设计的工作进度

2月15日 ～ 3月10日    查阅背景资料、翻译资料、撰写开题报告，参加答辩；

3月10日 ～ 4月20日    对悬架系统进行分析，匹配参数，写出书面总结；

4月21日 ～ 5月10日    悬架系统仿真优化，写出书面总结；

5月11日 ～ 5月20日    绘制出悬架系统主要零件图1套；

5月21日 ～ 5月31日    毕业设计说明书的撰写及任务书要求的其它内容；

6月01日 ～ 6月10日    图纸、设计说明书的整理、修改与打印；

6月11日                 论文答辩；

 

参考文献

[1] 陈家瑞.汽车构造(下册)[M].第三版.北京：机械工业出版社.2009:199

[2] 余志生.汽车理论[M].第五版.北京：机械工业出版社.2009:212

[3] 王望予.汽车设计[M].第四版.北京：机械工业出版社.2007:174

[4] 唐传茵，张大千.车辆动力学基础[M].辽宁：东北大学出版社. 2011:55

[5] 陆军.MSC.ADAMS技术与工程分析实例[M]. 中国水利水电出版社.2008:111

[6] 潘公宇.汽车振动学基础及其应用[M].北京：北京大学出版社. 2013

[7] (德)耶尔森•赖姆帕尔著;李旭东译.汽车悬架[M].北京：机械工业出版社. 2013

[8] 崔胜民.汽车系统动力学与仿真[M].北京：北京大学出版社. 2014

[9] 刘成武,陈智强. 基于ADAMS 的汽车悬架系统仿真分析与优化[J]. 福建工程学院学报, 2012, 10(3): 241-244.

[10] 汪随风,刘竞一,邓日青. 基于ADAMS的双横臂独立悬架的仿真分析及优化设计[J]. 湖北汽车工业学院学报, 2007, 21(2): 12-15.

[11] 乔明侠.基于多体动力学的汽车平顺性仿真分析及悬架参数优化[D].硕士学位论文.安徽：合肥工业大学车辆工程系,2005

[12] 李文胜.基于ADAMS的汽车悬架系统的仿真分析与参数优化设计[D]. 硕士学位论文.吉林：长春工业大学车辆工程系,2008

[13] 孙明浩.基于ADAMS/CAR的汽车悬架优化与操纵稳定性仿真研究[D]. 硕士学位论文.辽宁:辽宁工业大学,2014

[14] Mahmoodi-Kaleibar M, Javanshir I, Asadi K, et al. Optimization of suspension system of off-road vehicle for vehicle performance improvement[J]. Journal of Central South University, 2013, 20(4): 902-910.

[15] 程耀东,李培玉.机械振动学[M].浙江大学出版社.2011

[16] 顾林,朱跃.车辆底盘建模与分析[M].北京大学出版社.2014:164-165