基于UGADAMS的汽車懸架三維建模及分析

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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 第1章 緒 論 隨著人們對汽車性能要求的提高，汽車動力學(xué)仿真越來越引起人們的重視。然而要得到精確的數(shù)學(xué)模型，必須考慮盡可能多的零件的運動，這樣，可以得到詳細(xì)的動力學(xué)方程，但復(fù)雜的模型又給求解帶來巨大的困難，并且往往得不到正確的結(jié)果。因此，通過實驗和人為的方法把汽車各子系統(tǒng)加以簡化，抽取出能夠代表系統(tǒng)或總成特性的本質(zhì)，建立起較簡單的數(shù)學(xué)模型。 汽車計算機仿真模型須滿足以下要求：第一模型必須有足夠高的計算效率；第二模型必須真實的模擬汽車特性。ADAMS在汽車動力學(xué)研究領(lǐng)域中，是一個較好的工具，所以本論文采用ADAMS與UG建模相結(jié)合的方法，對汽車懸架進(jìn)行建模及分析。 1.1汽車懸架技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 m 1— 簧下質(zhì)量　m 2—車身質(zhì)量　k1、k2—隔振彈簧　c—阻尼器 u—作動器　l—輪胎 圖1.1　三種懸架的模型圖 完美是人類永恒的追求。在馬車出現(xiàn)的時候, 為了乘坐更舒適, 人類就開始對馬車的懸架（葉片彈簧）進(jìn)行孜孜不倦的探索。在1776 年，馬車用的葉片彈簧取得了專利, 并且一直使用到20 世紀(jì)30 年代葉片彈簧才逐漸被螺旋彈簧代替[1]。 汽車誕生后,隨著對懸架技術(shù)研究的深入，相繼出現(xiàn)了扭桿彈簧、氣體彈簧、橡膠彈簧、鋼板彈簧等彈性件，1934 年世界上出現(xiàn)了第一個由螺旋彈簧組成的被動懸架。 被動懸架的模型如圖1.1(a) 所示，被動懸架的參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗或優(yōu)化設(shè)計的方法確定, 在行駛過程中路況保持不變，很難適應(yīng)各種復(fù)雜路況，減振的效果較差。為了克服這種缺陷，采用了非線性剛度彈簧和車身高度調(diào)節(jié)的方法，該方法雖然有一定成效，但無法根除被動懸架的弊端。被動懸架主要應(yīng)用于中低檔轎車上，現(xiàn)代轎車的前懸架一般采用帶有橫向穩(wěn)定桿的麥弗遜式懸架，比如桑塔納、夏利、賽歐等車，后懸架的選擇較多，主要有復(fù)合式縱擺臂懸架和多連桿懸架。被動懸架是傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，剛度和阻尼都是不可調(diào)的，依照隨機振動理論，它只能保證在特定的路況下達(dá)到較好效果，但它的理論成熟、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，成本相對低廉且不需額外能量，因而應(yīng)用最為廣泛，在我國現(xiàn)階段，仍然有較高的研究價值。 1、被動懸架性能的研究主要集中在三個方面： （1）通過對汽車進(jìn)行受力分析后，建立數(shù)學(xué)模型，然后再用計算機仿真技術(shù)或有限元法尋找懸架的最優(yōu)參數(shù)； （2）研究可變剛彈簧和可變阻尼的減振器，使懸架在絕大部分路況上保持良好的運行狀態(tài)； （3）研究導(dǎo)向機構(gòu)，使汽車懸架在滿足平順性的前提下，穩(wěn)定性有大的提高。 被動懸架在一定的時間內(nèi)仍將是應(yīng)用最廣泛的懸架系統(tǒng)，通過進(jìn)一步優(yōu)化懸架結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以繼續(xù)提升懸架性能。 半主動懸架的研究工作開始于1973年，由D.A.Cro sby 和D.C. Karnopp 首先提出，模型如1.1(b)。半主動懸架以改變懸架的阻尼為主，一般較少考慮改變懸架的剛度。工作原理是根據(jù)彈簧上質(zhì)量相對車輪的速度響應(yīng)、加速度響應(yīng)等反饋信號，按照一定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)彈簧的阻尼力或者剛度，半主動懸架產(chǎn)生力的方式與被動懸架相似，但其阻尼或剛度系數(shù)可根據(jù)運行狀態(tài)調(diào)節(jié)，這和主動懸架極為相似，有級式半主動懸架是將阻尼分成幾級， 阻尼級由駕駛員根據(jù)“路感”選擇或由傳感器信號自動選擇，無級式半主動懸架根據(jù)汽車行駛的路面條件和行駛狀態(tài)，對懸架的阻尼在幾毫秒內(nèi)由最小到最大進(jìn)行無級調(diào)節(jié)。由于半主動懸架結(jié)構(gòu)簡單，工作時不需要消耗車輛的動力，而且可取得與主動懸架相近的性能，具有很好的發(fā)展前景[2] 。 2、半主動懸架的研究集中在執(zhí)行策略的研究和執(zhí)行器的研究兩個方面。 阻尼可調(diào)減振器主要有兩種，一種是通過改變節(jié)流孔的大小調(diào)節(jié)阻尼，一種是通過改變減振液的粘性調(diào)節(jié)阻尼，節(jié)流孔的大小一般通過電磁閥或步進(jìn)電機進(jìn)行有級或無級的調(diào)節(jié)。這種方法成本較高， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過改變減振液的粘性來改變阻尼系數(shù)， 具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、無噪音和沖擊等特點，因此是目前發(fā)展的主要方向。在國外，改變減振液粘性的方法主要有電流變液體和磁流變液體兩種。北京理工大學(xué)的章一鳴教授進(jìn)行了阻尼可調(diào)節(jié)半主動懸架的研究，林野進(jìn)行了懸架自適應(yīng)調(diào)節(jié)的控制決策研究，哈工大的陳卓如教授對車輛的自適應(yīng)控制方面進(jìn)行了研究，執(zhí)行策略的研究是通過確定性能指標(biāo)，然后進(jìn)行控制器的設(shè)定。目前,模糊控制在這方面應(yīng)用較多[3]。 隨著道路交通的不斷發(fā)展，汽車車速有了很大的提高，被動懸架的缺陷逐漸成為提高汽車性能的瓶頸，為此人們開發(fā)了能兼顧舒適和操縱穩(wěn)定的主動懸架。主動懸架的概念是1954年美國通用汽車公司在懸架設(shè)計中率先提出的，主動懸架的模型如圖1.1(c)所示。它是在被動懸架的基礎(chǔ)上，增加可調(diào)節(jié)剛度和阻尼的控制裝置，使汽車懸架在任何路面上保持最佳的運行狀態(tài)?？刂蒲b置通常由測量系統(tǒng)、反饋控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等組成。20世紀(jì)80年代，世界各大著名的汽車公司和生產(chǎn)廠家競相研制開發(fā)這種懸架，豐田、洛特斯、沃爾沃、奔馳等在汽車上進(jìn)行了較為成功的試驗。1982年，瑞典的Volvo公司在Volvo740轎車上安裝了Lotus全主動懸架；三菱汽車公司也生產(chǎn)了能調(diào)節(jié)車身高度和改變阻尼的全主動懸架系統(tǒng)；日產(chǎn)汽車公司獨立開發(fā)了液壓全主動懸架系統(tǒng)。裝置主動懸架的汽車，即使在不良路面高速行駛時，車身非常平穩(wěn)，輪胎的噪音小，轉(zhuǎn)向和制動時車身保持水平，特點是乘坐非常舒服，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高,成本昂貴，可靠性存在問題。 3、主動懸架研究也集中在可靠性和執(zhí)行器兩個方面。 由于主動懸架采用了大量的傳感器、單片機、輸出輸入電路和各種接口，元器件的增加降低了懸架的可靠性，所以加大元件的集成程度,是一個不可逾越的階段。執(zhí)行器的研究主要是用電動器件代替液壓器件，氣動力系統(tǒng)中的直線伺服電機和永磁直流直線伺服電機具有較多的優(yōu)點，今后將會取代液壓執(zhí)行機構(gòu)運用電磁蓄能原理，結(jié)合參數(shù)估計自校正控制器，可望設(shè)計出高性能低功耗的電磁蓄能式自適應(yīng)主動懸架，使主動懸架由理論轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用，技術(shù)的每次跨越，都和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展密切相關(guān)，計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)制造技術(shù)、運動仿真等為懸架的進(jìn)一步發(fā)展提供了有力的保障，懸架的發(fā)展也給相關(guān)學(xué)科提出更高的理論要求，使人類的認(rèn)識邁向新的、更高的境界。 我國對半主動和主動懸架的研究方面起步較晚，與國外的差距大。同時由于半主動和主動懸架技術(shù)復(fù)雜、生產(chǎn)成本高等原因，我國的絕大部分汽車采用被動懸架。在西方發(fā)達(dá)國家，半主動懸架在20世紀(jì)80年代后期趨于成熟,福特公司和日產(chǎn)公司首先在轎車上應(yīng)用，取得了較好的效果，主動懸架雖然提出早，但由于控制復(fù)雜，并且牽涉到許多學(xué)科，一直很難有大的突破。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，僅應(yīng)用于排氣量大的豪華汽車，未見國內(nèi)汽車產(chǎn)品采用此技術(shù)的報道，只有北京理工大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)等少數(shù)幾個單位對主動懸架展開研究[4]。 1.2課題的研究目的和意義 懸架系統(tǒng)對整車行駛力學(xué)（如操縱穩(wěn)定性、行駛平順性等）有舉足輕重的影響，是汽車總布置設(shè)計、運動校核的重要內(nèi)容之一，由于汽車懸架系統(tǒng)是比較復(fù)雜的空間機構(gòu)，這些就給運動學(xué)、動力學(xué)分析帶來較大的困難。人們采用不同的途徑或手段對其進(jìn)行分析研究，包括試驗、簡化成理想約束條件下的機構(gòu)分析。過去多用簡化條件下的圖解法和分析計算法對汽車懸架和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的運動學(xué)及動力學(xué)性能進(jìn)行分析仿真。所得的結(jié)果誤差較大，并且費時費力。隨著計算機技術(shù)的長足進(jìn)步，特別二十世紀(jì)八十年代以來這種情況得到了改變，而多體系統(tǒng)動力學(xué)的成熟，使汽車動力學(xué)的建模與仿真產(chǎn)生了巨大飛躍，特別是ADAMS軟件的成功應(yīng)用使虛擬樣機技術(shù)脫穎而出?；贏DAMS的虛擬樣機技術(shù)，可把懸架視為是由多個相互連接、彼此能夠相對運動的多體運動系統(tǒng)，其運動學(xué)及動力學(xué)仿真比以往通常用幾個自由度的質(zhì)量阻尼剛體（振動）數(shù)學(xué)模型計算描述更加真實反映懸架特性及其對汽車行駛動力學(xué)影響，也比圖解法更為直接方便。 在傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)設(shè)計、試驗、試制過程中必須邊試驗邊改進(jìn)，從設(shè)計到試制、試驗、定型，產(chǎn)品開發(fā)成本較高，周期長。運用虛擬樣機技術(shù)，可以大大簡化懸架系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)過程，大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，大量減少產(chǎn)品開發(fā)費用和成本，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的系統(tǒng)及性能，獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計產(chǎn)品。 該課題研究為懸架設(shè)計開發(fā)開拓了更加科學(xué)的方法，結(jié)合汽車設(shè)計，解決運動學(xué)及動力學(xué)問題，從而提高設(shè)計質(zhì)量。此課題研究也必將為提高我國汽車工業(yè)產(chǎn)品自主開發(fā)能力做出貢獻(xiàn)。 1.3本論文的研究內(nèi)容和研究方法 本設(shè)計說明書正是在這種全球的機械CAD設(shè)計、虛擬樣機仿真和先進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展為前題，提出以基于虛擬仿真樣機軟件ADAMS分析汽車懸架的設(shè)計。 對現(xiàn)在流行的輕型轎車(如上海大眾的桑塔納，微型面的等)所采用的麥弗遜式(Macpherson)懸架。麥弗遜式懸架作為現(xiàn)在流行的汽車懸架，在各種車型上的應(yīng)用非常廣泛。它簡化了以往的懸架的結(jié)構(gòu)。本文利用空間結(jié)構(gòu)知識進(jìn)行分析，建立起懸架空間結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)虛擬樣機技術(shù)，利用現(xiàn)在流行ADAMS軟件的View模塊，建立出虛擬樣機，進(jìn)行優(yōu)化求解。再根據(jù)高檔汽車采用的ECU控制技術(shù)，對懸架的減振器進(jìn)行仿真分析，通過改變減振器的阻尼以獲得合適結(jié)構(gòu)參數(shù)。 具體內(nèi)容包括： （1）利用空間機構(gòu)知識進(jìn)行分析，推導(dǎo)懸架的各個組成構(gòu)件的空間位置幾何數(shù)學(xué)關(guān)系。這是進(jìn)行導(dǎo)向機構(gòu)分析的基礎(chǔ)； （2）使用ADAMS軟件的View模塊，建立麥弗遜式懸架的空間機構(gòu)模型，進(jìn)行機構(gòu)分析，虛擬仿真懸架的優(yōu)化求解； （3）提出和進(jìn)行懸架的優(yōu)化，利用UG軟件進(jìn)行外觀設(shè)計。 在懸架設(shè)計中，本文主要利用仿真軟件在計算機上進(jìn)行機構(gòu)和控制分析，可以優(yōu)化求解，為懸架系統(tǒng)的樣機設(shè)計提供了參考。 第2章 麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計 2.1 懸架的作用和組成分類 汽車懸架是汽車重要的組成部分，它是連接車輪與車架的彈性傳力裝置，不僅承受作用在車輪和車體之間的力，還可以吸收與緩和汽車在不平的路面上行駛時，所產(chǎn)生的振動和沖擊，從而提高乘坐的舒適性，延長機件的壽命，懸架在整車中的位置，如圖2.1所示。懸架由彈性元件，導(dǎo)向裝置與減振器等三種元件和機構(gòu)組成[5]。 圖2.1 懸架在整車中的位置 2.1.1懸架的分類 1、非獨立式懸架 兩側(cè)車輪安裝于一根整體式車橋上，車橋通過懸掛與車架相連。這種懸掛結(jié)構(gòu)簡單，傳力可靠，但是兩輪受沖擊震動時互相影響。當(dāng)汽車行駛在左右傾斜的凸凹面上時，非獨立懸架車輛的車體發(fā)生明顯的傾斜，而且由于非懸掛質(zhì)量較重，懸架的緩沖性能較差，行駛時汽車振動、沖擊較大，該懸掛一般多用于載重汽車、普通客車和一些其他車輛上。 2、獨立式懸架 汽車的每個車輪單獨通過一套懸掛安裝于車身或者車橋上，車橋采用斷開式，中間一段固定于車架或車身上；此種懸掛兩邊車輪受沖擊時互不影響，而且由于非懸掛質(zhì)量較輕，緩沖與減震能力很強，乘坐舒適，各項指標(biāo)都優(yōu)于非獨立式懸掛，但該懸掛結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且還會使驅(qū)動橋、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)變得復(fù)雜起來。采用此種懸掛的轎車、客車以及載人車輛，可明顯提高乘坐的舒適性，并且在高速行駛時提高汽車的行駛穩(wěn)定性。而越野車輛、軍用車輛和礦山車輛，在壞路或無路的情況下，可保證全部車輪與地面的接觸，提高汽車的行駛穩(wěn)定性和附著性，發(fā)揮汽車的行駛速度。 獨立懸架的結(jié)構(gòu)分有橫臂式（圖2.2a）、縱臂式（圖2.2b）、燭式（圖2.2c）、麥弗遜式（圖2.2d）等多種，其中燭式和麥弗遜式形狀相似，兩者都是將螺旋彈簧與減震器組合在一起，但因結(jié)構(gòu)不同又有重大區(qū)別。 圖2.2 四種基本類型的獨立懸架示意圖 燭式采用車輪沿主銷軸方向移動的懸架形式，形狀似燭形南而得名。特點是主銷位置和前輪定位角不隨車輪的上下跳動而變化，有利于汽車的操縱性和穩(wěn)定性。麥弗遜式是絞結(jié)式滑柱與下橫臂組成的懸架形式，減振器可兼做轉(zhuǎn)向主銷，轉(zhuǎn)向節(jié)可以繞著它轉(zhuǎn)動。特點是主銷位置和前輪定位角隨車輪的上下跳動而變化，這點與燭式懸架正好相反。這種懸架構(gòu)造簡單，布置緊湊，前輪定位變化小，具有良好的行駛穩(wěn)定性。所以，目前轎車使用最多的獨立懸架是麥弗遜式懸架[6]。 2.1.2 懸架的組成 現(xiàn)代汽車的懸架盡管各有不同的結(jié)構(gòu)型式，但一般都是由彈性元件、減振器和導(dǎo)向機構(gòu)三部分組成。如圖2.1所示，導(dǎo)向機構(gòu)在輕型汽車中，也是連接車架（或車身）與車橋（或車輪）的結(jié)構(gòu)，除了傳遞作用力外，還能夠使車架（或車身）隨車輪按照一定的軌跡運動。這三部分分別起緩沖，減振和力的傳遞作用。轎車上來講，彈性元件多采用螺旋彈簧，它只承受垂直載荷，緩和不平路面對車體的沖擊，具有占用空間小，質(zhì)量小，無需潤滑的優(yōu)點，但是沒有減振作用。減振器在車架（或車身）與車橋（或車輪）之間作彈性聯(lián)系，起到承受沖擊的作用。采用減振器是為了吸收振動，使汽車車身振動迅速衰弱（振幅迅速減?。?，使車身達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。減振器指液力減振器，是為了加速衰減車身的振動，它是懸架機構(gòu)中最精密和復(fù)雜的機械件。傳力裝置是指車架的上下擺臂等叉形剛架、轉(zhuǎn)向節(jié)等元件，用來傳遞縱向力，側(cè)向力及力矩，并保證車輪相對于車架（或車身）有確定的相對運動規(guī)律。 1、彈性元件的種類 鋼板彈簧：由多片不等長和不等曲率的鋼板又疊合而成。安裝好后兩端自然向上彎曲。鋼板彈簧除具有緩沖作用外，還有一定的減震作用，縱向布置時還具有導(dǎo)向傳力的作用，非獨立懸掛大多采用鋼板彈簧做彈性元件，可省去導(dǎo)向裝置和減震器，結(jié)構(gòu)簡單。 螺旋彈簧：只具備緩沖作用，多用于轎車獨立懸掛裝置。由于沒有減震和傳力的功能，還必須設(shè)有專門的減震器和導(dǎo)向裝置。 油氣彈簧：以氣體作為彈性介質(zhì)，液體作為傳力介質(zhì)，它不但具有良好的緩沖能力，還具有減震作用，同時還可調(diào)節(jié)車架的高度，適用于重型車輛和大客車使用。 扭桿彈簧：將用彈簧桿做成的扭桿一端固定于車架，另一端通過擺臂與車輪相連，利用車輪跳動時的扭轉(zhuǎn)變形起到緩沖作用，適用于獨立懸掛使用。 2、減震器 多采用筒式減震器，利用油液在小孔內(nèi)的節(jié)流作用來消耗振動能量。減震器的上端與車身或者車架相連，下端與車橋相連。多數(shù)為壓縮和伸張行程都起作用的雙作用減震器。 減震器是懸架的阻尼元件。它可將車輪與車身相對運動的機械能部分地轉(zhuǎn)變?yōu)橛鸵夯蚰Σ帘砻娴臒崮懿⑸l(fā)出去，從而迅速衰減振動?，F(xiàn)代轎車的懸架都有減震器，當(dāng)轎車在不平坦的道路上行駛，車身會發(fā)生振動，減震器能迅速衰減車身的振動，利用本身的油液流動的阻力來滄海橫流振動的能量。當(dāng)車架與車軸相對運動時，減震器內(nèi)的油液會通過一些窄小的孔、縫等通道反復(fù)地從一個腔室流向另一個腔室，這時孔壁與油液間的摩擦形成了對車身振動的阻力，這種阻力工程上稱為阻尼力。阻尼力會將車身的機械能轉(zhuǎn)化為熱能，并被油液和殼體所吸收。人們?yōu)榱烁玫貙崿F(xiàn)轎車的行駛平穩(wěn)性和安全性，將阻尼系數(shù)不固定在某一數(shù)值上，而是能隨轎車運行的狀態(tài)而變化，使懸架性能總是處在最優(yōu)的狀態(tài)附近。因此，有些轎車的減震器是可調(diào)式的，將阻尼分兩級或三級，根據(jù)傳感器信號自動選擇所需要的阻尼級。 3、導(dǎo)向裝置 獨立懸架上的彈性元件，大多吸能傳遞垂直載荷而不能傳遞縱向力和橫向力，必須另設(shè)導(dǎo)向裝置，如上、下擺臂和縱向、橫向穩(wěn)定器等。汽車懸架的彈性元件有鋼板彈簧，螺旋彈簧等輕型汽車的懸架一般很軟，它可以提高汽車的平順性，為減少傾斜并提高剛性，通常設(shè)置橫向穩(wěn)定桿。導(dǎo)向裝置可控制車輪相對車身按設(shè)定的軌跡進(jìn)行運動，并在車輪與車架之間傳遞力和力矩。 2.2麥弗遜懸架的特點 麥弗遜式懸架(Macpherson Suspension)是獨立懸架的一種，于1947年當(dāng)時任職福特汽車公司的麥弗遜(Earl 5. MacPherson)發(fā)明。麥弗遜式懸架首先于1950年在福特汽車公司的車型上采用，從此以后，麥弗遜式懸架以其節(jié)約空間和成本較低成為最為流行的汽車獨立懸架系統(tǒng)之一。 根據(jù)對日本在1987到2000年之間生產(chǎn)的轎車的統(tǒng)計，轎車中前懸架導(dǎo)向機構(gòu)型式都是以麥弗遜式為主，雙橫臂式獨立懸架次之。1987年末、1994年末、2000年末采用麥弗遜式懸架作為前懸架的車型所占比例分別為：69.6%, 61.6%, 69.3%，麥弗遜式懸架在三個統(tǒng)計年度均占第一位;采用麥弗遜式懸架作為后懸架的車型所占比例分別為：24.8%, 27.8%, 12.4%，其中麥弗遜式懸架在1987年末占第二位，在1994年末占第一位，在2000年末占第四位。在全球范圍內(nèi)來看，前懸架導(dǎo)向機構(gòu)的機構(gòu)型式比較單一，發(fā)展趨勢較為明朗，都是麥弗遜式(滑柱連桿式)占主導(dǎo)地位，這種結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于從微型轎車到高級轎車的所有轎車中，且不分驅(qū)動橋或非驅(qū)動軸均適用[7]。 麥弗遜式懸架是一種單橫臂式獨立懸架，它將減振器作為懸架桿系的一部分加以利用，并將兼作轉(zhuǎn)向主銷用的滑柱和擺臂組裝在一起，主要用于中型以下的轎車上，也用于運動型汽車的后軸，此時稱為查普曼(Chapman)式懸架。與雙橫臂式懸架相比，麥弗遜式懸架用汽車翼子板上的鉸鏈點代替了上橫臂，減振器的活塞桿頭和螺旋彈簧支承在這里。麥弗遜式懸架將所有承擔(dān)彈性兀件功能和車輪導(dǎo)向功能的零件組合在一個結(jié)構(gòu)單兀內(nèi)，這些零件包括：支撐螺旋彈簧下端的托盤、輔助彈簧和壓縮行程限位塊、與連桿連接的擺軸式橫向穩(wěn)定桿和車輪轉(zhuǎn)向節(jié)。 與雙橫臂式懸架相比，麥弗遜式懸架的側(cè)擺中心高，車體側(cè)擺時側(cè)擺中心的變化比較小，車輪作上下振動時車輪外傾角、主銷后傾角和輪距的變化小。各個支撐點相互之間的距離較遠(yuǎn)，從而因制造誤差而引起的車輪外傾角和主銷后傾角的變化也較小，因此不需要特別的調(diào)整機構(gòu)。同時，山于路面沖擊分散得很廣以及能夠把懸架裝在車輪附近，所以懸架彈簧剛度小而有利于車體構(gòu)造，占用空間小。但是，由于減振器兼作轉(zhuǎn)向部件，所以它的滑動部分容易松動，轉(zhuǎn)彎時車輪的外傾角變化也比較大。轉(zhuǎn)向系的轉(zhuǎn)動慣量大一些，車體不是整體構(gòu)造時難于使用。 1—橫擺臂 2—車輪 3—轉(zhuǎn)向節(jié) 4—減震器 5—車身 6—彈簧 圖2.3 麥弗遜懸架機構(gòu) 圖2.3所示為吉林JL1010型微型汽車的麥弗遜懸架的空間機構(gòu)，筒式減震器4的上端用螺栓和橡膠墊圈與車身5連接，減震器鋼筒下端固定在轉(zhuǎn)向節(jié)3上，而轉(zhuǎn)向節(jié)通過球鉸鏈與橫擺臂1連接。車輪所受的側(cè)向力通過轉(zhuǎn)向節(jié)大部分由橫擺臂承受，其余部分由減震器承受。 因此，這種結(jié)構(gòu)形式較其余懸架在一定的程度上減少了滑動摩擦。螺旋彈簧6套在筒式減震器的外面。主銷的軸線通過上下鉸鏈中心，當(dāng)車輪上下跳動時，因減震器的下支點隨橫擺臂的擺動，故這種懸架在變形時，使得主銷的定位角和輪距都有些變化。然而如果適當(dāng)調(diào)整桿系的結(jié)構(gòu)的布置，可以使車輪的這些定位參數(shù)變化極小。該懸架的突出優(yōu)點是增大了兩輪內(nèi)側(cè)的空間，便于發(fā)動機和其它一些部件的布置，因此，多用在前置前驅(qū)的轎車和微型汽車上[8]。 2.3麥弗遜懸架的結(jié)構(gòu)分析與確定 以下用空間機構(gòu)知識分析麥弗遜懸架機構(gòu)。由于麥弗遜懸架是各個零件組成的，在懸架機構(gòu)分析中采用空間機構(gòu)分析。機構(gòu)都是由構(gòu)件組成的。構(gòu)件不同于零件，前者是機構(gòu)運動學(xué)的概念，而后者是機械設(shè)計學(xué)和機械制造理論的概念。一個構(gòu)件可以是一個零件，也可以是由幾個甚至很多零件組成。在機構(gòu)學(xué)中一般認(rèn)為構(gòu)件是剛性，彈性和彈性體不視為構(gòu)件，這與多體運動學(xué)中把它們視為是不同的。構(gòu)件和構(gòu)件是由運動副連接成運動鏈。運動副是構(gòu)件的一種活動連接，它即限制所連接的兩個構(gòu)件的相對運動（即提供一定的約束），又保留了構(gòu)件間的一定相對運動，所保留的獨立相對運動數(shù)目為運動副的自由度[9]。運動副按照其接觸情況分為高副和低副。高副所連接的兩個構(gòu)件成點接觸或線接觸，在接觸區(qū)域副元素的幾何輪廓是重合的。如圖2.4所示，表示汽車前懸架機構(gòu)圖。 圖2.4 麥弗遜懸架機構(gòu)簡圖 車架與橫擺臂是轉(zhuǎn)動副連接；橫擺臂與轉(zhuǎn)向節(jié)總成（包括減震器筒體）是球副連接；減震器桿與轉(zhuǎn)向節(jié)總成（包括減震器筒體）是圓柱副；減震器桿車架是球副連接；麥弗遜式懸架是閉式空間機構(gòu)，機架就是車身，沒有原動件，只是行駛過程中，由于車輪的上下跳動，帶動麥弗遜式懸架機構(gòu)轉(zhuǎn)向節(jié)和橫擺臂被動地運動。 下面是麥弗遜前懸架的主要零件的結(jié)構(gòu)簡圖。 1、輪胎 輪胎采用12英寸扁平率為70%的子午線輪胎如圖。 圖2.5 輪胎結(jié)構(gòu)簡圖及主要尺寸 圖2.6輪轂結(jié)構(gòu)簡圖及主要尺寸 2、輪轂 輪轂的簡圖如圖2.6。 3、支持下臂 支持下臂采用穩(wěn)固的三角行結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)能防止因為汽車側(cè)滑帶來的對汽車底盤的沖擊。 圖2.7下支持臂的結(jié)構(gòu)簡圖及主要尺寸 4、減震器 減震器的結(jié)構(gòu)簡圖如下。 圖2.8減振器的結(jié)構(gòu)簡圖及主要尺寸 5、螺旋彈簧 由于載荷大，屬于大彈簧，故按Ⅰ類型，設(shè)彈簧絲的直徑d=10mm，=1570Mpa，[]=0.3=0.3×1570=471Mpa 取旋轉(zhuǎn)比C=8，曲度系數(shù)K=（4C－1）/（4C－4）+0.615/C=（4×8－1）/（4×8－4）+0.615/8=1.17 dj= （2.1） =9mm 取10mm dj小于原設(shè)定值，取d=10mm 中徑D2=cd=10×8=80mm，外徑D=D2+d=（80+10）=90mm 彈簧的工作圈數(shù)n== 穩(wěn)定性驗算 節(jié)距p=0.5D2=0.5×80=40mm 自由高度 高徑比b=H0/D2=245/80=3.06<5.3穩(wěn)定，所以不失穩(wěn)。 圖2.9 螺旋彈簧的簡圖及主要尺寸 2.4汽車前輪定位參數(shù) 為了保證汽車的直線行駛和穩(wěn)定性，應(yīng)使轉(zhuǎn)向輪具有自動回正作用。就是當(dāng)轉(zhuǎn)向輪在遇到外力（如碰到石塊）作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，在外力消失后，應(yīng)能立即自動架到直線行駛的位置。這種自動的回正作用是由轉(zhuǎn)向輪的定位參數(shù)來保證實現(xiàn)的。 1、 主銷后傾 主銷裝在前軸上，在縱向平面內(nèi)，其上端略向后傾斜，這種現(xiàn)象稱為主銷后傾。在縱向垂直平面內(nèi)，主銷軸線與垂線之間的夾角γ叫主銷后傾角（如圖2.10所示）。主銷后傾后，它的軸線與路面的交點a位與車輪與路面接觸前進(jìn)方向點b之前，這樣b點到a點之間就有一段垂直距離l。若汽車轉(zhuǎn)彎時，則汽車產(chǎn)生的離心力將引起路面對車輪的側(cè)向反向力F，F(xiàn)通過b點作用與輪胎上，形成了饒主銷的穩(wěn)定力矩M=Fl，其作用方向正好與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反，使車輪有恢復(fù)到原來中間位置的趨勢。 2、 主銷內(nèi)傾 主銷安裝到前軸上后，在橫向平面內(nèi)，其上端略向內(nèi)傾斜，這種現(xiàn)象稱為主銷內(nèi)傾斜，在橫向垂直平面內(nèi)，主銷軸線與垂線之間的夾角β（如圖2.11所示）叫主銷內(nèi)傾。主銷內(nèi)傾后，主銷軸線的延長線與地面交點到車輪中心平面與地面交線的陸離c減小，從而可減小轉(zhuǎn)向時駕駛員加在轉(zhuǎn)向盤上的力，使轉(zhuǎn)向操作輕便，也可減小從轉(zhuǎn)向輪傳到轉(zhuǎn)向盤上的沖擊力；與此同時，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)向或偏轉(zhuǎn)時，車輪有向下陷入地面的趨勢，但事實上這是不可能的，而只能使轉(zhuǎn)向輪連同整個汽車前部向上抬起一個相應(yīng)的高度，這樣在汽車本身重力的作用下，迫使車輪自動回到原來的中間的位置。 3、 前輪外傾 前輪安裝在車輪上，其旋轉(zhuǎn)平面上方略向外傾斜，這種現(xiàn)象稱為前輪外傾。前輪旋轉(zhuǎn)平面與縱向垂直平面之間的夾角α稱為前輪外傾角（如圖2.11所示）。前輪外傾的作用在于提高了前輪工作的安全性和操作的輕便性。由于主銷與襯套之間，輪轂與軸承等處都存在有間隙，若空車時車輪垂直地面，則滿載后，車橋?qū)⒁虺休d變形，可能會出現(xiàn)車輪內(nèi)傾，這樣將會加速汽車輪胎的磨損。因此為了使輪胎磨損均勻和減輕輪轂外軸承的負(fù)載，安裝車輪時預(yù)先使車輪有一定的外傾角[10]。 圖2.10主銷后傾角示意圖 圖2.11主銷內(nèi)傾角及前輪外傾角示意圖 2.5本章小結(jié) 本章介紹了汽車懸架的基礎(chǔ)知識和重要作用。指出了懸架機構(gòu)的參數(shù)對整車的性能有很大的影響。介紹了麥弗遜式懸架的特點，并對麥弗遜式懸架的結(jié)構(gòu)加以分析,對建模所用的麥弗遜懸架的零件基本尺寸加以確定。提供了懸架的各個組成機構(gòu)和前輪定位參數(shù)等有關(guān)概念。 第3章 麥弗遜懸架機構(gòu)的空間位置分析 3.1麥弗遜懸架機構(gòu)運動確定性分析 麥弗遜懸架系統(tǒng)的自由度。 由于車輪的跳動，整個麥弗遜式懸架系統(tǒng)是一個的閉式空間機構(gòu)。如圖3.1，n=3、 P5=P4=1、 P3=2、P2=P1=0 F= 6n-5Ps-4P4-3p3-2P2-P1 （3.1） =6×3-5×1-4×1-3×2 =3 其中n為活動構(gòu)件的數(shù)目，P1 為I級副，P2 為II級副，P3為III級副，P4為IV級副，P5為V級副的數(shù)目。去掉轉(zhuǎn)向節(jié)(車輪的轉(zhuǎn)向運動)和減振器的減振桿各自一個能圍繞自身軸線回轉(zhuǎn)的局部自由度數(shù)目，所以機構(gòu)自由度為1所以，麥弗遜懸架的各個組成桿件在外界的作用力下有確定的運動[11]。 圖3.1為麥弗遜懸架的結(jié)構(gòu)示意圖，其中BD為主銷的中心線，MN為下控制臂旋轉(zhuǎn)軸線，DH為減震器中心線，P點為轉(zhuǎn)向節(jié)臂球頭中心，F(xiàn)為車輪的中心，Q點為主銷的中心線與車輪軸線的在后視圖上的交點，O點為B的回轉(zhuǎn)中心，G為車輪的著地點。坐標(biāo)系X-Y-Z為靜坐標(biāo)系。 圖3.1 懸架機構(gòu)圖 3.2麥弗遜懸架的運動學(xué)分析 靜坐標(biāo)系原點按汽車設(shè)計的習(xí)慣在整車總布置的坐標(biāo)原點上。X軸指向汽車的尾部，Z軸垂直向上，Y軸由右手定則確定，拇指指向X軸，食指指向Y軸，則中指指向的則是Z軸。 圖3-1是，O、D、S點坐標(biāo)在懸架運動中保持相對不變，可由汽車的產(chǎn)品設(shè)計圖紙來確定為： B點初始位置坐標(biāo)（即懸架平衡位置時的坐標(biāo)）可由產(chǎn)品零件圖及受力分析確定（平衡位置載荷為單邊滿載和空載簧載質(zhì)量的中間值）。 圖3.2 擺臂投影圖 因為汽車擺臂軸線與X軸成一定角度，不與X軸平行，則其在X-Y平面內(nèi)投影為θ（俯視圖投影角），在X-Z平面內(nèi)投影角為Φ（側(cè)視圖投影角），如圖3.2所示。為計算方便，仍然按右定則規(guī)定θ、Φ分別繞Z軸和Y軸正向旋轉(zhuǎn)時，符號為正，否則為負(fù)。圖中θ、Φ皆為正值。設(shè)擺臂軸線與三個坐標(biāo)系的夾角的余弦分別為Ux，Uy，Uz。設(shè)擺臂軸線為向量L，則L在三個坐標(biāo)系上的分量為Lx，Ly，Lz。顯然 (3.2) 按照圖中的投影角的關(guān)系。，。所以 當(dāng)車輛行駛時，車輪的上下跳動，擺臂繞自己的擺臂中心的擺動，就相當(dāng)于空間連桿繞空間的任意軸線的擺動的原理，來計算懸架各個點的運動后的坐標(biāo)。 1、B點的坐標(biāo) B點在整車的坐標(biāo)系X-Y-Z的位置坐標(biāo)可以認(rèn)為是由O點建立坐標(biāo)系X′-Y′-Z′來相對計算。BO可以認(rèn)為是BO桿繞坐標(biāo)系X′-Y′-Z′的任意軸旋轉(zhuǎn)一定角度得到的（在汽車懸架結(jié)構(gòu)中，正是擺臂BO繞擺臂軸的中心線M-N上下擺動α角），如圖3.3所示。 圖3.3 坐標(biāo)變換圖 所以按照上面介紹的機構(gòu)知識得到 （3.3） 其中的轉(zhuǎn)換矩陣，可以由前面介紹的機構(gòu)知識得到（其中方向余弦，，，角度為） （3.4） 其中歐拉參數(shù)，，，，。 圖3.4 懸架運動后各點位置示意圖 運動后E點的坐標(biāo)發(fā)生改變。設(shè)動坐標(biāo)系X-Y-Z原點位于E點，運動中的坐標(biāo)系的矢量方向不變，始終平行于汽車的靜坐標(biāo)系。由于汽車行駛中車輪的上下跳動，整個懸架系統(tǒng)中各個構(gòu)件的連接點發(fā)生相對位置變化。運動后E點的坐標(biāo)為。剛體EDTBFP在動坐標(biāo)系中的位置可以看作是由圖3.4所示的初始位置先繞動坐標(biāo)系X-Y-Z的Y軸正向旋轉(zhuǎn)β角，后繞X軸正向旋轉(zhuǎn)α而來。為了確定剛體中各個點在懸架運動后相對靜坐標(biāo)系的數(shù)值，圖中設(shè)定剛體在動坐標(biāo)系中的初始位置為：轉(zhuǎn)向節(jié)軸線EF與Y軸重合（由外指向轉(zhuǎn)向節(jié)），點D、T、B、E、F都位于Y-Z平面內(nèi)。 2、E點在整車靜坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和α、β角的確定 根據(jù)幾何矢量的投影。D點坐標(biāo)為： （3.5） （3.6） 其中ET，BT和角度δ角度可以由產(chǎn)品設(shè)計來確定。 在車輛的行駛中，隨著擺臂的擺動，各點位置可以認(rèn)為是由動坐標(biāo)系經(jīng)過繞X，Y分別旋轉(zhuǎn)α，β角。 由坐標(biāo)轉(zhuǎn)換變換和式3.5可以得到 其中，已知，坐標(biāo)變換矩陣，分別為 得到 從以上條件，可得 （3.7） 按照矩陣的左右對應(yīng)的項相等,得到第一項相等式 同理可得 令 根據(jù)公式： 其中 其中，，且A為正銳角。設(shè)，可以得到 所以 同時，可以得到E點的坐標(biāo)為 所以運動后的解歸納為 （3.8） 其中 3、P點在靜坐標(biāo)系中的確定 P點在圖3.4所示動坐標(biāo)系中的初始位置的坐標(biāo)可由產(chǎn)品圖紙確定，即 經(jīng)過動坐標(biāo)系中的繞X，Y軸兩次旋轉(zhuǎn)，并且平移到靜坐標(biāo)系。擺臂擺動角后，P點的坐標(biāo)得到 4.3本章小結(jié) 運用空間機構(gòu)知識，介紹麥弗遜懸架導(dǎo)向機構(gòu)的各個關(guān)鍵點之間空間關(guān)系。采用空間機構(gòu)機構(gòu)知識分析，得到懸架機構(gòu)其它關(guān)鍵點在整車坐標(biāo)系的位置坐標(biāo)公式。這樣，麥弗遜懸架導(dǎo)向機構(gòu)的各點坐標(biāo)相連關(guān)系就能求得，為后面的懸架模型的建立提供了基礎(chǔ)，就能很方便地建立麥弗遜懸架虛擬樣機模型。 第4章 基于ADAMS/View麥弗遜懸架建模及分析 機械也稱機械系統(tǒng)，它是由可以相對運動的剛體通過運動副或約束聯(lián)接形成的多剛體系統(tǒng)。汽車就是一種典型的機械系統(tǒng)，在汽車機械系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)分析中，前懸架占有重要的地位。本章將應(yīng)用ADAMS軟件，建立并模擬計算汽車前懸架模型。 當(dāng)建立麥弗遜懸架的模型前，為了建模和分析的方便，需要作以下幾個假設(shè)： (1)各運動副均為剛性連接，且內(nèi)部間隙和摩擦力忽略不計； (2)擺臂軸和懸架端與車身連接處球銷的橡膠襯套是剛性的； (3)轉(zhuǎn)向拉桿與中間拉桿的球連接用萬向節(jié)表示，這就取消了拉桿繞它的縱向軸的旋轉(zhuǎn)運動； (4)輪胎為剛性的； (5)懸架上下緩和塊可簡化為線性彈簧和阻尼； (6)僅研究懸架特性時，車身相對地面假設(shè)不動； (7)為模擬地面不平引起的激勵，假想一構(gòu)件，它與輪胎直接接觸，與地面之間通過移動副相連，可垂直地上下運動[12]。 4.1 仿真軟件ADAMS的介紹 4.1.1 ADAMS的簡介 機械系統(tǒng)分析軟件ADAMS是世界上應(yīng)用廣泛的機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件。它是有美國學(xué)者蔡斯等人利用多剛體動力學(xué)理論，選取系統(tǒng)內(nèi)每個剛體質(zhì)心在慣性參考系中的三個直角坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角為廣義坐標(biāo)編制的計算程序。ADAMS軟件應(yīng)用了解決剛性積分問題的方法，并采用稀疏矩陣技術(shù)提高了計算效率。 用戶利用ADAMS軟件可以建立和測試虛擬樣機，實現(xiàn)在計算機上仿真分析復(fù)雜機械系統(tǒng)的運動性能。目前ADAMS軟件在汽車和航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。利用ADAMS軟件，用戶可以快速、方便地創(chuàng)建完全參數(shù)化的幾何模型。該模型可以是在ADAMS軟件中直接建造的簡化幾何模型，也可以是從其他CAD軟件中轉(zhuǎn)過來的造型逼真的幾何模型；然后，在幾何模型上施加力和力矩及運動激勵；最后執(zhí)行一組與實際狀況十分接近的運動仿真測試，得到實際機械系統(tǒng)工作過程的運動仿真[13]。 ADAMS軟件采用模擬樣機技術(shù)，將多體動力學(xué)的建模方法與大位移及非線性分析求解功能相結(jié)合。 機械系統(tǒng)分析軟件ADAMS使用交互式圖形環(huán)境和部件庫、約束庫、力庫，用堆積木式方法建立三維機械系統(tǒng)參數(shù)化模型并通過對其運動性能的仿真分析和比較來研究“虛擬樣機”可供選擇的設(shè)計方案。ADAMS仿真可用于估計機械系統(tǒng)性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的載荷輸入。ADAMS的核心仿真軟件包有交互式圖形環(huán)境ADAMS/View和仿真求解器ADAMS/Solver。還有建模用集成用、顯示用、擴(kuò)展模塊。 ADAMS軟件包括3個最基本的解題程序模塊：ADAMS/View（基本環(huán)境）、ADAMS/Slover（求解器）和ADAMS/Postprocessor（后處理）。另外還有一些特殊場合應(yīng)用的附加程序模塊，例如：ADAMS/Car（轎車模塊）、ADAMS/Rail（機車模塊）、ADAMS/Driver（駕駛員模塊）、ADAMS/Tire（輪胎模塊）、ADAMS/Linear（線性模塊）、ADAMS/Flex(柔性模塊)、 ADAMS/Control（控制模塊)、 ADAMS/FEA (有限元模塊)、 ADAMS/Hydraulics（液壓模塊）、 ADAMS/Exchange（接口模塊）、 Mechanism/Fro(與Pro/Engineer的接口模塊)、ADAMS/Animation(高速動畫模塊)等。下面介紹一下ADAMS軟件的基本模塊。 ADAMS/View（基本環(huán)境）是以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境，它提供豐富的零件幾何圖形庫、約束庫和力庫，將便捷的圖標(biāo)操作、菜單操作、鼠標(biāo)點取操作與交互式圖形建立模型、仿真計算、動畫顯示、優(yōu)化設(shè)計、曲線圖處理、仿真結(jié)果分析和數(shù)據(jù)打印等功能集成在一起。 ADAMS/Slover（求解器）是ADAMS軟件的仿真“發(fā)動機”，它自動形成機械系統(tǒng)模型的動力學(xué)方程，提供靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)的計算結(jié)果。ADAMS/Slover有各種建立模型和求解選項，以便于精確有效地解決各種工程問題[14]。 ADAMS/Postprocessor（后處理）是ADAMS軟件仿真結(jié)果的后處理，ADAMS/Postprocessor模塊主要有兩個功能：仿真結(jié)果回放功能和分析曲線繪制功能。通過仿真結(jié)果的后處理，可以完成以下主要工作： （1）可以通過多種方式驗證仿真結(jié)果，并對仿真結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析； （2）可以繪制各種仿真分析曲線并進(jìn)行一些曲線的數(shù)學(xué)和統(tǒng)計計算； （3）可以通過圖形和數(shù)據(jù)曲線比較不同條件下的分析結(jié)果； （4）可以進(jìn)行分析結(jié)果曲線圖的各種編輯等等； （5）對進(jìn)一步調(diào)試樣機提供指南； ADAMS/Controls（控制模塊）可以通過簡單的繼電器、邏輯與非門、阻尼線圈等建立簡單的控制機構(gòu)，或者利用在通用控制系統(tǒng)軟件中建立的控制系統(tǒng)框圖，建立包括控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和運動機械系統(tǒng)的仿真模型。 ADAMS/Linear（系統(tǒng)模態(tài)分析模塊）可以在進(jìn)行系統(tǒng)仿真時將系統(tǒng)的非線性的運動學(xué)或動力學(xué)方程進(jìn)行線性化處理，以便快速計算系統(tǒng)的固有頻率、特征向量和狀態(tài)空間矩陣，更快更全面地了解系統(tǒng)的固有特性。 ADAMS/Flex（柔性分析模塊）提供ADAMS軟件與有限元分析軟件之間雙向數(shù)據(jù)交換接口。利用它與ANSYS、 MSC/NASTRAN 、ABAQUS、 I-DEAS等軟件的接口，可以方便地考慮零部件的彈性特性，建立多體動力學(xué)模型，以提高系統(tǒng)的仿真精度。 MECHANISM/Pro（Pro/E接口）是連接Pro/E與ADAMS之間的橋梁，二者采用無縫連接的方式，不需要退出Pro/E應(yīng)用環(huán)境，就可以將裝配的總成根據(jù)其運動關(guān)系定義機械系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)的運動學(xué)仿真，并進(jìn)行干涉檢查、確定運動鎖止位置，計算運動副的作用力等等。 ADAMS/Car（轎車模塊）是MDI(Mechanical Dynamics Inc.)公司與Audi、 Bmw、 Renault 和Volvo等公司合作開發(fā)的整車設(shè)計模塊，它能夠快速建造高精度的整車虛擬樣機，其中包括車身、懸架、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、制動系統(tǒng)等，可以通過高速動畫直觀地再現(xiàn)在各種試驗工況下（如：天氣、道路狀況、駕駛員經(jīng)驗）整車的動力學(xué)響應(yīng)，并輸出標(biāo)志操縱穩(wěn)定性、制動性、乘坐舒適性和安全性的特征參數(shù)。 ADAMS/Driver（駕駛員模塊）是在德國的IPG-Driver基礎(chǔ)上，經(jīng)過二次開發(fā)而形成的成熟產(chǎn)品，可以確定汽車駕駛員的行為特征，確定各種操作工況（例如：穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)彎制動、ISO變線試驗、側(cè)向風(fēng)試驗等），同時確定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角或傳矩、加速踏板位置、作用在制動踏板上的力、離合器位置、變速器檔位等，提高車輛仿真動力學(xué)特性，并具有記憶功能。 ADAMS/Rail（鐵道模塊）是由美國MDI公司、荷蘭鐵道組織(NS)、 Delft工業(yè)大學(xué)以及德國ARGE CARE公司合作開發(fā)的，可以用于研究鐵路機車、車輛、列車和線路相互作用的動力學(xué)分析軟件。利用ADAMS/Rail可以方便快速地建立完整的、參數(shù)化的機車車輛或列車模型以及各種子系統(tǒng)模型和各種線路模型，并根據(jù)分析目的的不同而定義相應(yīng)的輪/軌接觸模型，可以進(jìn)行機車車輛穩(wěn)定性臨界速度、曲線通過性能、脫軌安全性、牽引/制動特性、輪軌相互作用力、隨機響應(yīng)性能和乘坐舒適性指標(biāo)以及縱向列車動力學(xué)等問題的研究。 4.1.2 ADAMS軟件的優(yōu)點 ADAMS軟件一方面是機械系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件的應(yīng)用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬樣機進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行分析。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(jìn)行特殊類型機械系統(tǒng)動態(tài)仿真分析的二次開發(fā)工具平臺。在產(chǎn)品的開發(fā)過程中，工程師通過應(yīng)用ADAMS軟件會收到明顯效果： （1）分析時間由數(shù)月減少為數(shù)天； （2）降低工程制造和測試費用； （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； （4）在產(chǎn)品開發(fā)過程中，減少所需的物理樣機數(shù)量； （5）進(jìn)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(jìn)行仿真分析； （6）縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期； 傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)設(shè)計、試驗、試制過程中必須邊試驗邊改進(jìn)，從設(shè)計到試制、試驗、定型，產(chǎn)品開發(fā)成本較高周期長。運用機械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件ADAMS進(jìn)行仿真分析以及優(yōu)化設(shè)計，可以大大簡化懸架系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)過程。大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，大量減少產(chǎn)品開發(fā)費用和成本，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的系統(tǒng)及性能獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計產(chǎn)品[15]。 4.2懸架空間各點的坐標(biāo) 汽車的麥弗遜前懸架的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4.1所示，通過以下的參數(shù)來求出懸架的空間坐標(biāo)。 根據(jù)已知汽車的懸架參數(shù)，當(dāng)汽車位于平衡位置時。按照空間機構(gòu)分析公式，可以得到麥弗遜懸架的幾個運動副的關(guān)鍵點位置坐標(biāo)分別為： 因為平衡位置，懸架沒有運動，所以α，β角為零，得到 F點根據(jù)輪子半徑252，EF為94.4。所以F點坐標(biāo)為 表4.1汽車懸架參數(shù) 參數(shù) 單邊簧載質(zhì)量 主銷內(nèi)傾角 數(shù)值 1700N 11? 參數(shù) 主銷后傾角 前輪外傾角 數(shù)值 1.2? 1.2? 參數(shù) BT ET EF 數(shù)值 7.4 86.3 194.4 參數(shù) FG δ β 數(shù)值 252.0 12.7 0.01? 參數(shù) 數(shù)值 122.4 -8.879 -52.398 參數(shù) 數(shù)值 -1.504 500.344 169.271 參數(shù) 數(shù)值 -27.004 134.137 170.839 參數(shù) 數(shù)值 6.103 404.751 603.735 4.3在ADAMS/View中創(chuàng)建懸架模型 1、創(chuàng)建新模型 首先啟動ADAMS/View。在歡迎對話框中選擇“Create a new model”，在模型名稱（Model Name）欄中輸入“suspension”，其它選項欄中選擇系統(tǒng)默認(rèn)的選項，按“OK”。 2、設(shè)置工作環(huán)境 在ADAMS/View菜單欄中，選擇設(shè)置（Setting）菜單中的（Units）命令，將模型的長度單位、質(zhì)量單位、力的單位、時間單位、角度單位和頻率單位分別設(shè)置為毫米、千克、牛頓、秒、度和赫茲（如圖4.1所示）。 在ADAMS/View菜單欄中，選擇設(shè)置（Setting）菜單中的（Working Grid）命令，將網(wǎng)格X方向和Y方向的大小分別設(shè)置為750和800，將網(wǎng)格的間距設(shè)置為50（如圖4.2所示）。 在ADAMS/View菜單欄中，選擇設(shè)置（Setting）菜單中的（Gravity）命令，將重力方向設(shè)置為沿Z軸負(fù)方向，大小為-9806.65（如圖4.3所示）。 在ADAMS/View菜單欄中，選擇設(shè)置（Setting）菜單中的（Icons）命令，將圖標(biāo)大小設(shè)置為50。 3、創(chuàng)建設(shè)計點圖 點擊ADAMS/View中零件庫的點（Point）， 4.1 單位設(shè)置窗口 選擇“Add to Ground”和“Don’t Attach”，在工作窗口創(chuàng)建如圖4.4所示的七個設(shè)計點。這七個設(shè)計點是各個運動副相連接的位置。 圖4.2 工作網(wǎng)格設(shè)置窗口 圖4.3 重力設(shè)置窗口 4、創(chuàng)建懸架的構(gòu)件 利用ADAMS/View中零件庫的圓柱體（Cylinder）和球體（Sphere）命令，根據(jù)設(shè)計點的位置，分別建立汽車懸的各個構(gòu)件：下擺臂（Swing_arm），轉(zhuǎn)向節(jié)（Knuckle），主銷（King_pin），轉(zhuǎn)向拉桿（Tie_rod），車輪（Wheel）以及彈簧（Spring）。建模完成后的懸架模型如圖4.5所示。 圖4.4 列表編輯器 圖4.5 懸架模型圖 5、創(chuàng)建測試平臺 點擊ADAMS/View中零件庫的點（Point），選擇“Add to Ground”和“Don’t Attach”，在（150，700，-2.144）處建一個點，并以該點為對角點建立一個立方體作為測試平臺。 表4.2 懸架模型連接副明細(xì)表 連接副類型 連接副圖標(biāo) 第一構(gòu)件 第二構(gòu)件 連接副位置 旋轉(zhuǎn)副 Revolute Joint Swing_arm Ground O 球副 Spherical Joint King_pin Ground D 球副 Spherical Joint Tie_rod Ground S 球副 Spherical Joint Swing_arm Knuckle B 球副 Spherical Joint Tie_rod Knuckle P 圓柱副 Cylindrical Joint King_pin Knuckle E 固定副 Fixed Joint Wheel Knuckle F 點面約束副 Inplane Joint Primitive Wheel Test_patch G 移動副 Translational Joint Test_patch Ground G 6、創(chuàng)建連接副 根據(jù)懸架各構(gòu)件之間的運動關(guān)系，在各個關(guān)鍵點建立連接副。具體的連接副類型及位置如表4.2所示。 7、保存模型 在ADAMS/View中，選擇“File”菜單中的“Save Datebase As”命令，將懸架模型保存在工作目錄中。 4.4測試懸架模型 1、添加驅(qū)動 點擊ADAMS/View中驅(qū)動庫的直線驅(qū)動（Translational Joint Motion）按鈕，選擇測試平臺和大地的移動副，創(chuàng)建直線驅(qū)動。創(chuàng)建直線驅(qū)動后，直接在“Edit”菜單中選擇“Modify”，可以修改直線驅(qū)動，在添加驅(qū)動對話窗的“Function（time）”欄中，輸入驅(qū)動的函數(shù)表達(dá)式：，它表示車輪的上跳和下跳行程均為50mm。 在ADAMS/View的主工具箱中，選擇仿真按鈕，設(shè)置終止時間為5，工作步長為100。然后點擊開始按鈕進(jìn)行仿真。 2、測量主銷內(nèi)傾角 在ADAMS/View菜單欄中，選擇Build>Measure>Function>New，如圖4.6所示，創(chuàng)建新的測量函數(shù)。 在函數(shù)編輯器對話窗中的測量名稱（Measure Name）欄輸入：Kingpin_Inclination，一般屬性（General Attributes）的單位（Units）欄中選擇“angle”，借助于函數(shù)編輯器提供的基本函數(shù)，編輯主銷內(nèi)傾角的函數(shù)表達(dá)式： ATAN(DY(MARKER_24, MARKER_3)/DZ(MARKER_24, MARKER_3)) 具體編輯過程如下： 首先，輸入反正切函數(shù)“ATAN（）”； 然后，將光標(biāo)移動到括號內(nèi)，在函數(shù)編輯器的函數(shù)選項中，選擇“Displacement”中的“Displacement along Y”，測量兩點在Y方向的距離，按，如圖4.7所示。 系統(tǒng)彈出助理對話窗，在“To Marker”欄中輸入主銷在設(shè)計點“D”處的Marker：Marker24，在“From Marker”欄中輸入主銷在設(shè)計點“E”處的Marker：Marker3，如圖4.8所示，按“OK”，系統(tǒng)自動生成測量 兩點在Y軸方向距離的表達(dá)式。 圖4.6 新建測量函數(shù)命令 同樣，測量兩點在Z軸方向的距離時，選擇選擇“Displacement”中的“Displacement along Z”，在“To Marker”欄中輸入主銷在設(shè)計點“D”處的Marker：Marker24，在“From Marker”欄中輸入主銷在設(shè)計點“E”處的Marker：Marker32，如圖4.9所示，按“OK”。 圖4.7 使用助手功能 圖4.8 測量兩點在Y軸方向的距離 圖4.9 測量兩點在Z軸方向的距離 輸入的函數(shù)表達(dá)式如圖4.10所示，按“OK”，創(chuàng)建主銷內(nèi)傾角的測量函數(shù)。 同時，系統(tǒng)生成主銷內(nèi)傾角變化的測量曲線，如圖4.11所示。經(jīng)過軟件自動分析可以得到，主銷內(nèi)傾角不是固定在11?不變，而是在9.7005?到12.0902?范圍內(nèi)變化的。 圖4.10 函數(shù)編輯器 圖4.11 主銷內(nèi)傾角變化曲線 3、測量主銷后傾角 在ADAMS/View菜單欄中，選擇Build>Measure>Function>New，創(chuàng)建新的測量函數(shù)。在函數(shù)編輯器對話窗中的測量名稱（Measure Name）欄輸入：Caster_Angle，一般屬性（General Attributes）的單位（Units）欄中選擇“angle”，借助于函數(shù)編輯器提供的基本函數(shù)，編輯主銷后傾角的函數(shù)表達(dá)式： ATAN(DX(MARKER_24, MARKER_3)/DZ(MARKER_24, MARKER_32)) 由軟件自動生成的主銷后傾角曲線（如圖4.12）可以得到，主銷的后傾角不是固定的1.2?，而是在1.1038?到1.4395?的范圍內(nèi)變化的。 圖4.12 主銷后傾角變化曲線 4、測量車輪外傾角 在ADAMS/View菜單欄中，選擇Build>Measure>Function>New，創(chuàng)建新的測量函數(shù)。在函數(shù)編輯器對話窗中的測量名稱（Measure Name）欄輸入：Camber_Angle，一般屬性（General Attributes）的單位（Units）欄中選擇“angle”，借助于函數(shù)編輯器提供的基本函數(shù)，編輯主銷后傾角的函數(shù)表達(dá)式： ATAN(DZ(MARKER_43, MARKER_46)/DY(MARKER_43, MARKER_46)) 自動生成車輪外傾角變化曲線，如圖4.13。由分析得到，車輪的外傾角的變化范圍是在0.2836?到2.6421?之間。 圖4.13 車輪外傾角變化曲線 5、測量車輪接地點側(cè)向滑移量 首先,在車輪（Wheel）上創(chuàng)建Ma