基于ADAMS的整车操纵稳定性优化设计.doc

基于 ADAMS 的整车操纵稳定性优化设计 第 1 页 共 13 页基于基于 ADAMSADAMS 的整车操纵稳定性优化设计的整车操纵稳定性优化设计摘要: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 ＡＤＡＭＳ，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 1 引言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，分析悬架对整车操纵稳定性的影响，是很有必要的1.11.1 汽车的操纵稳定性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稳定性是影响汽车主动安全性的重要性能之一2.22.2 本文工作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２２ 悬架参数对汽车操纵稳定性的影响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2.12.1侧倾中心高度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基于 ADAMS 的整车操纵稳定性优化设计 第 2 页 共 13 页图 1 侧倾中心高度示意图美国通用汽车公司曾对 ２９ 辆轿车试验的结果表明：轿车前侧倾中心高度在 ０～１４ｃｍ 之间车厢在侧向力作用下绕侧倾轴线的转角车厢的侧倾角，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2.22.2侧倾转向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基于 ADAMS 的整车操纵稳定性优化设计 第 3 页 共 13 页图 2 车轮相对车厢跳动时的前束变化曲线2.32.3侧倾外倾侧倾外倾侧倾外倾，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 ０．６１～０．８８2.42.4磨胎半径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。

2.52.5抗点头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的基于 ADAMS 的整车操纵稳定性优化设计 第 4 页 共 13 页图3 磨胎半径示意图３３ 基于基于 ＡＤＡＭＳＡＤＡＭＳ 软件的前悬架优化设计软件的前悬架优化设计ＡＤＡＭＳ／Ｃａｒ 是 ＡＤＡＭＳ 软件中的专业模块之一，是 ＭＤＩ 公司与 Ａｕｄｉ、ＢＭＷ、Ｒｅｎａｕｌｔ 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、Ｂｏｘ－Ｂｅｈｎｋｎ 法、Ｐｌａｃｋｅｔ－Ｂｒｕｍａｎ 法、Ｄ－Ｏｐｔｉｍａｌ 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，3.13.1建模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 所示基于 ADAMS 的整车操纵稳定性优化设计 第 5 页 共 13 页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_z Hpl_drive_shaft_inr267.0-200.0255.0 Hpl_lca_front67.0-400.0180.0 Hpl_lca_outer267.0-750.0130.0 Hpl_lca_rear467.0-450.0185.0 Hpl_lwr_strut_mount267.0-600.0180.0 Hpl_subframe_front-133.0-450.0180.0 Hpl_subframe_rear667.0-450.0180.0 Hpl_tierod_inner467.0-400.0330.0 Hpl_tierod_outer417.0-750.0330.0 Hpl_top_mount307.0-500.0680.0 Hpl_uca_front367.0-450.0555.0 Hpl_uca_outer307.0-675.0555.0 Hpl_uca_rear517.0-490.0560.0 Hpl_wheel_center267.0-760.0330.0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3.23.2仿真模型并绘制测量曲线仿真模型并绘制测量曲线基于 ADAMS 的整车操纵稳定性优化设计 第 6 页 共 13 页图 ４ 为车轮在上下激振 ５０ｍｍ 时，车轮前束角的变化曲线如图所示，平衡位置处，前轮前束角为０ ，测试过程中，前束角在 ２．３ ～－１．４ 之间变化前束变化的较理想特性值为： 前轮上跳时， 为零至负前束（－ ０．５ ／５０ｍｍ） ，所以，前束角不符合设计要求，需要优化图4 车轮跳动－前束曲线图 ５ 为车轮在上下激振 ５０ｍｍ 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－０．５ ，测试过程中，外倾角在 ０．３ ～－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， 车轮外倾角变化在 １ 度左右所以，车轮外倾角基本符合设计要求，但可以进行进一步优化图5 车轮跳动－外倾角曲线图 ６ 为车轮在上下激振 ５０ｍｍ 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 ０．６９～０．８６ 之间变化。

基于 ADAMS 的整车操纵稳定性优化设计 第 7 页 共 13 页图6 车轮跳动－侧倾外倾系数曲线图 ７ 为车轮在上下激振 ５０ｍｍ 时，侧倾中心高度的变化曲线，由曲线可知，平衡位置处，侧倾中心高度的变化曲线，由曲线可知，平衡位置处，侧倾中心高度为 １４６ｍｍ，测试过程中，侧倾中心高度在 ２６３～３３ｍｍ 之间变化图7 车轮跳动－侧倾中心高度曲线基于 ADAMS 的整车操纵稳定性优化设计 第 8 页 共 13 页图 ８ 为车轮在上下激振 ５０ｍｍ 时，抗点头率的变化曲线，由曲线可知，平衡位置处，抗点头率为１５．３％，测试过程中，抗点头率在 １９％～１１％之间变化图 ９ 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，侧倾转向为０．４，测试过程中，侧倾转向在 ０．６３～０．２１ 之间变化图 １０ 为车轮在上下激振 ５０ｍｍ 时，磨胎半径的变化曲线，由曲线可知，平衡位置处，磨胎半径为－２．６，测试过程中，磨胎半径在 －４～－１ 之间变化图8 车轮跳动－抗点头率曲线图9 车轮跳动－侧倾转向曲线基于 ADAMS 的整车操纵稳定性优化设计 第 9 页 共 13 页图10 车轮跳动－磨胎半径曲线基于 ADAMS 的整车操纵稳定性优化设计 第 10 页 共 13 页3.33.3优化模型优化模型利用 ＡＤＡＭＳ／Ｉｎｓｉｇｈｔ 模块，对上述前悬架模型进行优化。

3.3.13.3.1 设定设计目标设定设计目标以前束角（Ｔｏｅ＿ａｎｇｌｅ）和外倾角（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3.3.23.3.2 设定设计变量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－５ ～５ｍｍ 之间，ＡＤＡＭＳ／Ｉｎ－ｓｉｇｈｔ 给出四种设计方案，如表 ２ 所示Tierod_xTierod_yTierod_z Trial 1412-755335 Trial。