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 摘 要 隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)和文化的發(fā)展，人們對汽車行駛舒適性的要求越來越高。汽車懸架系統(tǒng)對整車行駛穩(wěn)定性和平順性有舉足輕重的影響，但汽車懸架系統(tǒng)是一個比較復(fù)雜的多體系統(tǒng)，其構(gòu)件之間的運(yùn)動關(guān)系十分復(fù)雜，所以開發(fā)和設(shè)計合理的汽車懸架系統(tǒng)是十分重要。 ADAMS是世界上應(yīng)用最為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件。本文采用虛擬樣機(jī)分析軟件ADAMS，計算機(jī)輔助設(shè)計軟件UG（Unigraphics），在ADAMS/View中建立了目前在現(xiàn)代轎車上應(yīng)用廣泛的麥弗遜式前懸架系統(tǒng)的多體動力學(xué)模型，加上路面的激勵后分析車輪跳動時懸架的各種參數(shù)的變化。然后根據(jù)汽車車輪在行駛時側(cè)滑量盡量小的要求，對懸架系統(tǒng)優(yōu)化求解。 該設(shè)計和分析可以指導(dǎo)麥弗遜式前懸架系統(tǒng)的設(shè)計，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)費(fèi)用和成本，提高產(chǎn)品的使用性能，獲得最優(yōu)和創(chuàng)新的設(shè)計產(chǎn)品。 關(guān)鍵詞：麥弗遜懸架；仿真；虛擬樣機(jī)技術(shù)；ADAMS；UG ABSTRACT With the development of economic, The automobile suspension has become more and more important. It plays an important role in Vehicle Dynamics. The automobile suspension is a multi-body system and the motion relationship among the parts is very complicated, so it brings may difficulties to compute the various characteristics with traditional computation methods.So the simulation of suspension kinetics has been a very important task in the design and development of automotive suspension. ADAMS is simulation software of mechanical system used most widely in the world. This paper used the Virtual Prototyping Technology software – ADAMS and the computer aided design software UG(Unigraphics), and with the help of ADAMS/View, it established multi-body dynamics model of MacPherson front suspension which is increasing widely used in modern car. Then it analyzed the change of suspension parameter when driving. Then it optimized analyzing according to the wheel slipping demand that is as small as possible. Using The Computer Virtual Simulation Technology this paper analyzed the MacPherson suspension model. It can aid product design, reduce the R&D period and cost, improve design level and get the best and the most novel products. Keywords : MacPherson Suspension; Simulation; Virtual Prototyping Technology; ADAMS; UG II 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 目 錄 摘要······························································Ⅰ Abstract ··························································Ⅱ 第1章 緒論·······················································1 1.1汽車懸架技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢······························1 1.2課題的研究意義和目的········································3 1.3本論文的研究內(nèi)容和研究方法··································4 第2章 麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計································5 2.1 懸架作用和組成分類··········································5 2.1．1懸架的分類··············································5 2.1.2 懸架的組成··············································6 2.2麥弗遜懸架的特點············································8 2.3麥弗遜懸架的結(jié)構(gòu)分析與確定··································9 2.4汽車前輪定位參數(shù)···········································12 2.5本章小結(jié)···················································13 第3章 空間機(jī)構(gòu)學(xué)分析的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)······························14 3.1方向余弦矩陣和兩個共原點坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣···············14 3.2 Denavit-Hartenberg坐標(biāo)系建立·······························15 3.3坐標(biāo)系繞過原點的任意軸線轉(zhuǎn)動的方向余弦矩陣·················16 3.4本章小結(jié)···················································17 第4章 麥弗遜懸架機(jī)構(gòu)的空間位置分析·························18 4.1麥弗遜懸架的結(jié)構(gòu)···········································18 4.2麥弗遜懸架的運(yùn)動學(xué)分析·····································18 4.3本章小結(jié)···················································23 第5章 基于ADAMS/View麥弗遜懸架建模及分析·················25 5.1 仿真軟件ADAMS的介紹·····································25 5.1.1 ADAMS的簡介···········································25 5.1.2 ADAMS軟件的優(yōu)點·······································27 5.2懸架空間各點的坐標(biāo)··········································28 5.3在ADAMS/View中創(chuàng)建懸架模型·······························29 5.4測試懸架模型················································32 5.5優(yōu)化懸架模型················································41 5.6本章小結(jié)····················································45 第6章 基于UG的懸架模型建立·································46 6.1 UG軟件的介紹···············································46 6.1.1UG軟件的簡介···········································46 6.1.2 UG軟件的特點···········································47 6.2 建?；经h(huán)境設(shè)置···········································47 6.3懸架模型的建立·············································48 6.3.1零件的三維實體建模型···································49 6.3.2零件外觀設(shè)計···········································51 6.3.3裝配懸架···············································53 6.4本章小結(jié)···················································57 結(jié)論······························································58 參考文獻(xiàn)·························································59 致謝······························································60 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(yùn)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(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)，剛度和阻尼都是不可調(diào)的，依照隨機(jī)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(jī)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(yùn)行狀態(tài)； （3）研究導(dǎo)向機(jī)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(yùn)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(jī)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(yùn)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(dú)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(jī)、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(jī)和永磁直流直線伺服電機(jī)具有較多的優(yōu)點，今后將會取代液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)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(jī)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(yùn)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(yùn)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(jī)構(gòu)，這些就給運(yùn)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(jī)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(yùn)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(fèi)時費(fèi)力。隨著計算機(jī)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(jī)技術(shù)脫穎而出?；贏DAMS的虛擬樣機(jī)技術(shù)，可把懸架視為是由多個相互連接、彼此能夠相對運(yùn)動的多體運(yùn)動系統(tǒng)，其運(yùn)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(yùn)用虛擬樣機(jī)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(fèi)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(yùn)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(jī)械CAD設(shè)計、虛擬樣機(jī)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(jī)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(jī)技術(shù)，利用現(xiàn)在流行ADAMS軟件的View模塊，建立出虛擬樣機(jī)，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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)模型，進(jìn)行機(jī)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(jī)上進(jìn)行機(jī)構(gòu)和控制分析，可以優(yōu)化求解，為懸架系統(tǒng)的樣機(jī)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(jī)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(jī)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(dú)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(dú)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(dú)立式懸架 汽車的每個車輪單獨(dú)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(qiáng)，乘坐舒適，各項指標(biāo)都優(yōu)于非獨(dú)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(dú)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(dú)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(dú)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(jī)構(gòu)三部分組成。如圖2.1所示，導(dǎo)向機(jī)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(yùn)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(jī)構(gòu)中最精密和復(fù)雜的機(jī)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(yùn)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(dú)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(dú)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(dú)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(yùn)動的機(jī)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(yùn)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(jī)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(yùn)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(dú)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(yùn)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(dú)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(dú)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(jī)構(gòu)型式都是以麥弗遜式為主，雙橫臂式獨(dú)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(jī)構(gòu)的機(jī)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(dú)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(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)知識分析麥弗遜懸架機(jī)構(gòu)。由于麥弗遜懸架是各個零件組成的，在懸架機(jī)構(gòu)分析中采用空間機(jī)構(gòu)分析。機(jī)構(gòu)都是由構(gòu)件組成的。構(gòu)件不同于零件，前者是機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)的概念，而后者是機(jī)械設(shè)計學(xué)和機(jī)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(jī)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(yùn)動學(xué)中把它們視為是不同的。構(gòu)件和構(gòu)件是由運(yùn)動副連接成運(yùn)動鏈。運(yùn)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(yùn)動（即提供一定的約束），又保留了構(gòu)件間的一定相對運(yùn)動，所保留的獨(dú)立相對運(yùn)動數(shù)目為運(yùn)動副的自由度[9]。運(yùn)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(jī)構(gòu)圖。 圖2.4 麥弗遜懸架機(jī)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(jī)構(gòu)，機(jī)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(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向節(jié)和橫擺臂被動地運(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)的空間位置分析 3.1麥弗遜懸架機(jī)構(gòu)運(yùn)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(jī)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(yùn)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(jī)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(yùn)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(jī)構(gòu)圖 3.2麥弗遜懸架的運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jī)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(jī)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(yùn)動后各點位置示意圖 運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)用空間機(jī)構(gòu)知識，介紹麥弗遜懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的各個關(guān)鍵點之間空間關(guān)系。采用空間機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)知識分析，得到懸架機(jī)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(jī)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(jī)模型。 第4章 基于ADAMS/View麥弗遜懸架建模及分析 機(jī)械也稱機(jī)械系統(tǒng)，它是由可以相對運(yùn)動的剛體通過運(yùn)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(jī)械系統(tǒng)，在汽車機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動[12]。 4.1 仿真軟件ADAMS的介紹 4.1.1 ADAMS的簡介 機(jī)械系統(tǒng)分析軟件ADAMS是世界上應(yīng)用廣泛的機(jī)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(jī)，實現(xiàn)在計算機(jī)上仿真分析復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)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(yùn)動激勵；最后執(zhí)行一組與實際狀況十分接近的運(yùn)動仿真測試，得到實際機(jī)械系統(tǒng)工作過程的運(yùn)動仿真[13]。 ADAMS軟件采用模擬樣機(jī)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(jī)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(jī)械系統(tǒng)參數(shù)化模型并通過對其運(yùn)動性能的仿真分析和比較來研究“虛擬樣機(jī)”可供選擇的設(shè)計方案。ADAMS仿真可用于估計機(jī)械系統(tǒng)性能、運(yùn)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(jī)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(jī)”，它自動形成機(jī)械系統(tǒng)模型的動力學(xué)方程，提供靜力學(xué)、運(yùn)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(jī)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(jī)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(yùn)動機(jī)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(yùn)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(yùn)動關(guān)系定義機(jī)械系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)仿真，并進(jìn)行干涉檢查、確定運(yùn)動鎖止位置，計算運(yùn)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(jī)，其中包括車身、懸架、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對虛擬樣機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行分析。另一方面，又是機(jī)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(jī)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(fèi)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(jī)數(shù)量； （5）進(jìn)行物理樣機(jī)測試有危險、費(fèi)時和成本高時，可利用虛擬樣機(jī)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(yùn)用機(jī)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(fèi)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(jī)構(gòu)分析公式，可以得到麥弗遜懸架的幾個運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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