1、畢業設計（論文）材料之二（1）安徽工程大學本科畢業設計（論文）專 業： 車輛工程 題 目： 輪轂電動機運轉轉矩的波動對輪胎及懸架系統的影響 作 者 姓 名： 劉蒙蒙 導師及職稱： 時培成（副教授） 導師所在單位： 安徽工程大學 2014年3月09日安徽工程大學畢業設計（論文）輪轂電動機運轉轉矩的波動對輪胎及懸架系統的影響摘 要 在中國經濟飛速發展的當代，節能和環保成為發展的主題國家十二五規劃將新能源汽車的發展了列為中國汽車行業未來五年發展的重中之重。著力進行關于新能源汽車的深入研究，扎實推進汽車行業的技術革新歷程，是今后汽車行業的發展趨勢。本文針對電動汽車領域里的輪轂電動機運轉轉矩的波動對輪胎

2、及懸架系統的影響展開分析與研究，詳述了輪轂驅動電動汽車的技術特點和發展情況。對輪轂電動汽車的整體設計和方案展開研究與探索，針對輪轂驅動汽車的特點提出了對應的動力性模型，并對輪轂電動機運轉轉矩的波動在各個頻率段進行仿真。結合現有關于輪轂驅動汽車的減振技術研究，對于解決輪轂電動機運轉轉矩的波動對輪胎及懸架系統的影響問題進行了技術上的詳盡介紹和研究。 關鍵詞：輪轂電機；輪胎；懸架系統；動力學仿真 fluctuations in the torque hub motor running on tires and suspension system abstract in contemporary ch

3、inas rapid economic development,energy conservation and environmental protection has become the theme of the twelfth five-year national development plan will be the development of new energy vehicles as a top priority of chinas auto industry development in the next five years.focus on in-depth resea

4、rch on new energy vehicles,and promote technological innovation in the history of the automotive industry,the future trends in the automotive industry. in this paper,to analyze and study the effects of fluctuations in the field of electric vehicles,motor running wheel torque to tires and suspension

5、system for detailing the wheel drive electric vehicle technology characteristics and developments.the hub of electric vehicles overall design and plan a study and exploration for wheel drive vehicle characteristics corresponding to the proposed dynamic model,fluctuations in operating torque of the m

6、otor and wheels in each frequency band simulation.combined with existing research on damping wheel drive vehicle technology,for solving the torque fluctuations hub motor running on the impact of tires and suspension systems were technically detailed descriptions and research.keyword：dynamics simulat

7、ion; tire;suspension;wheel motor目 錄引言1第1章 緒論21.1 輪轂電機驅動型式21.2 輪轂驅動電動汽車的發展現狀31.3 輪轂驅動電動汽車的技術優勢41.4 輪轂電動機系統技術問題51.5 輪轂驅動電動車的發展趨勢61.5.1 無位置傳感器控制技術61.5.2 轉矩脈動的抑制61.5.3 弱磁擴速71.6 本章小結7第2章 懸架-輪胎-路面多體動力學模型的建立82.1 adams軟件簡介82.2 懸架模型112.2.2 創建控制臂幾何形體132.2.3 創建轉向節142.2.3 創建橫拉桿152.2.4 創建減震器152.2.5 定義減震器162.2.6

8、定義螺旋彈簧172.3 輪胎路面模型182.4 轉矩波動模型202.5 本章小結22第3章仿真233.1 60頻率輪胎懸架振動233.2 90頻率輪胎懸架振動243.3 120頻率輪胎懸架振動253.4 150頻率輪胎懸架振動263.5 180頻率輪胎懸架振動273.6 210頻率輪胎懸架振動283.7 結論293.8 本章小結29結論與展望30致謝31參考文獻32附錄c 外文文獻及其中文翻譯33附錄 d 主要參考文獻及其摘要44 插圖清單圖1-1 典型電動車電動驅動方案2圖2-1控制臂13圖2-2轉向節三角臂14圖2-3 轉向節立柱14圖2-4 橫拉桿15圖2-5 減震器屬性文件16圖2-6

9、減震器創建對話框16圖2-7減震器17圖2-8ftire輪胎19圖2-9整體模型20圖3-1 60頻率輪胎振動響應速率圖23圖3-2 60頻率懸架振動響應速率圖23圖3-3 90頻率輪胎振動響應速率圖24圖3-4 90頻率懸架振動響應速率圖24圖3-5 120頻率輪胎振動響應速率圖25圖3-6 120頻率懸架振動響應速率圖25圖3-7 150頻率輪胎振動響應速率圖26圖3-8 150頻率懸架振動響應速率圖26圖3-9 180頻率輪胎振動響應速率圖27圖3-10 180頻率懸架振動響應速率圖27圖3-11 210頻率輪胎振動響應速率圖28圖3-12 210頻率懸架振動響應速率圖28插表清單表2-

10、1 adams軟件模塊9表2-2 轉矩dq模型符號21v引言汽車的乘坐舒適性能是衡量汽車水平的一個重要指標。但由于受到供電電流諧波分量、磁場的非正弦分布、定轉子偏心、定子開槽和電機控制系統測量誤差等因素的影響，電機輸出轉矩存在一定幅度的波動。而波動的轉矩直接作用在輪胎上，引起輪胎與地面間縱向和垂向作用力的沖擊與波動，并引起懸架系統的振動，從而導致整車縱向和垂向的振動問題。研究表明，驅動電機的轉矩波動是車身結構振動和車內噪聲的主要激勵源，且激勵峰值頻率分布在 60-210hz 的中高頻范圍內。對此，許多學者進行了深入的研究。現在有些學者就轉矩波動的來源入手，從電機控制的角度出發研究如何抑制電機的

11、轉矩波動； 還有些學者嘗試通過在電機輸出端加入扭轉減振器，試圖從傳遞途徑的角度來衰減轉矩波動。本文中從輪胎-懸架系統的角度出發，將懸架作為輪胎和車身之間的隔振元件考慮。首先在 adams 中建立懸架-輪胎-路面多體動力學模型； 然后通過輸入轉矩模型的各個頻率段來模擬汽車的在各個轉速間輪轂轉矩波動對輪胎及懸架系統的影響。最終通過分析各個頻率段的輸出波形比較得出轉矩波動對輪胎及懸架系統的影響。所以此研究對提高汽車的乘坐舒適具有重要的理論意義和參考價值。- 47 -第1章 緒論1.1 輪轂電機驅動型式電動汽車在節能、環保和性能上具有傳統汽車無法比擬的優勢，是社會經濟利益和能源、環保要求共同作用下的產

12、物，已經成為世界公認的新能源汽車發展的主流。廣義上講，電動汽車包括純電動汽車、混合動力汽車和電電混合電動汽車。混合動力汽車無論采用油電混合還是氣電混合，根本特點是熱機和電動機在動力層次的混合。電電混合的根本特點在于電能轉化元件與電儲能元件在能源層次的混合。目前，油電混合動力汽車已經成功實現商品化，電電混合動力汽車，尤其燃料電池和動力蓄電池超級電容的電動汽車正成為向未來氫能經濟過渡的首選載體，研發力度不斷加大，加速實現產業化。圖1給出了各種典型電動車的電機驅動方案。 圖 1-1 典型電動車電動驅動方案對比分析得到，基于輪轂電機驅動型式電動車尤其是4輪輪邊驅動電動車不需要變速器、差速器、球型萬向節

13、、半軸等部件，其電機(電機+減速機構)直接放在輪輞里面，從而結構緊湊且車身內部空間利用率高，整車重心降低，車輛行駛穩定圖1 典型電動車電機驅動方案性提高；傳統車輛內燃機輸出能量的10%左右在車輪傳遞過程中損失，輪邊驅動系統由于動力傳動鏈短(或者直接驅動車輪)，而且能夠通過能源管理和動力系統控制策略優化驅動、制動力分配，因而驅動系統效率高，降低能源消耗，提高了車輛燃油經濟性；與內燃機、集中電機驅動車輛相比，輪邊驅動電動車每個車輪通過輪轂電機快速進行驅動力和制動力的控制，大大改善車輛的行駛動力學性能，容易通過電機控制技術實現abs、tcs及esp功能；在4輪輪邊驅動電動車上導入線控4輪轉向技術，可

14、提高車輛轉向行駛性能，并有效減小轉向半徑，甚至零轉向半徑，大大增加轉向靈便性；可以省略機械制動系統，實現電機制動；容易實現各電動輪的電氣制動、機電復合制動和制動能量回饋，節約能源。但是，由于輪轂電機的引入，整車的非簧載質量顯著增加(一般增加15kg左右)，而且由于電機力矩波動直接作用車輪(或者經過減速機構)，在特定大扭矩轉速區間，容易引起懸架前后方向的共振；與集中電機和傳統內燃機相比，輪邊驅動系統電機重心位置低，且存在相互旋轉表面，因此密封困難，整車涉水能力不強；輪邊驅動系統的輪轂電機一般只經過輪胎一級減振，系統對電機允許最大振動加速度要求大，疲勞壽命要求高；由于輪轂電機轉子構成了車輪的轉動慣

15、量，影響了車輛的加速性能。相比而言，輪邊驅動電動車具有獨特的優勢，這也是國內外各大汽車生產商和研究機構熱衷于此的一個重要原因，自20世紀初保時捷開發第一輛輪邊驅動電動車以來，由于驅動電機及控制技術進步，懸架設計理論的成熟，輪邊驅動系統在輕量化、一體化、高效率化取得很大進步。1.2 輪轂驅動電動汽車的發展現狀 輪邊驅動電動車具有集中電機驅動電動車和傳統電動車無法比擬的優點，被認為是未來燃料電池汽車高端車輛的理想選擇，世界上多家汽車公司和研究機構在進行輪邊驅動電動車的研究。 在日本，以日本慶應義塾大學環境信息學部清水浩教授領導的電動汽車研究小組、普利斯通公司、三菱汽車公司、豐田汽車公司、本田汽車公

16、司為主要代表。在過去的十幾年中，以輪邊驅動電動車為研發目標，至今已試制了6種不同型式的樣車。1991年與東京電力公司共同開發的4座電動汽車iza，采用n-icd電池為動力源，以4個額定功率為6.8kw、峰值功率達到25kw的外轉子式永磁同步輪轂電機驅動，最高速度可達176km/h；1996年，該小組聯合日本國家環境研究所研制了采用輪邊驅動系統的后輪驅動電動汽車eco，該車的輪邊驅動系統選用永磁直流無刷電動機，額定功率為6.8kw，峰值功率為20kw，并匹配一行星齒輪減速機構；2001年，該小組又推出了以鋰電池為動力源，采用8個大功率交流同步輪轂電機獨立驅動的電動轎車kaz。該車充分利用電動輪驅

17、動系統布置靈活的特點，打破傳統，安裝了8個車輪，大大增加了該車的動力，從而使該車的最高速度可以達到311km/h。kaz的輪邊驅動系統采用高轉速、高性能內轉子型電動機，其峰值功率可達55kw，0-100km/h加速時間達到8s。為了使電動機輸出轉速符合車輪的實際轉速要求，kaz的電動輪系統匹配了一行星齒輪減速機構，2004年，該小組又推出了電動車eliica，該車采用8個輪轂電機直接驅動，0-60 km/h加速時間僅為4s，最高車速達到370km/h，在良好工況下甚至可以達到400km/h。豐田汽車公司一直致力于輪邊驅動電動車的開發，2003年東京車展上，豐田公司推出的燃料電池概念車fine-

18、x采用4輪輪邊驅動技術；2006年4月的美國紐約汽車展上，豐田公司又推出4輪輪邊驅動電動車fine-t。本田汽車公司在其燃料電池車fcx開發上，驅動系統采用3個電機實現，其前輪采用集中電機，單個功率達到80kw，兩后輪分別采用輪邊驅動系統，單個輪轂電機功率達到25kw。本田汽車公司在其燃料電池車fcx開發上，驅動系統采用3個電機實現，其前輪采用集中電機，單個功率達到80kw，兩后輪分別采用輪邊驅動系統，單個輪轂電機功率達到25kw，而且本田公司有意在未來3-4年內實現該燃料電池車的產業化。 在歐洲，法國tm4公司設計的一體化輪邊驅動系統采用外轉子式永磁電動機，將電動機轉子外殼直接與輪輞相連，將

19、電動機外殼作為車輪的組成部分，并且電動機轉子外殼集成為鼓式制動器的制動鼓，制動蹄片直接作用在電動機外殼上，省卻制動鼓的結構，減小了輪邊驅動系統的質量，集成化設計程度相當高。該輪邊驅動系統所使用的永磁無刷直流電動機的性能非常高，其峰值功率可達到80kw，峰值扭矩為670nm，最高轉速為1385r/min，額定功率為18.5kw，額定轉速為950r/min，額定轉矩為180nm額定工況下的平均效率可達到96.3%。標致雪鐵龍汽車公司也一直致力于輪邊驅動電動車，開發的4輪輪邊驅動電動車quark，其電機與車輪輪輞一體化設計，單個車輪最大驅動力矩達到102.2nm，0-48km/h加速時間為6.5s。

20、大眾奧迪公司也推出相應的采用4輪輪邊驅動概念車r-zero，通過800v電壓的鋰電池與輪邊驅動系統的結合，該車的0-100 km/h加速時間為2.9s。西門子公司開發的ecorner將車輪部件、輪轂電機、主動懸架和楔塊制動器全部集成到車輪輪輞里面。英國貝姆勒公司在最近英國汽車展上展示的4輪輪邊驅動電動車miniqed，4個車輪均采用貝姆勒開發的永磁無刷電機驅動，單個電機轉矩達到750nm，可以實現4輪獨立驅動，0-100km/h加速時間僅為4.4s；車上另備2缸發動機，因此可以不需充電；制動系統采用電制動系統，無機械制動系統，通過電機實現驅動防滑和制動防抱死功能，并且能夠回收大部分制動回饋能量

21、。 美國通用汽車公司2001年試制的全新線控4輪驅動燃料電池概念車autonomy采用輪邊驅動形式，于2005年推出后輪采用輪邊驅動系統的燃料電池電動車seque，l該車前端采用集中電機驅動，后輪采用兩個輪轂電機驅動，3個電機總功率達到110kw，續駛里程達到500km。此外，通用公司開發的雪佛蘭s-10 4缸混合動力皮卡，在兩個后車輪內分別安裝一臺輪轂電機，產生的扭矩相當于一般v6發動機的扭矩，比雪佛蘭s-10 4缸皮卡高出60%。安裝在車輪輪轂內的2臺電機分別給每個車輪增加約15kg的重量，卻可以產生約25kw的功率。 澳大利亞國立科學機構csiro與悉尼科技大學共同開發的一體化輪邊驅動系

22、統，應用于三輪太陽能電動車aurora，通過車輪輪輞和電機本體的一體化設計，最高車速達到72km/h。 我國在該領域的研究相對落后，但是近幾年隨著國家“863”計劃電動汽車重大課題研究的深入，及對輪邊驅動系統認識的加深，各高校、公司也加強對該類新型驅動系統的研究。同濟大學汽車學院在2002-2005年相繼推出了獨立研制的采用輪邊驅動系統的微型電動車“春暉”系列，該車均采用4個低速永磁直流無刷輪轂電機直接驅動，匹配相應的盤式制動器。哈爾濱工業大學-愛英斯電動汽車研究所研制開發的ev96-1型電動汽車也采用了輪邊驅動系統，輪轂電機額定功率達到6.8kw，峰值功率為15kw，采用風冷散熱系統以及盤式

23、制動器，是一種典型的外轉子型電動輪結構型式。深圳比亞迪公司開發的4輪輪邊驅動電動概念車et，其單個永磁同步輪轂電機功率達到25kw，0-100km/h加速時間8.5s。1.3 輪轂驅動電動汽車的技術優勢 輪轂驅動電動汽車作為一種新型的汽車，與傳統的汽車及普通的電動汽車相比有著許多優勢。 (1)由于采用電動機直接驅動車輪，因此省去了傳統的傳動系統，取消了變速器、離合器等部件，為汽車節省了空間。 (2)輪轂驅動電動汽車的很多部件集中于車輪，使得汽車底盤外的車身受設計限制很小，車身設計可以更加多樣靈活。 (3)節省了傳統傳動機構的輪轂驅動形式，在機械傳動效率方面也更高，同時由于沒有了這些傳動機構，汽

24、車運行的聲音也會比較小。 (4)在制動方面，輪轂驅動電動汽車可以采用電子控制直接對驅動輪制動，同時與機械制動相結合，而且能夠實現制動能量回收等。 (5)在車身重量方面，省去的普通傳動機構減小了不少車重，使得汽車更加輕便靈活。 (6)可以對各驅動輪進行獨立驅動和制動控制，在車輛的動力性方面的動態響應較好，有益于提高汽車的動力性。 (7)在車輛轉彎時，對各驅動輪進行電子差速控制，特別是四輪驅動的情況，可以有效的減小車輛的轉彎半徑。 (8)與傳統的電動汽車相比，輪轂驅動電動汽車有更大的利用空間布置電池和電子控制系統，對于實現電力驅動的性能提供了有利條件。1.4 輪轂電動機系統技術問題 輪邊驅動系統的

25、關鍵技術包括驅動電動機的設計與控制、電動機系統涉水密封元件的設計、制動器及電動機的散熱與通風等多方面內容。作為輪邊驅動系統的核心部件驅動電動機，其設計目標為體積小、質量輕，功率密度大，在較寬的工作區間內都能夠保證高的效率。可選的電動機類型主要有無刷直流電動機、開關磁阻電動機、感應電動機和永磁同步電動機等。為了適合不同結構類型輪邊驅動系統的需要，提高功率密度、減輕電動機質量，國內外還進行了一些特殊形式輪轂電動機開發，如空心軸式輪轂電動機、盤式永磁電動機和weh 氏橫向磁場永磁電動機等。由于應用于電動汽車上的輪邊驅動電動機大多安裝在輪輞里面或其附近，因此當車輛涉水時，電動機涉水的可能性也比較大；電

26、動機存在相互旋轉表面，因此密封困難，需要仔細考慮核心部件的密封防水設計，否則由于浸水而導致電動機故障的概率將會大大增加。另外，同樣由于驅動電動機靠近車輪，因此在路面不平度較大的情況下，電動機只經過輪胎一級減振，所承受的路面激勵振動將非常劇烈，系統對電動機允許最大振動加速度要求大，疲勞壽命要求高，電動機與車輪、懸架部分的連接需要合理設計，保證具有一定的減振功能。輪邊驅動系統的制動器與傳統內燃機汽車的制動器基本相似，鼓式、盤式制動器在輪邊驅動系統上均可以采用。由于輪轂電動機具有制動能回饋功能，理論上來說輪邊驅動系統的機械部分制動器容量可以適當減小。目前，輪邊驅動系統的制動器散熱方式多數采用風冷式散

27、熱，也有采用水冷、油冷方式對電動機、制動器等發熱部件進行降溫和散熱，確保系統高效地可靠地運行。輪轂電動機系統研究關鍵技術問題總結為：(1)輪轂電動機系統集驅動、制動、承載等多種功能于一體，優化設計難度大；(2)車輪內部空間有限，對電動機功率密度性能要求高，設計難度大；(3)電動機與車輪集成導致非簧載質量較大，惡化懸架隔振性能，影響不平路面行駛條件下的車輛操控性和安全性。同時，輪轂電動機將承受很大的路面沖擊載荷，電動機抗振要求苛刻；(4)車輛大負荷低速爬長坡工況下容易出現冷卻不足導致的輪轂電動機過熱燒毀問題，電動機的散熱和強制冷卻問題需要重視；(5)車輪部位水和污物等容易集存，導致電動機的腐蝕破

28、壞，壽命可靠性受影響；(6)輪轂電動機運行轉矩的波動可能會引起電動汽車輪胎、懸架以及轉向系統的振動和噪聲，以及其他整車聲振問題；(7)電動機容量的不足，以致電動汽車的動力性能受到制約；(8)輪轂電動機驅動系統與懸架布置連接不夠合理，而引起車輛四輪定位和調整的困難等。針對輪轂電動機驅動系統目前存在的這些問題，開發研制性能良好、質量輕、體積小、集成度高的輪轂電動機系統成為目前各國研究的重點。其中，研究開發新型高功率密度的電動機是輪轂電動機系統開發的一個關鍵技術，另外，輪轂電動機系統中各個功能部件的集成化設計成為了該系統設計的一個指導原則，在保證各個功能部件的性能的前提下，盡可能地利用各部件的結構特

29、點，進行合理的集成，以使得各個系統在有限的輪輞空間內更好地匹配與共同協調工作。1.5 輪轂驅動電動車的發展趨勢 雖然輪轂電機早在20世紀50年代就已發明，而且相比其他驅動方式有很大的優勢，然而人們真正研究輪轂電機技術的時間還是很短，加上輪轂電機的設計與車輛的車輪結構設計緊密相關，所以還有很多問題需要解決。下面以電動汽車用外轉子式永磁無刷直流輪轂電機為例，探討一下輪轂電機研究的難點和熱點。1.5.1 無位置傳感器控制技術傳統無刷直流電機都需要一套位置傳感器來確定轉子位置，這給電機帶來了一系列的問題：首先，傳感器不但增加了電機的成本，而且占用了電機的內部空間；其次，傳感器信號線較多，容易引入干擾；

30、此外，傳感器的可靠性與靈敏度易受環境的影響。所以，無位置傳感器的位置信號檢測技術是發展的必然趨勢。目前常用的無位置傳感器位置信號檢測方法有以下幾種： (1) 反電動勢法。該方法是迄今為止最成熟、最有效、最常見的方法。其基本原理是將檢測到的斷開相反電動勢過零信號延時30電角度來得到功率管的開關信號。由于電機靜止或轉速較低時，反電動勢信號沒有或較弱，因此反電動勢法一般與“三段式”起動技術配套使用。 (2) 電感法 。該方法通過檢測繞組電感隨轉子位置的改變而發生的變化，再通過一定的計算，可得到轉子位置信號。(3) 狀態觀測器法。該方法將電機的三相電壓、電流作坐標變換，在派克方程的基礎上估算出電機轉子

31、位置。由于坐標變換只考慮基波分量，該方法主要用于正弦波反電動勢的永磁無刷直流電機。1.5.2 轉矩脈動的抑制 永磁無刷直流電動機在理想情況下運行時應滿足三相繞組完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流為方波；反電動勢為梯形波，且在每半個周期內，方波電流持續時間為120電角度，梯形波反電勢平頂部分也為120電角度，兩者嚴格同步。此時，電機將產生恒定的電磁轉矩。但在實際運行中，電機總存在轉矩脈動。產生轉矩脈動的原因和抑制方法有以下幾種：(1) 電磁因素產生的轉矩脈動。該類型的轉矩脈動是由定子電流和轉子磁場的相互作用而產生的。抑制的方法有：電機優化設計法、最佳開通角法、諧波消去法和轉矩閉環控制法等。 (2

32、) 電流換向引起的轉矩脈動。該類型的轉矩脈動是由于電機繞組電感阻礙了電流的瞬時變化引起的，因而在電樞電流從某一相切換到另一相時就會引起轉矩脈動。抑制方法有：電流反饋法、重疊換向法和pwm斬波法等。 (3) 齒槽引起的轉矩脈動。該類型的轉矩是由永磁體磁場和定子鐵心的齒槽作用在圓周方向產生的轉矩，又可稱為定位轉矩或磁阻轉矩。抑制齒槽轉矩的方法有:磁性槽楔法和閉口槽法，輔助槽法、輔助齒法和分數槽法，斜槽法和斜極法等。1.5.3 弱磁擴速由于永磁體的勵磁恒定不變，電機在基速以下采用pwm調制實現調壓調速，此時電機的反電勢同轉速、氣隙磁通成正比。基速及基速以上運行時，端電壓已調至最大，隨著轉速的升高，電

33、機反電勢增大，電樞電流減小。當反電勢等于端電壓時，電樞電流為零，無法產生電磁轉矩，電機將停轉。為了在基速以上端電壓不變的條件下保持一定的電樞電流以產生電磁轉矩，要實行弱磁控制。而對方波無刷直流電機而言，傳統的弱磁控制不能直接使用，需要新的控制策略。通過提前開通功率器件，使得繞組的變壓器反電勢抵消一部分的旋轉反電勢，從而滿足電壓平衡關系，實現等效的弱磁控制。目前恒功率弱磁調速范圍為基速的2.8倍左右。1.6 本章小結本章主要敘述了輪轂電機的驅動型式、發展現狀、技術優勢、技術問題和發展趨勢。讓讀者對輪轂電機有一個充分的認識，對以后文章的敘述，有一個鋪墊。第2章 懸架-輪胎-路面多體動力學模型的建立

34、要想正確分析轉矩波動對對輪胎及懸架系統的影響，首先建立準確的懸架-輪胎-路面多體動力學模型。為了排除前、前懸架間振動的耦合，只建立基于前懸架的多體動力學模型。本次設計建模采用adams/view進行建立模型。2.1 adams軟件簡介adams，即機械系統動力學自動分析(automatic dynamic analysis of mechanical systems)，該軟件是美國mdi公司(mechanical dynamics inc.)開發的虛擬樣機分析軟件。目前，adams已經被全世界各行各業的數百家主要制造商采用。根據1999年機械系統動態仿真分析軟件國際市場份額的統計資料，adam

35、s軟件銷售總額近八千萬美元、占據了51%的份額，現已經并入美國msc公司。adams軟件使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫，創建完全參數化的機械系統幾何模型，其求解器采用多剛體系統動力學理論中的拉格郎日方程方法，建立系統動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。adams軟件的仿真可用于預測機械系統的性能、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。adams一方面是虛擬樣機分析的應用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析。另一方面，又是虛擬樣機分析開發工具，其開放性的程序結構和多種

36、接口，可以成為特殊行業用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發工具平臺。adams軟件有兩種操作系統的版本：unix版和windows nt/2000版。本書將以windows 2000版的adams l2.0為藍本進行介紹。adams軟件由基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業領域模塊及工具箱5類模塊組成，如表1所示。用戶不僅可以采用通用模塊對一般的機械系統進行仿真，而且可以采用專用模塊針對特定工業應用領域的問題進行快速有效的建模與仿真分析。adams軟件由基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業領域模塊及工具箱5類模塊組成。adams是全球運用最為廣泛的機械系統仿真軟件，用戶可以利用adams在計算機

37、上建立和測試虛擬樣機，實現事實再現仿真，了解復雜機械系統設計的運動性能。md adams（md代表多學科）是在企業級 msc simenterprise仿真環境中與md nastran相互補充，提供了對于復雜的高級工程分析的完整的仿真環境， simenterprise是當今最為完整的集成仿真和分析技術。md adams的發布完全支持運動-結構耦合仿真，與md nastran的雙向集成可以釋放便利地將adams的模型輸出到nastran進行更為詳細的nvh分析或應力恢復，繼而進行壽命/損傷計算。 md adams/car應用md adams/car，技術團隊可以快速建立和測試整車和子系統的功能化

38、虛擬樣車。這可以幫助在車輛研發過程中節省時間、降低費用和風險，提升新車設計的品質。通過md adams/car的仿真環境，汽車工程師們可以在虛擬環境中對于不同的路面、不同的實際條件反復測試他們的設計，從而得到滿意的結果。基本模塊用戶界面模塊adamsview求解器模塊adamssolver后處理模塊adamspostprocessor擴展模塊液壓系統模塊adams/hydraulics振動分析模塊adams/vibration線性化分析模塊adams/linear高速動畫模塊adams/animation試驗設計與分析模塊adams/insight耐久性分析模塊adams/durability

39、數字化裝配回放模塊adams/dmu replay接口模塊柔性分析模塊adams/flex控制模塊adams/controls圖形接口模塊adams/exchangecatia專業接口模塊cat/adamspro/e接口模塊mechanical/pro專業領域模塊轎車模塊adams/car懸架設計軟件包suspension design概念化懸架模塊csm駕駛員模塊adams/driver動力傳動系統模塊adams/driveline輪胎模塊adams/tire柔性環輪胎模塊ftire module柔性體生成器模塊adams/fbg經驗動力學模型edm發動機設計模塊adams/engine配氣

40、機構模塊adams/engine valvetrain正時鏈模塊adams/engine chain附件驅動模塊accessory drive module鐵路車輛模塊adams/railford汽車公司專用汽車模塊adams/pre(chassis)工具箱軟件開發工具包adams/sdk虛擬試驗工具箱virtual test lab虛擬試驗模態分析工具箱virtual experiment modal analysis鋼板彈簧工具箱leafspring toolkit飛機起落架工具箱adams/landing gear履帶/輪胎式車輛工具箱tracked/wheeled vehicle齒輪傳

41、動工具箱adams/gear tool 表2-1 adams軟件模塊md adams/car包含許多的功能模塊用于多學科仿真。multidiscipline value多學科價值：多學科的價值在于大大地拓廣了數字分析的能力，msc的md技術是優化的涵蓋跨學科、多學科的集成，可以充分利用現有的高性能計算技術解決大量大規模的問題。多學科技術聚焦于提升仿真效率、保證設計初期設計的有效性、提升品質、加速產品投放市場。 一個新的命令 mnfxform，可用于彈性體mnf文件的鏡像，或變換/旋轉彈性體坐標系。新增有關插件的幫助文檔，并加強了幫助文檔的易用性。亮點：md adams (1) 新的在線幫助系統

42、以及pdf格式文件，方便打印。在 md adams中，msc.software 引入了一套新的電子在線幫助系統。md adams 和 md adams/car 的用戶可以使用整個幫助系統。在幫助系統的目錄表中，按照模塊進行組織，更方便信息的查找和搜索。對 md adams/view 中的命令語言，新加幫助，對 md adams/vibration模塊新加了新的理論手冊。為方便打印，幫助文檔提供了所有幫助文檔的pdf格式。(2) 輸出線形模型，可用于在nastran中進行進一步的振動性能分析md adams/vibration的一個新功能就是adams2nastran功能，該功能可以輸出線形模型

43、，用于在nastran中進行進一步的振動性能分析。此功能將線性化后的adams模型封裝為 nastran 的dmig 輸入形式。一旦輸出完成，用戶能夠利用nastran強大的頻響分析的功能，對系統進行精確的nvh分析和較高頻域范圍內系統的響應分析。 (3) 在3d接觸分析中，用于處理球體新的分析方法當模型中存在3d的球體接觸碰撞時，為了得到更為精確的結果，加強了接觸計算的算法，即使用真實的幾何來代表球體。同舊的將球體表面用小平面表示的方法相比，這種算法解算的速度明顯加快。例如，如右圖所示的滾珠軸承模型，解算的速度提高3.1倍。這種算法的另一個好處是接觸載荷計算的精度提高。右圖所示的曲線圖顯示舊

44、的算法（黑色曲線）和新的算法（紅色曲線）所得到的接觸載荷的區別所在。(4) 仿真過程中時變累計質量的計算新版本中開發了新的實用子程序，可以自動地計算仿真過程中時變的系統累計質量。新的解算器可以完成多體系統質量的計算，包括剛性體和彈性體。(5) 對頻響仿真節點的應力和應變結果的曲線繪制md adams 新版本支持繪制由于強迫載荷激勵載荷輸入引起的在彈性體上應力應變的結果曲線。利用此功能，可以讓分析人員快速地進行“what-if”的研究，同時考慮系統多體動力學特性和結構的影響。(6) md adams/car mechatronics汽車機電模塊md adams/car mechatronics（

45、汽車機電模塊）為新的模塊，該模塊極大地加強了adams/car和 adams/controls的集成。新模塊的宗旨是在car模型下標準化控制系統的實現。使用新的機電模塊，你可以很容易地對你的車輛控制系統性能的參數影響進行仿真，控制器的開/關只需要簡單地在控制器上切換一下即可。信號控制器，作為機電模塊的一部分，可以在整個系統裝配時連接控制系統和機械系統。(7) c+ solver 支持 adams/car adams/car 的模型現在可以使用 c+ solver解算了，用戶可以利用新的hht積分器以提高解算速度。 md adams/tire 和 md adams/smartdriver 模塊也

46、支持新的 c+ solver。(8) 更精確的動態懸架分析現在，md adams 具有的功能可以利用動態懸架試驗臺對懸架模型完成更為真實的動態懸架分析。此新功能將懸架運動的動態影響考慮在內，因而可以提高仿真的精度。用戶同樣可以使用 rpc 格式的文件作為運動驅動，這一點對于懸架系統及其零部件的耐久性能分析則為至關重要的。(9) 用于輪胎分析的新試驗臺輪胎試驗臺更為快速地進行多個輪胎模型的比較。可以為不同的輪胎模型自動地生成輪胎特性比較需要的各種曲線圖。這種高度自動化的分析功能界面有助于你對各種輪胎模型的品質以及輪胎數據庫快速地分析比較。2.2 懸架模型2.2.1懸架簡介 懸架是汽車的重要組成部

47、件，它把車架（或車身）與車軸（或輪胎）彈性的連接起來。它的作用是傳遞車架與車橋（或車身）之間的一切力和力矩；緩和路面傳給車架（或車身）的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統的振動，保證汽車的行駛平順性；保證車輪在路面不平和載荷變化時有理想的運動特性，保證汽車的操縱穩定性，使汽車高速行駛。汽車懸架包括彈性元件，減振器和傳力裝置等三部分，這三部分分別起緩沖，減振和力的傳遞作用。從轎車上來講，彈性元件多指螺旋彈簧，它承受垂直載荷，緩和及抑制不平路面對車體的沖擊，具有占用空間小，質量小，無需潤滑的優點，但沒有減振作用。減振器多指液力減振器，作用是加速衰減車身的振動。傳力裝置是指車架的上下擺臂等叉形剛架、轉

48、向節等元件，用來傳遞縱向力，側向力及力矩，并保證車輪相對于車架(或車身)有確定的相對運動規律。現代汽車懸架盡管有各種不同的結構形式，但一般都由彈性元件減振器和導向機構等三部分組成。此外，還輔設有緩沖塊和橫向穩定器。 由于汽車行駛的路面不可能絕對平坦，因此，路面作用于車輪上的垂直反力往往是沖擊性的，特別是在壞路面上高速行駛時，這種沖擊力將達到很大的數值。沖擊力傳到車架（或車身）上時，可能引起汽車機件的早期損壞，還將使駕駛員感到極不舒適，或使貨物受到損傷。為了緩和沖擊，在汽車行駛系統中，除了采用彈性的充氣輪胎之外，在懸架中還必須裝有彈性元件，使車架（或車身）與車橋（或車輪）之間保持彈性聯系。但彈性

49、系統在受到沖擊后將產生振動，持續的振動易使乘員感到不舒適或疲勞，故懸架還應當具有減振作用，使振動迅速衰減（振幅迅速減小）。為此，在許多結構形式的汽車懸架中都設有專門的減震器。車輪相對于車架和車身跳動時，車輪（特別是轉向輪）的運動軌跡應符合一定的要求，否則對汽車的某些行駛性能（特別是操縱穩定性）有不利的影響。因此，懸架中某些傳力構件同時還承擔著使車輪按一定軌跡相對于車架和車身跳動的任務，因而這些傳力構件還起導向作用，故稱導向機構。 在多數轎車和客車上，為了防止車身在轉向行駛等情況下發生過大的橫向傾斜，在懸架中還設有輔助彈性元件橫向穩定器。 按結構特點分，懸架主要分為兩大類，獨立懸架和非獨立懸架。

50、本設計主要介紹獨立懸架中的麥弗遜懸架。非獨立懸架的車輪裝在一根整體車軸的兩端，當一邊車輪跳動時，影響另一側車輪也作相應的跳動，使整個車身振動或傾斜，汽車的平穩性和舒適性較差，但由于構造較簡單，承載力大，目前仍有部分轎車的后懸架采用這種型式。獨立懸架的車軸分成兩段，每只車輪用螺旋彈簧獨立地安裝在車架(或車身)下面，當一邊車輪發生跳動時，另一邊車輪不受波及，汽車的平穩性和舒適性好。半主動懸架是指懸架彈性元件的剛度和減振器的阻尼系數之一可以根據需要進行調節的懸架。目前，半主動懸架研究主要集中在調節減振器的阻尼系數方面，即將阻尼可調減振器作為執行機構，通過傳感器檢測到汽車行駛狀況和道路條件的變化以及車

51、身的加速度，由ecu根據控制策略發出脈沖控制信號實現對減振器阻尼系數的有級可調和無級可調。有級可調減振器有級可調減振器阻尼在三檔之間快速切換，切換時間通常為幾毫秒，有級可調減振器實際上是在減振器結構中采用較為簡單的控制閥使通流面積在最大、中等或最小之間進行有級調節。有級可調減振器通過減振器頂部的電機控制旋轉閥的旋轉位置使減振器的阻尼在軟/中/硬三檔之間變化，有級可調減振器的結構 及其控制系統相對簡單，但在適應汽車行駛工況和道路條件的變化方面有一定的局限性，有級可調減振器的設計關鍵是發展先進的閥技術，增加阻尼變化的檔數縮短切換時間從而使復雜的控制策略應用成為可能，以進一步提高懸架的控制品質。無級

52、可調減振器無級可調減振器的阻尼調節可采取以下幾種方法：(1)節流孔徑調節：通過步進電機驅動減振器的閥桿連續調節減振器的通流面積，來改變阻尼節流閥或其他形式的驅動閥來實現。這類減振器的主要問題是節流閥結構復雜，制造成本高。(2)減振液黏性調節：使用黏性連續可控的新型的功能材料電流變或磁流變液體作為減振液，從而實現阻尼無級變化。磁流變液體是指在外加磁場的作用下，流變材料性能發生急劇變化的流體，將磁流變液體裝入磁流變減振器通過控制磁場強度 可實現磁流變減振器阻尼的連續、無級可調。 麥弗遜(macphersan)式懸掛是獨立懸掛的一種，是當今最為流行的獨立懸掛之一，一般用于轎車的前輪。簡單地說，麥弗遜

53、式懸掛的主要結構即是由螺旋彈簧加上減震器組成，減震器可以避免螺旋彈簧受力時向前、后、左、右偏移的現象，限制彈簧只能作上下方向的振動，并可以用減震器的行程長短及松緊，來設定懸掛的軟硬及性能。雖然麥弗遜式懸掛在行車舒適性上的表現令人滿意，其結構體積不大，可有效擴大車內乘坐空間，但也由于其構造為直筒式，對左右方向的沖擊缺乏阻擋力，抗剎車點頭作用較差。麥弗遜懸掛通常由兩個基本部分組成：支柱式減震器和a字型托臂。之所以叫減震器支柱是因為它除了減震還有支撐整個車身的作用，他的結構很緊湊，把減震器和減震彈簧集成在一起，組成一個可以上下運動的滑柱；下托臂通常是a字型的設計，用于給車輪提供部分橫向支撐力，以及承

54、受全部的前后方向應力。整個車體的重量和汽車在運動時車輪承受的所有沖擊就靠這兩個部件承擔。所以麥弗遜的一個最大的設計特點就是結構簡單，結構簡單能帶來兩個直接好處那就是：懸掛重量輕和占用空間小。我們知道，汽車懸掛屬于運動部件，運動部件越輕，那么懸掛響應速度和回彈速度就會越快，所以懸掛的減震能力也就越強；而且懸掛質量減輕也意味著彈簧下質量減輕，那么在車身重量一定的情況下，舒適性也越好。占用空間小帶來的直接好處就是設計師能在發動機倉布置下更大的發動機，而且發動機的放置方式也能隨心所欲。在中型車上能放下大型發動機，在小型車上也能放下中型發動機，讓各種發動機的匹配更靈活。也正是因為麥弗遜結構過于簡單，造成懸掛的剛度有限，所以較易發生幾何變形。這種變形體現到駕駛感受上，就是駕駛者會明顯的感覺到車身穩定性較差。無論是轉彎側傾，還是剎車點頭現象，都非常明顯。當然，設計師們也想了不少辦法來解決穩定性問題。我們經常聽說的橫向穩定桿，防傾桿，平衡桿等等都是用來提高麥福遜懸掛幾何剛度和橫向穩定性的部件。如果要從根本解決這些問題，就必須改變整個懸掛的幾何形狀，那么多連桿和雙搖臂懸掛就成了高性能懸掛的代表。麥弗遜懸掛除了在穩定性和剛度方面要遜色于多連桿以外，在耐用性上也不