1、 應用 ADAMS/CAR對轎車懸架系統進行建模仿真 周俊龍 吳 銘上海匯眾汽車制造有限公司研究開發中心摘 要:汽車懸架系統為一多體系統, 部件之間的運動關系十分復雜, 傳統的人工計算很難將懸 架的各種特性表述清楚。本文以某轎車為例,應用多體運動學與動力學仿真軟件 ADAMS 中的 CAR 模塊方便地建立了懸架系統的仿真模型,并進行了計算。關鍵詞 :多體系統 懸架 仿真1. 引言在工程應用領域,機械系統的計算機仿真技術變得日益重要。這種應用在于仿真軟件 能夠使用計算機代碼和方程準確的模擬真實的機械系統, 避免了傳統的產品開發過程中零部 件和樣機的反復制造、 試驗等過程, 同時硬件建設成本的降低

2、節省了大量的時間和財力, 為 產品迅速占領市場贏得了更多的機會。 鑒于仿真軟件帶來的上述優點, 其應用正在變得越來 越廣泛。 在眾多的軟件中, 汽車工業中廣泛應用的 ADAMS 則是非常具有代表性的一個運動學 與動力學仿真軟件。2. 懸架的仿真模型原理CAR 模塊是 ADAMS 軟件包中的一個專業化模塊, 主要用于對轎車(包括整車及各個總成 的動態仿真與分析。對于懸架系統來說,ADAMS/CAR在仿真結束后,可自動計算出 38種懸 架特性, 根據這些常規的懸架特性, 用戶又可定義出更多的懸架特性, 產品設計人員完全可 以通過這些特性曲線來對懸架進行綜合性能的評價和分析。應用 ADAMS/CAR

3、對懸架系統進行建模原理相對比較簡單,模型原理與實際的系統相一 致。 考慮到汽車基本上為一縱向對稱系統, 軟件模塊已預先對建模過程進行了處理, 產品設 計人員只需建立左邊或右邊的 1/2懸架模型, 另一半將會根據對稱性自動生成, 當然設計人 員也可建立非對稱的分析模型。在建立分析總成的模型過程中,ADAMS/CAR的建模順序是自 下而上的, 所有的分析模型都是建立在子總成基礎之上, 而子總成又是建立在模版的基礎上, 模版是整個模型中最基本的模塊。 然而模版又是整個建模過程中最重要的部分, 分析總成的 絕大部分建模工作都是在模版階段完成的。在這一階段,設計人員主要完成以下工作: 1 根據目標懸架中

4、零部件間的相對運動關系,定義零部件的拓撲結構,對零部件進 行重新組合,將沒有相對運動關系的零部件組合為一體(也可在建立約束時將這樣 的零部件鎖定為一體,確定重新組合后零件間的連接關系和連接點的位置;2 計算或測量重新組合后的零部件質心位置、質量和轉動慣量;3 確定減振器的阻尼特性和彈簧的剛度特性,減振器中上下限位塊的剛度數據;4 定義主銷軸線,輸入車輪的前束角和外傾角;5 建立該模版與其它模版或試驗臺架進行數據交換的輸入和輸出信號器;在建立模版階段,正確建立零部件間的連接關系和信號器是至關重要的,這些數據在 以后的子系統和總成階段無法修改,而零部件的位置和特征參數在后續過程中則是可以更-93-

5、94- 改。 另外需要注意的是零部件的慣量數據是相對于零部件質心的, 即零部件的主慣量。 零部 件之間的連接可以用鉸鏈連接, 也可用橡膠襯套(或彈簧連接, 二者的區別在于鉸鏈連接是 剛性的連接, 不允許過約束的運動, 橡膠襯套和彈簧屬于柔性連接, 它們在發生運動干涉的 部件之間產生阻力,阻止進一步的干涉發生。模版建立以后,接下來是創建子系統,在子系統的水平上,用戶只能對以前創建的零 部件進行部分數據的修改。 建立仿真模型的最后一步是建立分析總成, 在這一階段, 產品設 計人員可根據實際需要, 將不同的子系統組合成為一完整的分析模型, 如懸架總成可以包括 懸架子系統、 轉向子系統和穩定桿子系統。

6、 在分析之前, 還需輸入輪胎徑向剛度及相關的整 車數據。 整車數據中的簧載質量和簧載質量質心高度是指被整個轎車懸架所支撐的質量及這 一質量質心高度。3. 懸架系統的仿真分析仿真模型建立好后,就可以對其進行分析了。ADAMS/CAR 提供了強大的懸架系統分析 功能,如通過車輪的徑向跳動分析車輪的前束角、外傾角、懸架剛度、側傾剛度的變化;通 過在輪胎接地點施加側向力和回正力矩,測量前束角和車輪側偏角的變化;偏轉車輪(橫向 平面內,測量車輪的轉角和阿可曼角(Ackerman的大小等。后處理文件中所包括的曲線幾 乎涵蓋了所有常用的懸架特性。 設計人員可根據需要選擇相應的分析類型, 進行有選擇的數 據輸

7、入。 仿真計算結束后, 利用 ADAMS 提供的后處理模塊很容易繪制出結果曲線, 如果設計 人員所要關注的性能指標并未包含在后處理曲線中, 還可自己構造相應的函數。 如軟件提供 的懸架特性中有車輪輪心相對于全局坐標系在 y 方向(橫向上的變化(wheel track,但并 未提供輪距的變化,這時,用戶則可以根據 wheel track 以及車輪外傾角的變化曲線和輪胎 的半徑自己構造一個輪距隨輪跳(wheel travel變化的函數。4. 建模舉例下面的模型是作者根據某轎車的參數建立的前懸架仿真模型,由于該轎車沒有副車架, 下控制臂與車身直接相連。 模型中各零部件的幾何屬性由系統自動計算得出,

8、方法是首先在 UG II 中完成零部件的三維造型,按照 ADAMS 的建模要求,將部件進行正確放置,然后通過 parasolid 接口將三維模型以*.xmt_txt格式輸出,將這種中間格式的文件再通過 ADAMS 的 file 菜單中的 import 讀入,設定材料的密度, ADAMS 即可根據三維模型將自動將計算出的各種數據填入相應的對話框。 另外一種計算零部件幾何屬性的方法就是在 UG II中設定零部件的密度,利用UG 的計算功能將所需數據計算出以后, 人工填入部件的幾何屬性對話框。圖 1 用 ADAMS/CAR 建立的某轎車懸架系統仿真模型-95- 以下兩圖是車輪理想轉向角為零的情況下,

9、 車輪外傾角和懸架剛度隨車輪上下跳動時的 變化曲線。圖 2外傾角與輪跳的變化關系 圖 3懸架剛度與輪跳的變化關系5. 結語根據模擬計算的結果,仿真曲線基本與設計要求相符合。因此我們在開發新車或在原 來已有的車型基礎上進行改進設計時,在實際樣件、樣車制造出來之前,完全可以利用 ADAMS/CAR提供的動態仿真環境,對懸架甚至整車的一些主要性能進行事先預測、評估,從 而大大地縮短產品的開發周期。Abstract :The suspension assembly of car is a multi-body system and the motion relationship among the parts is very complicated, so it brings many difficulties to compute the various characteristics with traditional computation methods. This paper establishes the simulation mode