基于adams和matlab的轎車前懸架系統(tǒng)仿真分析

1、<p><b>　　碩士研究生課程論文</b></p><p>　　基于ADAMS和MATLAB的轎車</p><p><b>　　前懸架系統(tǒng)仿真分析</b></p><p>　　學(xué) 院： 汽車工程學(xué)院 </p><p>　　課程名稱： 汽車動力學(xué) &

2、lt;/p><p>　　專 業(yè)： 車輛工程 </p><p>　　班 級： 汽研141 </p><p>　　指導(dǎo)老師： 喬維高 </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p><b>　　2015年

3、1月</b></p><p>　　基于ADAMS和MATLAB的轎車前懸架系統(tǒng)仿真分析</p><p>　　摘要：汽車作為極其重要的交通工具，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域和人民日常生活中的地位日益突出。用戶對汽車安全性、行駛平順性、操縱穩(wěn)定性的要求也越來越高。本文采用ADAMS和MATLAB對汽車半主動懸架系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真。首先在ADAMS中建立動力學(xué)模型，然后用MATLAB軟件建立汽車半主

4、動懸架的阻尼控制模型，通過分析汽車垂直方向的加速度，來達(dá)到汽車的行駛平順性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：半主動懸架；建模；聯(lián)合仿真</p><p>　　Abstract: Vehicles, as an extremely important means of transportation, whose status is becoming more and more prominent

5、 in the field of transportation and people’s daily life. The users’ requirement of automobile safety and riding comfort and handing stability is also increasing. In this paper, ADAMS and MATLAB are used to joint simulati

6、on for automotive semi-active suspension system. Dynamics model is established in the ADAMS at first, and then using MATLAB to establish the vehicle semi-active </p><p>　　Key words: Semi-active suspension; m

7、odeling; joint simulation</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車的技術(shù)水平不斷提高，人們對汽車的行駛平順性也越來越關(guān)注。而對平順性起到?jīng)Q定性影響的因素是汽車懸架的性能，懸架很重要的一個作用就是緩沖各種力和力矩。</p><p>　　懸架是汽車車身（或車架）與車橋之間的

8、所有傳力連接裝置的總稱。路面作用于車輪上的垂直反力（支承力）、縱向反力（牽引力和制動力）和側(cè)向反力以及這些力所構(gòu)成的力矩都要通過懸架傳到車身上，以保證汽車的正常行駛。為了減小因路面的不平所激起的震動，改善汽車的行駛平順性及操縱穩(wěn)定性，懸架通常由彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、橫向穩(wěn)定器以及減震器等組成。這三個組成部分分別起緩沖、減振和導(dǎo)向的作用，然而三者共同的作用則是傳力。</p><p>　　由于汽車懸架系統(tǒng)對整車行駛動力

9、學(xué)（如操縱穩(wěn)定性、行駛平順性等）有舉足輕重的影響，因此，懸架的動力學(xué)仿真分析在汽車懸架系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)中占有很重要的地位。</p><p>　　本文以某前置前驅(qū)轎車的麥弗遜懸架為研究對象，以改善汽車的行駛平順性為目的，基于多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論，利用ADAMS和MATLAB軟件對麥弗遜懸架進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)的虛擬樣機(jī)建模、仿真分析和優(yōu)化設(shè)計。</p><p>　　2 ADAMS和MATLAB軟件介

10、紹</p><p>　　ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）軟件，是由美國機(jī)械動力公司（Mechanical Dynamic Inc.）開發(fā)的最優(yōu)秀的機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件，是世界上最具權(quán)威性的，使用范圍最廣的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件。用戶使用ADAMS軟件，可以自動生成包括機(jī)-電-液一體化在內(nèi)的、任意復(fù)雜系統(tǒng)的多體動力學(xué)數(shù)字化虛擬樣機(jī)模型，能為

11、用戶提供從產(chǎn)品概念設(shè)計、方案論證、詳細(xì)設(shè)計、到產(chǎn)品方案修改、優(yōu)化、試驗規(guī)劃甚至故障診斷各階段、全方位、高精度的仿真計算分析結(jié)果，從而達(dá)到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量及競爭力的目的。由于ADAMS具有通用、精確的仿真功能，方便、友好的用戶界面和強(qiáng)大的圖形動畫顯示能力，所以該軟件已在全世界數(shù)以千計的著名大公司中得到成功的應(yīng)用。</p><p>　　MATLAB由美國MATHWORKS開發(fā)，是矩陣實驗室

12、（Matrix Laboratory）的簡稱，除具備卓越的數(shù)值計算能力外，還具有功能強(qiáng)大的工程應(yīng)用工具箱。MATLAB是當(dāng)今國際上科學(xué)界（尤其是自動控制領(lǐng)域）最具影響力、也是最有活力的軟件。它起源于矩陣運(yùn)算，并己經(jīng)發(fā)展成一種高度集成的計算機(jī)語言。它提供了強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算、靈活的程序設(shè)計流程、高質(zhì)量的圖形可視化與界面設(shè)計、便捷的與其他程序和語言接口的功能。MATLAB/SIMULINK是一個交互式操作的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境。它的

13、出現(xiàn)使人們有可能考慮許多以前不得不做簡化假設(shè)的非線性因素、隨機(jī)因素，從而大大提高了人們對非線性隨機(jī)動態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)知能力。MATLAB主要應(yīng)用于電學(xué)、自動控制、工程運(yùn)算。它可以與其它機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件（如ADAMS）一起組成聯(lián)合仿真系統(tǒng)。</p><p>　　3 ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿真</p><p>　　3.1 利用ADAMS/CAR建立懸架的動力學(xué)模型</p><

14、;p>　　ADAMS/CAR里主參考系是OXYZ，采用ISO坐標(biāo)系。兩汽車前輪輪心連線的中點指定為坐標(biāo)原點，X軸的正方向指向汽車的后退方向，Y軸的正方向指向汽車右側(cè)，Z軸的正方向指向汽車的上方，遵守右手法則。</p><p>　　在建立分析總成模型的過程中，ADAMS/CAR的建模順序自下而上。首先建立模板（template）文件，然后根據(jù)所建立的模板在標(biāo)準(zhǔn)模塊下建立子系統(tǒng)模型，最后將子系統(tǒng)模型組裝成系統(tǒng)總

15、成或整車模型。</p><p>　　建立模板有以下幾個步驟組成：</p><p>　　(1)簡化物理模型。依據(jù)系統(tǒng)各部件之間的相對運(yùn)動，抽象歸納出各零件</p><p>　　的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對于沒有相對運(yùn)動的零件進(jìn)行整合，定義為整合零件。</p><p>　　(2)確定硬點。硬點為零件連接處的幾何定位點。確定硬點是指在坐標(biāo)系內(nèi)定義零件之間的連接點

16、的具體坐標(biāo)。</p><p>　　(3)創(chuàng)建零件。根據(jù)硬點三維坐標(biāo)或零件質(zhì)心的絕對坐標(biāo)創(chuàng)建一般部件，并將實際零件的參數(shù)（如長度、質(zhì)量、慣量等）輸入到相應(yīng)的對話框中。必須保證零件的坐標(biāo)軸與絕對坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸平行。</p><p>　　(4)定義組裝。系統(tǒng)總成是由多個子系統(tǒng)裝配而成，為保證各個子系統(tǒng)之間的正確裝配，必須在各個子系統(tǒng)中定義組裝。</p><p>　　(5)

17、創(chuàng)建零件的幾何體。零件的幾何形體是在硬點的基礎(chǔ)上建立的。由于各個零件的動力學(xué)參數(shù)已經(jīng)確定，所以幾何形體的外形是相近的即可。但由于考慮到零件的干涉情況和模型的直觀性，應(yīng)盡可能使零件的幾何形體接近實體結(jié)構(gòu)。</p><p>　　(6)定義連接。對各個零件施加約束關(guān)系，通過約束或襯套將各零件銜接，組成結(jié)構(gòu)模板。定義連接直接決定系統(tǒng)自由度是否合理。</p><p>　　(7)定義參數(shù)變量。鑒于子系

18、統(tǒng)模板的多樣性，需要對各個模板定義相關(guān)的參數(shù)變量。</p><p>　　將建好的子系統(tǒng)模板通過標(biāo)準(zhǔn)模式的系統(tǒng)裝配模塊最終組裝成系統(tǒng)總成，最終完成整個建模過程。</p><p>　　在不影響麥弗遜懸架基本性能的同時，為方便建立運(yùn)動學(xué)仿真模型，通常對麥弗遜式懸架各子系統(tǒng)做以下簡化和假設(shè)：</p><p>　　(1)認(rèn)為所有桿件都是剛體，即不考慮變形；</p>

19、<p>　　(2)假設(shè)汽車的車輪為剛體，且永不變形；</p><p>　　(3)假定部件間為鉸鏈連接，間隙忽略不計；</p><p>　　(4)不考慮運(yùn)動副內(nèi)的摩擦力；</p><p>　　(5)車身相對于地面不動。</p><p>　　以某前置前驅(qū)轎車的麥弗遜懸架為研究對象，將其結(jié)構(gòu)簡化成簡單的運(yùn)動模型，如圖3-1所示：<

20、;/p><p>　　圖3-1 麥弗遜前懸架結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　1—三角臂總成；2—轉(zhuǎn)向節(jié)總成；3—輪軸；4—車輪；5—減振器；</p><p>　　6—螺旋彈簧；7—車架；8—轉(zhuǎn)向橫拉桿；9—轉(zhuǎn)向器齒條；</p><p>　　從圖中可以看出，該懸架主要由控制臂、轉(zhuǎn)向拉桿、減振器、螺旋彈簧和轉(zhuǎn)向節(jié)等組成。其中控制臂的內(nèi)端通過轉(zhuǎn)動鉸鏈與車

21、架相連接，控制臂的外端與轉(zhuǎn)向節(jié)下端通過球鉸相連接；減振器外筒與轉(zhuǎn)向節(jié)總成之間的連接用固定鉸，同時減震器的外筒也與螺旋彈簧的下端相連；減振器內(nèi)筒通過萬向節(jié)鉸鏈連接到車身上；用圓柱鉸鏈接減振器的內(nèi)外筒；螺旋彈簧套在減震器上，并與車身相連接；輪軸通過轉(zhuǎn)動鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)相連接，并與車輪通過固定鉸連接在一起；轉(zhuǎn)向橫拉桿的一端與轉(zhuǎn)向器齒條通過萬向節(jié)連接在一起，另一端通過球鉸連接在轉(zhuǎn)向節(jié)上。如果只做車輪的上下跳動運(yùn)動分析時，不考慮轉(zhuǎn)向因素的影響，通常認(rèn)為

22、轉(zhuǎn)向器齒條與車架通過固定鉸連接，而忽略與齒條罩的相對運(yùn)動，并認(rèn)定轉(zhuǎn)向節(jié)的轉(zhuǎn)動軸線與擺動的主銷軸線相一致。所以，銷的定位角和輪距都隨著懸架的變形而產(chǎn)生變化。</p><p>　　通過對麥弗遜懸架進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，統(tǒng)計出各種約束副的數(shù)量和限制自由度數(shù)如表3-1所示。</p><p>　　表3-1 約束副類型和數(shù)量</p><p>　　建模所需的有關(guān)空間點坐標(biāo)數(shù)據(jù)如下表3-2

23、：</p><p>　　表3-2 建模硬點坐標(biāo)</p><p>　　滿載時靜態(tài)前輪定位參數(shù)為：前輪前束1~-3mm；主銷后傾角2.5°~3.2°；主銷內(nèi)傾角10°~11.5°；車輪外傾角0~1°；對該前懸架實體模型進(jìn)行分析后，對其進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)簡化，根據(jù)各部件硬點坐標(biāo)、質(zhì)量參數(shù)、轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)以及螺旋彈簧剛度和減振器阻尼特性參數(shù)在ADAMS/

24、CAR中依次建立各部件，并在各部件之間添加約束副和力元，得到該麥弗遜式前獨立懸架虛擬樣機(jī)的模板模型，再在標(biāo)準(zhǔn)模式下由模板模型建立其子系統(tǒng)，最后將懸架子系統(tǒng)和測試臺（Test-rig）組裝在一起得到懸架總成系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 前懸架總成系統(tǒng)模型</p><p>　　3.2 利用MATLAB進(jìn)行聯(lián)合仿真</p><p>　　該

25、轎車前懸架的動力學(xué)模型如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 懸架動力學(xué)模型圖</p><p>　　c—懸架減震器的阻尼；——輪胎的剛度；——非簧載質(zhì)量；</p><p>　　——簧載質(zhì)量；k--懸架彈簧剛度；</p><p>　　——分別為路面的激勵、非簧載質(zhì)量及簧載質(zhì)量的絕對位移；</p><p>　　根據(jù)

26、牛頓第二定律，系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)方程為：</p><p>　　式中 —— 分別為車身非簧載部分與簧載部分的垂直加速度</p><p>　　——分別為車身非簧載部分與簧載部分的垂直速度</p><p>　　c——阻尼系數(shù)，為控制量。</p><p>　　ADAMS /Controls程序和控制程序之間，通過相互傳遞狀態(tài)變化進(jìn)行信息交流。因此，必須

27、將樣機(jī)模型的輸入和輸出變量，及其輸入和輸出變量引用的輸入和輸出函數(shù)，同一組狀態(tài)變量緊密聯(lián)系起來。這個狀態(tài)變量函數(shù)及所定義的元素會在仿真計算過程中隨時保持著計算更新，以保證滿足仿真計算的功能需求。這里輸出指的是進(jìn)入控制程序的變量，表示從ADAMS /Control輸出到控制程序的變量。而輸入指的是從控制程序返回到ADAMS的變量，表示控制程序的輸出。通過定義輸入和輸出，實現(xiàn)ADAMS和其他程序之間的信息閉環(huán)循環(huán)。</p>&

28、lt;p>　　懸架機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間的輸入輸出關(guān)系如圖3-4所示。從圖中可以看到，控制系統(tǒng)向懸架的機(jī)械系統(tǒng)輸入一個控制阻尼系數(shù)c，懸架的機(jī)械系統(tǒng)則向控制系統(tǒng)輸出車身的垂直速度v和車身與車軸的相對速度差dv。</p><p>　　圖3-4 懸架系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系示意圖</p><p>　　ADAMS的輸入為阻尼系數(shù)，通過State Variable命令創(chuàng)建一個狀態(tài)變量control，

29、用于接受控制系統(tǒng)傳遞過來的ADAMS的輸入信號，即控制系統(tǒng)的輸出信號。懸架模型向控制系統(tǒng)輸出兩個信號，車身的速度v和車身與車軸之間的相對速度dv，它們的函數(shù)表達(dá)式分別為VY(body. cm)和VY(body.cm，wheel.cm)。再通過Plant Export命令，將生成xuanjia文件，ADAMS /controls將輸入和輸出信息保存在m(MATLAB程序)文件中，同時產(chǎn)生一個ADAMS /View命令文件（.cmd）和一個

30、ADAMS /Solver命令文件(. adm)供協(xié)同仿真分析時使用。</p><p>　　啟動MATLAB程序，在MATLAB中輸入ADAMS模塊的方法如下：</p><p>　　在MATLAB命令窗口輸入命令：xuanjia，顯示如下：</p><p>　　% % % INFO: ADAMS plant actuators names:</p>&

31、lt;p><b>　　1 control</b></p><p>　　% % % INFO: ADAMS plant sensors names:</p><p>　　1 body_acc</p><p>　　2 body_dis</p><p>　　3 body_vel</p><p>&

32、lt;b>　　4 dvel</b></p><p>　　其中，control——控制阻尼系數(shù)；body_vel——車身的垂直速度；dvel——身與車軸的相對速度差。</p><p>　　在MATLAB命令窗口中輸入命令：adams_sys，如圖3-5所示：</p><p>　　圖3-5 adams_sys模塊窗口</p><p&

33、gt;　　雙擊adams_sub模塊，顯示adams_sub模塊的子系統(tǒng)，如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 adams_sub模塊的子系統(tǒng)</p><p>　　啟動SIMULINK，顯示一個新的SIMULINK模塊窗口，將adams_sub模塊連同輸出顯示器拖到SIMULINK建模窗口中。選擇其他模塊建立控制系統(tǒng)框圖如圖3-7所示。</p><p>　

34、　圖3-7 控制系統(tǒng)圖</p><p>　　經(jīng)過初步仿真，得到車身垂直方向速度v= -250~250mm /s，車身與車軸之間的相對速度差dv= -1 000 ~1 000mm /s。所以輸入變量的量化因子分別為0. 024和0. 06，輸出變量的比例因子為2。</p><p><b>　　4 仿真分析</b></p><p>　　評價一個懸架

35、系統(tǒng)的優(yōu)劣，主要是看懸架系統(tǒng)把地面的激勵通過阻尼系統(tǒng)吸收后，其余的激勵傳到車身的幅度大小。通常用以下3個參數(shù)考察懸架系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。</p><p>　　車身的垂直加速度，即舒適性和平順性；</p><p>　　車輪相對動載，即安全性；</p><p>　　懸架彈簧的行程，即懸架的動撓度（汽車中心高度和彈簧的壽命）。</p><p>　　但其

36、中最主要的參數(shù)是車身垂直加速度，所以文中主要考慮車身的垂直加速度。將仿真結(jié)果文件（.res）導(dǎo)入后處理模塊ADAMS /POST PROCESSOR，繪制車身垂直加速度等曲線。</p><p><b>　　4.1 階躍輸入</b></p><p>　　階躍輸入激勵采用的函數(shù)是step( time, 0, 0, 0. 2, 50)，如圖4-1和圖4-2所示。</p

37、><p><b>　?。╝）</b></p><p><b>　　（b）</b></p><p>　　圖4-1 車身的垂直加速度、垂直位移</p><p>　?。╝）被動懸架車身加速度的頻域響應(yīng)</p><p>　　（b）半主動懸架車身加速度的頻域響應(yīng)</p>&l

38、t;p>　　圖4-2 被動懸架、半主動懸架車身加速度的頻域響應(yīng)</p><p>　　從被動懸架與半主動懸架的垂直加速度曲線比較可知，半主動懸架加速度的最大值明顯減小，達(dá)到穩(wěn)定時間也有所減少，而且車身的垂直位移也有改善。</p><p>　　從頻域響應(yīng)看，半主動懸架加速度振幅比被動懸架的加速度振幅下降了約40%。因此半主動懸架減小了加速度響應(yīng)，對汽車的平順性起到了作用。</p&g

39、t;<p><b>　　5 總結(jié)</b></p><p>　　本文通過ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿真的方法，實現(xiàn)了汽車半主動懸架的模糊控制仿真分析。該方法直接在ADAMS中建立懸架系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型，而無需推導(dǎo)復(fù)雜的動力學(xué)方程來描述懸架系統(tǒng)，大大簡化了仿真建模過程，而且建立的虛擬模型能更好地反映實際的物理模型。ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿真的方法充分發(fā)揮了ADAMS和MATL

40、AB各自的優(yōu)勢,結(jié)合先進(jìn)的虛擬樣機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)，為汽車動力學(xué)仿真提供了一種新的途徑。</p><p>　　另外，文中在懸架評價指標(biāo)方面只考慮了平順性，即車身的垂直加速度，對于車輪相對動載及懸架動撓度都未考慮。所以，其模糊控制還有待進(jìn)一步完善。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 余志生. 汽車?yán)碚揫M].

41、機(jī)械工業(yè)出版社，2000.</p><p>　　[2] 陳家瑞. 汽車構(gòu)造[M].人民交通出版社，2002.</p><p>　　[3] 方飛. 麥弗遜前獨立懸架汽車操縱穩(wěn)定性研究[碩士學(xué)位論文]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2006.</p><p>　　[4] 韓朝暉. 基于ADAMS和MATLAB的汽車懸架系統(tǒng)仿真分析[J]. 機(jī)械設(shè)計，2008.25(7)：17-