車輛工程畢業(yè)設(shè)計---某國產(chǎn)轎車的平順性仿真及道路試驗分析

1、<p>　　某國產(chǎn)轎車的平順性仿真及道路試驗分析</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p>　　設(shè)計（論文）題目： 某國產(chǎn)轎車的平順性仿真及道路試驗分析 </p><p>　　1．畢業(yè)設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容及基本要求</p><p>　　利用ADAMS建立前后懸架、輪胎等各子系統(tǒng)、構(gòu)建整車

2、模型，進(jìn)行平順性仿真。</p><p>　　1. 利用ADAMS/Car建立起某輕型乘用車前后懸架等各子系統(tǒng)。</p><p>　　2. 構(gòu)建整車虛擬樣機模型，進(jìn)行模型可行性的驗證。</p><p>　　3. 進(jìn)行隨機路面平順性的仿真。</p><p>　　4. 設(shè)計平順性道路試驗大綱，進(jìn)行實車道路試驗。</p><p&g

3、t;　　5. 進(jìn)行試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比，以驗證所建立模型的準(zhǔn)確性。</p><p>　　6. 繪圖及撰寫畢業(yè)論文。</p><p>　　2．指定查閱的主要參考文獻(xiàn)及說明</p><p>　　[1] 余志生主編.汽車?yán)碚摚ǖ谌妫本簷C械工業(yè)出版社，2004.</p><p>　　[2] 王望予主編.汽車設(shè)計[M].機械工業(yè)出版社,200

4、4,8. </p><p>　　[3]《汽車工程手冊》編輯委員會．北京：人民交通出版社，2001.</p><p>　　[4] 范成建，熊光明，周明飛編著.虛擬樣機軟件MSC.ADAMS應(yīng)用與提高. 北京：機械工業(yè)出版社，2006.</p><p>　　[5] 陳立平，張云清，任衛(wèi)群，等.機械系統(tǒng)動力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程.北京：清華大學(xué)出版社，2005.<

5、;/p><p>　　[6] 李軍，刑俊文，覃文潔.ADAMS實例教程.北京:北京理工大學(xué)出版社，2002.</p><p>　　[7] 石博強，申焱華，寧曉斌，等. ADAMS基礎(chǔ)與工程范例教程.北京：中國鐵</p><p>　　道出版社，2007.</p><p>　　[8] 黃承修. 基于虛擬樣機技術(shù)的汽車行駛平順性仿真研究：[碩士學(xué)位論文]

6、.浙江:浙江大學(xué)，2006.</p><p>　　[9] 李莉. 基于ADAMS/Car的某轎車平順性仿真分析與改進(jìn)：[碩士學(xué)位論文]. 吉林:吉林大學(xué)，2006.</p><p>　　[10] 沈曉安. 汽車行駛平順性建模及其仿真研究：[碩士學(xué)位論文].浙江:浙江工業(yè)大學(xué)，2005.</p><p><b>　　3．進(jìn)度安排</b></

7、p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著人們生活的水平不斷提高，對轎車乘坐環(huán)境舒適性的需求也越來越高。然而，轎車平順性又是轎車各項性能中很重要的一項指標(biāo)，直接影響著轎車的乘坐舒適性，因此，對轎車平順性的研究具有重要的現(xiàn)實意義。</p><p>　　通過ADAMS軟件建立了某國產(chǎn)轎車整車虛擬樣機模型，進(jìn)行模型可行性驗證，并在

8、隨機路面上進(jìn)行平順性仿真。通過實車道路試驗獲得了在不同工況和車速情況下的試驗數(shù)據(jù)。運用MATLAB軟件編制平順性數(shù)據(jù)處理程序，并按照GB49/70-1996《汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》計算出轎車駕駛員座椅方向上的加權(quán)加速度均方根值與加權(quán)振級。將道路試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，驗證所建立模型的準(zhǔn)確性。通過該研究有助于對轎車平順性進(jìn)行更加直接、更加科學(xué)、更加簡便的分析。</p><p>　　關(guān)鍵詞：平順性；模型

9、；道路試驗；準(zhǔn)確性</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　With the improvement of living standard, the demand for comfort of automobile becomes higher and higher. However, in many factors, the veh

10、icle ride comfort is an significant indicator which directly affects the experience of driving and riding. So it is necessary to study the vehicle ride comfort. </p><p>　　Based on the vehicle virtual prototy

11、pe model created by the use of ADAMS, this paper verifies the feasibility of model and establishes simulations of ride comfort randomly on road surface. According to the data collected in the real road test at different

12、speed and different working conditions, and also according to GB49/70-1996 “Vehicle Ride Comfort Random Input Running Test Method”, measures the intrinsic a and L by using the comfort assessment routine made by MATLAB so

13、ftware. Then this paper </p><p>　　Key words: ride comfort; model; road test; accuracy</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要Ⅰ</b></p><p>　　ABSTR

14、ACTⅡ</p><p>　　第一章 緒 論1</p><p>　　1.1 本課題的研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2 本課題的研究意1</p><p>　　1.3 本課題的研究內(nèi)容2</p><p>　　第二章 汽車平順性及其評價指標(biāo)3</p><p><b>　　

15、2.1 引言3</b></p><p>　　2.2 汽車平順性評價指標(biāo)及其評價方法3</p><p>　　2.2 .1人體對振動的反應(yīng)4</p><p>　　2.2.2 平順性的評價方法5</p><p>　　2.3 本章小結(jié)9</p><p>　　第三章 基于ADAMS整車虛擬樣機模型建立

16、10</p><p><b>　　3.1 引言10</b></p><p>　　3.2 ADAMS軟件簡介10</p><p>　　3.2.1 ADAMS軟件的發(fā)展10</p><p>　　3.2.2 ADAMS軟件的基本模塊11</p><p>　　3.2.3 ADAMS建?；A(chǔ)

17、13</p><p>　　3.3 基于ADAMS/Car建立整車虛擬樣機模型22</p><p>　　3.3.1 建立汽車各子系統(tǒng)模型22</p><p>　　3.3.2 建立整車動力學(xué)模型30</p><p>　　3.4 本章小結(jié)31</p><p>　　第四章 整車平順性仿真32</p&

18、gt;<p>　　4.1 引言32</p><p>　　4.2 基于ADAMS軟件建立隨機路面譜32</p><p>　　4.2.1 路面功率譜函數(shù)32</p><p>　　4.2.2 基于ADAMS軟件建立隨機路面譜34</p><p>　　4.3 整車平順性仿真35</p><p>

19、;　　4.3.1 平順性仿真35</p><p>　　4.4 平順性仿真結(jié)果后處理37</p><p>　　4.5 本章小結(jié)39</p><p>　　第五章 平順性道路試驗大綱40</p><p>　　5.1 引言40</p><p>　　5.2 平順性道路試驗大綱40</p>&

20、lt;p>　　5.2.1 設(shè)計平順性道路試驗大綱40</p><p>　　5.3本章小結(jié)43</p><p>　　第六章 試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比44</p><p><b>　　6.1 引言44</b></p><p>　　6.2 MATLAB軟件簡介44</p><p>　　

21、6.3 運用MATLAB軟件進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)處理45</p><p>　　6.4 試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比49</p><p>　　6.5 本章小結(jié)51</p><p><b>　　總 結(jié)52</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)53</b></p><p&g

22、t;<b>　　致謝54</b></p><p>　　附錄一 平順性評價程序55</p><p>　　附錄二 時域圖和頻譜圖程序57</p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　隨著我國社會的發(fā)展與科技技術(shù)水平的提高，我們?nèi)粘Ｉ钪衅囈呀?jīng)成為不可缺少的一部分，人們對

23、汽車性能的需求也越來越高，人們對汽車在行駛過程中的乘坐環(huán)境舒適性能和操縱性能也越來越重視。汽車廠商為了滿足人們對汽車性能的苛刻要求，加大對汽車良好的操縱穩(wěn)定性與平順性的研究力度。</p><p>　　1.1 本課題的研究現(xiàn)狀</p><p>　　汽車的平順性主要是保持汽車在行駛的過程中產(chǎn)生的振動和沖擊環(huán)境對乘員舒適性的影響在一定界限之內(nèi)，因而汽車平順性主要是根據(jù)乘員主觀感覺的舒適性來評價，

24、對于載貨汽車還包括保持貨物完好的性能，它是現(xiàn)代高速汽車的主要性能之一。影響汽車平順性的因素有很多方面的，同時，對汽車平順性的評價也顯得十分復(fù)雜。然而要定量的描述平順性能，必須包括物理的，生理的和心理的各個方面的評價[1]。</p><p>　　當(dāng)前，通常使用汽車車身振動的固有頻率和振動加速度來評價汽車的行駛平順性。通過試驗表明，保持汽車具有良好的行駛平順性，就需要車身振動的固有頻率為人體所習(xí)慣的步行時，身體上、下

25、運動的頻率。這個頻率大概約為60～85次/分(1HZ～1.6HZ)，振動加速度極限值為0.2～0.3g。還有就是為了保證所運輸貨物的完整性，汽車振動其加速度也不宜過大。然而當(dāng)汽車的加速度達(dá)到1g，未經(jīng)固定的貨物就有可能離開車廂底板。所以，加速度的極限值應(yīng)該低于0.6～0.7g。</p><p>　　1978年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）通過大量結(jié)合有關(guān)人體全身振動的文獻(xiàn)和研究工作的基礎(chǔ)上，制定出了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO263

26、1《關(guān)于人體承受全身振動的評價指南》。這個標(biāo)準(zhǔn)的重點是指出人體對振動的反應(yīng)不僅與振動的強度，而且與振動的頻率、方向有關(guān)。這就把以往只簡單地統(tǒng)計汽車本身零件振動響應(yīng)來進(jìn)行平順性評價的方法，發(fā)展到“道路—汽車—人”系統(tǒng)更加科學(xué)的水平上[2]。</p><p>　　1.2 本課題的研究意</p><p>　　汽車平順性是衡量汽車性能優(yōu)良的重要指標(biāo)之一，良好的平順性可以保證駕駛員在復(fù)雜的行駛環(huán)境和

27、操縱條件下具有良好的心理狀態(tài)和準(zhǔn)確靈敏的反映，而且還會影響汽車的操縱穩(wěn)定性，完全性，對于乘員則需要保證乘坐的舒適性和身體健康。</p><p>　　隨著世界科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，良好的汽車平順性漸漸得到實現(xiàn)。應(yīng)用計算機技術(shù)及電子測試技術(shù)，汽車行駛平順性試驗數(shù)據(jù)的采集和處理更加合理與精確。 </p><p>　　通過ADAMS軟件建立整車模型，并進(jìn)行整車虛擬樣機仿真。建立路面譜，模擬實車道路行駛工

28、況。再通過實車路道試驗所采集到數(shù)據(jù)利用MATLAB軟件進(jìn)行分析，將分析結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，驗證所建立模型的準(zhǔn)確性。能夠有效縮短汽車的設(shè)計周期、降低開發(fā)成本、達(dá)到提高汽車產(chǎn)品性能的目的。采用虛擬樣機技術(shù)進(jìn)行汽車平順性研究已經(jīng)逐漸被國外的汽車企業(yè)所采用，并取得了良好的效果。本課題以虛擬樣機技術(shù)為手段，開展汽車平順性仿真技術(shù)研究，研究成果可促進(jìn)整車產(chǎn)品使用性能的提升，具有重要的理論意義和實用價值。 </p><p>

29、;　　1.3 本課題的研究內(nèi)容</p><p>　　本課題通過利用虛擬樣機技術(shù)，建立了更加接近于實際情況的整車虛擬樣機模型，對整車進(jìn)行了平順性仿真。并將仿真結(jié)果與實車道路試驗分析結(jié)果進(jìn)行對比，驗證所建立模型的準(zhǔn)確性。</p><p>　　本課題主要研究內(nèi)容包括：</p><p>　　利用ADAMS建立前后懸架、輪胎等各子系統(tǒng)、構(gòu)建整車模型，進(jìn)行平順性仿真。</

30、p><p>　　1. 利用ADAMS/Car建立起某輕型乘用車前后懸架等各子系統(tǒng)。</p><p>　　2. 構(gòu)建整車虛擬樣機模型，進(jìn)行模型可行性的驗證。</p><p>　　3. 進(jìn)行隨機路面平順性的仿真。</p><p>　　4. 設(shè)計平順性道路試驗大綱，進(jìn)行實車道路試驗。</p><p>　　5. 進(jìn)行試驗結(jié)果與仿真

31、結(jié)果對比，以驗證所建立模型的準(zhǔn)確性。</p><p>　　汽車平順性及其評價指標(biāo)</p><p><b>　　2.1 引言</b></p><p>　　汽車平順性研究的是“道路一汽車一人”振動系統(tǒng)，如下圖1-1所示，路面不平度、車速及發(fā)動機激勵形成了對振動系統(tǒng)的“輸入”，這個“輸入”通過由輪胎、懸架、動力總成懸置系統(tǒng)、座墊等彈性、阻尼元件和懸掛

32、、非懸掛質(zhì)量構(gòu)成的傳遞振動系統(tǒng)，然后振動系統(tǒng)的“輸出”——傳遞給人體的振動加速度，這個加速度通過人體對振動的反應(yīng)——舒適性來評價汽車的平順性[2]。</p><p>　　圖1-1“人一汽車一路面”系統(tǒng)框圖</p><p>　　2.2 汽車平順性評價指標(biāo)及其評價方法</p><p>　　1948年，人體舒適性評價指標(biāo)被Janeway提出，并且給出計算評價指標(biāo)J值的計算

33、公式；1957年，德國學(xué)者Dikman把K系數(shù)法提出；1968年，Pradko等人通過研究提出了吸收功率法；之后，在1972年，德國米奇克提出用座椅垂直加速度的均方根值和整車縱向加速度的均方根值評價汽車的平順性。后來，20世紀(jì)</p><p>　　60年代，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織開制定了“人體承受全身振動的評價指標(biāo)”，通過幾次的補充和修訂，并于1974年頒布了IS02631—1974(E)m際標(biāo)準(zhǔn)，成為國際標(biāo)準(zhǔn)IS026

34、31/1—1985。目前總加權(quán)值評價方法及其評價指標(biāo)被普遍采用[2]。</p><p>　　但是，我國在此項研究的工作起步比較晚，20世紀(jì)80年代初，長春汽車研究所、清華大學(xué)等單位首先根據(jù)IS02631國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了汽車道路行駛平順性的研究；制定出1982年的“汽車懸架系統(tǒng)固有頻率和相對阻尼系數(shù)的測量方法”、1985年的“汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法”和“汽車平順性脈沖輸入行駛試驗方法一”以及“客車平順性評價指

35、標(biāo)及限值”等，構(gòu)成了我國比較為完善的汽車平順性評價方法體系。</p><p>　　汽車的平順性主要是保持汽車在行駛過程中產(chǎn)生的振動和沖擊環(huán)境對乘員舒適性的影響在一定界限之內(nèi)，因此平順性主要根據(jù)乘員主觀感受的舒適性來評價，對載貨汽車還包括保持貨物完好的性能，它是現(xiàn)代高速汽車的主要性能之一。</p><p>　　2.2 .1人體對振動的反應(yīng)</p><p>　　汽車的振

36、動通過人體表面作用于人，在人的體內(nèi)引起一系列生理、心理反應(yīng)，是人體感到不舒適的主要來源。根據(jù)振動的反應(yīng)結(jié)果可分為以下幾類：健康狀況、舒適程度、工作效能、主觀感覺、暈車反應(yīng)等。然而輕微的振動對人體是無害的，但是強度比較大的振動就會給人體健康造成危害，太過強烈的振動還直接導(dǎo)致人體器官的機械損傷。汽車的振動對人體的影響，取決于振動的頻率、強度、作用方向和持續(xù)時間，根據(jù)每個人的心理與身體素質(zhì)不同，故對振動的敏感程度有很大的差異。</p&g

37、t;<p>　　國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)，在1997年公布的ISO 2631:1997 (E)《人體承受全身振動評價——第一部分：一般要求》，這個標(biāo)準(zhǔn)主要用于評價長時間作用的隨機振動和多輸入點多軸向振動環(huán)境對人體的影響，能與主觀感覺更好的符合。我國對相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，公布了GB/T4970-1996《汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》。目前主要采用的是總加權(quán)值評價方法及其評價指標(biāo)[2][3]。</p><

38、;p>　　ISO提出的ISO2631《人體承受全身振動的評價指南》根據(jù)加速度均方根值給出在中心頻率1～80HZ振動頻率范圍內(nèi)人體對振動反應(yīng)的三種不同的感覺界限。我國根據(jù)ISO2631標(biāo)準(zhǔn)制定了國家標(biāo)準(zhǔn)《汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》和《客車平順性評價指標(biāo)及極限》。</p><p>　　其中ISO2631用加速度均方根值給出了人體在1～80Hz振動頻率范圍內(nèi)對振動反應(yīng)的三個不同感覺界限：舒適－降低界限、疲勞

39、－工效降低界限和暴露極限[4]。</p><p>　?。?）舒適－降低界限：在此極限內(nèi)，人體對所暴露的振動環(huán)境主觀感覺良好，并能順利完成吃、讀、寫等動作。</p><p>　　（2）疲勞-工效降低界限：當(dāng)駕駛員承受振動在此極限內(nèi)時，能保持正常地進(jìn)行駕駛。</p><p>　?。?）暴露極限：當(dāng)人體承受的振動強度在這個極限之內(nèi)，將保持健康或安全。 </p&

40、gt;<p>　　圖2-2 IS02631給出的暴露界限、疲勞．工效降低界限及舒適性降低界限</p><p>　　由圖2-2可知，三個界限只是振動加速度容許值不同。“暴露極限”值為“疲勞－工效降低界限”的2倍；“舒適－降低界限”為“疲勞－工效降低界限”的1/3.15倍；其中各個界限容許的加速度值隨頻率的變化趨勢完全相同。</p><p>　　2.2.2 平順性的評價方法&l

41、t;/p><p>　　汽車平順性的評價方法，通常是根據(jù)人體對振動的生理感受及對保持貨物完整性的影響制定的，并根據(jù)振動的物理量，如頻率、振幅、位移、加速度等作為平順性的評價指標(biāo)。</p><p>　　ISO 2631:1997 (E)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了圖2-3所示的人體坐姿受振模型，在進(jìn)行平順性評價時，除了考慮座椅支承面處輸入點3個方向的線振動，還考慮該點3個方向的角振動，以及座椅靠背和腳支承面兩個輸入

42、點各3個方向的線振動,共3個輸入點12個軸向的振動[2][4]。</p><p>　　圖2-3 人體坐姿受振模型</p><p>　　規(guī)定了人體對不同頻率振動的敏感程度不同，在圖2-4上給出了各軸向0.5-80Hz的頻率加權(quán)函數(shù)(漸進(jìn)線)，又考慮不同輸入點、不同軸向的振動對人體影響的差異，還給出了各軸向振動的軸加權(quán)系數(shù)k。</p><p>　　圖2-4 各軸向振

43、動的軸加權(quán)系數(shù)</p><p>　　表2-1 頻率加權(quán)函數(shù)、軸加權(quán)函數(shù)和某小轎車上振動測量結(jié)果</p><p>　　上表2-1給出了三個輸入點12個軸向，然后選用哪一個頻率加權(quán)函數(shù)和相應(yīng)軸加權(quán)系數(shù)k，還列出汽車在城市公路上行駛時，實際測得的各軸向加權(quán)加速度均方根值，及總的加權(quán)加速度均方根值。 </p><p>　　由表2-1上各軸向的軸加權(quán)系數(shù)可以看出，椅面輸入點

44、、、三個線振動的軸加權(quán)系數(shù)＝1，他們是12個軸向中人體最敏感的方向，其余各軸向的軸加權(quán)系數(shù)均小于0.8。另外，ISO 2631:1997 (E)還規(guī)定，當(dāng)評價振動對人體健康的影響時，就需要考慮、、這三個軸向，而且、 兩個水平軸加權(quán)系數(shù)?。?.4，比垂直方向更敏感。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定座椅靠背水平軸向、可以由椅面、，水平軸向代替，此時軸加權(quán)系數(shù)取=1.4。還規(guī)定對不同軸向分量及不同頻率的振動有不同的敏感程度。椅面垂直軸向頻率加權(quán)函數(shù)的最敏感頻率范圍為

45、4～12.5Hz,其中4～8Hz頻率范圍內(nèi)，人體內(nèi)臟器官最易產(chǎn)生共振，而8～12.5Hz范圍的振動對人體脊椎系統(tǒng)影響最大。椅面水平軸向、的頻率加權(quán)函數(shù)的最敏感頻率范圍均為0.5~2Hz，大約在3Hz以下，水平振動比垂直振動更加敏感。因此，我國在修訂的相應(yīng)GB/T4970-1996《汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》時，評價汽車平順性就考慮椅面、、這三個軸向[2][3][4]。</p><p>　　在IS02631：

46、1997E標(biāo)準(zhǔn)以及我國的《客車平順性評價指標(biāo)及限值》、《汽車平順性隨機輸人行駛試驗方法》等標(biāo)準(zhǔn)中，通常以總加權(quán)加速度均方根值來評價汽車平順性及振動對人體舒適和健康的影響，具體計算方法如下[2][3][4][5]：</p><p>　?。?）先對軸向加速度時間歷程進(jìn)行頻譜分析，得到功率譜密度函數(shù)，再根據(jù)下式計算出頻率加權(quán)后的加速度均方根值：</p><p><b>　　(2-1)&

47、lt;/b></p><p>　　頻率加權(quán)函數(shù)（漸進(jìn)線）用以下公式表示，式中頻率的單位為Hz</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p><b>　　(2-3)</b></p><p><b>　　(2-4)</b></p><p&

48、gt;<b>　　(2-5)</b></p><p>　　（2）在評價振動對人體健康的影響時，僅僅只考慮、、這三個軸向，并且、這兩個水平軸向的軸加權(quán)系數(shù)比垂直軸向更敏感，另外還規(guī)定座椅靠背水平軸向、可以由椅面、水平軸向代替，因此水平軸向加權(quán)系數(shù)取k=1．4。因此三個軸向的總加權(quán)加速度均方根值按下式計算：</p><p><b>　?。?-6）</b&g

49、t;</p><p>　　（3）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的評價方法，需要采用加權(quán)振級，它與加權(quán)加速度均方根值換算，可根據(jù)下式進(jìn)行計算</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　其中，為參考加速度均方根值，。</p><p>　?。?）最后將計算出的加權(quán)加速度均方根值和加權(quán)振級根據(jù)下表2-2和與人的主觀感覺之間的

50、關(guān)系來評價汽車的乘坐舒適性。</p><p>　　表2-2 和與人的主觀感覺之間的關(guān)系</p><p><b>　　2.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章根據(jù)人體對振動的反應(yīng)和人體內(nèi)部器官在汽車振動環(huán)境內(nèi)可能發(fā)生共振的現(xiàn)象，結(jié)合國內(nèi)外汽車平順性評價標(biāo)準(zhǔn)，介紹了汽車平順性的評價指標(biāo)及其評價方法，重點介紹了總加權(quán)值評價方法，首先計算出各

51、軸向加權(quán)加速度均方根值，再計算出總加權(quán)加速度均方根值，然后根據(jù)加權(quán)加速度均方根值和加權(quán)振級來評價汽車的平順性。</p><p>　　第三章 基于ADAMS整車虛擬樣機模型建立</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　在進(jìn)行汽車平順性仿真之前，首先需要建立整車虛擬樣機模型，然后驗證模型的準(zhǔn)確性，模型是否正確對仿真結(jié)果有很大

52、的影響。本章主要介紹利用ADAMS軟件建立汽車前后懸架、輪胎等各子系統(tǒng)、構(gòu)建整車模型，并對模型的可行性進(jìn)行驗證。</p><p>　　3.2 ADAMS軟件簡介</p><p>　　3.2.1 ADAMS軟件的發(fā)展</p><p>　　ADAMS即機械動力學(xué)自動分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems

53、），美國MDI（Mechanical Dynamics Incorporated ）公司由美國密西根大學(xué)的ADAMS代碼開發(fā)人員發(fā)起成立，位于美國密西根州的Ann Arbor。2002年MSC.Software以1.2億美金收購了MDI著名虛擬樣機仿真軟件公司。從1977年發(fā)展至今，ADAMS軟件不斷進(jìn)行更新，新的版本增加了很多實用的模塊。由于其領(lǐng)先的“功能化數(shù)字樣機”技術(shù)，ADAMS目前成為國際上應(yīng)該廣泛且具有權(quán)威性的機械系統(tǒng)動力學(xué)仿

54、真分析軟件，占據(jù)了該領(lǐng)域53%的市場，在航天、航空、汽車、鐵道、船舶工業(yè)以及工程機械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。很多國際化大公司、企業(yè)均采用ADAMS軟件作為其機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析平臺。中國一汽、二汽、上海通用、長安、奇瑞等汽車公司都采用ADAMS技術(shù)進(jìn)行設(shè)計研究，國內(nèi)許多著名高校也將ADAMS虛擬樣機仿真軟件作為機械類專業(yè)學(xué)生必須掌握的工具軟件，并開設(shè)了相關(guān)課程[6]。</p><p>　　ADAMS軟件使用交互式圖

55、形環(huán)境及零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其中的求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格朗日方程，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)及動力學(xué)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(yù)測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞、峰值載荷以及計算有限原件的輸入載荷等。</p><p>　　利用ADAMS軟件，用戶可以方便、快速地創(chuàng)建參數(shù)化的機械系統(tǒng)動力學(xué)模型，

56、然后提交給Solver計算，ADAMS會根據(jù)計算結(jié)果自動建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機械系統(tǒng)進(jìn)行與實際情況非常接近的靜力學(xué)、運動學(xué)及動力學(xué)分析。ADAMS中提供了進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計研究、設(shè)計試驗和優(yōu)化分析的工具，同時，ADAMS根據(jù)其開發(fā)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)行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發(fā)平臺。</p><p>　　3.2.2 ADAMS軟件的基本模塊</p><p>

57、　　ADAMS軟件是由一些模塊組成的，包括基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業(yè)模塊及工具箱。每種模塊中包含具體的若干模塊，用戶不僅可以采用通用模塊對一般的機械系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并且可以采用專用模塊對其特定行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的問題進(jìn)行快速有效的建模與仿真分析[6][7]。</p><p>　　ADAMS/View (用戶界面模塊)</p><p>　　ADAMS/View (用戶界面模塊)是ADAMS系

58、列產(chǎn)品的最基本的核心模塊之一，是以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境。它將簡單的圖標(biāo)、菜單、鼠標(biāo)點取操作與交互式圖形建模、仿真計算、動畫演示、X-Y曲線圖處理、結(jié)果分析和數(shù)據(jù)打印等功能完美地集成在一起。</p><p>　　而且ADAMS/View采用簡單的分層方式進(jìn)行建模，提供了豐富的零件約束庫和力庫，并且支持布爾運算。仿真結(jié)果采用強有力的、形象直觀方式描述，并可以將結(jié)果形象逼真的輸出。UG幾何造型可通過IGES接口輸

59、入ADAMS/View，豐富了ADAMS/View自身的建模功能。</p><p>　　另外，ADAMS/View還提供多種位移函數(shù)、速度函數(shù)、加速度函數(shù)、接觸函數(shù)、樣條函數(shù)、力和力矩函數(shù)、用戶子程序函數(shù)等多種函數(shù)。</p><p>　　（2）ADAMS/Solver(求解器模塊)</p><p>　　ADAMS/Solver也是ADAMS系列產(chǎn)品的核心模塊之一，是

60、ADAMS產(chǎn)品中處于心臟地位的仿真“發(fā)動機”。ADAMS/Solver能自動形成仿真模型的動力學(xué)方程，提供靜力學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)的解算結(jié)果。該模塊提供各種建模和求解選項，以便用戶根據(jù)具體要求精確有效的解決各種工況問題。ADAMS/Solver可以對剛體和彈性體進(jìn)行仿真研究，除了輸出力、位移、速度、加速度外，用戶還可以輸出自定義的數(shù)據(jù)以便進(jìn)行有限元分析。</p><p>　?。?）ADAMS/Post-Proces

61、sor(專業(yè)后處理模塊)</p><p>　　專業(yè)后處理模塊用來輸出各種數(shù)據(jù)曲線、高性能動畫，還可以進(jìn)行曲線的編輯和數(shù)字信號的處理。該軟件是為了提高仿真結(jié)果的后處理能力而開發(fā)的模塊，可以使用戶在該模塊里更方便的觀察、研究仿真將結(jié)果。該模塊既可以在ADAMS/View環(huán)境下運行，也可以在獨立的環(huán)境下運行。它的主要特點 有如下幾點：</p><p>　　快速的顯示高質(zhì)量的動畫，有利于從每個角度

62、深入理解分析設(shè)計方案的有效性；</p><p>　　能夠清晰分層次的顯示樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，快速檢索到對象；</p><p>　　具有數(shù)據(jù)作圖、數(shù)據(jù)處理及文件輸出功能；</p><p>　　窗口靈活多變，能夠分割窗口畫面及多頁面儲存；</p><p>　　能夠同步顯示多視窗動畫與曲線結(jié)果，且可將其錄制成電影文件；</p><p&

63、gt;　　具有完備的曲線數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能：求平均值、極值、和、乘積及斜率等；</p><p>　　含有豐富的數(shù)據(jù)處理功能：曲線的代數(shù)計算、縮放、偏置、編輯、FFT變換、濾波等。</p><p>　?。?）ADAMS/Insight(試驗設(shè)計與分析模塊)</p><p>　　ADAMS/Insight為用戶提供了各種專業(yè)化系統(tǒng)分析工具，能夠?qū)υ囼灲Y(jié)果進(jìn)行分析、對比、評估，

64、幫助用戶更好地分析復(fù)雜機械系統(tǒng)的性能。該模塊是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的模塊，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計中的多元非線性回歸方法，能夠精確地給出性能與參數(shù)之間的回歸表達(dá)式。用戶可以借助該模塊將仿真試驗置于網(wǎng)頁上，實現(xiàn)資源共享，加速決策過程。ADAMS/Insight是選裝模塊既可以在ADAMS/View, 也能在ADAMS軟件中獨立運行。</p><p>　　ADAMS/Insight具有很多種功能即可方便的修改和優(yōu)化模型，也可進(jìn)行模型的參

65、數(shù)化分析、找出模型的關(guān)鍵參數(shù)和非關(guān)鍵參數(shù)等。</p><p>　　（5）ADAMS/Car(汽車模塊)</p><p>　　汽車模塊是ADAMS軟件的專業(yè)模塊之一，是MDI公司與Audi、BMW、Renault、Volvo等公司合作開發(fā)的整車設(shè)計模塊?；贏DAMS/Car模塊，用戶可以快速建立高精度的整車虛擬樣機，其中包括懸架、車身、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、發(fā)動機、輪胎、制動系統(tǒng)等，用戶可通

66、過高速動畫直觀地再現(xiàn)在各試驗工況下的整車動力學(xué)響應(yīng)，并輸出標(biāo)志操作穩(wěn)定性、制動性、平順性和完全性的參數(shù)，用戶還可以通過在各種不同的路面工況下進(jìn)行仿真，分析模型的操縱穩(wěn)定性，安全性，平順性及其它性能參數(shù)。</p><p>　　在ADAMS軟件中，還含有概念化懸架模塊、駕駛員模塊、動力傳動系統(tǒng)模塊、發(fā)動機設(shè)計模塊、經(jīng)驗動力學(xué)模塊及振動分析模塊等。用戶在進(jìn)行建模時，在相應(yīng)模板中輸入必要的數(shù)據(jù)，就可以快速建立包括車身、懸

67、架、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、制動系統(tǒng)等在內(nèi)的高精度的整車虛擬樣機，并進(jìn)行仿真。ADAMS軟件的日常汽車開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用，許多汽車廠商在進(jìn)行汽車研發(fā)中都使用到ADAMS軟件。</p><p>　　在ADAMS/Car環(huán)境下建立整車系統(tǒng)的動力學(xué)仿真模型，分為以下幾個步驟：</p><p>　　1) 首先將整車各子系統(tǒng)進(jìn)行分解及運動學(xué)、動力學(xué)抽象分析，然后構(gòu)建各子系統(tǒng)的拓?fù)鋱D。</p

68、><p>　　2) 在建模過程中最重要的部分就是建立模板，在template builder下建立各子系統(tǒng)的template文件，定義各子系統(tǒng)之間的communicator，此時則需要知道各子系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而不用知道各子系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)。</p><p>　　3) 通過計算獲取各子系統(tǒng)的幾何定位參數(shù)、質(zhì)量特性參數(shù)、物理參數(shù)和力學(xué)參數(shù)。</p><p>　　4) 然后在S

69、tandard中建立各子系統(tǒng)相應(yīng)template的subsystem文件，并將其代入各子系統(tǒng)的參數(shù)特征。</p><p>　　5) 之后在Standard下建立整車的assembly文件，構(gòu)建各子系統(tǒng)模型組成整車系統(tǒng)模型。</p><p>　　6) 針對整車研究的不同方面，進(jìn)行不同工況的仿真文件進(jìn)行整車平順性仿真。</p><p>　　7) 最后將仿真計算結(jié)果的后處

70、理。</p><p>　?。?）ADAMS/Tire(輪胎模塊)</p><p>　　輪胎模塊是研究輪胎與道路相互作用的可選模塊。ADAMS / Tire模塊可以完善地計算側(cè)向力、自動回正力矩及由于路面坑洼等障礙而產(chǎn)生的力，還可以計算輪胎因克服滾動阻力而受到的垂直、縱向和橫向載荷、仿真研究車輛在制動、轉(zhuǎn)向和滑行、滑移等大變形位移下的動力學(xué)特性，不僅可以研究車輛穩(wěn)定性，計算汽車的偏移、俯沖和

71、側(cè)傾特性，還可以進(jìn)行其輸出力和加速度數(shù)據(jù)作為有限元分析軟件包的輸入載荷進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力和疲勞特性研究，并計算由于制動力矩和轉(zhuǎn)動力矩產(chǎn)生的反作用力。</p><p>　　3.2.3 ADAMS建模基礎(chǔ)</p><p>　　ADAMS軟件根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)和歐拉角參數(shù)來描述物體的空間位置，然后采用吉爾（Gear）的剛性積分來解決稀疏矩陣的求解問題，ADAMS/Solver中提供許多種功能成熟的求解

72、器，可以對所建模型進(jìn)行運動學(xué)、靜力學(xué)、動力學(xué)分析。ADAMS軟件的多剛體動力學(xué)分析步驟如下[6][7]：</p><p>　　ADAMS多剛體系統(tǒng)的自由度</p><p>　　機械系統(tǒng)中各構(gòu)件相對于地面機架所具有的獨立運動數(shù)量稱為機械系統(tǒng)的自由度。機械系統(tǒng)的自由度與構(gòu)成機械的構(gòu)件數(shù)量、運動副的類型和數(shù)量、原動機的類型和數(shù)量、以及其他約束條件有關(guān)。</p><p>　

73、　在ADAMS軟件中，機械系統(tǒng)的自由度（DOF）和原動機的數(shù)量與機械系統(tǒng)的運動特性有著密切的關(guān)系，機構(gòu)的自由度決定該機構(gòu)的分析類型：運動學(xué)分析或動力學(xué)分析[6][7]。</p><p>　　ADAMS中自由度（DOF）的計算公式為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中n——系統(tǒng)的部件數(shù)目（包括地面）；<

74、;/p><p>　　——系統(tǒng)中各約束所限制的自由度數(shù)目。</p><p>　　其中，當(dāng) DOF>0時，對機構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析，即分析其運動狀況是由于保守力和非保守力的作用而引起的，并要求構(gòu)件運動不僅要滿足約束要求，而且還要滿足給定的運動規(guī)律。包括有靜力學(xué)分析、準(zhǔn)靜力學(xué)分析和瞬態(tài)動力學(xué)分析。其中的動力學(xué)運動方程即機構(gòu)中運動的約束方程和拉格朗日乘子微分方程組成的方程組。</p>

75、<p>　　當(dāng) DOF＝0時，對機構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)分析，即僅考慮系統(tǒng)的運動規(guī)律，而不用考慮產(chǎn)生運動的外力。在機構(gòu)運動學(xué)分析中，某些機構(gòu)構(gòu)件的運動狀態(tài)確定后，其余構(gòu)件的位移、速度和加速度隨時間變化的規(guī)律，不是依據(jù)牛頓定律來確定的，而是完全由機構(gòu)內(nèi)構(gòu)件間的約束關(guān)系來確定，是通過位移的非線性代數(shù)方程與速度、加速度的線性代數(shù)方程迭代運算求解。</p><p>　　當(dāng) DOF<0時，屬于超靜定問題，目前ADAM

76、S還無法解決。</p><p>　　ADAMS系統(tǒng)中包括一般約束庫和基礎(chǔ)約束庫，一般約束庫中含有機械系統(tǒng)常見的約束，基礎(chǔ)約束庫則是一些抽象的約束，一般約束所限制的自由度如表3-1示。</p><p>　　表3-1 一般約束所限制的自由度</p><p>　　ADAMS多剛體系統(tǒng)動力學(xué)方程的建立</p><p>　　建立動力學(xué)方程，其求解的速度

77、很大程度上取決于廣義坐標(biāo)的選擇。在研究剛體在慣性空間中的一般運動時，通常使用它的連體基的圓點(一般與質(zhì)心重合)來確定位置，使用連體基相對慣性基的方向余弦矩陣來確定方位。通常為了更好的描述方位，必須規(guī)定一組轉(zhuǎn)動廣義坐標(biāo)表示方向余弦矩陣。在確定轉(zhuǎn)動廣義坐標(biāo)通常有三種方法。一種方法是用方向余弦矩陣本身的元素作為轉(zhuǎn)動廣義坐標(biāo)，但是它的變量太多，同時還要附加六個約束方程；另一種方法是使用歐拉角或卡爾登角作為轉(zhuǎn)動坐標(biāo)，它的算法規(guī)范，缺點是在逆問題中

78、存在奇點，在奇點位置豎直計算容易出現(xiàn)困難；最后一種方法是用歐拉參數(shù)作為轉(zhuǎn)動廣義坐標(biāo)，由于它的變量不太多，方向余弦計算歐拉角時不存在奇點，所以通常情況下采用第三種方法來確定轉(zhuǎn)動廣義坐標(biāo)[6][7]。</p><p>　　ADAMS軟件用剛體的質(zhì)心笛卡爾坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角作為廣義坐標(biāo)，即：</p><p><b>　　（3-2） </b></p>&

79、lt;p><b>　　（3-3）</b></p><p>　　由于采用不獨立的廣義坐標(biāo)，系統(tǒng)動力學(xué)雖然是最大數(shù)量，但是高度稀疏耦合的微分代數(shù)方程，卻適用于稀疏矩陣的方法高效求解。</p><p>　　ADAMS程序通常采用拉格朗日乘子法建立系統(tǒng)運動方程：</p><p><b>　　(3-4)</b></p&g

80、t;<p>　　完整約束方程： （3-5） </p><p>　　非完整約束方程： （3-6） </p><p><b>　　式中：T——動能；</b></p><p>　　——

81、描述系統(tǒng)廣義坐標(biāo)列陣；</p><p><b>　　——廣義力列陣；</b></p><p>　　——完整約束的拉格朗日乘子列陣；</p><p>　　——非完整約束的拉格朗日乘子列陣。</p><p>　　把(3-4)式寫一般形式:</p><p><b>　?。?-7）</b&

82、gt;</p><p><b>　　（3-8）</b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　式中：——廣義坐標(biāo)列陣；</p><p><b>　　——廣義速度列陣；</b></p><p><b>　　——廣義速

83、度列陣；</b></p><p>　　——約束反力及作用力列陣；</p><p>　　——系統(tǒng)動力學(xué)微分方程及用戶定義的微分方程。</p><p>　　定義系統(tǒng)的狀態(tài)矢量：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　則式(3-4)可寫成單一矩陣方程：<

84、/p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　在動力學(xué)分析時，ADAMS通常采用兩種算法[6][7]:</p><p>　　1）使用積分求解程序，采用坐標(biāo)分離算法來計算獨立坐標(biāo)的微分方程，使用這種方法主要用于模擬特征值經(jīng)歷突變的系統(tǒng)或高頻系統(tǒng)。</p><p>　　2）使用三種功能強大的變階、變步長積分

85、求解程序（GSTIFF積分器、DSTIFF積分器和BDF積分器）來求解稀疏耦合的非線性微分代數(shù)方程，這種方法通常適用于模擬剛性系統(tǒng)(特征值變化范圍大的系統(tǒng))。</p><p>　　采用GEAR預(yù)估一校正算法可以有效地求解式(3-4)所示的微分－代數(shù)方程：</p><p>　　首先，根據(jù)當(dāng)前時刻的系統(tǒng)狀態(tài)矢量值，采用泰勒級數(shù)預(yù)估下一時刻系統(tǒng)的狀態(tài)矢量值</p><p>

86、;<b>　　(3-12)</b></p><p><b>　　式中，時間步長</b></p><p>　　在采用這種預(yù)估算法時，得到的新時刻系統(tǒng)狀態(tài)矢量值通常不準(zhǔn)確，式(3-4)右邊的項不等于零，可以采用由Gear k+1階積分求解程序(或其它向后差分積分程序)來校正。如果采用預(yù)估算法得到的新時刻的系統(tǒng)狀態(tài)矢量值滿足(3-4)，則可以不必進(jìn)行校

87、正。</p><p><b>　　(3-13)</b></p><p>　　式中：——在時的系數(shù)值；</p><p>　　——Gear積分程序的系數(shù)值。</p><p>　　將式(3-13)簡化為：</p><p><b>　　(3-14)</b></p>&l

88、t;p>　　將式(3-4)在,時刻展開，得：</p><p><b>　　(3-15)</b></p><p>　　ADAMS使用修正的牛頓-拉夫森迭代程序求解上面的非線性方程，其迭代校正公式為：</p><p><b>　　(3-16)</b></p><p>　　式中，j表示第j次迭代。&

89、lt;/p><p>　　，， (3-17)</p><p>　　由式(3-14)可知：</p><p><b>　　(3-18)</b></p><p>　　由式(3-15)可知：</p><p>　　， (3

90、-19)</p><p>　　將公式(3-18)和公式(3-19)代入式(3-16)，得：</p><p><b>　　(3-20)</b></p><p>　　公式(3-20)左邊得系數(shù)矩陣稱系統(tǒng)的雅可比矩陣，式中：</p><p><b>　　——系統(tǒng)剛度矩陣；</b></p>&

91、lt;p><b>　　——系統(tǒng)阻尼矩陣；</b></p><p><b>　　——系統(tǒng)質(zhì)量矩陣。</b></p><p>　　通過分解系統(tǒng)雅可比矩陣(通常為了提高計算效率，ADAMS采用符號方法分解矩陣)求解，，，然后計算出, , ,，，，重復(fù)上述迭代校正步驟，直到滿足收斂條件，最后是積分誤差控制步驟。</p><p&g

92、t;　　如果預(yù)估值與校正值的差值小于規(guī)定的積分誤差限，接受該解，則進(jìn)行下一時刻的求解；否則將拒絕該解，并減少積分步長，重新進(jìn)行預(yù)估一校正過程。</p><p>　　ADAMS在進(jìn)行動力學(xué)、靜力學(xué)和運動學(xué)分析之前，ADAMS將自動進(jìn)行初始條件分析，這有利于在初始系統(tǒng)模型中各物體的坐標(biāo)與各種運動學(xué)約束之間達(dá)成一致協(xié)調(diào)，可以保證系統(tǒng)滿足所有約束條件。初始條件通過分析求解相應(yīng)的位置、速度、加速度的目標(biāo)函數(shù)的最小值。<

93、;/p><p>　　分析初始條件位置，確定位置目標(biāo)函數(shù)：</p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　式中：n——系統(tǒng)總的廣義坐標(biāo)數(shù)；</p><p>　　m——系統(tǒng)約束方程數(shù)；</p><p><b>　　——約束方程；</b></p>

94、<p>　　——拉格朗日乘子微分方程；</p><p>　　——的加權(quán)系數(shù)。如果是準(zhǔn)確坐標(biāo)值，則取大值；如果是近似坐標(biāo)值，則取小值；如果是程序指定的坐標(biāo)值，則取零值。</p><p>　　如果取最小值，則由，得：</p><p><b>　　(3-22)</b></p><p>　　式中：=1,2,3,……,n

95、；</p><p>　　=1,2,3,……,m。</p><p><b>　　其函數(shù)形式為：</b></p><p><b>　　（3-23）</b></p><p>　　式中：=1,2,3,……,n；</p><p>　　=1,2,3,……,m 。</p>&

96、lt;p>　　其中牛頓-拉夫森迭代公式為：</p><p><b>　　(3-24)</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　中的下標(biāo)表示第次迭代。</p><p>　　分析初

97、始速度，確定速度目標(biāo)函數(shù)：</p><p><b>　　(3-25)</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　——用戶設(shè)置的準(zhǔn)確的或近似的初始速度值或程序設(shè)定的缺省速度值；</p><p>　　——對應(yīng)的加權(quán)系數(shù)；</p><p><b&

98、gt;　　——速度約束方程；</b></p><p>　　——對應(yīng)速度約束方程的拉格朗日乘子。</p><p>　　當(dāng)取最小值時，則由，可得：</p><p><b>　　(3-26)</b></p><p>　　式中：=1,2,3,……,n；</p><p>　　=1,2,3,……,

99、m。</p><p>　　將（3-26）簡化為矩陣形式：</p><p><b>　　(3-27)</b></p><p>　　式中：=1,2,3,……,n；</p><p>　　=1,2,3,……,m 。</p><p>　　公式(3-27)是關(guān)于，的線性方程，系數(shù)矩陣只與位置有關(guān)，而且它的非零

100、項已經(jīng)分解(見式(3-24)）,因此，可直接求解出，。</p><p>　　分析初始加速度、初始拉格朗日乘子，可以直接由系統(tǒng)動力學(xué)方程和系統(tǒng)約束方程的兩階導(dǎo)數(shù)來確定。</p><p>　　首先將矩陣形式的系統(tǒng)動力學(xué)方程簡化為分量形式:</p><p><b>　?。?-28）</b></p><p>　　式中：=1,2,

101、3,……,n；</p><p>　　=1,2,3,……,m。</p><p><b>　　（3-29）</b></p><p>　　然后將（3-29）簡化為矩陣形式:</p><p><b>　　(3-30)</b></p><p>　　式中：=1,2,3,……,n；<

102、/p><p>　　=1,2,3,……,m。</p><p>　　其中（3-30）中的非零項已經(jīng)分解，見式(3-24)和(3-27)，由此，可以求解出，。</p><p>　　3.3 基于ADAMS/Car建立整車虛擬樣機模型</p><p>　　3.3.1 建立汽車各子系統(tǒng)模型</p><p>　?。?） 建立前懸架動

103、力學(xué)模型</p><p>　　基于ADAMS/Car模塊對懸架系統(tǒng)進(jìn)行建模，通常要求模型要與實際情況一致。汽車為一縱向?qū)ΨQ系統(tǒng)，模型在建立前需要確定每個部件的硬點，然后建立其中左邊或右邊的1/2懸架模型，另一部分則會自動生成[6][8]。</p><p>　　汽車前懸架一般為麥克弗遜式撐桿式懸架，由彈簧、筒式減振器及滑柱、下擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)總成（減振器下體、輪轂軸）、轉(zhuǎn)向橫拉桿、羊角、減振器上

104、端、球頭銷、轉(zhuǎn)向器齒條、車輪總成、車身等剛體部分組成。其中下擺臂與車身間由兩個彈性襯套（不考慮彈性襯套時為轉(zhuǎn)動鉸鏈）相連，下擺臂與羊角由球鉸相連，減振器上端與羊角由圓柱鉸相連，減振器上端與車身間彈性襯套（不考慮彈性襯套時為萬向節(jié)鉸鏈）相連，減振器上端與羊角間還有彈簧阻尼器力元。</p><p>　　將結(jié)構(gòu)簡化分析，然后建立前懸架動力學(xué)模型子系統(tǒng)如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1

105、 前懸架模型</p><p>　　其中各部件約束如圖3-1所示，減振器上端采用用萬向節(jié)鉸與車身相連，轉(zhuǎn)向節(jié)總成與減振器上端用圓柱鉸約束，相對于減振器上半部分可以進(jìn)行軸向移動和轉(zhuǎn)動；下擺臂的一端通過轉(zhuǎn)動鉸與車身相連（其中含有一個虛約束），可相對于車身上下擺動，另一端則通過球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)總成相接；轉(zhuǎn)向橫拉桿的一端通過球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)總成相連，另一端則通過萬向節(jié)鉸與轉(zhuǎn)向齒條相連；其中懸架模型的鉸鏈類型與數(shù)目如下表3-1所示

106、。</p><p>　　表3-1 前懸架模型的鉸鏈類型與數(shù)目</p><p>　　其中麥弗遜式前懸架(不含轉(zhuǎn)向系)的約束方程為：</p><p><b>　　(3-31)</b></p><p>　　懸架模型中存在兩個Gruebler Count(相當(dāng)于兩個自由度)，因此自由度為:</p><p&g

107、t;<b>　　(3-32)</b></p><p>　　1) 建立前減振器模型</p><p>　　懸架系統(tǒng)的主要阻尼元件即減振器，它與彈性元件并聯(lián)安裝，通過減振器的衰減，減小車身與車輪之間的相對振動。要利用ADAMS/Car模塊建立減振器模型，首先需要用戶建立一個自定義的減振器文件，然后利用其屬性對話框進(jìn)行數(shù)據(jù)修改，也可利用“速度一力”曲線在曲線上直接修正，還可以

108、通過其中的數(shù)列表進(jìn)行比較準(zhǔn)確的定義，最后系統(tǒng)將自動進(jìn)行模擬，用戶可以得到比較滿意的非線性曲線。</p><p>　　圖3-2 前減振器特性曲線</p><p>　　2) 建立前彈簧模型</p><p>　　建立方法與建立減振器模型方法類似，這里將不再進(jìn)行介紹。下圖3-3為前懸架彈力隨壓縮、拉伸行程變化曲線</p><p>　　圖3-3 前

109、懸架彈簧剛度特性曲線</p><p>　?。?）建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型</p><p>　　轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是整車模型必不可少的一部分，它主要包括方向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向管柱、轉(zhuǎn)向傳動軸、橫拉桿、齒輪齒條轉(zhuǎn)向器等。</p><p>　　轉(zhuǎn)向系傳動比是在進(jìn)行建模分析前必須考慮的一個重要參數(shù)。它主要包括力傳動比和角傳動比，傳動比直接影響汽車的動力性能和操縱性能。力傳動比指從輪胎接觸地面中

110、心作用在兩個轉(zhuǎn)向輪上的合力2與作用在轉(zhuǎn)向盤上的手力之比；角傳動比指轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和駕駛員同側(cè)的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角之比。</p><p><b>　　(3-33)</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　　——轉(zhuǎn)向阻力矩；</b></p><p><

111、;b>　　——轉(zhuǎn)向盤的力矩；</b></p><p><b>　　——轉(zhuǎn)向盤的半徑；</b></p><p>　　——主銷偏移距，即從轉(zhuǎn)向節(jié)主銷軸線的延長線與支承平面的交點 至車輪中心平面與支承平面的交線之間的距離；</p><p>　　——轉(zhuǎn)向器角傳動比，它等于方向盤轉(zhuǎn)角增量與轉(zhuǎn)向搖臂的相 應(yīng)增量之比；</p>

112、<p>　　——轉(zhuǎn)向傳動裝置角傳動比，它等于搖臂軸轉(zhuǎn)角增量；與同側(cè)</p><p>　　轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)角增量之比。</p><p>　　下圖3-4為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動力學(xué)模型。</p><p>　　圖3-4 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型</p><p>　?。?）建立后懸架動力學(xué)模型</p><p>　　后懸架是整車模型中很重要的

113、部分，后懸架主要包括：下單斜擺臂、減振器、螺旋彈簧、橫向穩(wěn)定桿等。在ADAMS/Car模版下建立后懸架動力學(xué)模型，并進(jìn)行雙輪跳動的仿真分析。</p><p>　　1) 建立后減振器模型</p><p>　　后減振器同前減振器一樣，是懸架的主要阻尼元件。其中下單斜擺臂前后段將分別與底盤和輪轂聯(lián)接，在下單斜擺臂和車身之間安裝螺旋彈簧，減振器聯(lián)接下單斜擺臂與車身。建模時其阻尼特性與前懸架減振器處

114、理方法一樣。</p><p>　　圖3-5 后減震器特性曲線</p><p>　　2）確定后懸架模型約束</p><p>　　拖曳式懸架的鉸鏈數(shù)目與類型如下表3-2所示。</p><p>　　表3-2 后懸架模型的鉸鏈類型與數(shù)目</p><p>　　拖曳式后懸架(不含轉(zhuǎn)向系)的約束方程，為:</p>&

115、lt;p><b>　　（3-34）</b></p><p>　　其中存在兩個Gruebler Count(相當(dāng)于兩個自由度)，自由度為:</p><p><b>　?。?-35）</b></p><p>　　3）建立后懸架的動力學(xué)模型，如下圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6 后懸架

116、動力學(xué)模型</p><p>　　4）進(jìn)行后懸架運動學(xué)仿真</p><p>　　將所建立的后懸架模型，在ADAMS/Car模塊中設(shè)置車輪跳動仿真激振臺架上下激振位移為100mm，讓后懸架模型的左、右車輪同步上下跳動，對后懸架進(jìn)行仿真，分析懸架在平行跳動過程中外傾角、前束角的變化，觀察懸架各部件之間的相互影響，進(jìn)行評估懸架系統(tǒng)的性能。</p><p>　　圖3-7 后

117、懸架雙輪跳動試驗臺</p><p><b>　?、偻鈨A角</b></p><p>　　車輪跳動時外傾變化對汽車的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性有很大影響，這就需要減少車輪相對車身跳動時的外傾角變化。通常在上跳時，對車身的外傾變化為－4°～1°/100mm。圖3.7為左、右車輪同步上下跳動時懸架車輪外傾角的變化曲線。從圖中可以看出，車輪跳動過程中變化為-1.002&#