摘要
悬架是汽车上的重要总成之一，悬架的作用是弹性地连接车桥和车架，减缓行驶中车辆受到由路面不平引起的冲击力，保证乘坐舒适和货物完好，迅速衰减由于弹性系统引起的振动，使车轮按一定轨迹相对车身运动。悬架决定着汽车的稳定性、舒适性和安全性，所以研究悬架成为研究汽车中的重要一个环节，ADAMS软件为研究汽车悬架运动学分析提供了帮助。本次毕业设计首先利用ADAMS软件的View功能给定设计点，创建悬架模型，通过测试悬架模型得到一些曲线和数据，对比这些曲线和数据之后得出轮胎接地点的侧向滑移量变化是影响悬架的重要因素。所以将目标函数定为车轮接地点的侧向滑移量。然后通过ADAMS软件的后处理功能优化前悬架模型，最后得出使轮胎接地点的侧向滑移量变化最小的一组数据。从而达到优化的效果。
关键词：双横臂独立悬架；运动学分析；ADAMS
Abstract
Suspense is one of the important parts in a car. Suspense serves as a role that connects the axles and frames in a much bouncing way which can kill the unavoidable shock when the car is on a unsmooth road, thus making sure that the goods in the car cannot be damaged as well as guaranteeing a better driving pleasure. It can quickly kill the shock from the bouncing system to let the wheel move a the course of the car. Suspense determines the stability, riding comfort, and safety. Therefore, analyzing the suspense becomes one of the greatest parts of the whole analysis. ADAMS software did a great help to the analysis of suspense kinematics.The design of ADAMS software first given design points, View function to create suspension model, through the test suspension model get some curves and data, contrast these curves and data that pick up the tyres after the change of lateral sliding site is the important factors affect suspension. So will the objective function as the wheels of lateral slippage pick site. Then through the ADAMS software post-processing function optimization model of the suspension, finally come to pick up the tire place lateral sliding the smallest quantity of set of data. This group of data is finally wanted results.
Key words: double wishbone suspension; kinematics analysis; ADAMS
目录
1 绪论 (1)
1.1课题引言 (1)
1.2 汽车悬架简介 (1)
1.3 汽车悬架分类 ................................................................................................................
1.4 ADAMS简介..................................................................................................................
1.5 本文研究的内容 (2)
2前悬架模型的建立 (3)
2.1 创建新模型 (3)
2.2 添加约束 (4)
2.3本章小结 (6)
3前悬架模型运动学分析 (7)
3.1 添加驱动 (7)
3.2测量主销内倾角 (7)
3.3测量主销后倾角 (10)
3.4测量前轮外倾角 (12)
3.5测量前轮前束倾角 (14)
3.6测量车轮接地点侧向滑移量 (17)
3.7本章小结 (19)
4细化前悬架模型 (21)
4.1 创建设计变量 (21)
4.2将设计点参数化 (21)
4.3将物体参数化 (25)
4.4本章小结 (25)
5定制界面 (32)
5.1 创建修改参数对话窗 (32)
5.2 修改菜单栏 (36)
5.3 本章小结 (37)
6 优化前悬架模型 (26)
6.1 定义目标函数 (26)
6.2 优化模型 (26)
6.3 察看优化结果 (27)
6.4 本章小结 (31)
本文总结 (40)
致谢 (41)
参考文献 (42)
附录A 汉语原文 (43)
附录B 英文翻译 (52)
1绪论
1.1 课题引言
在马车出现的时候，为了乘坐更舒适，人类就开始对马车的悬架进行孜孜不倦的探索，随着社会的日益进步和科学技术的不断发展，汽车开始普及，人们对汽车平顺性、稳定性、操控性及其舒适性也有了更高要求。于是对于悬架的研究显得尤为重要。汽车悬架作为车身与车轮之间连接的传力机件，是保证汽车行驶安全的重要部件。汽车悬架对汽车的舒适性、稳定性、平顺性都起着至关重要的影响，因此，提高汽车舒适性的关键就是要提高汽车悬架系统的性能。传统的钢板弹簧式悬架已难以满足汽车行驶舒适性和操纵稳定性等方面提出的要求，本次毕业设计针对双横臂式前独立悬架进行分析，就是通过建立悬架模型，初选悬架各参数，创建设计变量，最后利用ADAMS软件对悬架进行优化，优化出一组使得车轮接地点的侧向滑移量最小的初始点位置。
1.2 汽车悬架简介
悬架是汽车上的重要总成之一，它把车身和车弹性地连接在一起。汽车悬架是车身和车轮之间的一切传力连接装置的总称。一般由弹性元件、减振器和导向元件组成。在汽车行驶过程中，悬架的作用是弹性地连接车桥和车架，减缓行驶中车辆受到由路面不平引起的冲击力，保证乘坐舒适和货物完好，迅速衰减由于弹性系统引起的振动，传递垂直、纵向、侧向反力及其力矩，并起导向作用，使车轮按一定轨迹相对车身运动。悬架决定着汽车的稳定性、舒适性和安全性，是现代汽车十分重要的部件之一。现代汽车悬架的发展十分快，不断出现崭新的悬架装置。
1.3 汽车悬架分类
根据悬架的阻尼和刚度是否随着行驶条件的变化而变化，可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架( 三种悬架的模型图如图1.1所示)，半主动悬架还可以按阻尼级分为有级式和无级式两类。传统的悬架系统的刚度和阻尼系数，是按经验设计或优化设计方法选择的，一经选定后，在车辆行驶过程中，就无法进行调节，因此其减振性能的进一步提高受到限制，这种悬架称为被动悬架。为了克服被动悬架的缺陷，国外在20世纪60年代就提出了主动悬架的概念，主动悬架就是由在悬架系统中采用有源或无源可控制的元件组成。它是一个闭环控制系统，根据车辆的运动状态和路面状况主动作出反应，以抑
制车体的运动，使悬架始终处于最优减振状态。所以主动悬架的特点就是能根据外界输入或车辆本身状态的变化进行动态自适应调节。因此，系统必须是有源的。半主动悬架则由无源但可控制的阻尼元件组成。
在车辆悬架中，弹性元件除了吸收和存贮能量外，还得承受车身重量及载荷，因此，半主动悬架不考虑改变悬架的刚度而只考虑改变悬架的阻尼。由于半主动悬架结构简单，在工作时，几乎不消耗车辆动力，又能获得与主动悬架相近的性能，故应用较广。
由于路面输入的随机性，车辆悬架阻尼的控制属于自适应控制，即所设计的系统在输入或干扰发生大范围的变化时，能自适应环境，调节系统参数，使输出仍能被有效控制，达到设计要求。它不同于一般的反馈控制系统，因为它处理的具有“不确定性”的反馈信息。
自适应控制系统按其原理不同，可分为校正调节器和模型参考自适应控制系统两大类。由于要建立一个精确的“车辆—地面”系统模型还很困难，故目前的主动悬架，多采用自校正调节器。虽然现代汽车的悬架种类较多，结构差异较大，但一般由弹性元件、减振元件和导向构件组成。工作原理是：当汽车轮胎受到冲击时，弹性元件对冲击进行缓冲，防止对汽车构件和人员造成损伤。但弹性件受到冲击时会产生长时间持续的振动，容易使驾驶员疲劳。故减振元件应快速衰减振动。当车轮受到冲击而跳动时，应使其运动轨迹符合一定的要求，否则会降低汽车行驶的平顺性和操纵稳定性。导向构件在传力的同时，必须对方向进行控制。
根据汽车导向机构不同悬架种类又可分为独立悬架和非独立悬架。非独立悬架其特点是两侧车轮安装于一整体式车桥上，当一侧车轮受冲击力时会直接影响到另一侧车轮上，当车轮上下跳动时定位参数变化小。若采用钢板弹簧作弹性元件，它可兼起导向作用，使结构大为简化，降低成本。目前广泛应用于货车和大客车上，有些轿车后悬架也有采用的。非独立悬架由于非簧载质量比较大，高速行驶时悬架受到冲击载荷比较大，平顺性较差。独立悬架是两侧车轮分别独立地与车架（或车身）弹性地连接，当一侧车轮受冲击，其运动不直接影响到另一侧车轮，独立悬架所采用的车桥是断开式的。这样使得发动机可放低安装，有利于降低汽车重心，并使结构紧凑。独立悬架允许前轮有大的跳动空间，有利于转向，便于选择软的弹簧元件使平顺性得到改善。同时独立悬架非簧载质量小，可提高汽车车轮的附着性。
图1.1
1.4 ADAMS简介
ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)软件，是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件，该软件使用交互式图形环境和零件库，约束库，力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移，速度，加速度和反作用力曲线。它的仿真可用于预测机械系统的性能，运动范围，碰撞检测，峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。
根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件销售总额近八千万美元、占据了51%的份额。
ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的
二次开发工具平台。ADAMS软件有两种操作系统的版本：UNIX版和Windows NT/2000版。
ADAMS/View是一个强大的建模和仿真环境，它可以建模、仿真并优化机械系统模型，ADAMS/View可快速对多个设计变量进行分析直到获得最优化的设计。在ADAMS/View中创建模型的步骤与通常创建物理模型的步骤是相同的。尽管列出的创建模型的步骤似乎是一次创建模型成功，然后再对模型进行测试并优化，但建议在创建整个模型之前先建立并测试模型的小的元件，把他们联系在一起，然后运行简单的仿真以测试它们的运动，确保它们运动正确。一旦模型正确，再在其上添加更复杂的模型。
ADAMS/View采用简单的分层方式完成建模工作。采用Parasolid内核进行实体建模，并提供了丰富的零件几何图形库、约束库和力/力矩库，并且支持布尔运算、支持FORTRAN/77和FORTRAN/90中的函数。除此之外，还提供了丰富的位移函数、速度函数、加速度函数、接触函数、样条函数、力/力矩函数、合力/力矩函数、数据元函数、若干用户子程序函数以及常量和变量等。
自9.0版后，ADAMS/View采用用户熟悉的Motif界面(UNIX系统)和Windows界面(NT系统)，从而大大提高了快速建模能力。在ADAMS/View中，用户利用TABLE EDITOR，可像用EXCEL一样方便地编辑模型数据，同时还提供了PLOT BROWSER 和FUNCTION BUILDER工具包。DS(设计研究)、DOE(实验设计)及OPTIMIZE(优化)功能可使用户方便地进行优化工作。ADAMS/View有自己的高级编程语言，支持命令行输入和C++语言，有丰富的宏命令以及快捷方便的图标、菜单和对话框创建和修改工具包，而且具有在线帮助功能。ADAMS/View新版采用了改进的动画/曲线图窗口，能够在同一窗口内可以同步显示模型的动画和曲线图；具有丰富的二维碰撞副，用户可以对具有摩擦的二维点－曲线、圆－曲线、平面－曲线，以及曲线－曲线、实体－实体等碰撞副自动定义接触力；具有实用的Parasolid输入/输出功能，可以输入CAD中生成的Parasolid文件，也可以把单个构件、或整个模型、或在某一指定的仿真时刻的模型输出到一个Parasolid文件中；具有新型数据库图形显示功能，能够在同一图形窗口内显示模型的拓扑结构，选择某一构件或约束(运动副或力)后显示与此项相关的全部数据；具有快速绘图功能，绘图速度是原版本的20倍以上；采用合理的数据库导向器，可以在一次作业中利用一个名称过滤器修改同一名称中多个对象的属性，便于修改某一个数据库对象的名称及其说明内容；具有精确的几何定位功能，可以在创建模型的过程中输入对象的坐标、精确地控制对象的位置；多种平台上采用统一的用户界面、提供合理的软件
文档；支持Windows NT平台的快速图形加速卡，确保ADAMS/View的用户可以利用高性能OpenGL图形卡提高软件的性能；命令行可以自动记录各种操作命令，进行自动检查。
1.5本文研究的内容
本文利用ADAMS/View软件创建汽车的双横臂式前独立悬架模型（FRONT_SUSP.bin）悬架模型的主销长度为330mm，主销内倾角为10度，主销后倾角为2.5度，上横臂长350mm，上横臂在汽车横向平面的倾角为11度，上横臂轴水平斜置角为-5度，下横臂长500mm,下横臂在汽车横向平面的倾角为9.5度，下横臂水平斜置角为10度，车轮前束角为0.2度。通过添加驱动观察悬架模型的运动仿真情况，对优化结果进行分析，发现最坏的影响参数，然后进一步将此参数作为目标函数进行优化分析。得到一组最优值，达到优化前悬架的目的。
2创建前悬架模型
2.1 创建新模型
打开ADAMS/View,创建新模型名称为FRONT_SUSP，建立八个设计点，他们的名称和位置见图2.1。
图2.1 设计点的位置
八个关键点设置完成后，利用ADAMS/View中零件库的各种命令（如图2.2）进行创建主销（半径为20）、创建上横臂（半径为20）、创建下横臂（半径为20）、创建拉臂（半径为15）、创建转向拉杆（半径为15）、创建转向节（半径为20）、创建车轮（半径为375、长度为215）、创建测试平台以及创建弹簧。其中弹簧的刚度为129.8阻尼为6000。最后的模型如图2.3所示。
图2.2 软件命令
图2.3 创建完的悬架模型
2.2 添加约束
点击ADAMS/View中约束库的约束副命令，分别在正确位置创建球副、创建固定副、创建旋转副、创建移动副以及点-面约束副。
创建球副：选择上横臂和主销为参考物体，选择设计点“UCA_outer”为球副的位置点，创建上横臂和主销之间的约束副。选择下横臂和主销为参考物体，选择设计点“LCA_outer”为球副的位置点，创建下横臂和主销之间的约束副。选择转向拉杆和拉臂为参考物体，选择设计点“tie_rod_outer”为球副的位置点，创建转向拉杆和拉臂之间的约束副。选择设计点“tie_rod_inner” 为球副的位置点，创建转向拉杆和大地之间的约束副。如图2.4所示。
创建固定副：选择拉臂和主销为参考物体，选择设计点“knuckle_inner”为固定副的位置，创建拉臂和主销之间的约束副。选择转向节和主销为参考物体，选择设计点“knuckle_inner”为固定副的位置，创建转向节和主销之间的约束副。选择车轮和转向节
为参考物体，选择设计点“knuckle_inner”为固定副的位置，创建车轮和转向节之间的约束副。如图2.5所示。
图2.4设置球副图2.5设置固定副
其它约束副的做法类似，其中旋转副的选项以及修改对话框如图2.5、2.6、2.7所示。最后保存前悬架模型。
图2.6设置旋转副图2.7修改旋转副对话框
2.3本章小结
本章在ADAMS/View环境下给定了设计点并且建立汽车的前悬架模型，并对模型添
加了相应的约束，为下一章汽车前悬架模型的运动学分析打下基础。
3前悬架模型的运动学分析
3.1添加驱动
点击ADAMS/View中驱动库的直线驱动，选择测试平台和大地的移动副约束，创建直线驱动。修改直线驱动的函数表达式为100*sin(360d*time)如图3.1所示。
图3.1添加驱动对话框
函数表达式为100*sin(360d*time)表示车轮的上跳和下跳行程均为100mm。
3.2测量主销内倾角
编辑主销内倾角的函数表达式为ATAN(DX(MARKER_2, MARKER_4)/DY(MARKER_2, MARKER_4))。如图3.2、3.3和3.4所示。
图3.2使用助理功能
图3.3测量两点在X轴方向的距离
图3.4 函数编辑器
同时系统生成主销内倾角变化的测量曲线，设置终止时间为1，工作步为100，进
行仿真，主销内倾角随车轮的跳动的变化曲线如图3.5所示。
图3.5主销内倾角随车轮的跳动的变化曲线
当车轮在最下端时，主销内倾角为10.25度，随着向上到-25mm位移处跳动逐渐减小，然后跳动至100mm过程中逐渐增大至11.7度。主销内倾角在其允许范围内，变化量为1.45度，可以接受。
主销内倾角使得主销轴线与路面交点到车轮中心平面与地面交线的距离减小，从而减小转向时驾驶员加在方向盘上的力，使转向操纵轻便，同时也可减少从转向轮传到方向盘上的冲击力。主销内倾角也不宜过大，否则加速了轮胎的磨损。
3.3 测量主销后倾角
点击ADAMS/View创建新的测量函数。编辑主销内倾角的函数表达式为
ATAN(DZ(MARKER_2,MARKER_4)/DY(MARKER_2, MARKER_4))。如图3.6所示。
图3.6函数编辑器
同时系统生成主销后倾角变化的测量曲线，设置终止时间为1，工作步为100，进行仿真，主销后倾角随车轮的跳动的变化曲线如图3.7所示。
图3.7主销后倾角随车轮的跳动的变化曲线
由主销后倾角随车轮的跳动的变化曲线可以看出车轮位移为-100mm时主销后倾角为2.54度，随着向上到-25mm处稍微降低，然后向上跳动至100mm处逐渐增大至2.55度。主销后倾角变化范围为2.54度到2.55度，变化量很小，在其正常范围内。可以接受。
主销后倾是四轮定位中的一个项目，是设计汽车转向桥时使主销与车轴纵向平面内有一个向后的倾角，即主销轴线与地面的垂线之间的夹角。作用是使车轮自动回正，提高转向操纵的稳定性。其一般不超过2度到4度。
3.4测量前轮外倾角
点击ADAMS/View创建新的测量函数。编辑主销内倾角的函数表达式为
ATAN(DY(MARKER_4,MARKER_2)/DX(MARKER_4, MARKER_2))。如图3.8所示。
图3.8函数编辑器
同时系统生成前轮外倾角变化的测量曲线，设置终止时间为1，工作步为100，进
行仿真，前轮外倾角随车轮的跳动的变化曲线如图3.9所示。
图3.9前轮外倾角随车轮的跳动的变化曲线
由前轮外倾角随车轮的跳动的变化曲线可以看出车轮位移为-100mm时前轮外倾角为-1.0度，随着向上到-25mm处逐渐增大至-0.75度，然后向上跳动至100mm处逐渐降低至-2.4度。前轮外倾角变化范围为-0.75度到-2.4度，变化量为1.65度，在其正常范围内。可以接受。
前轮外倾角是指前轮所在平面不是完全与地面垂直的，而是与地面有一个向外的倾斜角，当在比较平坦的路面上行进时，汽车方向会有一定误差的偏离，在一定等到误差范围内，前轮能够自己回到中间向前的方向的位置，这样，即使路面稍有一点不平也没关系，汽车的行进方向都会基本不变。
3.5测量前轮前束角
点击ADAMS/View中，选择build>measure>function>new,创建新的测量函数。函数名称toe_angle。编辑前轮前束角的函数表达式为ATAN(DZ(MARKER_4,
MARKER_2)/DX(MARKER_4, MARKER_2))。如图3.10所示
图3.10函数编辑器