基于的刚柔耦合汽车悬架性能分析
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2021.01 Automobile Parts060收稿日期:2020-07-22作者简介:燕唐(1990 ),男,硕士,工程师,从事汽车结构刚强度和疲劳耐久研究㊂E-mail:yantang@㊂DOI :10.19466/ki.1674-1986.2021.01.012基于CDTire 的底盘部件疲劳耐久仿真分析燕唐,高丰岭,耿动梁,卜晓兵(中汽研汽车检验中心(天津)有限公司,天津300300)摘要:为了在车型开发前期有效排查底盘系统设计问题,基于CDTire 轮胎模型,建立了虚拟路面底盘部件疲劳耐久仿真方法㊂根据轮胎试验数据建立高精度CDTire 轮胎模型,应用3D 扫描技术将试验场路面转换成数字路面,导入实际参数搭建某SUV 底盘刚柔耦合模型,将三者结合进行多体动力学仿真㊂提取多体动力学结果中各零部件的路面载荷谱导入至疲劳耐久仿真软件,以SUV 前副车架为例计算汽车底盘部件的疲劳寿命㊂该仿真方法的实施可实现耐久性能设计前置,缩短研发周期降低成本㊂关键词:CDTire 轮胎模型;多体动力学仿真;数字路面;疲劳耐久仿真中图分类号:U463.341;TQ336.1Fatigue Durability Simulation Analysis of Chassis Components Based on CDTireYAN Tang,GAO Fengling,GENG Dongliang,BU Xiaobing(CATARC Automotive Test Center (Tianjin)Co.,Ltd.,Tianjin 300300,China)Abstract :In order to effectively check the design problems of chassis system in the early stage of vehicle development,based on theCDTire model,the fatigue durability simulation method of chassis components using virtual proving ground technique was established.Thehigh-precision CDTire model was established according to the tire test data.By using 3D scanning technique,the test road was converted into digital one.The model of an SUV chassis was built by introducing the actual parameters,and the multi-body dynamic simulation was thus con-ducted.The road excited load spectrum of each component from the multi-body dynamics results was extracted and imported into the fatiguedurability simulation software.The fatigue life of the front sub frame was calculated as an example.The simulation method can realize the pre design of durability,shorten the development cycle and reduce the cost.Keywords :CDTire model;Multi-body dynamics simulation;Digital road;Fatigue durability simulation0㊀引言在整车的研发过程中,零部件的疲劳分析需要样车试验场载荷数据采集作为输入,利用多体动力学模型通过疲劳仿真软件计算疲劳寿命,这种传统疲劳耐久研究方法由于仿真结果的时间滞后性造成汽车零部件的优化空间减小㊁优化成本增加[1]㊂解决这一问题就需要将疲劳耐久分析前置,通过虚拟路面技术,将多体动力学模型结合高精度轮胎模型在高可靠性数字路面上进行试验场工况仿真[2],提取虚拟载荷谱作为后续疲劳寿命计算输入[3]㊂轮胎模型的适用性以及精度是建立虚拟路面技术的关键㊂CDTire 轮胎模型是应用成熟的物理轮胎模型之一㊂由于考虑了轮胎截面信息,CDTire 模型精度较高㊂覆盖频率较宽的特征使其能够满足操作稳定性㊁耐久性及NVH 等车辆性能的共同开发,可为企业节约研发成本[4]㊂目前CDTire 模型在国外应用较为广泛,因其轮胎建模要求高,轮胎试验复杂,国内对其研究尚不充分,CDTire 模型在整车虚拟路面仿真应用相对较少㊂本文作者是在熟练掌握CDTire 轮胎建模方法基础上,结合多体动力学软件㊁3D 数字路面技术以及结构疲劳寿命分析方法实现了汽车底盘部件虚拟路面疲劳耐久全流程开发㊂1㊀CDTire 建模CDTire 是一种3D 非线性物理轮胎模型,其优势在于适用的频率范围宽,可用于汽车操纵稳定性㊁耐久性㊁平顺性以及整车路噪分析㊂基于轮胎的静态(刚度)㊁稳态(滑移)及动态(凸块冲击)等多种工况力学性能测试数据,通过对比测试与仿真曲线的整体趋势与关键特征辨识轮胎参数建立模型,如图1所示㊂图1㊀轮胎模型应用流程Automobile Parts 2021.01061CDTire 模型包括质量㊁各层的刚度㊁阻尼㊁预紧力及其沿几何截面的分布权重等100余项参数㊂文中参考某车型选用的205/50R 17型号轮胎,轮胎的质量为9.4kg ,标准胎压为0.23MPa ,标准载荷为650kg ,轮胎工况试验台架如图2所示㊂图2㊀轮胎试验台架CDTire 每一类测试均需要考虑轮胎的预载㊁胎压以及速度等多种工况㊂鉴于轮胎的垂向刚度㊁侧向刚度以及动态冲击刚度对整车多体动力学仿真结果影响较大,如图3所示,给出了部分轮胎205/50R 17的CDTire 仿真曲线与试验曲线对比结果㊂根据层次结构误差计算理论,在所有的层次结构中,除了最内部的层次外,其余均为误差的加权和,轮胎辨识的总误差(err Total )是所有测试工况误差加权和,其计算方法如下:err Total =Σexp err exp ㊃ωexpΣexp ωexp(1)式中:err exp 为每个辨识工况组误差值,ωexp 为误差权重因子㊂计算得到的轮胎205/50R 17CDTire 模型误差为0.2051,满足工程要求㊂图3㊀205/50R 17轮胎部分测试与仿真对比结果2㊀数字路面扫描虚拟试验场数字路面是通过车载3D 激光扫描仪对试验场路面进行扫描,然后将扫描的3D 数据生成数字路面,建立多条疲劳耐久路面数据库,作为CAE 整车疲劳耐久性能仿真激励[5]㊂虚拟路面使用的车载3D 激光扫描仪包括:GPS 定位㊁惯性测试单元IMU ㊁激光仪㊁照相机㊁里程记录仪等设备和相应传感器㊂其工作原理是利用激光反射进行测距,扫描频率在200Hz 以上,扫描的路面特征误差不超过1mm 实现时时记录试验路面信息㊂扫描完成以后利用软件对测量的点云数据进行网格化处理,网格的尺寸要求不超过5mm ˑ5mm ,最后将路面文件格式转化为多体动力学仿真软件识别的CRG 文件㊂图4为比利时实景路面与数字路面对比㊂图4㊀比利时实景路面与数字路面对比3㊀整车建模整车多体动力学模型由前悬架系统㊁后悬架系统㊁转向系统㊁动力系统㊁车身系统㊁轮胎系统等组成㊂各子系统模型搭建需要输入的参数包括:模型的硬点参数㊁零部件的质量和转动惯量㊁衬套各项特性参数㊁减振器和弹簧的参数㊁构件连接方式㊁动力系统参数等[6]㊂以某品牌增程式后驱电动SUV 为例,采用麦弗逊式前悬架和多连杆形式后悬㊂根据整车参数信息修改多体动力学软件模型库中参数,轮胎采用创建的205/50R 17CDTire 模型㊂由于发动机的高频振动和车身的外形对多体动力学载荷提取影响很小,所以为了简化模型将发动机和车身由质量点代替,搭建的整车模型如图5所示㊂图5㊀整车多体动力学模型2021.01 Automobile Parts062求解式(2) 式(4)微分方程组即可获取整车实时运动状态[7]:m d u x d t=(F x 1+F x 2)cos δ-(F y 1+F y 2)sin δ+F x 3+F x 4+mωu y (2)m d u y d t =(F x 1+F x 2)sin δ-(F y 1+F y 2)cos δ+F y 3+F y 4+mωu x(3)d ωd t =1I zz[a (F x 1+F x 2)sin δ+a (F y 1+F y 2)cos δ-b (F y 3+F y 4)-L 2(F x 1-F x 2)cos δ+L 2(F y 1-F y 2)sin δ-L2(F x 3-F x 4)](4)式中:L 为轮距(设前后轮距相等);F xi 为各车轮的纵向力;F yi 为各车轮的横向力;u x 为汽车纵向速度;u y 为汽车横向速度;ω为汽车横摆角速度;δ为前轮转角;a 为前轴到质心的距离;b 为后轴到质心的距离;m 为汽车总质量;I zz 为车身绕z 轴的转动惯量㊂在多体动力学分析过程中,由于零部件存在弹性变形,影响整车系统运动学特性仿真精度,因此将前副车架㊁前稳定杆㊁前摆臂㊁后副车架㊁后稳定杆离散成柔性体㊂多体动力学柔性体文件创建有3种方法:(1)通过软件直接创建成柔性体文件;(2)离散梁功能,将杆类构件离散成许多小刚性构件,刚性构件之间采用柔性单元连接,实现柔性化;(3)采用有限元软件将构件划分成小单元,生成MNF 柔性文件㊂文中采用第三种方式,首先将零部件进行网格划分,定义构件的材料和属性,然后以零部件的硬点位置为主节点,以安装位置或接触面范围内的节点为从节点,创建Rbe2单元㊂将柔性文件导入多体动力学软件中,在刚性体和柔性体连接处建立界面和通信器,并且在载荷提取位置建立相应的输出命令,便于多体动力学仿真载荷输出㊂4 前副车架疲劳仿真分析4.1㊀零部件载荷提取将搭建的整车模型和数字路面导入,进行虚拟路面仿真,根据试验场规定车速设置仿真模型的行驶速度,求解器的积分类型设置为GSTIFF ,最大求解时间步长为0.001s ㊂从仿真结果中提取关键零部件的载荷信息㊂根据建立的模型输出设置,提取零部件六向分力F x ㊁F y ㊁F z 和T x ㊁T y ㊁T z ㊂为了验证模型仿真的准确性,首先对其左右轮心处的载荷进行对比[8],如图6和图7所示整车模型模拟经过30ʎ障碍路段的载荷,由于Y 载荷相对较小,只进行Z 向和X 向载荷对比,载荷谱左右轮心处的频率和幅值大小相同,两个轮心载荷值在时域上一致,证明搭建的模型和数字路面仿真准确[9]㊂图6㊀左右轮心Z向力图7㊀左右轮心X 向力4.2㊀零部件疲劳仿真分析由于前后副车架的关联零部件多,受力也更复杂,风险点多,一旦前后副车架疲劳失效会影响整车的安全性能,所以文中选择两者之一的前副车架作为疲劳耐久分析对象㊂前副车架生成柔性体文件时,为了避免出现焊缝应力集中,焊缝单元与其连接单元均采用四边形单元㊂图8为前副车架有限元模型㊂Automobile Parts 2021.01063图8㊀前副车架有限元模型采用惯性释放方法,通过在硬点位置施加各个方向单位力,得到前副车架单位力作用下的应力㊂根据前副车架的应力和仿真载荷谱,并结合材料的S-N 曲线,累加得到单一路面单次循环前副车架的损伤值㊂根据Miner 线性疲劳积累理论[10],零部件在受到恒定循环载荷时其平均损伤值为1/N ,N 为载荷循环总次数,当载荷进行n 次循环后零部件的总损伤为C =n /N ㊂当零部件受到无规律的载荷时,其总损伤是其单一载荷损伤的叠加之和,表达式为:D =ðli =1n iN i(5)式中:l 代表零部件受到不同载荷的次数;n i 代表第i 种载荷下受到的损伤的次数;N i 代表第i 种载荷下能够承受的损伤总次数;D 代表零部件受到总的损伤值,当D ⩾1时,认为零部件因疲劳损伤造成结构失效㊂表1为仿真中耐久路面测试的速度和循环次数㊂表1㊀疲劳耐久试验路面车速循环次数序号试验路面名称车速/(km ㊃h -1)循环次数1卵石路2515002振动路406123扭曲路10357426"坑洼556435破损路701196石块路606187颠簸路151978沟渠路152329路沿路552410铁轨路309611路障20197前副车架的钣金疲劳分析结果如图9所示,其损伤最大在前副车架与摆臂后安装点,损伤值为0.2074远低于1,副车架钣金疲劳寿命满足车辆的设计使用寿命㊂图9㊀前副车架钣金损伤云图前副车架由于是钣金焊接而成,故需要对前副车架的焊缝进行疲劳仿真分析[11],如图10所示,根据损伤结果云图最大损值为0.966,最大损伤位于前副车架前端焊缝起始位置,由于焊缝起始位置的应力集中比焊缝中间部分所大造成,但其损伤值低于1,满足设计的使用寿命㊂图10㊀前副车架焊缝损伤云图5 结论随着3D 轮胎模型精度的提高和虚拟数字路面技术的发展,2021.01 Automobile Parts064使得汽车虚拟路面仿真技术的优势更加突出,使用越来越广泛㊂文中根据轮胎试验工况数据建立CDTire 轮胎模型,配合3D 数字路面和多体动力学模型,建立完整的底盘部件虚拟路面疲劳耐久仿真流程,并完成某SUV 前副车架钣金和焊缝的疲劳性能仿真分析㊂该技术路线的有效实施可以实现前置疲劳耐久性能分析方分析,缩短研发周期,降低企业研发的成本㊂参考文献:[1]顾轶敏,刘斌,陈有松,等.副车架疲劳载荷分析方法[J].农业装备与车辆工程,2019,58(2):146-150.GU Y M,LIU B,CHEN Y S,et al.Analysis method of sub-frame fa-tigue load [J].Agricultural Equipment &Vehicile 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Engineering,2017,39(7):802-806.日开发出迄今最透明最薄电位传感器膜㊀㊀大阪大学的一个研究小组,成功开发出了全球最薄㊁透明度最高的电位传感器膜㊂银纳米线的透明电极,因具备金属特性,拥有优异的导电性,而且比较柔韧,已逐渐被公认为是易于提高性能的材料㊂研究小组开发了通过湿式工艺 亲水性/疏水性图案化来实现银纳米线电极微细化的技术,由此实现了同时具备透明性㊁导电性㊁柔韧性和微细图案4个特点的透明电极㊂银纳米线布线采用十字配向结构时,实现了最小20μm 宽(与单个细胞尺寸相同)的图案尺寸㊂银纳米线电极的特性方面,25μm 宽产品的薄膜电阻为25Ω/sq,可见光透射率高达96%㊂这些特性与大面积银纳米线透明电极相当,证明了新开发的微细化方法的有效性㊂(来源:日本科学技术振兴机构)毫米波技术正广泛应用于无人驾驶㊀㊀毫米波雷达指工作在毫米波波段的雷达,是测量被测物体相对距离㊁相对速度㊁方位的高精度传感器,早期被应用于军事领域,随着雷达技术的发展与进步,毫米波雷达传感器开始应用于汽车电子㊁无人机㊁智能交通等多个领域㊂同超声波雷达相比,毫米波雷达具有体积小㊁质量轻和空间分辨率高的特点㊂与红外㊁激光㊁摄像头等光学传感器相比,毫米波雷达穿透雾㊁烟㊁灰尘的能力强,具有全天候全天时的特点㊂另外,毫米波雷达的抗干扰能力也优于其他车载传感器㊂由于毫米波在大气中衰减弱,所以可以实现更远距离的探测与感知,其中远距离雷达可以实现超过200m 的感知与探测㊂目前各个国家对车载毫米波雷达分配的频段各有不同,但主要集中在24GHz 和77GHz㊂频段在24GHz 左右的毫米波雷达检测距离有限,因此常用于检测近处的障碍物,常被用来实现的功能有盲点检测㊁变道辅助等,主要为换道决策提供感知信息㊂而性能良好的77GHz 雷达的最大检测距离可以达到160m 以上,因此常被安装在前保险杠上,正对汽车的行驶方向㊂长距离毫米波雷达能够用于实现紧急制动㊁高速公路跟车等功能;同时也能满足自动驾驶领域,对障碍物距离㊁速度和角度的测量需求㊂(来源‘科技日报“)。
汽车钢板弹簧柔性体建模与仿真研究宋桂霞【摘要】为了建立钢板弹簧的动力学分析模型,研究其在整车动力学分析方面的应用,利用HyperWorks建立板簧的有限元模型,并计算板簧的刚度.刚度模拟值与试验值能较好地吻合,验证了生成的板簧有限元模型和计算方法的正确性.在HyperWorks中通过定义模态综合法卡片CMSMETH和超单元边界自由度卡片的方法,生成板簧的模态中性文件.在ADAMS/CAR中导入板簧模态中性文件,并建立刚柔耦合的整车多体动力学模型.通过对整车模型进行平顺性脉冲输入仿真,并与试验结果对比,分析利用此方法建立的柔性体板簧在动力学方面的应用.由结果可知,建立的板簧能很好地反映动态特性,可用于整车仿真分析.【期刊名称】《农业装备与车辆工程》【年(卷),期】2011(000)006【总页数】4页(P18-21)【关键词】钢板弹簧;HyperWorks;模态中性文件法;ADAMS【作者】宋桂霞【作者单位】上海汽车商用车技术中心,上海,200438【正文语种】中文【中图分类】U463.330 引言钢板弹簧是汽车悬架系统中常用的弹性元件,尤其是在当前商用车悬架系统中,板簧承载式的悬架是商用车悬架系统中的典型代表。
与其他弹性元件相比,其结构简单,维修方便。
当纵向布置在汽车上时,除了作为弹性元件之外,还可以兼起导向和传递侧向、纵向力和力矩的作用。
由于钢板弹簧存在着大变形、接触、摩擦等诸多非线性因素的影响,其建模难度较大。
以往在研究其动特性时,多忽略其非线性因素,采用简化的线性化模型进行分析,一般将其简化成一个普通的弹簧,认为其变形与外力是线性关系。
根据钢板弹簧的结构和受载特点可知,这种简化是近似的,不精确的。
而且采用这种简化方法建立的整车多体动力学模型,只能反映真实汽车的模型特征,而不是全部[1]。
如何建立钢板弹簧的多体动力学仿真模型,准确反映板簧在运动状态下的受力和变形,以及对车辆性能的影响,一直是板簧特性研究的难点。
客车空气悬架刚度计算公式引言。
客车空气悬架是一种通过空气压缩来调节车辆悬架刚度的技术,它可以根据路况和载重情况自动调节悬架的硬度,提高乘坐舒适性和稳定性。
在设计和调试客车空气悬架系统时,需要对悬架的刚度进行计算和分析,以确保其满足车辆的性能要求。
本文将介绍客车空气悬架刚度的计算公式及其应用。
客车空气悬架刚度的重要性。
客车空气悬架的刚度对车辆的悬架性能有着重要的影响。
合适的悬架刚度可以提高车辆的稳定性和操控性,减小车身的倾斜和颠簸感,提高乘坐舒适性。
此外,合适的悬架刚度还可以减小车辆在行驶过程中的振动和颠簸,延长车辆和悬架系统的使用寿命。
因此,客车空气悬架刚度的计算和调试是非常重要的。
客车空气悬架刚度的计算公式。
客车空气悬架刚度的计算公式可以通过以下步骤得出:第一步,确定悬架系统的参数。
首先,需要确定客车空气悬架系统的参数,包括空气弹簧的气压、气囊的体积和形状、悬架系统的几何结构等。
这些参数将直接影响悬架系统的刚度。
第二步,计算空气弹簧的刚度。
空气弹簧的刚度可以通过以下公式进行计算:K = P / Δ。
其中,K为空气弹簧的刚度,P为空气弹簧的气压,Δ为空气弹簧的变形量。
通过这个公式可以得到空气弹簧的刚度,从而确定悬架系统的刚度。
第三步,计算气囊的刚度。
气囊的刚度可以通过以下公式进行计算:K = P / Δ。
其中,K为气囊的刚度,P为气囊的气压,Δ为气囊的变形量。
通过这个公式可以得到气囊的刚度,从而确定悬架系统的刚度。
第四步,计算悬架系统的总刚度。
悬架系统的总刚度可以通过以下公式进行计算:K_total = K1 + K2 + ... + Kn。
其中,K_total为悬架系统的总刚度,K1、K2、...、Kn分别为悬架系统中各个部件的刚度。
将各个部件的刚度相加即可得到悬架系统的总刚度。
应用实例。
以某客车空气悬架系统为例,其空气弹簧的气压为0.6MPa,气囊的气压为0.5MPa,空气弹簧的变形量为10mm,气囊的变形量为8mm。
ADAMS柔性体-刚柔耦合模块一、ADAMS柔性体理论1、ADAMS研究体系:a)刚体多体系统(低速运动)b)柔性多体系统(考虑弹性变形,大轻薄,高速)c)刚柔耦合多体系统(根据各个构件情况考虑,常用普遍仿真类型)大部分仿真分析都采用的是刚性构件,在受到力的作用不会产生变形,现实中把大部分构件当做刚性体处理是可以满足要求的,因为各个零件之间的弹性变形对于机构各部分的动态特性影响微乎其微。
但是需要考虑构件变形,变形会影响精度结果,需要对构件其应力大小和分布以及载荷输出研究的时候,以及薄壁构件,高精密仪器部件等,则需要当做柔性体对待,这样计算结果会准确一些。
对于柔性体机构,变形对动态影响起着决定性作用,刚柔耦合系统约束的添加必须考虑各个零部件之间的连接和受力关系,更可能还原实际工况,从而使模型更真实还原。
2、柔性体柔性体是由模态构成的,要得到柔性体就需要计算构件的模态。
柔性体最重要的假设就是仅考虑了相对于连体坐标系得晓得线性变形,而连体坐标系同时也在做大的非线性运动。
对于柔性体变形,模态中性文件必然存在某一些模态不响应,没有参与变形或者变性太大,参与系数非常小,比如前六阶或者不正常的阶数,如果去掉贡献较小的模态阶数,便可以提高仿真的效率。
…………3、模态谈到柔性体,就必然脱不了模态的概念,构件的模态是构件自身的一个物理属性,一个构件一旦制造出来,他的模态就是自身的一种属性,再将几何模型离散成有限元模型以后,有限元模型的各个节点有一定的自由度,这样所有的节点自由度的和就构成了有限元模型的自由度,一个有限元模型有多少自由度,它就有多少阶模态。
由于构件各个节点的实际位移是模态的按一定比例的线性叠加,这个比例就是一个系数,通常成为模态参与因子,参与因子越大,对应的模态对于构件变形的贡献量越多,因此对构件的振动分析,可以从构件的模态参与因子大小来分析,如果构建在振动时,某阶模态的参与因子大,可以通过改进设计,抑制改接模态对振动贡献量,可以明显降低构件的振动。
基于MATLAB的汽车悬架仿真研究汽车悬架系统是车辆重要的组成部分之一,对于车辆的操控性能和乘坐舒适性有着重要的影响。
因此,研究和优化汽车悬架系统是提高车辆性能和安全性的重要途径之一、本文将基于MATLAB平台,进行汽车悬架系统的仿真研究。
首先,我们需要建立一个适合于汽车悬架系统仿真的数学模型,用于描述悬架系统的动力学特性。
一般情况下,我们可以将汽车悬架系统简化为质点模型,即将悬架系统抽象为质点在垂直方向上的运动。
然后,可以采用多体动力学的方法,建立基于质点模型的数学方程。
基于质点模型的数学方程可以使用MATLAB进行求解。
首先,需要定义汽车悬架系统的参数,包括悬架刚度、阻尼系数、质量以及悬架系统的几何参数等。
然后,可以通过MATLAB中的ODE45函数来求解悬架系统的动力学方程。
ODE45函数是一种常用的求解常微分方程组的数值方法,可以计算出质点的运动轨迹和关键参数,如振动频率、振幅等。
通过悬架系统的仿真研究,我们可以得到一些有关于汽车悬架系统性能的重要信息。
例如,可以分析质点在不同路面条件下的运动特性,进而评估悬架系统对激励的响应能力和减震效果。
同时,也可以研究不同悬架参数对悬架系统性能的影响,例如刚度、阻尼系数、质量等。
通过调整悬架参数,可以优化悬架系统的性能。
此外,也可以进行不同悬架系统的对比研究。
例如,可以对比传统悬架系统和主动悬架系统的性能差异。
主动悬架系统可以根据路况调整悬架刚度和阻尼系数,以提供更好的悬架系统性能。
通过与传统悬架系统的对比研究,可以评估主动悬架系统的优势和应用前景。
总的来说,基于MATLAB的汽车悬架仿真研究可以提供有关汽车悬架系统性能和优化方案的重要信息。
通过这些仿真研究,可以提高汽车悬架系统的性能和安全性,提升车辆的乘坐舒适性和操控性能。
除此之外,可以应用这些研究成果,为汽车悬架系统的设计和优化提供理论和方法支持。
橡胶衬套刚度对悬架运动特性的影响分析摘要:论文通过ADAMS/insight分析了橡胶衬套对定位参数的灵敏度问题,为有针对性的设计衬套和悬架提供了依据。
关键词:橡胶衬套;悬架;ADAMS/insight在现代汽车的悬架导向机构连接处越来越多的使用了橡胶衬套,并且导向机构本身也采用了柔性较大的弹性体,大量研究表明,由这些构件形成的悬架系统综合力学特性对汽车的行驶平顺性、操纵稳定性、制动性等均有显著影响。
因此很有必要研究橡胶衬套刚度对悬架弹性运动学规律的影响[1]。
1 灵敏度函数为有效对悬架性能进行分析,需研究悬架系统函数对设计变量的敏感度。
参数灵敏度是系统的参数变化对系统动态性能的影响程度[1][2][3]。
若系统函数可导,在连续系统中其一阶灵敏度系统函数可表示为:(1)式中:—系统函数;—设计变量,;n—设计变量个数。
2 橡胶衬套参数和灵敏度分析在悬架结构尺寸、轮胎参数确定的条件下,橡胶衬套刚度的变化直接导致车轮定位参数的波动[4]。
论文中试验件为控制臂和橡胶衬套总成4个,分别为前摆臂、后摆臂、上摆臂和纵臂,表4.1给出了各个橡胶衬套的外形尺寸和连接对象,表4.2列出了1~7#橡胶衬套各方向的刚度值。
以试验测得的悬架模型中橡胶衬套1~7#六个方向的刚度为设计变量,通过ADAMS/insight来研究它们对车轮定位参数的影响。
为了方便起见,在灵敏度分析时,我们用衬套刚度的比例因子来代替设计变量。
此处所谓的比例因子,就是把原衬套的刚度值看作“1”,衬套刚度值变化后变为原来的r倍。
各设计变量的灵敏度分析结果,如图1所示。
(a)外倾角影响因素(b) 前束角影响因素图1 灵敏度分析结果图1是衬套对悬架定位参数灵敏度分析结果,其中Effect指的是某处坐标值变化引起的某参数的变化与该参数原值的比值,在这个过程中其他因素认为取其平均值。
Effect的值能很好的表现坐标值在扰动时引起的特性参数变化的情况。
从图1可以看出,7#、1#、5#衬套对外倾角、前束的影响较大。
关于汽车悬架刚度对平顺性的影响及作用随着汽车产业的迅速发展和汽车的普及,人们对汽车质量的要求不断提高,在选购汽车时,在保障安全的基础上,汽车行驶的平顺性也成为影响购买行为的重要影响因素。
通过大量的实验研究发现,汽车的平顺性和其悬架刚度具有一定的联系。
为了探讨汽车悬架刚度对平顺性的具体影响,选择合适的悬架刚度,提高平顺性,本文首先分析了影响平顺性的相关因素,然后建立了动力学模型对二者之间的关联性进行了虚拟仿真实验,并得出了具体的结论。
标签:汽车悬架刚度;平顺性;影响;作用0 引言目前,汽车的普及极大地带动了相关的学术研究,对汽车平顺性的研究并不是一个新鲜的研究课题。
而且,随着虚拟实验和随机路面等科学技术的进步以及研究方式的改良,使得汽车平顺性研究的操作性增加,相关软件及其模块的应用,也简化了研究的流程,更加快捷直接。
本文以某型号小汽车为例,在ADAMS/Car 模块的基础上建立了汽车的整体仿真模型,通过保持其他影响因素不变的基础上,改变汽车悬架的刚度来获取不同刚度下的平顺性仿真曲线,经过对比和计算之后,得出该车型平顺性的最佳悬架刚度。
1 影响汽车平顺性的相关因素总结国内外已有的研究成果可知,行驶路面的平整度、驾驶速度、悬架刚度的阻力参数、悬架刚度、车身总重量、轮胎的激励参数和振动系统等因素都会对汽车的平顺性产生影响。
在上述多种因素的影响下,导致对平顺性的评价方式多样化。
本文主要选择加权加速度均方根值方法作为评价方法,这也是应用范围较广的一种评价方式。
这种方法的具体方法为:将X(横坐标方向)、Y(纵坐标方向)和Z(垂直方向)上的加速度进行加权计算,其计算公式为:2 建立动力学模型(1)前后悬架模型本次研究采用麦弗逊式的独立前悬架。
同时,后悬架采用多连杆独立悬架。
(2)轮胎模型汽车的平顺性会受到轮胎类型以及轮胎和地面阻力的很大影响,所以我们在利用ADAMS/Car动力学软件对平顺性进行仿真实验时,主要选择的是其中自带的耐久型轮胎模型,并不是操纵性的轮胎。
悬架系统设计计算报告一、引言悬架系统作为汽车底盘的重要组成部分,对车辆的行驶稳定性、乘坐舒适性和操控性能等方面有着重要影响。
因此,在汽车设计和制造过程中,悬架系统的设计十分关键。
本报告将介绍悬架系统设计过程中的计算方法和依据,并对其进行详细说明。
二、悬架系统设计计算方法1.载荷计算:首先需要计算车辆在不同行驶条件下的载荷。
通过分析车辆的使用环境和客户需求,确定悬架系统的额定载荷。
然后,根据车辆自重、乘员重量、行李重量、荷载等因素,计算出车辆的总载荷。
2.载荷分配计算:在计算悬架系统的载荷分配时,需要考虑车辆的静态和动态载荷。
静载荷主要指车辆停靠时的重力,而动载荷主要指车辆行驶过程中因加速度、制动力和路面不平均性等引起的载荷。
通过对车辆不同部位的载荷进行测量和分析,确定每个车轮的载荷。
3.悬架系统刚度计算:悬架系统的刚度对车辆的操控性和乘坐舒适性有着直接影响。
悬架系统的刚度可以分为纵向刚度、横向刚度和垂向刚度等。
在设计悬架系统的过程中,需要根据车辆的使用环境和性能需求,计算悬架系统的刚度。
4.悬架系统减振器计算:悬架系统的减振器的设计和选型是悬架系统设计的重要环节。
减振器可以减少车辆在行驶过程中的震动,提高乘坐舒适性和行驶稳定性。
根据悬架系统的刚度和载荷等因素,计算减振器的选择和设计参数。
5.悬架系统运动学计算:悬架系统的运动学计算是为了确定悬架系统在不同行驶状态下的主要参数,以便进行悬架系统的设计和调整。
通过对车辆的几何尺寸、运动学参数和悬架结构的分析和计算,确定悬架系统的工作范围和参数。
三、计算依据在悬架系统设计计算中,需要依据以下相关标准和原则进行设计:2.汽车悬架系统设计手册:根据汽车制造商提供的相关手册和技术资料,对悬架系统设计进行指导和计算。
3.数学和工程力学原理:在悬架系统设计计算过程中,需要运用数学和工程力学的相关原理和方法,如力学平衡、弹性力学、振动理论等,进行悬架系统的计算。
4.仿真和试验数据:通过对悬架系统的仿真分析和试验测试,获取悬架系统的相关参数和性能数据,为悬架系统的设计计算提供依据。
第32卷第6期2009年6月
合肥工业大学学报(自然科学版)
JOURNAL0FHEFEIUNIVERSITYOFTECHNOIX)GYV01.32No.6
Jun.2009
基于ADAMS的刚柔耦合汽车悬架性能分析高立新1’2,胡延平1,吴红艳1(1.合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009;2.奇瑞汽车公司,安徽芜湖241009)
摘要:文章介绍了在ADAMS软件中建立柔性体的方法;建立了刚柔耦合的汽车麦式独立前悬架与双连杆独立后悬架系统模型;对悬架系统进行运动学分析,并通过仿真结果与实测数据的比较,证明j,刚柔耦合悬架模型比阿4体悬架模型更为准确。关键词:汽车;悬架;AD舢vIS;刚柔耦合中图分类号:U463.331文献标识码:A文章编号:1003—5060(2009}06—0814—04
Characteristicanalysisofrigid—flexible
couplingsuspensionbasedonADAMSsoftware
GAOLi—xinl~,HUYan-pin91,WUHong-yanl
(1.SchoolofMachineryandAutomobileEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009。China;2.CheryAutomobileCoal-pany,Wuhu241009,China)
Abstract:ThepaperintroduceshowtobuildaflexiblebodyinADAMSsoftwarefirstly.Thenthe
modelsofrigid——flexiblecouplingMacPhersonindependentfrontsuspensionanddouble-linkindepend_‘
entrearsuspensionsystemsare
built.Kinematicsanalysisofthesuspensionsystemsiscarriedout.By
meansofanalyzingandcomparingthesimulationresultsandtestdata,itisclearlyshownthatthe
rig-
id-flexiblecouplingsuspensionmodelismoreexactthantherigidsuspensionmodel.
Keywords:automobile;suspension;ADAMS;rigid—flexiblecoupling
0引言近年来,随着多体动力学的诞生和发展,汽车建模方法出现了新的改变。目前多刚体系统的建模理论已经相当成熟,而在多柔体系统建模方面,尽管许多学者做了大量的研究,但仍有~螳问题未能得到有效解决[1]。国内外在刚柔耦合建模方面的研究主要集中在航天器、车辆等复杂机械系统上。多体系统既存在构件大范围的刚体运动,又存在弹性变形,因而多柔体系统动力学与多刚体系统动力学分析及结构有限元分析均有密切关系[2]。严格来说,实际工程问题大多属于柔性多体动力学问题,为使问题易于求解,往往将其简化为多刚体动力学问题或结构动力学问题来处理。随着柔性多体动力学的发展,基于相关理论的许多大型通用分析软件(如ADAMS,D√蟠等)的出现,为复杂机械系统动力学分析提供了可靠的手段。本文利用ADAMS软件建立某轿车前后悬架的刚柔耦合模型,进行运动学分析,并将该模型与刚体模型的仿真结果与实测数据进行比较。
1刚柔耦合建模基本理论刚柔耦合模型建模的依据是多柔体理论嘶]。
1.1柔性体系统坐标系柔性体系统中的坐标包括两部分,惯性坐标系(∥)和动坐标(矿),如图1所示。前者不随时间变化,后者建立在柔性体卜,用于描述柔性体的运动。动坐标可以相对惯性坐标进行有限的移动和转动。动坐标系在惯性坐标系中的坐标(移动、转
收稿日期:2008—09—02作者简介:高立新(1963一),男,安徽无为人,合肥工业大学博士生,奇瑞汽车公司高级上程师
万方数据第6期高立新,等:基于ADAMS的刚柔耦合汽车悬架性能分析815动)称为参考坐标。图1柔性体上节点坐标1.2柔性体上任意点位置、速度和加速度在分析刚体平面运动时,把复杂的刚体平面运动分解为几种简单的运动。在分析柔性体的运动尤其是小变形的情况下,也可以采用类似的方法。如某柔性体从位置L。运动到位置L2,其运动可以分解为:刚性移动一刚性转动一变形运动。对于柔性体上的任意一点P,其位置向量为:r=ro+A(%+Up)其中,,为P点在惯性坐标系中的向量:,o为浮动坐标系原点在惯性系中的向量;A为方向余弦矩阵;s。为柔性体朱变形时P点在浮动坐标系中的向量;ll,为相对变形向量,U,可以用不同的方法离散化,与讨论平面问题相同。对于点P,该单元的变形采用模态坐标来描述,即:H6一dPpqf其中,%为P满足哩兹基向量要求的假没变形模态矩阵;qy为变形的广义坐标。2刚柔耦合模型建立2.1在ADAMS中建立柔性体在ADAMS中建立柔性体主要有2种方法:一种是利崩ADAMS的自动柔性化功能将已有刚性体模型转换成柔性体;另一种是使用有限元分析软件生成模态中性文件,然后在ADAMS中读人该文件。ADAMS提供2种自动柔性件生成方法。对于外形简单的构件,可以采用直接生成柔性件的方法,即拉伸模式;对于外形复杂的构件,可以采用先建刚性件,再进行网格划分的模式,即构件网格模式。ADAMS可以使用任何有限元模型作为√崎
AMS/Flex中的柔性体,如ABAQUS、MSC/NASTRAN、ANSYS、I-DEAS等有限元分析软件生成的模型。ANSYS可以直接生成MNF(模态中性文件),而不会产生任何中问数据文件。在ADAMS中导入模态中性文件以后,将刚体柔化。在选择柔化方法时,要根据刚体的结构和形状来确定。如果所要柔化的刚体结构简单,形状规则,可利用第一种方法,即自动柔化法;反之,则选用第二种方法,即引入模态中性文件法。2.2建立刚柔耦合前后悬架模型本文前悬架为麦式独立悬架。在悬架实际运动过程中,由于作用在车轮上各方向力和力矩是经过悬架系统各弹性元件和上下摆臂等传递到车架或承载式车身上,在这些力和力矩的作用下,悬架构件将发生变形,所以将2个下摆臂进行柔化[5|。因其结构比较简单,利用ADAMS/Au—toflex模块即可将其柔化,生成2个柔性体下摆臂,如图2所示。
弋y图2柔性体下摆臂对左右下摆臂进行模态分析。前6阶为刚体模态,频率近似为0Hz,从第7阶开始分析,其结果见表1所列。
表1左、右下摆臂模态分析Hz
将柔化后的下摆臂与前悬架中其他部分连接后,得到刚柔梢合的前悬架模型,如图3所示。本文的研究对象是双连杆式独立后悬架[6]。该悬架与麦式独立悬架的区别是:下摆臂是由2根杆件组合起来,以控制车轮的位置变化。双连杆式悬架能使车轮绕着与汽车纵轴线成一定角度的轴线内摆动,是横臂式和纵臂式悬架的折衷方案。适当选择摆臂轴线与汽车纵轴线所成的夹角,可不同程度地获得横臂式和纵臂式悬架的优点,以满足不同的使用性能要求。考虑到在车辆运动过程中,后悬架左右2个连杆变形较大,故将其柔化。对前面和后面2个
万方数据816合肥工业大学学报(自然科学版)第32卷连杆的模态分析结果见表2所列。将柔化后的两杆与后悬架中的其他部件连接,组成刚柔耦合的后悬架模型如图4所示E7,8]。图3刚柔耦合前悬架模型表2前、后杆模态分析结果Hz图4刚柔耦合后悬架模型3仿真结果分析3.1前悬架仿真结果悬架的运动学仿真可以确定定位参数随车轮上下跳动的变化特性。本文采用给车轮以剞§图5主销后倾角变化曲线40ITIITI幅度的正弦激励。3.1.1主销后倾角主销后倾角对操纵稳定性的影响是通过“后倾拖距”(主销轴线上下支点在车身纵向平面内的距离)使地面侧向力对轮胎产生一个回正力矩。该力矩产生一个与侧偏角相似的附加转向角,它与侧向力成正比,使汽车处于不足转向,有利于改善汽车的稳定转向性。“后倾拖距”一般是在车轮
高速运动时起回正作用。3种情况下的主销后倾角变化曲线如图5所示。从图5可看出,多剐体时主销后倾角平均值为1.4801。;刚柔耦合时主销后倾角平均值为1.4793。;测试时主销后倾角平均值为1.4768。。
由此可知,刚柔耦合时,主销后倾角更接近于测试数据。3.1.2主销内倾角主销内倾角具有使车轮自动回正的作用,还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少,从而可减少转向时驾驶员加在转向盘上的力,使转向操纵轻便,同时可减少从转向轮传到转向盘上的冲击力。3种情况下主销内倾角变化曲线如图6所示。从图6可看出,多刚体与刚柔耦合时的主销内倾角基本一致,都与测试数据有一点误差。3.1.3前轮外倾角前轮有一定的外倾角,以防止车轮内倾。前轮外倾角可使轮胎磨损均匀和减轻轮毂外轴承的负荷,提高前轮工作的安全性和操纵轻便性,也使车轮可以与拱形路面相适应。前轮外倾角变化曲线如图7所示。从图7可以看出,多刚体时前轮外倾角平均值为0.13180;
刚柔耦合时前轮外倾角平均值为0.124。;测试时前轮外倾角的平均值为0.114。。由此可看出,刚柔耦合模型更为精确。
tfs图6主销内倾角变化曲线3.1.4前轮前束角前轮前束可以消除车轮外倾引起的边滚边滑10C0接0娶0畚-0.O图7前轮外倾角变化曲线
的现象,减少轮胎的磨损。前轮前束的变化可以改变车辆的转向特性。
万方数据