基于ADAMSCar的汽车悬架系统_动力学建模与仿真分析毕业设计

毕业设计（论文）

题 目： 基于ADAMS/Car的汽车悬架系统

动力学建模与仿真分析

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期：

使用授权说明

本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名： 日 期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名： 日期： 年 月 日

导师签名： 日期： 年 月 日

指导教师评阅书

指导教师评价： 一、撰写（设计）过程 1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所选等级前的□内画“√”） 指导教师： （签名） 单位： （盖章） 年 月 日

评阅教师评阅书

评阅教师评价： 一、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所选等级前的□内画“√”） 评阅教师： （签名） 单位： （盖章） 年 月 日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价： 一、答辩过程 1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、学生答辩过程中的精神状态 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 评定成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所选等级前的□内画“√”） 教研室主任（或答辩小组组长）： （签名） 年 月 日 教学系意见： 系主任： （签名） 年 月 日

********大学毕业设计（论文）任务书

姓 名： 院 （系）： 专 业： 班 号： 任务起至日期： 毕业设计（论文）题目： 基于ADAMS/Car汽车悬架系统动力学建模与仿真分析 立题的目的和意义： 汽车悬架是车架（或车身）与车轴（或车轮）之间的弹性联结装置的统称。悬架结构形式和性能参数的选择合理与否，直接对汽车行驶平顺性、操纵稳定性和舒适性有很大的影响。ADAMS／CAR是MDI公司与Audi、BMW、Renault和Volvo等公司合作开发的整车设计软件包，集成了他们在汽车设计、开发方面的专家经验，能够帮助工程师快速建造高精度的整车虚拟样机。 学生通过学习研究，可以 在以下几个方面得到锻炼： 1）对所学相关专业课程知识进行复习总结； 2）能了解悬架建模方法，掌握ADAMS/Car软件使用； 3）通过系统的毕业设计训练，可以使学生将本科期间所学知识进行系统化； 4）对计算机应用技术有所提高。 技术要求与主要内容： 技术要求： 1）查询与本毕业设计相关的资料； 2）对查询到的资料进行整理，分析； 3）严格按照《哈尔滨工业大学本科生毕业论文撰写规范》撰写毕业论文。 主要内容： 1）研究悬架系统动力学分析与仿真的目的和意义； 2）针对某种悬架进行动力学建模与仿真； 3）对建立的模型进行优化分析。

进度安排：第四周 送交老师审阅开题报告，并进行修改完善。 第五周 收集查阅资料，设计研究的具体步骤； 第六周 初步列出提纲，并送交老师审阅，听取老师的指导； 第七—十周 整理资料，开始论文的研究内容； 第十一周 初步写出论文初稿，并按要求规范修改完善论文； 第十二周 送交指导老师初审，并按要求修改； 第十三周以后 听从老师学校的安排。 同组设计者及分工： 自己完成 指导教师签字___________________ 年 月 日 教研室主任意见： 教研室主任签字___________________ 年 月 日

摘 要

20世纪80年代以来，国内、国际汽车市场的竞争变得空前激烈，用户对汽车安全性、行驶平顺性、操纵稳定性的要求越来越高。汽车悬架系统是影响车辆动态特性最为关键的子系统之一。对汽车悬架系统的设计及悬架系统对整车性能的影响的研究具有重要意义。

本文利用ADAMS建立汽车悬架虚拟样机模型，对悬架运动学特性进行了仿真分析，并研究了悬架系统参数对悬架的影响。为汽车悬架系统及整车系统开发设计提供了一种现代化手段和方法。研究内容主要包括；运用多体动力学理论和软件，对悬架系统进行了刚性条件和弹性条件下的虚拟样机仿真，分析研究悬架系统各个参数的影响。主要分析了车轮外倾角和车轮前束角、主销内倾角、主销后倾角对车辆行驶过程中对操纵稳定性、轮胎的磨损等的作用以及车轮各定位角。并逐步分析和评价了车轮外倾角和车轮前束角、主销内倾角、主销后倾角的参数变化范围。最后输出两次仿真的叠加图进行比较与评价，得出不同约束对悬架系统的影响。

基于整车行驶平顺性，从理论上分析悬架系统车轮定位参数对整个悬架系统的影响。

关键词：ADAMS ；动力学；仿真；悬架系统

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Abstract

Since 1980s, the competition of national and international automobile markets has become drastic unprecedented, and user’s demand for safety，handling stability and ride comfort is becoming stronger and stronger. Automobile suspension system is one of the most pivotal subsystem that affecting vehicle’s dynamic performances. The research has great significance to the design of automobile suspension system and the study of suspension system on the performance of vehicle.

This paper established vehicle virtual prototyping suspension by ADAMS，processed simulation analyses and framework optimal analyses，based on which the paper constructed suspension virtual prototyping dynamic model. Automotive suspension systems and vehicle system development and design provide a modern means and methods. The study includes; the use of multi-body dynamics theory and software, on the suspension system of rigid and flexible under conditions of virtual prototype simulation, analysis of various parameters of suspension system. Mainly analyzes the wheel camber and toe angle, kingpin angle, caster angle of the vehicles during the course of handling and stability, tire wear, and the role of orientation angle of each wheel. Then gradually analysis and evaluation of the wheel camber and toe angle, kingpin angle, caster angle range of parameters. Superposition of the final output of the two simulation comparison and evaluation plan, to have different constraints on the suspension system.

Based on the vehicle ride comfort performances，analyzes the relationship between suspension system and the wheel alignment parameters of the suspension system. Key words: ADAMS, dynamics, simulation, suspension system

II

目录

摘 要 ....................................................................................................................... I Abstract .................................................................................................................. II 目录 ........................................................................................................................ III 第1章 绪 论 ........................................................................................................ 1 1.1课题来源及研究的目的和意义 .................................................................... 1 1.2 国内外在该方向的研究现状及分析 ............................................................ 1 1.2.1 国外研究现状 ........................................................................................ 1 1.2.2 国内研究现状 ........................................................................................ 1 1.2.3 国内外研究现状分析 ............................................................................ 3 1.3主要研究内容 ................................................................................................ 3 第2章 悬架系统动力学仿真理论 ........................................................................ 4 2.1 悬架系统仿真概述 ........................................................................................ 4 2.2悬架仿真软件概述 ........................................................................................ 4 2.3多体系统动力学理论基础 ............................................................................ 5 2.4多体系统动力学建模与求解过程 ................................................................ 7 2.5本章小结 ........................................................................................................ 8 第3章 基于ADAMS/CAR悬架系统建模 ......................................................... 9 3.1 ADAMS/CAR软件概述 ................................................................................. 9 3.2ADAMS/CAR建模仿真基础 ...................................................................... 10 3.2.1ADAMS/CAR基础理论 ....................................................................... 10 3.2.2 ADAMS/Car建模基本步骤和方法 ..................................................... 10 3.3基于ADAMS/CAR汽车悬架系统建模 .................................................... 13 3.3.1麦弗逊式前悬架建模实例 ........................................................... 13 3.3.2虚拟样机模型的建立 ........................................................................... 15 3.3.3悬架模型自由度分析 ........................................................................... 17 3.4本章小结 ...................................................................................................... 18 第4章 基于ADAMS/CAR的动力学仿真分析 ............................................... 19

III

4.1 麦弗逊前悬架系统仿真分析 ...................................................................... 19 4.2 车轮同向激振仿真 ...................................................................................... 19 4.3车轮弹塑性运动仿真 .................................................................................. 22 4.4仿真分析比较 .............................................................................................. 24 4.5本章小结 ...................................................................................................... 26 结 论 .................................................................................................................... 28 参考文献 ................................................................................................................ 30 致 谢 .................................................................................................................... 32

IV

第1章 绪 论

1.1课题来源及研究的目的和意义

汽车悬架是车架（或车身）与车轴（或车轮）之间的弹性联结装置的统称。悬架结构形式和性能参数的选择合理与否，直接对汽车行驶平顺性、操纵稳定性和舒适性有很大的影响。ADAMS/Car是MDI公司与Audi、BMW、Renault和Volvo等公司合作开发的整车设计软件包，集成了他们在汽车设计、开发方面的专家经验，能够帮助工程师快速建造高精度的整车虚拟样机[1]。

利用ADAMS软件，用户可以快速、方便地创建完全参数化的机械系统几何模型。既可以是在ADMAS软件中直接建造的几何模型，也可以是从其它CAD软件中传过来的造型逼真的几何模型。然后，在几何模型上施加力、力矩和运动激振。最后执行一组与实际状况十分接近的运动仿真测试，所得的测试结果就是机械系统工作过程的实际运动情况。过去需要几星期、甚至几个月才能完成的建造和测试物理样机的工作，现在利用ADAMS软件仅需几个小时就可以完成，并能在物理样机建造前，就可以知道各种设计方案的样机是如何工作的[2]。

1.2 国内外在该方向的研究现状及分析

1.2.1 国外研究现状

国外汽车动力学的研究经历了由试验研究到理论研究，由开环研究到闭环研究的发展过程。早在80年代初，就有许多通用的软件可以对汽车系统进行分析计算，而且还有各种针对汽车某一类问题的专用多体软件。研究的范围从局部结构到整车系统，涉及汽车系统动力学的方方面面。80年代中期是多体系统动力学在汽车工程上应用发展最快的时期。国外各主要汽车厂家和研究机构在其ＣＡＤ系统中安装了多体系统动力学分析软件，并与有限元、模态分析、优化设计等软件一起构成一个有机的整体，在汽车设计开发中发挥了重要作用。目前市场上占有率最高的是美国MDI公司开发的ADAMS，其在汽车行业中的使用率为43%，该软件在为客户提供通用平台时，还专门提供了用于车辆分析的专门模块（ADAMS/Car），使用起来非常方便[3]。

1.2.2 国内研究现状

国内汽车动力学的研究分析和计算的工作起步较晚。七十年代初，长春汽车

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研究所和清华大学同时发展了汽车动力学的研究。研究工作集中在平顺性、操纵稳定性性能指标的评价方法、试验方法及操纵稳定性力学模型的建立、模型的计算方法、性能预测方法和优化设计方法等。首次分析了汽车悬置以上结构弹性体的一阶扭转振动对摆振性能的影响。

19年，吉林工业大学的林逸利用R-W方法，建立了对汽车悬架中的单横臂及摆柱式悬架进行空间运动分析的通用计算程序[4]。

1991年，第二汽车制造厂的上宫文斌等人，采用自然坐标的概念，利用虚功原理建立汽车转向系统和悬架运动学分析方法。

1992年，清华大学的张海岑采用多刚体动力学中的牛顿．欧拉方法，建立了汽车列车七十四个自由度的非线形数学模型，其中包括多种轮胎模型、悬架系统模型、转向系统模型及带有比例阀、防抱死装置及考虑制动热衰退的制动系统模型，深入研究了汽车列车操纵稳定性和制动性[5]。

1997年，清华大学的张今越采用多体系统动力学的理论方法，应用机械系统分析软件ADAMS，进行了汽车前后悬架系统和整车动力学性能仿真及优化研究，分析了汽车中柔性元素（橡胶减振元件）对动力学性能的影响。

武汉理工大学的鲍卫宁利用 ADAMS/View软件，建立了麦弗逊式悬架的某轿车前悬架的多体动力学模型，并对车轮跳动和转向时，悬架的各种参数的变化进行分析[6]。

合肥工业大学的王其东博士，进行了不同形式的动力学方程所描述的多体系统响应的灵敏度分析，推导了相应的公式，建立了汽车主要总成的多体动力学模型，并整合整车的多体模型，建立了道路输入模型，进行整车的动力学仿真。提出了基于动力学仿真的汽车悬架CAD的思路，针对具体车型，进行了钢板弹簧的结构改进设计，将改进后的钢板弹簧装车进行了平顺性和操纵稳定性试验。并将遗传算法的神经网络自适应模糊控制策略应用到汽车半主动悬架的控制中。

上海交通大学的赵亦希、黄宏成、刘奋以S型轿车前悬架系统为实例，利用ADAMS/Car模块，进行双轮反向激振动力学仿真，仿真结果是各种侧倾特性参数，对照轿车标准系数，对S型轿车侧倾的情况有一个全面了解，为设计和优化悬架系统提供了实用高效的方法[7]。

江苏大学的汤靖、高翔、陆丹以多体系统动力学理论为基础，应用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS/Car专业模块建立某皮卡车麦弗逊式前悬架多体系统模型，并采用ADAMS/Insight模块进行性能分析，找出磨损严重的原因，同时进一步进行悬架布置优化设计，最终得出优化的悬架布置方案，较好地解决了轮胎磨损的问题。

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合肥工业大学的乔明侠针对江淮汽车股份有限公司的瑞风商务车，利用多体动力学分析软件ADAMS建立了包括车身、前后悬架、转向系统、轮胎、人与椅等系统在内的整车多体模型。开发了随机路面生成软件和平顺性评价程序。实现了悬架偏频的仿真测量和不同等级路面、不同车速下随机路面输入的平顺性仿真。

吉林大学的乐升彬以某车的前双横臂悬架为研究对象，采用该车的实际结构参数，运用ADAMS/Car软件建立了该车的前悬架子系统、转向系子系统组成的悬架系统模型，应用该模型对该车前悬架模型进行了运动学、动力学仿真分析，得出了其车轮外倾角、前轮前束角、主销后倾角等前轮定位参数、悬架刚度、侧倾刚度、侧倾中心等参数在前轮左右轮心上下跳动时的变化规律。并且利用前人的经验对这些特性曲线进行分析，发现原悬架存在不合理的地方，并针对存在的问题提出相应的解决方案[8]。

1.2.3 国内外研究现状分析

ADAMS软件的成功应用使虚拟样机技术脱颖而出。基于ADAMS的虚拟样机技术，可把悬架视为是由多个相互联结、彼此能够相对运动的多体运动系统，其运动学及动力学仿真比以往通常用几个自由度的质量——阻尼刚体（振动）数学模型计算描述更加真实反映悬架特性及其对汽车行驶动力学影响，也比图解法更为直接。在传统悬架系统设计、试验、试制过程中必须边试验边改进，从设计到试制、试验、定型，产品开发成本较高，周期长。运用虚拟样机技术，可以大大简化悬架系统设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统及性能，获得最优和创新的设计产品。

1.3主要研究内容

本课题的主要任务是基于ADAMS/Car模块悬架的建模，然后进行悬架的优化和运动学仿真分析，最后输出仿真分析的结果。

（1）关于汽车悬架动力学仿真的基本概述； （2）基于ADAMS/Car模块进行悬架的建模； （3）具体的动力学分析和仿真； （4）输出优化后的仿真结果。

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第2章 悬架系统动力学仿真理论

2.1 悬架系统仿真概述

汽车悬架的设计是一个十分复杂的系统工程，它涉及到运动学、动力学、振动等许多方面的知识，需要综合考虑车辆的操纵稳定性、舒适性等多方面的要求，同时还要满足车辆空间布置的要求。这就对悬架设计人员提出了很高的要求。而在一个车型的设计过程中，人们往往只关注看得到的部分，例如汽车的车身和内饰等，而对看不见的悬架投入的精力就比较少。这又要求悬架设计人员在尽可能短的时间内，以尽可能少的花费设计出好的悬架。

另外为了使系统开发出来的悬架系统解决方案能够在实现快速开发的前提下具有较高的水准，有必要借鉴现有的成功车型的经验。在借鉴成功经验的基础上，针对具体车型初步给出系统解决方案，然后对之加以分析、改进和优化，检验其是否能够达到设计所追求的指标，最后经过反复修改得到最佳方案，从而达到根据设计要求向用户提出设计参考和建议的目的[9]。

2.2悬架仿真软件概述

国际各大汽车公司都着力开发了具有自身特色的悬架快速开发系统。 目前国内外工程仿真软件层出不穷，但各仿真软件都有其各自应用的范围，应用的仿真软件主要有：

（1） PAMCRASCH软件 PAMCRASCH软件是法国ESI公司的碰撞模拟有限元仿真分析软件的程序包。它提供了强大的有限元前后处理程序和算法优良的解题器，目前以被各大汽车制造商广泛采用作为碰撞模型有限元仿真的专用平台。

（2） DADS软件 比利时LMS的DADS支持机械系统的快速装配、分析和优化，并提供了功能虚拟样机技术功能，可以为物理样机试验提供设计的装配特性、功能特性和可靠性的预测与校验分析。在建模方面，提供的建模元素包括丰富的运动副库、力库、约束库、控制元件库、液压元件库、轮胎接口等。在分析方面，提供了装配分析、运动学分析、正向动力学分析、逆向动力学分析、静平衡分析、预载荷分析等6种分析功能。

（3） MATLAB软件 MATLAB由美国MATHWORKS开发，MATLAB是当今国际上科学界（尤其是自动控制领域）最具影响力、也是最有活力的软件。它起源于矩阵运算，并己经发展成一种高度集成的计算机语言。它提供了强大的

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科算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的与其他程序和语言接口的功能。

（4） EASYS软件 EASYS是一个以图形为基础的软件工具，用于模拟和设计具有微分和代数方程特征的动态系统。波音公司在七十年代初期首先发展了这种软件，但只作为一个内部软件。八十年代商品化以来，EASYS首先渗透到航空市场，现在己应用于汽车和其它多个工业领域。

（5） ADAMS软件 ADAMS （Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）软件，是由美国机械动力公司（Mechanical Dynamics Inc.）开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学分析软件。在当今动力学分析软件市场上ADAMS独占鳌头，拥有70%的市场份额，ADAMS拥有Windows版和Unix两个版本，目前最高版本为ADAMS2007。

ADAMS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朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学仿真，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件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[10]。

ADAMS软件用户可以快速、方便地创建完全参数化的机械系统几何模型。既可以是在ADMAS软件中直接建造的几何模型，也可以是从其它CAD软件中传过来的造型逼真的几何模型。然后，在几何模型上施加力、力矩和运动激励。最后执行一组与实际状况十分接近的运动仿真测试，所得的测试结果就是机械系统工作过程的实际运动情况。

通过上述对比分析可知，ADAMS软件在建模与仿真分析等很多其他方面都强大的优势。

2.3多体系统动力学理论基础

多体系统动力学，包括多刚体系统和多柔体系统动力学，是研究多体系统运动规律的学科。这种多体系统一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成。多体系统动力学是在经典力学与计算机相结合的基础上发展起来的，在发展过程中，结合了运动生物力学、航天器控制、机器人学、车辆设计、机械动力学等学科，成为一门具有广泛用途的新兴力学分支。

多刚体系统动力学主要解决多个刚体组成的系统动力学的问题。多刚体系统动力学的主要研究方法有：

（1）牛顿——欧拉方程法：对作为隔离体的单个刚体列写牛顿一欧拉方程时，

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铰约束力的出现使未知变量的数目明显增多，故即使直接采用牛顿——欧拉方法，也必须加以发展，制定出便于计算机识别的刚体联系情况和铰约束形式的程式化方法，并致力于自动消除铰的约束能力。德国学者Schiehlen在这方面做了大量工作。其特点是在列写出系统的牛顿—欧拉方程后，将不的笛卡尔广义坐标变换成变量，对完整约束系统用Alembert原理消除约束反力，对非完整约束系统用Jourdain原理消除约束反力，最后得到与系统自由度数目相同的动力学方程，希林等人编制了符号推导的计算机程序NEWEUL。

（2）拉格朗日法：由于多刚体系统的复杂性，在建立系统的动力学方程时，采用系立的拉格朗日坐标非常困难，而采用不的笛卡尔广义坐标则比较方便，对于具有多余坐标的完整或非完整约束系统，用带乘子的拉格朗日方程处理是十分规格化的方法。导出的以笛卡尔广义坐标为变量的动力学方程是与广义坐标数目相同的带乘子的微分方程，还需要补充广义坐标的代数约束方程才能封闭。1973年，美国Michigan大学等人应用吉尔的刚性积分算法并采用稀疏矩阵技术提高了计算效率，编制了ADAMS程序；1977年，Edward Haug等人研究了广义坐标分类、奇异值分解等算法，编制了DADS程序。由此后来逐步形成了两大著名多体动力学仿真软件—机械系统动力学仿真软件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）和动力学分析和设计系统软件。

（3）图论（R-W）方法：R.E.Roberson和J.wittenburg创造性的将图论引人多刚体系统动力学，利用其中的一些基本概念和数学工具成功地描述了系统内各刚体之间的联系状况，即系统的结构。RW方法以十分优美的风格处理了树结构的多刚体系统。对于非树系统，则必须利用铰切割或刚体分割方法转变成树系统处理。R-W方法以相邻刚体之间的相对位移作广义坐标，对复杂的树结构动力学关系给出了统一的数学模式，并据此推导了系统的运动微分方程，相应的程序有MESAVERDE 。

（4）凯恩方法：R-W方法提出了解决多刚体系统动力学统一公式,而凯恩方法提供了分析复杂机械系统动力学性能的统一方法，并没有给出一个适合于任意多刚体系统的普遍形式的动力学方程，广义速度的选择也需要一定的经验和技巧，这是它的缺点，但这种方法不用动力学函数，无需求导计算，只需进行矢量点积、叉积等计算，节省时间。

（5）变分方法是经典力学的重要部分。如果说在经典力学中，变分原理只是对力学现象的抽象概括，则在计算技术飞速发展的今天，变分方法己成为可以不必建动力学方程而直接借助数值计算寻求运动规律的有效方法。变分方法主要用于工业机器人动力学，它有利于结合控制系统的优化进行综合分析。由于变分方

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法不受铰的约束数目的影响，因此尤其适用于带多个闭环的复杂系统。Gauss最小约束原理是变分方法的基本原理，利用优化理论求泛函的极值直接得到系统的运动状况。这种方法的优点是可以避免求解微分方程组，并可以与最优控制理论结合起来[11]。

多刚体系统动力学理论有很多优点：

（1）适用对象广泛。由于多刚体系统动力学由计算机按程式化方法自动建模和分析，并且只要输入少量信息就可对多种结构及多种连接方式的系统进行计算，因此其通用性非常强，同一程式可对各类复杂系统进行分析。

（2）可计算大位移运动。多刚体系统动力学的公式推导是建立在有限位移基础上的，因此既可做力学系统微幅振动的分析，又可做系统大位移运动分析，这更符合系统实际运动状况，并且给研究非线性问题带来了很大方便，能够使计算结果更符合实际。

（3）模型精度高。研究汽车动力学的困难之一就是建立准确的动力学方程，模型越复杂，困难越大，有时甚至是无法实现的。而多刚体系统动力学的数学模型可由计算机自动生成，不必考虑推导公式的难易程度，所以不但适用于较简单的平面模型，而且更适用于复杂的三维空间模型。对悬架动力学而言，可将垂直方向、前后水平方向及横向的动力学分析统一在同一个模型中，把悬架对汽车平顺性、制动性、操纵稳定性的影响综合起来研究。

柔体系统不同于多刚体系统，它包含有柔性部分，其变形不可忽略，其逆运动学是不确定的。它与结构力学不同，部件在自身变形运动同时，空间中经历着较大的刚性移动和转动，刚性运动和变形运动相互影响、强烈结合;与一般系统不同，它是一个高度结合、高度非线性的复杂系统[12]。

2.4多体系统动力学建模与求解过程

一个机械系统，从初始的几何模型，到动力学模型的建立，经过对模型的数值求解，最后得到分析结果。

计算多体系统动力学分析的整个流程，主要包括建模和求解两个阶段。建模分为物理建模和数学建模，物理建模是指由几何模型建立物理模型，数学建模是指从物理模型生成数学模型。几何模型可以由动力学分析系统几何造型模块所构造，或者从通用几何造型软件导入。对几何模型施加运动学约束、驱动约束、力元和外力或外力矩等物理模型要素，形成表达系统力学特性的物理模型。物理建模过程中，有时候需要根据运动学约束和初始位置条件对几何模型进行装配。由物理模型，采用笛卡尔坐标或拉格朗日坐标建模方法，应用自动建模技术，组装

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系统运动方程中的各系数矩阵，得到系统数学模型。对系统数学模型，根据情况应用求解器中的运动学、动力学、静平衡或逆向动力学分析算法，迭代求解，得到所需的分析结果。联系设计目标，对求解结果再进行分析，从而反馈到物理建模过程，或者几何模型的选择，如此反反复复，直到得到最优的设计结果。

2.5本章小结

本章将论文研究所涉及到的理论做了较系统的阐述。根据论文需要重点介绍了悬架系统动力学仿真软件的种类和各仿真软件的主要优势，针对本论文采用的ADAMS软件进行了详细的讲解，阐述了其发展历程、主要功能和主要优势特点。另外对悬架系统涉及的多刚体系统动力学理论进行了简要的概述，介绍了多体系统动力学的一般研究方法，包括：牛顿——欧拉方程法、拉格朗日法、图论方法、凯恩方法变分方法等，以及各种方法的优劣势。最后简扼介绍了多体动力学建模与求解的一般过程。

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第3章 基于ADAMS/Car悬架系统建模

3.1 ADAMS/Car软件概述

ADAMS即机械系统动力学自动分析，该软件是美国MDI公司开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。ADAMS是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学仿真分析软件。用户使用ADAMS软件，可以自动生成包括机电一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计、到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。ADAMS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。ADAMS软件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。

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具有通用、精确的仿真功能，方便、友好的用户界面和强大的图形显示能力，这使得许多著名大公司都采用它来完成产品辅助设计、研究开发、质量鉴定等重要工作。国外一些著名大学也都开始了介绍ADAMS软件的课程，而将三维CAD软件，有限元分析软件和虚拟样机软件作为机械类专业学生所必须了解的工具软件。由此可见，ADAMS软件具有强大的功能和影响力[13]。其概括起来主要有以下特点.

（1）在多个通用求解器的基础上，提供丰富的样本库、专用模块。特别是为汽车研发专用人员提供的专用模块，例如:ADAMS/Car提供汽车动力学分析模块，ADAMS/Aril提供人体模型，ADAMS/TIRE提供多种轮胎模型，ADAMS/ Vehicle提供悬架模型，ADAMS/Engine提供发动机模块，ADAMS/ Adraulic提供液压传动系统建模模块，ADAMS/chassis提供底盘模块等，极大地方便了汽车设计阶段的建模与汽车动态仿真分析工作。

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（2）开放的软件环境为研发人员集成CAD/CAMCAE软件、开发用户专用模块提供了方便。实现了CAD/ CAE/CACE设计的一体化。

（3）根据工程实际应用，提供功能齐全的工程分析和优化设计功能。基于ADAMS/CAR的悬架系统对操纵稳定性影响的仿真试验研究

（4）提供了实体动画显示功能与运动干涉检查。

3.2ADAMS/Car建模仿真基础

3.2.1ADAMS/Car基础理论

ADAMS/Car是MDI公司与Audi，BMW， Renault和Volvo等公司合作开发的整车设计软件包，集成了他们在汽车设计，开发方面的专家经验，能够帮助工程师快速建造高精度的整车虚拟样机，其中包括车身、悬架、传动机构、发动机、转向机构、制动系统等，工程师可以通过高速动画直观地再现在各种试验工况下（例如：天气、道路状况、驾驶员经验）整车的动力学响应，并输出标志操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性的特征参数，从而减少对物理样机的依赖，而仿真时间只是物理试验样机的几分之一[14]。

建立仿真模型是将汽车系统作一定程度的简化，使之以数学模型的形式来体现。对模型作适当的简化，也有利于提高计算速度和抓住问题的本质。本章利用ADAMS/Car建立前悬架系统模型，并最终进行仿真分析。

在建立多体模型时，坐标系的选择对所建模型的复杂程度及方程求解的难易程度起到很大的作用。本文在建模时采用ISO坐标制。以整车前悬架总成的参考系为坐标，即坐标原点为前轮轮心连线的中点，X轴指向汽车行驶的正前方，Y轴指向汽车的左侧，Z轴垂直指向上方[15]。

3.2.2 ADAMS/Car建模基本步骤和方法

在ADAMS/Car下用户有两种工作模式：专家（expert）和标准用户（standard user）。专家用户可以创建和修改模板，即可以使用创建模板的工具 （Template builder）。标准用户只能基于现有模板进行建模型和仿真国。在ADAMS/Car里模型由3级组成：模板（Template）、子系统（Subsystem）和总成 （Assembly），他们之间的关系如图3-1。

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属性文件 属性文件 前悬架模板 转向系统模属性文件 板 子系统文件 子系统文件 试验台  悬架系统  整车  自定义 „ 装 配 图3-1模板、子系统、属性文件、试验台之间的关系

（1）模板 ADAMS/Car的一个主要特点就是基于模板。模板定义了车辆模型的拓扑结构。例如，对于前悬架模板，它定义了前悬架包含的刚体数目、刚体之间的连接方式（球铰还是转动铰或其他）以及与其他总成交换信息的方式。前两者没有区别，而最后一部分则是基于模板的产品特有的。例如，前悬架总成在装配到整车模型时，需要和转向系以及车身相连接，这些交换的信息可以保证它们被正确的装配到一起。

（2）子系统子系统是基于模板创建的，也可以认为它是特殊的模板，即对模板的某些特性做了调整。例如，对于悬架可以是硬点的位置以及弹簧和阻尼的特性文件。

（3）总成 一系列的子系统加上一个试验台 （Testing）就构成了整车或者悬架总成。Testing的作用是给模型施加激励。ADAMS/Car里主参考系是OXYZ，原点位于两前轮轮心连线的中点，X轴正方向与汽车行驶方向相反，Y轴正方向指

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向汽车右侧，Z轴正方向垂直向上，遵守右手法则。

ADAMS/Car建模的原理相对比较简单，模型原理与实际的汽车系统相一致。考虑到汽车基本上为一纵向对称系统，软件模块己预先对建模过程进行了处理，设计人员只需要建立左边或右边的l/2模型，系统将会根据对称性自动生成另一半，当然也可以建立非对称模型。在建立分析总成模型的过程中，ADAMS/Car的建模顺序自下而上。首先建立模板文件，然后有模板文件生成子系统文件，最后将子系统与测试台）装配在一起形成总成（Assembly）分析系统模型。模板是用来定义各部件之间的拓扑连接关系的，它的建立是整个建模过程中最重要的环节，分析总成的绝大部分建模工作都是在模板阶段完成的。模板建立好以后，接下来是生成子系统。在子系统里，用户只能对以前创建的零部件进行部分数据的修改。最后是总成模型的组建。

悬架模板的建模步骤如下：

（1）创建硬点和方向点。硬点和方向点是模型的基本单元。创建硬点只需要输入相应的位置坐标，而创建方向点除了输入相应的位置坐标外，还得输入相应的方位坐标。

（2）创建部件。利用已经创建好的硬点和方向点建立部件（part），在创建部件之后，可以给新的部件添加几何。

（3）创建部件之间的连接。即在部件之间添加约束、弹簧、阻尼和力元（如力和力矩）等。

（4）创建悬架特性参数。即定义主销轴线和输入车轮前束角与车轮外倾角。ADAMS/Car中有两种计算主销轴线的方法，分别是几何方法和瞬时轴线法，当转向主销的上下端点可以确定时，选用几何方法比较简单。

（5）建立悬架模板与其它模板或测试台之间进行数据交换的输入、输出通讯器，以便各个子系统之间进行正确的连接。通讯器是用来进行数据传递信息的，这些信息包括：拓扑结构、位置、方位和连接、数组和参数。正确建立各个子系统之间的连接关系至关重要，这些连接关系数据在以后的子系统和总成系统阶段无法修改，而零部件的位置和特征参数在后续过程中还可进行调整。

零部件可以做成刚体，也可做成柔体。零部件之间可以通过约束副接，也可以通过橡胶衬套、弹簧和阻尼来连接。二者的区别在于约束副是刚性连接的，不允许过约束的运动，它是在运动学分析时采用的；橡胶衬套属于柔性连接，允许部件之间过约束运动，在弹性运动学分析时采用。不考虑弹性橡胶衬套时为运动

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学分析模型，考虑弹性橡胶衬套时为弹性运动学分析模型。模板建立以后，接下来是由模板生成子系统。在子系统中，用户只能对以前创建的零部件进行部分数据的修改，如调整硬点位置、部件质量和转动惯量、弹簧和阻尼及轮胎的属性等。建立仿真分析模型的最后一步是建立分析总成系统。在这一阶段，用户可根据实际需要，将不同的子系统组装在一起形成完整的分析总成模型。如悬架总成可包括悬架子系统、转向子系统、横向或纵向稳定杆子系统和测试台。在进行悬架总成分析之前，还可调整轮胎半径和径向刚度及相关的整车数据，如簧载质量、簧载质量质心高度和轴距等。

3.3基于ADAMS/Car汽车悬架系统建模

3.3.1麦弗逊式前悬架建模实例

麦弗逊式悬架属于悬架，一般用于轿车的前桥。简单地说，麦弗逊悬架的主要结构即是由螺旋弹簧、减振器及下控制臂组成，减振器可以避免螺旋弹簧受力时向前、后、左、右偏移的现象，弹簧只能按照特定方向作振动，并可以用减振器的行程长短及松紧，来设定悬架的软硬及性能。麦弗逊式悬架系统与其它悬架系统相比，具有结构简单、紧凑、占用空间少、性能优越等特点。该悬架还具有较为合理的运动特性，能够保证整车性能要求。因此麦弗逊式悬架在前置前驱的轿车和微型汽车上有着广泛的应用。虽然麦弗逊悬架在行车舒适性上的表现令人满意，其结构体积不大，可有效扩大车内乘坐空间，但也由于其构造为直筒式，对左右方向的冲击缺乏阻挡力，抗刹车点头作用较差[16]。

麦弗逊式悬架系统的特点是:为了保证系统合理地受力，延长减振器的寿命并满足使用性能要求，在布置上采用主销中心线、减振器中心线以及弹簧中心线不共线的形式。这一布置形式决定了其运动规律与其它的悬架系统的不同。一般地，在其它悬架系统结构中，对应于不同的车轮跳动位置，各点至主销中心的距离不变。而在三线不共线的麦弗逊式悬架系统中，对应于不同的车轮跳动位置，各点至主销中心线的距离是变化的。以某轿车的麦弗逊式前悬架为例进行虚拟样机建模和仿真分析，经简化所得到的运动学模型如图3-2所示。

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6 5 4 3 D 43B E 7 8 7 79 C A F 7 2 21 17 图3-2麦弗逊前悬架结构简图

1--下控制臂;2--转向节总成;3--轮轴;4--车轮;5--减振器;6--螺旋弹簧;7--车体;8--转向横拉

杆;9--转向器齿条

该麦弗逊式前悬架主要有下控制臂（单斜臂）、转向节总成、螺旋弹簧、减振器等组成。各刚体之间的连接关系如下：下控制臂一端通过转动副与车体相连，另一端通过球铰与转向节总成下端相连；车轮与轮轴之间用固定铰相连;轮轴与转向节总成之间用转动铰相连；减振器内外筒之间通过移动副相连；减振器外筒与转向节总成之间通过固定铰相连；减振器内筒与车体之间通过球铰相连；螺旋弹簧套在减振器的外筒上，其上端与车体相连，下端固定在减振器外筒上；转向横拉杆一端通过球铰与转向节总成相连，另一端通过万向节与转向器齿条相连;运动分析时，不考虑转向系的影响，转向器齿条与齿条罩之间没有相对运动，相当于齿条固定在车体上。当车轮上下跳动时，转向节总成沿摆动的主销轴线AD转动。因此，该悬架在变形时，主销的定位角和轮距都有些变化。然而，适当地调整导向机构的布置，可以车轮定位参数的变化极小。通过各点的坐标可以求出前轮定位参数如公式3-1至3-4。

前轮前束角：α=arctan（（XB-XC）/（YB-YC）） （3-l） 车轮外倾角：β=arctan（（ZB-ZC）/（YB-YC）） （3-2） 主销后倾角：γ=arctan（（XD-XA）/（ZD-ZA）） （3-3） 主销内倾角：φ=arctan（（YD-YA）/（ZD-ZA）） （3-4） 式中 A—下控制臂与转向节总成连接的球铰中心点；

D—减振器与车体的铰接点；

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B、C—分别是轮轴内外端点。

3.3.2虚拟样机模型的建立

建模所需的有关硬点坐标数据由厂家提供，具体数据如表3-1所示。前轮定位参数为：前轮前束角为0°；车轮外倾角为-0.33°；主销内倾角为12.5°；主销后倾角为4°；前螺旋弹簧的刚度为24.3N/mm，减振器的阻尼力参数如表3-2所示。

表3-1建模硬点坐标

硬点名称 X（mm） Hpl_arm_front Hpl_arm_out Hpl_arm_rear Hpl_spring_lower Hpl_strut_lower Hpl_strut_upper Hpl_tierod_inner Hpl_tierod_outer Hpl_wheel_center -150.0 0 150.0 0.0 0.0 0.0 200.0 150.0 0.0

表3-2 减震器阻尼力参数

活塞速度（m/s） 复原阻力（N） 0.1 0.3 0.6 392 784±123 1225 减震器阻力 压缩阻力（N） 196 353±108 608 硬点坐标 Y（mm） -350.0 -700.0 -350.0 -650.0 -650.0 -600.0 -350.0 -650.0 -800.0 Z（mm） 200.0 200.0 200.0 500.0 450.0 800.0 450.0 450.0 300.0 根据表3-2可以在ADAMS里编制减振器速度——阻尼力特性样条曲线，如图3-3所示。

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图3-3减振器速度特性曲线

根据上述数据，可以得到该麦弗逊式前悬架虚拟样机的模板模型，再在标准模式下由模板模型建立其子系统，最后将悬架子系统和测试台组装在一起得到悬架总成系统虚拟样机模型如图3-4所示。

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图3-4前悬架总成系统模型

3.3.3悬架模型自由度分析

简化后的前悬架总成系统共包括13个活动构件，17个约束副，各约束副的类型和数目如表3-3所示。

表3-3前悬架各约束副类型和数目

约束类型 万向节 移动副 旋转铰 球铰 固定铰 约束副自由度数 4 5 5 3 6 约束副数量 2 2 4 6 3 机械系统的自由度DOF可由下式计算： DOF=6n-npRii1K

（3-5） 17

式中 n——活动构件总数；

Pi，m——第i个运动副的约束条件数，m为运动副总数； Rk——其他约束条件。

因此，该前悬架总成系统的自由度数为:

DOF=6×13－2×4－2×5－4×5－6×3－3×6＝4

即该悬架总成模型有4个自由度，分别是左右车轮的上下跳动和绕主销的转动。

3.4本章小结

本章对ADAMS软件进行了简单的介绍，主要阐述了ADAMS软件建模基础，从一般建模的基本步骤上对如何建模和仿真分析上做了整体的概述。然后通过分析麦弗逊式悬架的结构、前轮前束角、车轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角，基于软件ADAMS/Car模块建立了麦弗逊式子系统，以及所需要的转向系、横向稳定杆等子系统，根据仿真要求装配了仿真模型。最后对本悬架系统进行了自由度分析。

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第4章 基于ADAMS/Car的动力学仿真分析

4.1 麦弗逊前悬架系统仿真分析

ADAMs/Car提供了强大的悬架系统分析功能，可以进行的悬架分析包括:车轮同向运动分析（parallel wheel travel）、车轮弹塑性运动分析（elastic-plastic movement travel）、侧倾和垂直力分析（roll and vertical forces）、单轮运动分析（single wheel travel）、转向分析（steering）、静态分析（static load）、外部文件分析（external file）等试验仿真分析[17]。

本章将对悬架系统进行车轮同向运动分析（parallel wheel travel）和车轮弹塑性运动分析（elastic-plastic movement travel），并对不同的仿真结果进行比较，最终得出结论。

4.2 车轮同向激振仿真

按空载时悬架所承受的簧载质量要求，将测试台架上下激振位移设置为100mm，在-100mm~100mm的常见工况下，进行左右车轮同向上下跳动仿真分析。分析车轮在上下跳动过程中车轮定位参数及其它悬架特性随车轮跳动的变化规律，从而预评估悬架系统的性能。 （1）车轮外倾角

车轮外倾角是指车轮中心平面和道路平面垂直线之间的夹角，是汽车车轮定位的一个重要参数。如果空车时车轮的安装正好垂直于路面，则满载时，车桥将因承载而变形，而可能出现车轮内倾，这样将加速车轮的磨损。另外，路面对车轮的垂自反作用力沿轮毂的轴向分力将使轮毂压向轮毂外端的小轴承，加重了外端小轴承及轮毂紧固螺母的负荷，降低它们的使用寿命。因此安装车轮时预先使车轮有一定的外倾角，使轮胎尽可能垂直于稍许有点拱形的路面滚动，这样轮胎磨损均匀和滚动阻力小，同时也减轻了轮毂外轴承的负荷。但外倾角也不宜过大，因为过大的外倾角会使轮胎产生偏磨损。悬架的缺点在于汽车作曲线行驶时车轮随车身一起倾斜，即车身外侧车轮相对地面向正的外倾角方向变化，从而降低了承载较高一侧的轮胎的侧偏性能，为消除这一影响，轿车的悬架常常设计成车轮上跳时外倾角朝负值方向变化，而在下落时朝正的方向变化[18]。

为防止车轮出现过大的不足转向或过度转向趋势，一般希望车轮在上下跳动50mm的范围内，外倾角的变化在1°以内。该悬架系统虚拟样机模型处于静平衡位置时，外倾角为-0.3333°[19]。图4-1为外倾角随车轮同向跳动变化规律曲线。

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由图可以看出，外倾角的变化范围为-1.37～1.21°。车轮在上下跳动的过程中，外倾角的变化范围比理想值大。

（2）车轮前束角

车轮有了外倾角后，在滚动时，就类似于滚锥，从而导致两侧车轮向外滚开。由于转向横拉杆和车桥的约束使车轮不可能向外滚开，车轮将在地面上出现边滚边滑的现象，从而增加了轮胎的磨损。采用汽车前束，则可使车轮在每一瞬时滚动方向接近于向着正前方。

在车辆行驶过程中，过大的前束角变化，将会影响车辆的直线行驶稳定性，同时增大轮胎与地面间的滚动阻力，加剧轮胎的磨损。所以前束角的设计原则是车轮跳动时，其变化范围越小越好。该悬架系统虚拟样机模型处于静平衡位置时，前束角为0°[20]。图4-2是前轮前束角随车轮跳动行程的变化曲线。前束角的变化范围都为-4.2～0.33°。车轮在上跳过程中，前束角的变化范围比理想值大。

图4-1 同向跳动前轮外倾角变化曲线

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图4-2 同向跳动前轮前束角变化曲线

（3）主销内倾角

在设计转向桥时，主销在汽车的横向平面内向内倾斜一个角称为主销内倾角。主销内倾角有使车轮自动回正的作用，也有利于主销偏距的减小，从而可减少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。

在车轮跳动时，若主销内倾角变化过大，将会使转向沉重，加速轮胎磨损。实际设计时，主销内倾角的大致范围为7～13°。图4-3是主销内倾角随车轮跳动的变化曲线。由图可以得出，主销内倾角的变化范围为7.13～9.72°，变动量比较理想。

图4-3同向跳动主销内倾角变化曲线

（4）主销后倾角

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设计转向桥时，使主销在汽车的纵向平面内有向后的一个倾角，即主销轴线和地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角称为主销后倾角。主销后倾角能形成回正的稳定力矩，同时还有抑止制动时点头的作用。但主销后倾角也不宜过大，否则会造成转向沉重。该悬架系统虚拟样机模型处于静平衡位置时，主销后倾角为 4°[21]。图4-4是主销内倾角随车轮跳动的变化曲线。可以看出，车轮同向跳动时，主销后倾角的变化范围几乎不变，符合变化量小的设计要求。

图4-4同向跳动主销后倾角变化曲线

从上述仿真分析结果可以看出，车轮在同向跳动情况下，车轮外倾角、主销内倾角的变化范围较大，而该悬架的车轮前束角、主销后倾角以及轮距的变化基本上都比较合理。

4.3车轮弹塑性运动仿真

同车轮同向激振仿真一样，按空载时悬架所承受的簧载质量要求，将测试台架上下激振位移设置为100mm，在-100mm~100mm的常见工况下，进行弹塑性仿真分析。将分析模式从运动学切换到顺应态（compliant），用弹性轴套取代刚性约束机构，其他条件和参数不变的情况下，分析车轮在上下跳动过程中车轮定位参数及其它悬架特性随车轮跳动的变化规律，预评估悬架系统的性能。

（1）车轮外倾角

根据输出的仿真结果，可以看到，图4-5为外倾角随车轮同向跳动变化规律曲线。由图可以看出，外倾角的变化范围都为-1.24~1.20°。车轮在跳动的过程中，外倾角的变化范围比理想稍大。

（2）车轮前束角

图4-6是前轮前束角随车轮跳动行程的变化曲线。前束角的变化范围为

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-4.15~0.62。车轮在上跳过程中，前束角的变化范围比理想值大。

图4-5同向跳动前轮外倾角变化曲线

图4-6 同向跳动前轮前束角变化曲线

（3）主销内倾角

图4-7是主销内倾角随车轮跳动的变化曲线。由图可以得出，主销内倾角的变化范围为7.12~10.06°，变动量偏大。

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图4-7同向跳动主销内倾角变化曲线

（4）主销后倾角

图4-8是主销内倾角随车轮跳动的变化曲线。可以看出，车轮同向跳动时，主销后倾角的变化范围为-0.04~0°，符合变化量小的设计要求。

图4-8同向跳动主销后倾角变化曲线

从上述仿真分析结果可以看出，车轮在弹塑性运动的情况下，车轮外倾角、悬架的车轮前束角、主销内倾角的变化范围比较大，主销后倾角的变化基本上在合理范围内。

4.4仿真分析比较

将输出图像进行叠加，生成图像如图4-9至图4-12。

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图4-9同向跳动前轮外倾角变化曲线

图4-10 同向跳动前轮前束角变化曲线

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图4-11同向跳动主销内倾角变化曲线

图4-12 同向跳动主销后倾角变化曲线

两次仿真结果数据比较如表4-1

表4-1 仿真结果比较

仿真条件 前轮外倾角 前轮前束角 主销内倾角 主销外倾角 刚性约束（度） -1.37～1.21 -4.20～0.33 7.13～9.72 0 弹性约束（度） -1.24～1.20 -4.15～0.62 7.12～10.06 -0.04～0 从上述仿真分析结果可以看出，车轮在刚性运动与弹塑性运动情况下的比较。可以看出，弹塑性运动情况下的主销内倾角、车轮前束角、主销后倾角的变化范围较刚性运动情况下的范围都要大。只有车轮外倾角的范围在刚性连接的情况下变化范围比弹性连接情况下小。这说明了弹性连接的轴套在车轮运动过程中会使部分角度变大，但并不会使全部的角度都变大。

4.5本章小结

本章对在ADAMs/Car模块里建立的麦弗逊式前悬架系统虚拟样机模型进行了仿真分析。首先分析了车轮外倾角和车轮前束角、主销内倾角、主销后倾角对车辆行驶过程中对操纵稳定性、轮胎的磨损等的作用以及各角度合理的参数范围。然后分别进行了车轮激振仿真和弹塑性仿真，并逐步分析和评价了在车轮跳动时，车轮外倾角和车轮前束角、主销内倾角、主销后倾角的参数变化范围。最后输出两次仿真的叠加图进行比较与评价，得出了在刚性约束与弹性约束条件下

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对车轮外倾角和车轮前束角、主销内倾角、主销后倾角的影响。

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结 论

近年来，随着人们对行驶平顺性、操纵稳定性、乘坐舒适性等整车性能要求的不断提高，汽车悬架系统及整车系统性能的研究越来越受到人们的重视。而随着计算机技术的高速发展，虚拟样机技术作为一种便捷的研究手段也越来越多的被广大研究者所采用。本文采用ADAMS虚拟样机技术，对汽车悬架系统进行了仿真分析，并对车轮定位参数影响进行了分析。

1.工作总结

本文主要基于ADAMS虚拟样机技术对麦弗逊式前悬架系统的性能及参数影响作了一定的研究，为汽车悬架系统开发设计提供了一种方法。论文的主要内容及成果体现在以下几点：

(1)利用ADAMS/Car模块建立某车的麦弗逊式前悬架的虚拟样机模型，并对悬架结构进行分析。

(2)对该前悬架进行了运动学仿真，分别在不同约束条件下进行了车轮跳动激振仿真。

(3)对仿真结果进行分析，仿真分析结果表明，车轮在两种不同跳动情况下，弹塑性约束下的主销内倾角、车轮前束角、主销后倾角的变化范围较刚性运动情况下的范围都要大。在刚性连接的情况下车轮外倾角的变化范围比弹性连接情况下小。 2.展望

由于时间和能力有限，尚有许多方面有待进一步的研究和探讨。

(l)整车虚拟样机模型的建立。本文只研究了悬架系统的仿真分析，要全面了解整车的性能与参数需要建立整车模型来进行仿真分析。

(2)前悬架侧倾角刚度的对稳态转向特性影响的进一步研究。悬架的侧倾角刚度跟悬架的很多参数有关，本文只研究了不同轴套连接对车轮定位参数的影响，下一步可以研究其他悬架参数对稳态转向特性的影响。

(3)对操纵稳定性进行多方面的研究。测定操纵稳定性基本性能的试验方法有很多种，如转向盘角阶跃输入试验、转向回正性能试验、蛇行试验、转向轻便性试验等仿真研究。

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(4)对整车行驶平顺性的研究。设计的悬架系统，不但要满足整车操纵稳定性的要求，还要满足行驶平顺性的要求。本文只研究了悬架系统轴套连接方式对定位参数的影响，下一步的工作可以研究悬架系统对整车行驶平顺性的影响。

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[15] 蔡章林. 动力学仿真技术在悬架和整车开发中的应用研究[D]. 吉林大学硕士论文，2004：52-62.

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[16]鲍卫宁.基于ADAMS软件的轿车悬架动态模拟与仿真[D]. 吉林大学硕士论文，2002：32-37

[17]王其东.基础多体理论的汽车悬架系统分析、设计与控制研究[D]. 吉林大学硕士论文，2002：12-17

[18]苏小平依维柯汽车多体动力学仿真分析、优化研究及工程实现[D]. 湖南大学硕士论文，2004：12-17

[19]赵亦希，黄宏成，刘奋.悬架侧倾特性参数及动力学仿真.传动技术[J]. 汽车工程，2004，26（3）：59-71.

[20]陆丹，汤靖，王国林.基于ADAMS的麦弗逊前悬架优化设计[J]. 中国制造业信息化，2004，26（2）：24-30.

[21]汤靖，高翔，陆丹.基于ADAM S的某皮卡车麦弗逊悬架优化设计[J]. 传动技术，2004，26（4）：-91.

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致 谢

衷心感谢我的导师对本人的精心指导。

******严谨的治学态度、诲人不倦的精神和对工作和事业饱满的热情不断地教导我、感染我，使我受益匪浅，让我在学业上取得了进步和学术水平的提高。在完成论文的过程中，*老师提出了很多宝贵的意见和建议，从论文的内容安排到论文内容的修改和甄别规范，*老师都倾注了大量的心血。*老师谦逊无私的高尚品质、朴实真诚的做人原则和一丝不苟的敬业精神，对学生是永远的鞭策和激励。

在开题报告和中期报告检查期间，***老师和***老师也对我的论文提出了很多宝贵意见，对我完成论文起到帮助作用，在此向两位老师表示诚挚的谢意！

感谢论文中所引用参考文献的作者，是他们为我提供了研究的素材，拓宽了我研究的视野。感谢本科期间交通学院所有给我学习和生活上教导的老师和朋友们，谢谢他们这样耐心和无私的帮助。

感谢同学们和朋友们的帮助和关心！

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者（本人签名）： 年 月 日

学位论文出版授权书

本人及导师完全同意《中国博士学位论文全文数据库出版章程》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程》(以下简称“章程”)，愿意将本人的学位论文提交“中国学术期刊（光盘版）电子杂志社”在《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》中全文发表和以电子、网络形式公开出版，并同意编入CNKI《中国知识资源总库》，在《中国博硕士学位论文评价数据库》中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益。

论文密级：

□公开 □保密（___年__月至__年__月）(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)

作者签名：_______ 导师签名：_______

_______年_____月_____日 _______年_____月_____日

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独 创 声 明

本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名: 二〇一〇年九月二十日

毕业设计（论文）使用授权声明

本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。

本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。

（保密论文在解密后遵守此规定）

作者签名:

二〇一〇年九月二十日

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致 谢

时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。

首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。

首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。

其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。

另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。

最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。

四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。

回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。

学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。

在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一

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直以来对我的抚养与培育。

最后，我要特别感谢我的导师赵达睿老师、和研究生助教熊伟丽老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。

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