汽车的平顺性

1、 1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求 利用adams建立前后悬架、轮胎等各子系统、构建整车模型，进行平顺性仿真。1. 利用adams/car建立起某轻型乘用车前后悬架等各子系统。2. 构建整车虚拟样机模型，进行模型可行性的验证。3. 进行随机路面平顺性的仿真。4. 进行进行实车道路试验。5. 进行试验结果与仿真结果对比，以验证所建立模型的准确性。6. 绘图及撰写毕业论文。2指定查阅的主要参考文献及说明1 余志生主编.汽车理论（第三版）北京：机械工业出版社，2004.2 王望予主编.汽车设计m.机械工业出版社,2004,8. 3汽车工程手册编辑委员会北京：人民交通出版社，2001.4 范成建

2、，熊光明，周明飞编著.虚拟样机软件msc.adams应用与提高. 北京：机械工业出版社，2006.5 陈立平，张云清，任卫群，等.机械系统动力学分析及adams应用教程.北京：清华大学出版社，2005.6 李军，刑俊文，覃文洁.adams实例教程.北京:北京理工大学出版社，2002.7 石博强，申焱华，宁晓斌，等. adams基础与工程范例教程.北京：中国铁道出版社，2007.8 黄承修. 基于虚拟样机技术的汽车行驶平顺性仿真研究：硕士学位论文.浙江:浙江大学，2006.9 李莉. 基于adams_car的某轿车平顺性仿真分析与改进：硕士学位论文. 吉林:吉林大学，2006.10 沈晓安. 汽

3、车行驶平顺性建模及其仿真研究：硕士学位论文.浙江:浙江工业大学，2005.3进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1收集、学习本课题有关资料2月28日3月14日2建立虚拟样机整车模型3月15日4月4日3进行平顺性仿真及道路试验数据处理4月5日5月9日4完成毕业论文编写，提交毕业设计相关资料5月10日5月23日5毕业设计资料审核、整改及答辩5月24日5月30日 摘要 汽车的平顺性主要是保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内，因此平顺性主要根据乘员主观感觉和舒适性来评价，对于载货汽车还包括保持货物完好的性能，它是现代高速汽车的主要性能之一。第一章 绪 论1.

4、1 本课题的研究背景和意义随着我国高速公路网的大力建设，以及人民生活水平和消费水平的不断提高，汽车已成为人们日常生活中不可或缺的一部分，人们对汽车性能的要求也越来越高。然而，由于汽车是一个包含惯性、弹性、阻尼等动力学特征的非线性系统，零件多、受力复杂，而且构成汽车的各子系统之间存在相互耦合作用，使得汽车的动态特性非常复杂，要想真实描写汽车的动态特性，必须考虑尽可能多的零件运动来获得精确的数学模型，而太复杂的模型又给求解带来了巨大困难，甚至得不到结果。因此，提出一种合理的轿车平顺性研究方法已经显得极为迫切。传统的平顺性研究方法是通过试验或人为地把汽车各个子系统加以简化，抽取出能够代表系统或总成特

5、性的本质因素，建立起较简单的数学、力学模型进行求解，并对求得的结果进行验证。但是在建模过程中，许多总成是通过试验或人为简化的，获得的参数一般都是系统的静态和准静态试验参数，与汽车实际运动状态中的动态参数有一定的误差，所以，要想得到高精度的模型，就要经过反复试验、修改和验证，工作周期较长。因此，如何更好地建立汽车行驶平顺性模型，已成为国内外学者研究汽车平顺性的关键问题。虚拟样机的动力学仿真分析是利用数字化分析方法改变汽车设计参数、试验道路环境等参数，模拟实车道路行驶工况，从而验证或修改设计方案的过程。它可以有效缩短设计周期、降低开发成本、达到提高汽车产品品质的目的。采用虚拟样机技术进行轿车平顺性

6、研究已经逐渐被国外的汽车企业所采用，并取得了良好的效果。本课题以数字样机技术为手段，开展轻型乘用车平顺性仿真技术研究。本文研究成果可促进整车产品使用性能的提升，具有重要的理论意义和实用价值。 1.2 汽车平顺性研究的国内外现状国外对对于汽车平顺性的研究，主要经历了以下四个阶段:第一阶段：在二十世纪三十年代前，主要研究成果是从实际经验中观察和认识到车辆的动力学行为与轮跳现象，认识到乘座舒适性是车辆性能的重要指标。第二阶段：从二十世纪三十年代至1952年，认识到轮胎的侧滑角，开始进行乘座舒适性试验，研制了独立悬架。第三阶段：1952年至八十年代，对轮胎理论建模与试验，应用随机振动理论分析悬架系统响

7、应。在此阶段，国外主要从两方面针对车辆的振动和乘坐舒适性开展研究，一方面从实验的角度研究人体对振动的感受，以解决平顺性评价问题，并于20世纪70年代制定出了国际标准iso 2631-74人体承受全身振动的评价指南，20世纪80年代经修订后推出了iso2631-85。我国在这方面的研究工作起步较晚，20世纪80年代初，长春汽车研究所、清华大学等单位首先采用了iso 2631国际标准进行了汽车道路行驶平顺性的研究；1982年的汽车悬架系统固有频率和相对阻尼系数的测量方法；1985年参照iso 2631制定了gb4970汽车行驶平顺性随机输入试验方法标准，1986年制定了gb5902汽车行驶平顺性脉

8、冲输入试验方法标准，以及近几年的客车平顺性评价指标及限值等，初步构成了我国较为完善的汽车平顺性评价方法体系。第四阶段：进入二十世纪八十年代后，计算机技术和控制理论的发展推动了车辆悬架系统动力学的进一步研究，人们开始应用多刚体系统动力学软件(例如:adams,dads)建立车辆及悬架系统的复杂动力学模型，并通过分析得出了许多有益结论1 2 3。发展至今，已经有一套比较成熟的汽车平顺性研究理论，目前平顺性的研究主要集中在评价方法、模型建立方法、悬架系统结构参数优化、路面激励（路面谱）研究和先进测试方法研究等几个方面。 平顺性评价方法是平顺性研究的一个重组成部分，但迄今为止，虽然人们对平顺性的研究作

9、了大量工作，但还没有一种公认的比较理想的评价方法，现有评价方法大体上可归纳为两种4:主观（感觉）评价和客观（物理量）评价。1978年国际标准化组织（iso）在综合大量有关人体全身振动的研究工作和文献的基础上，订出了国际标准iso2631关于人体承受全身振动的评价指南。标准iso2631的重点是指出人体对振动的反应不仅与振动的强度，而且与振动的频率、方向有关。这样，就把以往只简单地统计汽车本身零件振动响应来进行平顺性评价的方法，发展到“道路车辆人体”系统更加科学的水平上。 国外研究者在汽车平顺性模型建立问题上，所采用的研究方法主要有集中质量法、有限元法和模态分析法。集中质量法将车辆简化成多个刚体

10、进研究，由于模型较简单，模拟速度快，耗费少，在实际研究中应用比较广泛；有限元法是将车辆简化为有限个单元，由于单元较多，比较符合车辆的实际情况，但模型的建立比较复杂，计算费时较长；模态分析法是通过对实车的动态测试，获得系统的频响特性和模态参数的数学模型，这种方法可以为结构的动态优化和修改设计提供依据，但在产品设计的初始阶段不可能采用，它主要用于产品设计5。 在改变车辆的结构参数方面，国外研究者已取得不少成果6。自七十年代后期以来，随着随机振动理论、概率论、电子计算机技术在汽车行业中的普及与应用，以及一些先进测试设备、仪器的开发，汽车平顺性的理论、试验和研究工作有突飞猛进的发展。模态分析方法和模态

11、综合技术、有限元法在分析和计算汽车平顺性工作方面得到广泛的应用，并由此开发许多用于改善汽车平顺性的新产品，如主动悬架、半主动悬架、空气弹簧悬架等。目前国外还出现了一种空气弹簧座椅，这种座椅的固有频率很低，而且几乎保持为定值，不随驾驶员的质量而改变，因此，只要使座椅的固有频率与汽车其他部分的固有频率错开，就可避免发生共振，从而提高了汽车的平顺性。 我国在汽车平顺性工作的研究起步较晚，但自八十年代初期以来，随着人们对平顺性的要求日益提高，我国汽车平顺性的试验研究工作也有了飞速的发展。许多研究所、高校的研究人员付出了许多劳动，开展了大量的基础研究工作，不少研究成果已应用到平顺性的评价与改进工作中，对

12、我国汽车新产品的开发与老产品的改进起了重要作用，大大缩短了我国汽车技术水平在这一领域内与国际先进水平的差距。近年来，有关改进汽车平顺性的研究工作发展迅猛，目前的研究主要集中在：汽车结构动力学模型及平顺性仿真模型的研究，汽车座椅振动特性及其改进的研究，汽车悬架系统结构分析与改进的研究。其中一些研究成果已经应用到产品中，获得了较好的效果5。武汉工学院在1978年提出了汽车九自由度振动模型，并在计算机上模拟了四个车轮在随机输入条件下车身振动加速度响应的预测。长春汽车研究所与吉林工业大学合作进行的十自由度模型计算机模拟工作中，利用了先进的mts电子液压振动台进行了ca141汽车振动参数的动态识别，获得

13、了与实际结果十分吻合的结果。长春汽车研究所在应用模态分析理论进行汽车平顺性分析方面，以及吉林工业大学对大客车平顺性的研究方面都取得了很好的成果7。合肥工业大学的陈黎卿以某皮卡车为研究对象，应用adams软件进行悬架优化设计和控制研究，双横臂独立悬架进行了仿真分析，在此基础上设计了adams软件与c语言的接口文件，实现了基于遗传算法和adams的双横臂独立悬架优化设计；利用adams软件中的控制工具箱设计了基于pid控制的主动悬架系统，仿真结果表明主动悬架系统有效地提高了整车的性能；最后，在对整车数学模型分析的基础上，提出了基于adams和matlab/simulink的主动悬架联合仿真8。南京

14、理工大学的苏小平博士，在整车系统多体动力学模型的基础上，采用模态集成方法和离散化方法分别建立汽车横向稳定杆和板簧的柔性体。对依维柯汽车的操纵稳定性、行驶平顺性、紧急制动性能进行了仿真计算并分析与探讨了对这些性能影响因素的变化规律，结合该车换型时在行驶平顺性上出现的问题，对该车悬架系统进行了优化设计，提出了一种悬架系统特性参数动态优化数学模型和一套基于仿真的悬架系统优化设计方法9。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

15、，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10。座椅是影响汽车平顺性的重要因素，近年来座椅动态特性的研究也引起了学术和工程界的广泛重视。清华大学、长春汽车研究所进行了许多有关座椅传递特性、人椅系统动态参数识别、座椅特性与汽车底盘振动特性的合理匹配等方面的研究。浙江工业大学的潘立基于人椅系统三向振动进行汽车平顺性建模与仿真，华中科技大学的桑璟如利用adams软件成功建立了后悬架为空气悬架样车的整车34自由度动力学模型，对其进行平顺性仿真，并通过试验验证仿真结果。解决了空气悬架结构复杂，空气弹簧、减振器等非线性因素，用传统的建模和求解方法难以准确分析其

16、动力学特性的难题11。 在汽车悬架部件性能与结构的研究工作方面，华南理工大学和中国汽车技术研究中心利用统计线性化方法对汽车两自由度悬架非线性系统进行当量线性化处理，提出了非线性参数的工程估计方法。长春汽车研究所多年来对大客车空气悬架的研究、少片变截面钢板弹簧的研究等方面都已取得一些实用的成果，为新开发汽车产品所采用。一汽集团的新型解放牌载重汽车采用新的悬架技术，使整车平顺性指标超过了许多进口的同类商用汽车水平，获得国内外专家和用户的好评1213。道路是汽车振动的最重要激励源，研究路面不平度的统计规律则是研究汽车振动与平顺性的重要基础。早在七十年代中期，第一汽车制造厂设计处为了建造海南跑道的可靠

17、性石块路，同吉林大学数学系合作开始进行路面不平度的测量，统计分析，并根据实际道路的谱特性用电子计算机模拟方法设计了海南可靠性石块路路面形状，是我国汽车行业中应用数学统计方法的成功例子。与此同时，长春汽车研究所开始了路形计的研制工作，经过多年的努力，研制成功具有国际水平的双迹真实路形计。使用该路形计，进行了大量的实际道路路面不平度的测量与统计分析，获得有关二、三、四级公路及一些特殊道路珍贵的路面谱资料。在此期间，还开发了一些专用计算软件，这部分工作引起国际同行的重视7。1.3 虚拟试验技术在汽车工程中的应用虚拟试验就是在虚拟现实环境中，利用数字化模型代替实物原型，进行产品性能的试验分析。从广义上

18、讲，任何不使用或部分使用实际硬件来构造试验环境，完成实际物理试验的方法和技术都可以称为虚拟试验。虚拟试验可以定义为在虚拟环境中进行的试验。而虚拟试验环境是基于软件工程研制的仿真试验系统，它允许设计者将虚拟原型安装在其上进行“试验”，借助交互式技术和试验分析技术，使设计者在设计阶段就能对产品的运行性能进行评价或体验。虚拟试验就是在计算机系统中采用软件代替部分硬件或全部硬件来建立各种虚拟的试验环境，使试验者可以如同在真实的环境中一样完成各种预定的试验项目，使所取得的试验效果接近或等价于在真实环境中所取得的效果。自20世纪90年代起，一些发达的汽车制造国在汽车产品设计开发领域中广泛采用信息技术、计算

19、机技术、cad/cae/cam/pdm技术、kbe(knowledge based engineering)技术等先进手段，使设计水平大为提高，新车型的开发周期大大降低。以美国为例，在90年代初，轿车新车型的开发周期大约为56年，到90年代末已降为1218个月。具体到悬架设计方面，仿真分析、虚拟设计、反求工程、ai技术等已经获得推广应用。根据国际联机检索可以看出，国外已建立了悬架结构型式和悬架设计参数的知识库和专家系统，不同类型悬架的设计计算方法在国外已较为成熟，并有多项专利。值得一提的是，国外在悬架设计领域中的一些研究成果已经被某些大型的商品化机械系统动力学仿真软件所吸收。例如，由美国著名软

20、件公司mdi与audi、bmw、renault和volvo等汽车公司合作开发的轿车设计软件包adams/car，其中就包括了悬架模块，可以预测悬架系统特性、计算悬架载荷时间历程、进行装配性能研究等，从而有效地协助工程师完成设计任务。这种软件采用虚拟样机技术(virtual prototype technology，即机械系统动态仿真技术)，将强大的大位移、非线性分析求解功能与使用方便的用户界面相结合，是集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件，是世界上目前使用范围最广、最负盛名的机械系统仿真分析软件。使用这套软件可以产生复杂机械系统的虚拟样机，真实地仿真其运动过程，并且可以迅速地分析和比较

21、多种参数方案，直至获得最优化的一种方案，这样可大大减少昂贵的物理样机制造及试验次数，提高产品设计质量，缩短产品研制周期和费用等。随着国外adams等多体软件的引进，近几年国内高校和科研机构利用它们对车辆的悬架系统做了比较深入的研究。主要有：北方车辆研究所cae中心针对履带车辆用adams/atv建立整车模型14，研究了悬挂装置弹簧特性、减振器阻尼特性对车辆振动与冲击动力学的影响，给出了车辆行驶平稳性、冲击响应的动力学分析结果；上海交通大学包继华博士应用多体理论对sgz4032型牵引车建立模型15，并把钢板弹簧处理成多个无质量的timoshenko梁连接的柔性体，模拟钢板弹簧的非线性特性，并仿真

22、了方向盘正弦输入下的整车响应；浙江大学的丁渭平（博士后）提出了开发汽车悬架系统集成技术16，它以工程数据库系统为基础,对悬架系统设计的单元技术进行整合,构建起支持悬架系统自主设计的通用平台,并实现了与pro/engineer的“无缝连接”,还可以通过专用数据接口调用adams虚拟样机功能,从而大大扩展了平台处理能力；华中科技大学的研究人员用adams软件建立了国产轿车的操纵动力学多体仿真模型，详细考虑了前后悬架系统、转向系统以及轮胎，并考虑了各种连接件中的弹性衬套的影响，对整车稳态、瞬态工况进行了动力学仿真；中国农业大学王树凤博士利用adams软件获取的动力学分析数据来驱动虚拟场景中的试验车辆

23、17，同时配合虚拟仪表准确的动态显示了该车的运动状态参数，实现车辆的虚拟试验过程仿真。另外，将adams与大型有限元分析软件msc.nastran结合起来，进行车辆的振动分析已经成为一种新的技术趋势，能为车辆产品开发提供更高精度的计算结果、更深入的分析结论，在产品开发中的作用愈加明显。例如北京福田公司在对adams和msc.nastran深入应用的基础上，结合二者的技术优势，通过对二者的联合应用，对某车进行了各种复杂工况下的前悬架参数匹配对整车振动影响的分析，为车辆开发提供更好了较好的技术支持。总的来说，国内在汽车悬架方面已经通过数字样机技术并通过相关数字化平台开展了较多的工作，但许多工作仅局

24、限于悬架本身的研究，对悬架与整车参数化匹配对整车平顺性的影响研究还不够深入，有待进一步研究。1.4 本课题的研究内容综上所述，随着平顺性研究的深入和计算机技术、虚拟样机技术的不断发展，国外在汽车平顺性研究领域取得了很大进展和大量的研究成果，虽然我国在此领域起步较晚，但仍取得了一定成绩，为以后的研究打下了基础。本课题主要研究内容包括：利用adams建立前后悬架、轮胎等各子系统、构建整车模型，进行平顺性仿真。1. 利用adams/car建立起某轻型乘用车前后悬架等各子系统。2. 构建整车虚拟样机模型，进行模型可行性的验证。3. 进行随机路面平顺性的仿真。4. 进行进行实车道路试验。5. 进行试验结

25、果与仿真结果对比，以验证所建立模型的准确性。第二章 基于adams/car的仿真模型建立2.1 引言 进行虚拟的汽车平顺性试验，首先要建立车辆的动力学模型，仿真模型的正确与否直接影响到仿真的可行性和正确性，因此，本章建立了整车的各子系统模型，并对模型的正确性进行了验证。2.2 adams软件简介2.2.1 理论基础adams软件以笛卡尔坐标和欧拉角参数描述物体的空间位置，以采用吉尔gear的刚性积分解决了稀疏矩阵的求解问题，adams/solver提供多种功能成熟的求解器，可以对所建模型进行运动学、静力学、动力学分析。adams软件的多刚体动力学分析步骤如下18：（1） 自由度的计算机械系统的

26、自由度表示机械系统中各构件相对于地面机架所具有的独立运动数量。机械系统的自由度与构成机械的构件数量、运动副的类型和数量、原动机的类型和数量、以及其他约束条件有关。例如:一个在3维空间自由浮动的刚体有6个自由度:一个圆柱副约束了两个移动和两个转动，共提供了4个约束条件。机械系统的自由度dof和原动机的数量与机械系统的运动特性有着密切的关系，在adams软件中，机构的自由度决定了该机构的分析类型：运动学分析或动力学分析。当 dof0时，对机构进行运动学分析，即仅考虑系统的运动规律，而不考虑产生运动的外力。在运动学分析中，当某些构件的运动状态确定后，其余构件的位移、速度和加速度随时间变化的规律，不是

27、根据牛顿定律来确定的，而是完全由机构内构件间的约束关系来确定，是通过位移的非线性代数方程与速度、加速度的线性代数方程迭代运算解出。当 dof>0时，对机构进行动力学分析，即分析其运动是由于保守力和非保守力的作用而引起的，并要求构件运动不仅满足约束要求，而且要满足给定的运动规律。它又包括静力学分析、准静力学分析和瞬态动力学分析。动力学的运动方程就是机构中运动的拉格朗日乘子微分方程和约束方程组成的方程组。当 dof<0时，属于超静定问题，adams无法解决。（2） 广义坐标的选择动力学方程的求解速度很大程度上取决于广义坐标的选择。研究刚体在惯性空间中的一般运动时，可以用它的连体基的圆点

28、(一般与质心重合)确定位置，用连体基相对惯性基的方向余弦矩阵确定方位。为了解析地描述方位，必须规定一组转动广义坐标表示方向余弦矩阵。第一种方法是用方向余弦矩阵本身的元素作为转动广义坐标，但是变量太多，同时还要附加六个约束方程；第二种方法是用欧拉角或卡尔登角作为转动坐标，它的算法规范，确定是在逆问题中存在奇点，在奇点位置福建竖直计算容易出现困难；第三种方法是用欧拉参数作为转动广义坐标，它的变量不太多，由方向余弦计算欧拉角时不存在奇点。adams软件用刚体i的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标，即：，。由于采用了不独立的广义坐标，系统动力学虽然是最大数量，但是却是高度稀疏耦合的微分代

29、数方程，适用于稀疏矩阵的方法高效求解。（3） 动力学方程的建立adams程序采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程： (2.1)完整约束方程 非完整约束方程 其中：t系统动能； 系统广义坐标列阵； 广义力列阵； 对应于完整约束的拉氏乘子列阵；对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。（4） 动力学方程的求解把(2.1)式写成更一般的形式: (2.2)其中：广义坐标列阵； ，广义速度列阵； 约束反力及作用力列阵；系统动力学微分方程及用户定义的微分方程(如用于控制的微分方程、非完整约束方程)；描述约束的代数方程列阵。如定义系统的状态矢量,式(2.1)可写成单一矩阵方程： (2.3)在进行动力学分析时，adams

30、采用两种算法:a) 提供三种功能强大的变阶、变步长积分求解程序:gstiff积分器、dstiff积分器和bdf积分器来求解稀疏祸合的非线性微分代数方程，这种方法适用于模拟刚性系统(特征值变化范围大的系统)。b) 提供abam积分求解程序，采用坐标分离算法来求解独立坐标的微分方程，这种方法适于模拟特征值经历突变的系统或高频系统。下面介绍微分一代数方程的求解算法:用 gear预估一校正算法可以有效地求解式(2.2)所示的微分代数方程。首先，根据当前时刻的系统状态矢量值，用泰勒级数预估下一时刻系统的状态矢量值: (2.4)其中，时间步长h=tn+1+tn。这种预估算法得到新时刻的系统状态矢量值通常不

31、准确，式(2.2)右边的项不等于零，可以由geark+1阶积分求解程序(或其他向后差分积分程序)老校正。如果预估算法得到的新时刻的系统状态矢量值满足(2.2)，则可以不必进行校正。 (2.5)其中：在时的系数值；gear积分程序的系数值。改写式(2.5)得： (2.6)整理式(2.2)在展开,得： (2.7)adams使用修正得newton-raphson程序求解上面得非线性方程，其迭代校正公式为： (2.8)其中，j表示第j次迭代。， (2.9)由式(2.6)知： (2.10)由式(2.7)知：， (2.11)将式(2.10)和式(2.11)代入式(2.8)，得： (2.12)式(2.12)

32、左边得系数矩阵称系统的雅可比矩阵，其中：系统刚度矩阵；系统阻尼矩阵；系统质量矩阵；通过分解系统雅可比矩阵(为了提高计算效率，adams采用符号方法分解矩阵)求解，计算出, , ,，重复上述迭代校正步骤，直到满足收敛条件，最后是积分误差控制步骤。如果预估值与校正值的差值小于规定的积分误差限，接受该解，进行下一时刻的求解。否则拒绝该解，并减少积分步长，重新进行预估一校正过程。总之，微分一代数方程的求解算法是重复预估、校正、进行误差控制的过程，直到求解时间达到规定的模拟时间。（5） 初始条件分析在进行动力学、静力学分析之前，adams自动进行初始条件分析，以便在初始系统模型中各物体的坐标与各种运动学

33、约束之间达成协调，这样可以保证系统满足所有约束条件。初始条件分析通过求解相应的位置、速度、加速度的目标函数的最小值得到。对初始条件位置分析，定义相应的位置目标函数 （2.13）其中：n系统总的广义坐标数； m系统约束方程数；，分别是约束方程及对应的拉式乘子； 对应的加权系数。如果用户指定的是准确坐标值，取大值；如果用户指定的是近似坐标值，取小值；如果是程序指定的坐标值，则取零值。取最小值，则由，得： i=1,2,3,n; j=1,2,3,m (2.14)对应函数形式：,k=1,2,3,n;i=1,2,3,m (2.15)其中迭代公式为： (2.16)其中；，下标表示第次迭代。对初始速度分析，定

34、义相应的速度目标函数 (2.17)其中：用户设定的准确的或近似的初始速度值或程序设定的缺省速度值；对应的加权系数；速度约束方程；对应速度约束方程的拉氏乘子。取最小值时，则由，得： i=1,2,n;j=1,2,m (2.18)写成矩阵形式为： k=1,2,n;l=1,2,m (2.19)上式是关于，得线性方程，系数矩阵只与位置有关，且非零项已经分解(见式(2.16),因此，可以直接求解，。（6） 对初始加速度、初始拉氏乘子的分析，可直接由系统动力学方程和系统约束方程的两阶导数确定将矩阵形式的系统动力学方程写成分量形式: i=1,2,n;j=1,2,m (2.20)将其写成矩阵形式为: i=1,2

35、,n;j=1,2,m (2.21)上式中的非零项已经分解，见式(2.16)和(2.19)，因此，可以求解。2.2.2 adams模块组成及特点adams软件包括基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块对特定行业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析319。（1） adams/view(用户界面模块)adams/view(用户界面模块)是最基本的核心模块之一。adams/view采用简单的分层方式进行建模，提供了丰富的零件约束库和力库，并且支持布尔运算。仿真结果采用强有力的、形象直观方式描述，并可以将结果形象逼

36、真的输出。cad几何造型可通过iges接口输入adams/view，丰富了adams/view自身的建模功能。另外，adams/view还提供多种位移函数、速度函数、加速度函数、接触函数、样条函数、力和力矩函数、用户子程序函数等多种函数。（2） adams/solver(求解器模块)adams/solver也是adams系列产品的核心模块之一，是adams产品中处于心脏地位的仿真“发动机”。adams/solver能自动形成仿真模型的动力学方程，提供静力学、运动学、动力学的解算结果。该软件模块提供各种建模和求解选项，以便用户根据具体要求精确有效的解决各种工况问题。adams/solver可以对

37、刚体和弹性体进行仿真研究，除了输出力、位移、速度、加速度外，用户还可以输出自定义的数据以便进行有限元分析。（3） adams/postprocessor(后处理模块)该模块用来输出各种数据曲线、动画，还可以进行曲线的编辑和数字的处理。用户可以在该模块里更方便的观察、研究仿真将结果。该模块既可以在adams/view环境下运行也可以独立运行。（4） adams/insight(设计与分析模块)该模块是adams软件的功能扩展模块，它是网页技术的新模块。工程师可以借助该模块将仿真试验置于网页上，实现资源共享，加速决策过程。adams/insight是选装模块既可以在adams/view, adam

38、s/car运行也可以独立运行。adams/insight具有多种功能:可以更快的修改和优化模型，进行模型的参数化分析、找出模型的关键参数和非关键参数等。（5） adams/tire(轮胎模块)adams / tire(轮胎模块)是研究轮胎与道路相互作用的可选模块。该模块更完善地计算侧向力、自动回正力矩及由于路面坑洼等障碍而产生的力，adams/tire可计算轮胎因克服滚动阻力而受到的垂直、纵向和横向载荷，可仿真研究车辆在制动、转向和滑行、滑移等大变形位移下的动力学特性:研究车辆稳定性，计算汽车的偏移、俯冲和侧倾特性;其输出力和加速度数据可作为有限元分析软件包的输入载荷进行相应的应力和疲劳特性研

39、究:计算由于制动力矩和转动力矩产生的反作用力。 此外，还包括hydraulics(液压系统模块)、linear(线性分析模块)、exchange(图形接口模块). controls(控制模块)、flex(柔性体模块)、animation(动画模块)、mechanism/pro(机构分析模块)、driver(驾驶员模块)等模块。 （6） adams/car(轿车模块)adams/car(轿车模块)是adams软件的专业模块之一，是mdi公司与audi、bmw、renault、volvo。等公司合作开发的整车设计软件包。利用该软件模块，工程师可以快捷的建立精确的样机，包括悬架、车身、转向系、轮胎、

40、制动系等。用户可以在各种不同的路面下仿真，分析模型的操纵稳定性，安全性，乘坐舒适性及其它性能参数。其中，专门为汽车专业开发的模块有:轿车模块(adams/car)、悬架设计软件包(suspension design)、概念化悬架模块(csm)、驾驶员模块(adams/driver)、动力传动系统模块(adams/driveline)、轮胎模块(adams/tire)、发动机设计模块(adams/engine)等等。用户只需在模板中输入必要的数据，就可以快速建造包括车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等在内的高精度的整车虚拟样机，并进行仿真，adams在汽车开发中的应用也越来越广泛。

41、2.2.3 adams/car建模简介在adams/car下建立一个典型整车系统的动力学仿真模型，大致可分为以下几个步骤2021:(1) 整车各子系统的分解及运动学、动力学抽象，构建各子系统的拓扑图。(2) 模板是整个模型中最基本的模块，然而模板又是整个建模过程中最重要的部分。在template builder下建立各子系统的template文件，定义子系统之间的communicator，此时只需知道子系统的拓扑结构而无需知道子系统的详细参数。(3) 获取各子系统的几何定位参数、质量特性参数、物理参数和力学参数。(4) 在standard下建立各子系统相应template的subsystem文

42、件，并代入子系统的参数特征。(5) 在standard下建立整车的assembly文件，构建各子系统模型组成整车系统模型。(6) 针对整车研究的不同方面，填写不同工况的仿真文件进行整车平顺性仿真。(7) 仿真计算结果的后处理。2.3 基于adams的整车虚拟样机模型建立2.3.1 各子系统模型的建立（1） 前悬架模型应用adams/car对悬架系统进行建模，模型原理要与实际的系统相一致。考虑到汽车基本上为一纵向对称系统，软件模块已预先对建模过程进行了处理，故只需建立左边或右边的1/2悬架模型，另一半就会自动生成20232425。图2.1 前悬架模型 麦弗逊悬架结构，总成由弹簧、筒式减震器及滑柱

43、、下摆臂、转向节总成（包括减振器下体、轮毂轴）、转向横拉杆、球头销、转向器齿条、车轮总成、车身等刚体部分组成。经结构简化分析，建立前悬架动力学模型子系统如图2.1所示。表2.1 前悬架模型的铰链类型与数目铰链名称铰链约束的自由度约束铰链数量平动转动麦弗逊式固定铰链3310转动铰链324平动铰链232万向节铰链312圆柱铰链223球铰链304等速万向节铰链316平面副121 各部件约束如上图2.1所示，减振器上体用万向节铰与车身相连，转向节总成与减振器上体用圆柱铰约束，相对减振器上半部分可以进行轴向移动和转动；下摆臂一端通过转动铰与车身相连（其中一个为虚约束），可相对车身上下摆动，另一端通过球铰

44、与转向节总成相接；转向横拉杆一端通过球铰与转向节总成相连，另一端通过万向节铰与转向齿条相连；悬架模型的铰链类型与数目如表2.1所示。麦弗逊式前悬架(不含转向系)的约束方程m1为： m1=4x3+4x5+4x3+2x5+6x4+10x6+2x4+3+1=150模型中存在两个gruebler count(相当于两个自由度)，故自由度k1为: k1=25x6+2-150=2a) 前减振器模型的建立减振器是悬架系统的主要阻尼元件，与弹性元件并联安装，车轮与车身间的相对振动，主要是通过减振器衰减的，即由于悬架匹配了适当的阻尼车身的自由振动被迅速衰减，车身的强迫振动会受到抑制。在adams/car中建立减

45、振器模型，首先建立一个用户自定义的减振器文件，然后利用属性对话框进行修改，也可以直接在速度一力曲线上直接拖改，也可以通过参数列表进行准确的定义，最终自动进行拟合得到满意的非线性曲线，图2.2为前减振器特性曲线。图2.2 前减振器特性曲线b) 前弹簧模型的建立在adams软件里首先建立一个用户自定义的弹簧特性文件，然后利用属性对话框进行修改，也可以直接在力行程变化曲线上直接拖改，也可以通过参数列表进行准确的定义26，最终自动进行拟合得到前悬架弹力随压缩、拉伸行程变化曲线如图2.3。图2.3 前悬架弹簧刚度特性曲线(2) 横向稳定杆模型横向稳定杆常用来提高悬架的侧倾角刚度或是调整前后悬架侧倾角刚度

46、的比值作为刚体模型时，横向稳定杆被分为左右对称的两段，并在稳定杆的中间对称剖分面位置以扭转弹簧相连。横向稳定杆采用两根断开轴中间通过转动铰连接，并在转动铰链上施加扭转力进行简化建模，其扭转力为27: (2.22)其中: : 横向稳定杆扭转刚度 :转动铰链运动角度 :初始扭转角度建立的横向稳定杆模型如图2.4所示：图2.4 横向稳定杆模型（3） 动力系统及转向系统模型本文采用car模板自带的动力系统简化模型，对其参数进行修改得到所要建立的发动机模型，如图2.5所示。图2.5 动力系统模型该车采用的是齿轮齿条式转向系。它主要包括方向盘、转向轴、转向管柱、转向传动轴、横拉杆、齿轮齿条转向器等。建立的

47、转向系统如图2.6所示。图2.6 转向系统模型建模分析中必须考虑的一个重要参数是转向系传动比。转向系的传动比包括力传动比；和角传动比，它直接影响车辆的机动性和操纵轻便性。转向系力传动比指的是从轮胎接触地面中心作用在两个转向轮上的合力2与作用在转向盘上的手力之比；转向系角传动比指转向盘转角和驾驶员同侧的转向轮转角之比。计算公式如下2.23： (2.23)式中：转向阻力矩；转向盘的力矩；转向盘的半径；主销偏移距，指从转向节主销轴线的延长线与支承平面的交点至车轮中心平面与支承平面的交线的距离；转向器角传动比，等于方向盘转角增量必与转向摇臂的相应增量之比；转向传动装置角传动比，等于摇臂轴转角增量；与同

48、侧转向节转角增量之比。（4） 车身及底盘模型为了使问题简便与直观，把不包括发动机的整个车架和车身作为一个刚体来考虑。整个刚体的质量集中在质心位置，具体位置由整车参数确定。修改刚体质量和转动惯量为簧载质量和转动惯量以定义与各子系统之间正确的连接关系。如图2.7所示。图2.7 车身及底盘模型（5） 后悬架模型后悬架系统采用纵臂扭杆弹簧后悬架，由于该悬架结构复杂，加上弹簧、减振器、隔振垫块等非线性因素，且具有后轮随动的特点，用传统的建模和求解方法难以准确分析其动力学特性。本文利用adams多体动力学软件成功建立了该悬架动力学模型，并对其进行了双轮跳动的仿真分析。下面对悬架进行建模，后悬架主要包括：下

49、单斜摆臂、减振器、螺旋弹簧、横向稳定杆等2829。a) 减振器模型的建立下单斜摆臂前后段分别与底盘和轮毂联接，螺旋弹簧安装在下单斜摆臂和车身之间，减振器联接下单斜摆臂与车身，建模时阻尼特性与前悬架减振器一样处理。经结构简化分析，建立建立的阻尼器特性如图2.8所示。图2.8 后减震器特性曲线b） 后悬架模型约束的确定拖曳式悬架的铰链类型与数目如表2.2所示。表2.2 后悬架模型的铰链类型与数目铰链名称铰链约束的自由度约束铰链数量平动转动拖曳式固定铰链338转动铰链324平动铰链232万向节铰链314圆柱铰链223球铰链300等速万向节铰链314平面副121拖曳式后悬架(不含转向系)的约束方程m3

50、，为: m3=3x4+4x5+2x5+4x4+8x6+4x4+3+1=126模型中存在两个gruebler count(相当于两个自由度)，自由度k3为: k3=21x6+2-126=2c) 后悬架模型的建立 图2.9 后悬架模型d） 后悬架运动学仿真基于建立的后悬架系统分析模型，利用adams/car软件将车轮跳动仿真的激振台架上下激振位移设置为100mm，使左右车轮同步上下跳动，对纵臂扭杆弹簧后悬架进行仿真（如图2.10），分析悬架平行跳动过程中外倾角、前束角的变化，悬架各部件之间的相互影响，从而预估评价前悬架系统的性能。图2.10 后悬架双轮跳动试验台 外倾角车轮跳动时外倾变化对车辆的稳

51、态响应特性等有很大影响，应尽量减少车轮相对车身跳动时的外倾角变化。一般上跳时，对车身的外倾变化为4°1°/100mm。图2.11为左右车轮同步上下跳动时悬架车轮外倾角的变化曲线。可以看出，车轮跳动过程中变化为-1.002°-0.912°/100mm，变化范围均较小，较为理想。图2.11 外倾角随双轮跳动变化曲线 前束角 车轮跳动时的前束变化对车辆的直线稳定性，车辆的稳态响应特性有很大的影响，是汽车悬架的重要参数之一。设计时希望在车轮跳动时，前束不变或变化幅度较小。图2.12为左右车轮同步上下跳动时前束角的变化曲线。可以看出，车轮跳动过程中变化为-0.41

52、3°0.413°/100mm，范围均较为合理。图2.12 前束角随双轮跳动变化曲线（6） 轮胎模型轮胎模型是车辆模型中的重要组成部分，轮胎结构由橡胶、帘布层等合成的外胎固定于金属轮辆上，内部充入压缩空气。轮胎的材料具有非线性、可压缩、各向异性和粘弹性等特点，因此其物理模型的建立较为复杂。为了分析轮胎的复杂特性，国内外学者做了很多研究工作来将轮胎进行模型化，并建立了fiala模型、frank模型、sakai模型、pacejka模型等理论模型。其中比较知名的是用于理论解析轮胎侧偏特性的fiala弹性圆环模型。frank模型把胎体简化为弹性支承上的无限长梁的一部分，并考虑胎体变形

53、时受拉以及受力分布载荷作用而弯曲等特点。sakai模型在“梁”模型基础上考虑了有驱动和制动力情况下的联合侧偏特性。pacejka模型将胎体的变形考虑为张紧的弦，提出所谓“弦”模型，并在此基础上考虑了有驱动和制动力情况下的联合侧偏特性。国内主要有郭孔辉从胎体变形与垂直载荷的一般模式出发，导出侧偏特性的一般理论模型，进而考虑了有驱动和制动力情况下的联合侧偏特性，并与半经验模型结合形成便于仿真的“统一”模型3031。在adams软件中，提供了4种轮胎模型，即fiala模型、ua(university of arizona)模型、smithers模型及delet模型，此外用户还可以自定义模型。在这些模

54、型中，delet, smithers和ua tire轮胎模型所需的参数较多，不易得到，而fiala轮胎模型所需的参数较少，因此在本文研究中采用fiala轮胎模型。该车的车胎型号是。此轮胎参数如表2.3：表2.3 轮胎特性参数参数名称及单位数值轮胎自由半径(r1/m)297.75径向刚度(cn/n·mm-1)280高宽比55断面名义宽度(mm)195轮辋直径(in)15静摩擦系数()0.94动摩擦系数(u1)0.75（7） 车架和车身模型为了使问题简便与直观，把不包括发动机的整个车架和车身作为一个刚体来考虑。整个刚体的质量集中在质心位置，具体位置由整车参数确定。修改刚体质量和转动惯量为簧载质量和转动惯量以定义与各子系统之间正确的连接关系。2.3.2 整车模型的构建及校核（1） 整车模型的构建将上述建好的各子系统按照相应的约束连接在一起，即可构成完整的汽车模型。该模型能多方位的呈现在计算机屏幕上，较真实和准确的反映整车各部件在实际运动过程中受力运动情况。对模型进行仿真前需测试模型的正确性，要确保模型没有过约束。利用模型进行测试可以自动算出模型共有181个自由度，模型如图2.13所示。图2.13 整车模型（2） 整车模型的校核在建立整车动力学仿真模型之后，为了得到正