多刚体动力学基础知识(内部资料注意保密)

多刚体动力学车身开发部CAE分析科宋纪侠1目录Adams软件的应用常识转动惯量四轮定位参数及其它C16A前悬架动力学模型建立及仿真C16A整车动力学模型建立及仿真2Adams软件的应用常识动力学普遍定理包含三类，即动量定理动量矩定理动能定理Adams软件核心模块：Adams/View、Adams/Solver和Adams/Postprocessor。此外，轿车常用的模块Adams/Car。3Adams软件的应用常识4动力学仿真软件Adams中，物体、几何体的含义与区别？

物体相对于其他物体运动，具有特性为：质量、转动惯量、初始位置和方向、初始速度。

几何体用于增加物体的几何形状，美化物体外观，它使用的参数包括：长度、半径、宽度等。

进行仿真不需要几何体。例如，下摆臂。Adams软件的应用常识5悬架仿真时除提供硬点参数外，还要提供相应的衬套参数、减震器参数、限位块参数、整车的前后轴荷、制动力分配、四轮定位参数等。在Adams/car模块下只需输入上述参数即可。Adams软件的应用常识6运动学：研究组成机构的相互联接的构建系统的位置、速度和加速度，其与产生运动的力无关。运动学数学模型是非线性和线性的代数方程。

动力学：研究外力作用下机构的动力学响应，包括构建系统的加速度、速度和位置，以及运动过程中的约束反力。动力学问题是已知系统构型、外力和初始条件求运动。动力学数学模型是微分方程或微分方程和代数方程的混合。Adams软件的应用常识欧拉角（Euler）默认的坐标系变换顺序是什么？简单描述默认变换顺序时，标记（marker）中的方向角度值（orientation）参数指代的含义。

313，所对应的较多分别绕zxz变换。在做动力总成悬置系统解耦时，会出现欧拉角。7动力学仿真建模和仿真的步骤简单描述？

1.建立模型：使用物体、力、碰撞、约束副、驱动。2.测试模型：使用测量、动画、仿真过程、曲线。3.验证模型：使用输入和叠加测试数据的方法。4.模型细化：添加摩擦力、力函数式、柔性物体、控制系统等。5.迭代：改变参数话设计变量。6.优化分析：实用DOE优化方法。7.自动操作：实用定制菜单，宏命令、定制对话框。Adams软件的应用常识8转动惯量转动惯量：刚体的转动惯量是刚体对某轴的转动惯性大小的度量，它的大小变现了刚体转动状态改变的难易程度。已知长方体的长、宽、高，求转动惯量？1根据理论力学知识可知，相对物体质心的x、y、z轴的转动惯量分别为8e-6kgm*2,2.08e-5kgm*2,1.6e-5kgm*22catia软件可以计算相对质心和绝对坐标系下的转动惯量：inertia/G和inertia/O3hyperworks软件结果为绝对坐标系下的转动转量4adams软件选择相应的质心位置且方向与整车坐标方向一致的marker点作为参考，结果与catia软件（G：gravity）算的一致结果显示，理论计算结果与catia软件（G：gravity）算的一致，而hyperworks略小，这与hyperworks软件小数位数取舍有关。由此可知，物体的转动惯量要指明相对的点和方向。9转动惯量已知A坐标系下的转动惯量，求B坐标系下的转动惯量Tools——Aggregatemass,选中B坐标系下的坐标点即可，后三个转动惯量没有必然的正负关联（即可全正，一正两负或两负一正）。即，整车坐标系和发动机坐标系下动力总成转动惯量的转换。10四轮定位参数及其它1.1四轮定位参数车轮外倾角(°)camberangle车轮前束角(°)toeangle主销后倾角(°)castorangle主销内倾角(°)kingpininclinationangle（KPI）1.2其它主销后倾拖距(mm)castormomentarm或castoroffset/Mechanicaltrail主销偏移距(mm)scrubradius或kingpinoffsetatground悬架刚度wheelrate11车轮外倾角车轮外倾角camberangle12前束及前束角13前束及前束角通常说的前束是左、右车轮轮胎边缘后部间距大于前部的余量。为准确起见在计算前束角时，要问相关的设计人员前束是相对轮辋还是轮胎。此外，前束还有空载、满载、设计载荷之分。14主销内倾角和主销偏移距主销延长线与地面的交点在轮胎接地点内为正，反之为负。15主销后倾角和主销后倾拖距主销延长线与地面的交点在轮胎接地点前为正，反之为负。16四轮定位参数及其它方向盘转角steeringwheelangle转向角，即转向车轮的转角steeringangle车轮实际转向角steerangle理想转向角idealsteerangleackermanerror=steerangle-idealsteeranglePercentackerman=17内容影响静态参考值变化范围参考值前束过大或过小轮胎偏磨增加，滚动阻力增加，直线行驶能力下降。0~12mm前轮上跳-0.5º/50mm后轮上跳0.3º/50mm主销内倾角增大回正能力增大，稳定时间减小，残留横摆角速度减小，横摆角速度超调量增大。低速时内倾的回正作用大，冲击偏转的内倾作用大，7º~13º，希望取较小值主销后倾角影响回正能力和转向能力。高速时后倾的回正作用大，前置前驱车0~3°，前置后驱车3~10°0.8º～3.4º/50mm车轮外倾角增大对安全和操稳有利，轮胎横向偏磨增加，油耗增加。外倾角1°左右，上跳-2º~0.5º/50mm侧向滑移量侧向滑移量越小，轮胎磨损越小，转弯精度越高在±6mm范围内为佳1.1~1.6mm/KN前悬架刚度增大横摆角速度响应时间减小，瞬态横摆响应更加迅速。换算成系统偏频一般为前悬1~1.45Hz、后悬1.17~1.58Hz原则上轿车的级别越高，悬架的固有频率越小主销后倾拖距增大，可提高转向轮回正能力和直行稳定性，转向力和保持力加大。0～30mm主销偏移距影响制动稳定性、转向能力、直线控制、回正性能。-10～30mm，希望取较小值前置前驱车-10～0mm轮距影响轮胎磨损，希望轮距的变化越小越好，但独立悬架的轮距不可能不变化-5mm/-50mm~5mm/50mm侧倾中心高度车身侧倾角、轮距变化，希望侧倾中心与整车质心尽量接近0~150mm变化在30mm~70mm内18内容影响静态参考值变化范围参考值侧倾角刚度车身侧倾角。0.5g侧向加速度下的整车侧倾角2º~5º前悬一般为300Nm/(º)~1200Nm/(º)，后悬一般为180Nm/(º)~700Nm/(º)纵向刚度应减小向后的纵向刚度以提高过坎的平顺性，应增大向前的纵向刚度以提高启动和加速性能。纵向柔度2mm/-980mm~5mm/980mm向前的越大越好，向后的越小越好纵向力顺从转向影响转向性能和轮胎磨损负前束0.5º/980N（轮心负荷）～正前束0.5º/980N（轮心负荷）负前束0.3º/980N（接地点负荷）～正前束0.3º/980N（接地点负荷）横向刚度越大，操稳越好，乘坐舒适性越差0.3mm/980N（接地点负荷）～2mm/980N（接地点负荷）横向力顺从转向影响过度转向和不足转向前轮0~0.2º（负前束）/980N后轮0~0.1º（正前束）/980N理想情况是向内侧向力加载时前悬架产生不足转向的后束变化悬架弹性特性影响平顺性上跳行程70~120mm，下跳行程80~130mm，悬架垂直刚度换算成系统固有频率1~2Hz一般前后悬偏频比为1.11~1.25衰减率特性影响平顺性衰减比0.2~0.8不足转向值是否为过度转向或不足转向δ1～δ2值2º/g~7º/g19前悬架转向动力学模型

NSB动力学仿真分析参数清单前悬架、转向模型零件、约束、力元连接表共27个零件；

25个力元；

33个约束副包括：转动副8个等速万向节8个球铰6个圆柱副3个移动副3个固定副1个万向节4个20前悬架及转向系统仿真分析1.1平行、反向跳动试验前束角外倾角后倾角主销后倾拖距内倾角主销偏移距轮距侧倾中心高度1.2侧向力加载试验轮心侧向位移系数侧向力变形外倾系数

1.3纵向力加载试验纵向刚度1.4转向系转角输入试验实际转角与理想转角对比外倾角外侧转向轮转弯直径21前悬架平跳及反跳运动分析试验工况（2+2状态）：上跳行程75mm，下落行程90mm，跳动过程中转向盘固定在零位置。上跳行程75mm，下落行程90mm，跳动过程中转向盘固定在零位置。22汽车操纵稳定性试验包括6项：稳态回转试验、蛇形试验、角阶跃试验、角脉冲试验、转向回正试验、转向轻便性试验。汽车平顺性输入试验通常包括2项：脉冲输入平顺性试验、随机输入平顺性试验。整车动力学仿真分析23整车多体动力学模型的建立：车身模型制动系统模型前悬架模型后悬架模型转向系统模型前轮胎系统模型后轮胎系统模型动力总成系统整车动力学仿真模型建立24虚拟样车验模试验输入：实车试验数据方向盘转角和车速试验内容：稳态回转试验转向回正试验角阶跃试验角脉冲试验3.1稳态回转试验

侧向加速度对比车身侧倾角对比

253.2转向回正试验侧向加速度对比

横摆角速度对比车速对比方向盘转角对比263.3角阶跃试验方向盘转角对比

侧向加速度对比

横摆角速度对比

车身侧倾角对比

273.4角脉冲试验横摆角速度对比

方向盘转角对比

综合分析可见，该模型总体上已比较真实地表达了C16A的实车状态，可以用于工程分析，基本满足本项目的研究需要，可以用该模型对C16A的其它性能试验进行仿真分析。28◆4.1角阶跃仿真试验评分：转向盘转角阶跃输入试验按侧向加速度值为2m/s2时的汽车横摆角速度响应时间T进行评价计分。

横摆角速度整车操纵稳定性仿真分析29

转向盘转角阶跃试验是研究汽车瞬态响应特性的一种重要试验方法，主要用来测定汽车对方向盘转角输入做出反应的灵敏特性。由仿真结果可以看出，C16A在同一稳态侧向加速度下的方向盘的左右转角基本对称，该试验的主要评价指标是横摆角速度的响应时间长短，通过实验数据结果的曲线拟合，得出横摆角速度的响应时间随侧向加速度的变化关系，侧向加速度度的响应时间比横摆角速度的响应时间稍慢，但不同侧向加速度的响应时间变化基本稳定，另外，C16A的质心侧偏角变化也较为平稳，在最大侧向加速度的情况下，左右的质心侧偏角基本相等，反映汽车侧偏特性的汽车因数也分布正常。综上所述，

C16A的转向盘角阶跃试验结果趋势良好，但在驾驶员发出转向指令后的转向系统的灵敏特性一般。整车操纵稳定性仿真分析30◆4.2角脉冲仿真

转向盘左转试验中三项评价指标分别为：谐振频率fp=1.07Hz、谐振峰水平D及相位滞后角a=32.3°，左转试验综合评分81.5。同理，右转向试验综合评分81.2。整车操纵稳定性仿真分析31汽车的频率特性可以说明汽车对转向输入响应的真实程度，转向盘角脉冲试验正是为了获得汽车频率特性。

由仿真结果可以看出，

C16A在达到稳态侧向加速度4m/s2时的方向盘的左右转角基本对称，横摆角速度对方向盘脉冲输入的谐振频率比较恰当，表示该车的横摆角速度的响应时间比较合适，同时，谐振峰水平略为偏高，说明C16A在脉冲试验中的平坦性不是太好，车辆对转向脉冲输入的跟随性一般。输入频率为1Hz时的相位滞后角较低，说明缓慢转动方向盘时响应较快。32◆4.3稳态回转仿真试验评分：稳态回转试验按中性转向点的侧向加速度值、不足转向度、车身侧倾度等三项指标进行评价计分。通过试验可得骡子车左、右向稳态回转试验的综合评分分别为99.3和99.5。33

稳态回转试验是研究汽车响应特性的一种重要试验方法，主要用来测定汽车对方向盘转角输入达到稳定行驶状态时汽车的稳态横摆响应，稳态回转特性是车辆系统是否稳定的充分条件。由仿真结果可得，C16A在稳态回转过程中，没有出现中性转向点，因此无过度转向；另外，其不足转向度较高，其车身侧倾角在整个稳态回转过程中均较低，即车身侧倾度较小，取得了满分评定。综上所述，C16A的稳态回转试验效果较好，表明C16A在转向过程中稳定性较好。344.4蛇行仿真试验评分：按基准车速(C16A的基准车速取为65km/H)下的平均横摆角速度峰值与平均转向盘转角峰值进行评价计分。平均横摆角速度峰值评分Nr=57.6，平均转向盘转角峰值评分=66.7，综合评分Ns=60.7。35

蛇行试验是研究汽车瞬态闭环响应特性的一种重要试验方法，属驾驶员—汽车—外界环境组合而成的闭路系统性能试验方法之一，能反映出此闭路系统进行急剧转向地能力，可以考核汽车在接近侧滑或侧翻工况下的操纵性能，综合评价汽车行驶稳定性特别是接近极限状态的可操控特性。由仿真结果可得，C16A蛇形试验的两项评价值的得分均较差，

C16A蛇行试验的效果很一般，急剧转向地能力不够强，汽车极限行驶稳定性有待提高。另外为了更加准确的评价C16A的蛇行行驶的操纵性能，还应请相关驾驶员做出其主观评价，平均横摆角速度峰值与平均转向盘转角峰值较小者会获得驾驶员的好评。364.5转向回正试验转向回正性能试验主要是研究汽车能否恢复直线行驶能力，其主要的评价指标是残留横摆角速度绝对值△r及横摆角速度总方差Er高速回正试验方向盘转角37

转向回正性能试验是研究汽车瞬态响应特性的一种重要试验方法，尤其是研究汽车能否恢复直线行驶能力的一种重要试验方法。转向回正性能试验是表征和测定汽车由曲线行驶恢复到直线行驶的过渡过程，是测定自由操纵力输入的基本性能试验，表达了汽车的自由控制运动特性。由C16A的仿真数据结果可以看出，在低速状态下，C16A的残留横摆角速度较小，表明C16A的转向回正能力较好；松开转向盘3s时，车身只有微小摆动，其横摆角速度总方差Er较小，评分较高，表明C16A在试验过程中的对转向盘撒手的跟随性较好。由试验结果可以看出，整体上C16A转向回正时左右基本对称，低速回正效果较好，高速回正效果较差。38

稳态回转转向回正转向轻便性角阶跃蛇行试验角脉冲2月实车试验结果938899.27194.5——9月实车试验结果A10054

8688749月实车试验结果B10069.5

9295789月实车试验结果C10060

949186仿真结果左转99.379——82.960.781.5右转99.578——83.181.2实车试验与仿真分析对比39蛇行仿真与试验数据差别大的原因：

在实车试验报告中可以发现，方向盘空行程间隙较大，转向力特性图中