基于虚拟样机技术的悬架参数优化设计及汽车平顺性研究 - 原文

（申请工学硕士学位论文） 基于虚拟样机技术的悬架参数优化设计及汽车平顺性研究 培养单位：汽车工程学院 学科专业：车辆工程 研究生：李晓勇 指导教师：何耀华 副教授 2014 年 5 月 分类号 密 级 UDC 学校代码 学 位 论 文 题 目 基于虚拟样机技术的悬架参数优化设计及汽车平顺性研究 英 文 Optimization of Suspension Parameters and Research on 题 目 Vehicle Ride Comfort Based on Virtual Prototyping Technology 研究生姓名 李 晓 勇 姓名 何耀华 职称 副教授 学位 学士 单位名称 汽车工程学院 邮编 430070 申请学位级别 工学硕士 学科专业名称 车辆工程 论文提交日期 论文答辩日期 2014.5.28 学位授予单位 武汉理工大学 学位授予日期 答辩委员会主席 秦训鹏 评阅人 马力、杜小芳 2014年5月 指导教师 独 创 性 声 明 本人声明，所呈交的论文是本人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签 名： 日 期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、 使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 (保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生（签 名） ： 导师（签名） ： 日 期： I 摘 要 悬架作为汽车的重要总成之一，其作用是用来 传递车架和车桥之间的力和力矩，缓冲不平路面所带来的冲击，以保证汽车能比较平顺的行驶。随着科学技术的飞速发展，人们对汽车性能的要求变高，汽车的行驶平顺性已经成为各大汽车制造厂商为提升产品竞争力所越来越重视的一项性能指标。传统的分析方法已经跟不上汽车飞速发展的脚步，虚拟样机技术的应用变得愈发重要，通过动力学仿真软件 ADAMS 可以对汽车性能进行高效的研究。 本文首先描述了课题研究的背景，对汽车平顺性和虚拟样机技术的发展历程进行概述，然后对多体动力学理论和动力学自动分析软件 ADAMS 进行了介绍。 接着对麦弗逊式独立悬架的结构进行分析， 以此为基础在 ADMAS/Car 中建立麦弗逊前独立悬架的简化仿真模型，在软件中分别进行双轮同向和双轮反向激振情况下的悬架运动学仿真，根据仿真分析结果得到不符合设计要求的车轮定位参数，并以此定位参数的优化设计为目标，运用 ADAMS/Insight 的 DOE 试验设计功能找出对此定位参数影响较大的悬架结构设计硬点，并比较优化前后的仿真分析结果，对优化目标进行验证。 最后在 ADMAS/Car 中建立双横臂式后独立悬架、转向系统、前后车轮、车身以及动力系统的虚拟仿真模型， 在 ADAMS/Car Ride 模块中选择四柱振动试验台和各总成系统组装成整车虚拟样机模型；介绍国内外的平顺性评价方法，依据 GB/T 4970 2009 的要求在 ADAMS/Car Ride 中生成所需路面， 对整车进行随机输入和三角形脉冲输入路面下的平顺性仿真，根据仿真分析的结果对整车平顺性进行评价。 全文以在 ADAMS 中所建立的模型为基础，初步实现了在计算机上对汽车悬架性能和整车平顺性的仿真分析，对于汽车制造厂商在产品研发过程中缩短设计周期、降低开发成本和提高产品质量都有非常重要的意义。 关键词：虚拟样机技术，悬架参数优化设计，平顺性， ADAMS II Abstract As an important assembly of automobile, suspension is to transfer the force and torque between the frame and the axle, buffering the impact of uneven pavement, so as to ensure cars to drive smooth. With the rapid development of science and technology peoples request to automobile performance becomes higher, the ride-ability of vehicle has become a very important performance metrics when the car is in the development stage. The traditional method of analysis has not kept up with the rapid pace of development of automobile, the application of virtual prototype technology becomes more and more important, developers can do research on vehicle performance efficient through the dynamics simulation software of ADAMS. This paper first describes the research background, the development of ride-ability and virtual prototype technology, and detail the theory of multi-bodied dynamics and the dynamics simulation software of ADAMS. Then analysis the structural of the McPherson suspension, establish a simplified model of McPherson suspension in the module of ADMAS/Car, and do the kinematics simulation of suspension in the excitation of parallel wheel travel and opposite wheel travel. According to the results of simulation, we get the wheel alignment parameter which is not up to the requirement of design. Taking this parameter as the target, we use the DOE function of ADAMS/Insight to modify the coordinate of hard point that is associated with the parameter. By comparing the results before and after, it verifies the feasibility of this method. At last, establish the double wishbone suspension、 steering system、 power systems、 wheels and body by ADAMS, and get the virtual prototype model of the vehicle by get those parts and Four Post TestRig together in the module of Ride. The evaluation methods of ride-ability at home and abroad are introduced detailed. Generate the needed pavement according to GB/T 4970 2009, and do the ride-ability simulation of the vehicle on the random road and the pulse road, finally evaluate the ride-ability according to the results. Based on the model, the paper achieved the goal that preliminary simulation III analysis of the performance of suspension and the ride-ability. This method has very important significance, it can shorten design cycle、 lower cost and improve product quality in the development stages. Key words ： Virtual Prototyping Technology, Optimal Design of Suspension Parameters, Ride-ability, ADAMS IV 目录 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.2 虚拟样机技术 . 2 1.3 平顺性国内外研究现状 . 2 1.4 研究内容 . 3 第 2 章 多体动力学理论及 ADAMS 软件介绍 . 5 2.1 多体动力学介绍 . 5 2.2 虚拟样机技术介绍 . 6 2.3 ADAMS 软件介绍 . 8 2.4 ADAMS 软件算法原理 . 8 2.4.1 广义坐标选择 . 8 2.4.2 自由度的计算 . 9 2.4.3 初始条件 . 10 2.4.4 ADAMS 动力学分析 . 12 2.4.5 ADAMS 运动学分析 . 13 2.5 轿车模块 ADAMS/car 介绍 . 13 2.6 ADAMS/Car ride 模块介绍 . 16 2.7 ADAMS/Insight 模块介绍 . 16 2.8 小结 . 18 第 3 章 麦弗逊式前悬架模型建立 . 19 3.1 麦弗逊式前悬架结构分析 . 19 3.2 麦弗逊式前悬架虚拟样机建模 . 20 3.2.1 确定硬点坐标 . 21 3.2.2 创建几何模型 . 21 3.2.4 建立通讯器 . 23 3.2.5 建立悬架总成模型 . 24 3.3 小结 . 25 第 4 章 前悬架仿真及参数优化设计 . 26 4.1 初步仿真分析 . 26 4.1.1 双轮同向垂直跳动分析 . 26 4.1.2 双轮反向垂直跳动分析 . 31 4.2 车轮定位参数的优化 . 33 4.2.1 ADAMS 参数化分析方法介绍 . 33 4.2.2 设计变量灵敏度分析 . 34 V 4.2.3 定位参数优化设计 . 37 4.3 小结 . 40 第 5 章 整车模型建立 . 41 5.1 前悬架模型 . 41 5.2 后悬架建模 . 41 5.3 转向系建模 . 42 5.4 轮胎模型 . 42 5.5 车身模型 . 44 5.6 动力系统建模 . 45 5.7 整车总成模型装配 . 46 5.8 小结 . 46 第 6 章 整车平顺性仿真分析 . 47 6.1 平顺性评价方法介绍 . 48 6.2 随机输入路面下的平顺性评价标准 . 50 6.3 随机输入路面下的平顺性分析 . 51 6.3.1 路面生成原理 . 51 6.3.2 随机输入路面的建立 . 52 6.3.3 随机路面下的仿真 . 53 6.3.4 随机路面下的仿真结果分析 . 54 6.4 脉冲输入路面下的平顺性评价标准 . 58 6.5 三角形凸块脉冲输入路面下的平顺性分析 . 59 6.5.1 三角形凸块路面的建立 . 59 6.5.2 凸块路面下的仿真分析 . 59 6.6 小结 . 61 第 7 章 总结和展望 . 63 7.1 总结 . 63 7.2 展望 . 63 致 谢 . 65 参考文献 . 66 研究生期间论文发表情况 . 69 1 第 1 章 绪论 1.1 研究背景及意义 作为汽车的重要组成部分，悬架的作用是将承 载式车身与车轮弹性的连接起来。悬架的任务包括约束车架和车桥之间的相对运动关系，传递作用在车架和车轮之间的力和力矩，缓和因路面不平而传递到车架的冲击，衰减起承载作用部件上的振动，进而确保汽车的整车安全行驶。悬架性能的优劣影响着轮胎的磨损情况和使用寿命，同时也对整车的舒适性、制动性和操纵性等重要的汽车性能指标有着非常大的影响，正因为如此，悬架一直都是汽车设计人员重点关注的对象。 汽车的平顺性 是指以一定的速度行驶时，保证乘员不会因振动而感觉不舒服劳，以及保持所装载的货物能完整无损的性能。作为汽车的主要性能之一，平顺性不单单与乘员的舒适感有这关系，它还影响着汽车的其它性能，例如操纵稳定性、动力学以及驾驶的可靠性等性能。对于乘员来说，良好的平顺舒适性可以给人带来一个轻松愉悦的环境，有效的减轻长时间旅行所带来的疲惫感。对于驾驶人员而言，平顺性的优劣直接关系着个人的身心及工作状态，甚至是人身安全问题。当进行长时间的驾驶操作时，若平顺性欠佳，驾驶员的疲惫问题会比较突出，进而导致不能保持注意力的集中，引发交通事故的可能性变大，乘员和所装载货物的安全都不能得到有效的保证；相反，若平顺性优越则可以使的驾驶变得轻松舒适，降低发生事故的概率。从这些方面来看，平顺性研究的意义至关重大，我们应该不断的其进行更加广泛和深入的研究，以满足汽车发展的要求。 汽车在设计过程中，由于其结构的复杂性，除 了悬架部件和平顺性能要重点考虑外，还有很多需要注意的方面，新产品的样车往往需要经过多次的重复制作和试验才能定下最终方案，对于技术含量较高的高档汽车来说，这个过程更加复杂。在汽车开发设计阶段采用虚拟样机技术进行建模和仿真，可以完成对汽车的辅助设计，有效提高设计效率。自 20 世纪 90 年代中期以来，该技术和数字化设计已经在世界范围内得到广泛的发展，日益成为汽车开发设计的潮流选择。运用虚拟样机技术进行虚拟设计和试验，可以很大程度上简化悬架等系统的开发流程，降低研发成本，缩短研发时间，同时也可以对系统性能进行2 研究以获得最优设计产品，提高产品质量。 1.2 虚拟样机技术 虚拟样机技术是指利用计算机建立可以用来替 代实际物理产品的模型，以此对产品的设计、生产、销售和服务等阶段的状态进行模拟、测试和分析。 运用虚拟样机技术，通过建立完整的汽车仿真 模型并对其进行试验分析，可以得到整车性能与相关的