懸架K&C仿真分析及軟件的二次開發(fā)

董國紅++蔣賢芳

摘 要：懸架K&C特性是研究汽車操縱穩(wěn)定性基礎(chǔ)，在汽車動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域中占有極其重要的地位。本文運(yùn)用MSC.ADAMS軟件對(duì)某款微型車的懸架進(jìn)行K&C仿真分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行總結(jié)提煉，然后在第三方編程軟件基礎(chǔ)上二次開發(fā)出更實(shí)用的懸架K&C仿真分析軟件，極大降低了汽車設(shè)計(jì)工程師的專業(yè)知識(shí)門檻，同時(shí)提高了K&C仿真分析效率和準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：懸架；K&C仿真；ADAMS；二次開發(fā)

中圖分類號(hào)：U461 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 概述

汽車操縱穩(wěn)定性是汽車主要性能之一，卓越的操縱穩(wěn)定性能不僅大大提高了汽車主動(dòng)安全性，同時(shí)能給駕駛者帶來駕駛樂趣。汽車的懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性對(duì)整車的操縱穩(wěn)定性水平具有決定性的影響，一直是國內(nèi)外汽車動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。所謂懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性（Kinematics，下文簡稱懸架K特性）描述車輪在彈簧變形過程和轉(zhuǎn)向時(shí)的運(yùn)動(dòng)，懸架動(dòng)力學(xué)特性（Compliance，下文簡稱懸架C特性）描述的是由于輪胎和路面之間的力和力矩引起的車輪定位參數(shù)的變化，二者統(tǒng)稱為懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特性（Kinematics and Compliance，下文簡稱懸架K&C特性）。懸架K&C特性研究可以給懸架的合理設(shè)計(jì)、整車性能的調(diào)校、NVH及操縱穩(wěn)定性之間的矛盾提供良好的性能平衡。

MSC.ADAMS多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件具有豐富的建模功能和強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)解算能力，可以建立規(guī)模龐大、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)級(jí)的仿真模型，能夠?qū)Τ汕先f個(gè)零件組成汽車進(jìn)行整車動(dòng)態(tài)性能的仿真分析。借助MSC.ADAMS的仿真平臺(tái)，可在物理樣車試制之前對(duì)整車操縱穩(wěn)定性和平順性等性能進(jìn)行評(píng)估預(yù)測及優(yōu)化，使最終制造出來的汽車滿足設(shè)計(jì)要求及用戶的期望。

2 懸架K&C仿真分析

懸架K&C仿真分析主要是測試車輛過坑（凸塊）、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)、加速等工況，考察車輪前束角變化、車輪外傾角變化、主銷后傾角變化、輪心側(cè)向位移（輪距）變化和輪心縱向位移（軸距）變化等特性。

目前MSC.ADAMS是懸架K&C仿真分析的主流軟件，下文以某款微型車的懸架為例，加以說明運(yùn)用ADAMS進(jìn)行懸架K&C仿真分析步驟：打開ADAMS仿真軟件中汽車專業(yè)仿真模塊，讀入前懸架模型并檢查懸架的硬點(diǎn)、彈簧、襯套、輪胎、簧上、簧下質(zhì)量、前束角、外傾角等數(shù)據(jù)，如圖1所示，然后打開平行輪跳仿真分析界面并按圖2所示對(duì)話框進(jìn)行參數(shù)設(shè)置并進(jìn)行仿真，成功完成仿真計(jì)算后，查看仿真動(dòng)畫是否出現(xiàn)異常，如有異常，需修改多體動(dòng)力學(xué)懸架模型，

直到仿真動(dòng)畫正常為止，然后進(jìn)入ADAMS/PostProcessor后處理模塊，準(zhǔn)備輸出車輛過坑和凸塊的K&C特性，X坐標(biāo)選取平行輪跳變量wheel travel/vertical left，Y坐標(biāo)選取前束toe angle/left，運(yùn)用ADAMS后處理工具讀取曲線設(shè)計(jì)位置的斜率并保存該圖片，這樣就得出了左輪前束角與左輪跳動(dòng)的關(guān)系，如圖3所示，跳動(dòng)前束：前束角是汽車縱向平面與車輪中心平面之間的夾角。車輪上跳及下落時(shí)前束角的變化對(duì)車輛的直線行駛穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性有很大影響。同樣的方法，得出右輪前束角與右輪跳動(dòng)的關(guān)系、左輪前外傾角與左輪跳動(dòng)的關(guān)系、右輪前外傾角與右輪跳動(dòng)的關(guān)系、左主銷后傾角與左輪跳動(dòng)的關(guān)系、右主銷后傾角與右輪跳動(dòng)的關(guān)系、左輪心側(cè)向位移與左輪跳動(dòng)的關(guān)系、右輪心側(cè)向位移與右輪跳動(dòng)的關(guān)系、左輪心縱向位移與左輪跳動(dòng)的關(guān)系、右輪心縱向位移與右輪跳動(dòng)的關(guān)系等。同理，輸出車輛轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)、加速等工況的K&C特性。將上述保存的圖片匯總并添加上車型基本信息（如質(zhì)量）和ADAMS/ACAR 軟件輸出變量（如側(cè)向力）的方向定義說明，即為懸架K&C仿真分析報(bào)告（美國通用稱為汽車操縱穩(wěn)定性文件）。整個(gè)懸架K&C仿真分析過程非常繁瑣復(fù)雜，工作效率低，大量的人工操作，容易出現(xiàn)紕漏。

3 懸架K&C仿真軟件的開發(fā)

國外的汽車公司均在多體商品化軟件基礎(chǔ)上開發(fā)有自己特色的虛擬樣機(jī)仿真軟件，如福特公司的ADAMS/PRE，ISUZU公司的ADAMS/ISUZU，大約28個(gè)主要汽車公司擁有在ADAMS基礎(chǔ)上二次開發(fā)的專用仿真軟件，其用戶界面十分友好，一般產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員均可直接使用，大大降低了工作難度、減少了重復(fù)工作量、提高了仿真的工作效率、保證輸出結(jié)果的一致性等優(yōu)點(diǎn)。因此，我們?cè)贏DAMS 的基礎(chǔ)上二次開發(fā)出SGMW懸架K&C仿真分析軟件，具有上述同樣的優(yōu)點(diǎn)，其主界面如圖4所示。

懸架K&C仿真分析軟件需要輸入的參數(shù)有：ADAMS多體動(dòng)力學(xué)懸架模型、ADAMS版本、懸架的設(shè)計(jì)質(zhì)量、簧下質(zhì)量、平行輪跳仿真工況、反向輪跳仿真工況、單輪跳仿真工況、平行側(cè)向力仿真工況、反向側(cè)向力仿真工況、同向回正力矩仿真工況、反向回正力矩仿真工況、制動(dòng)仿真工況、單輪制動(dòng)仿真工況、驅(qū)動(dòng)仿真工況等。為了避免眾多參數(shù)的重復(fù)輸入，本軟件提供了人性化的“保存”和“載入”數(shù)據(jù)功能。

懸架K&C分析軟件自動(dòng)調(diào)入動(dòng)力學(xué)模型，利用ADAMS軟件的求解器連續(xù)完成多種工況的仿真，并讀取ADAMS求解器解算出的結(jié)果文件，最后對(duì)結(jié)果文件的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并自動(dòng)生成懸架K&C仿真分析報(bào)告，懸架K&C仿真分析軟件的功能除了可以快速生成某款車的懸架K&C報(bào)告，同時(shí)還可以增加兩款對(duì)標(biāo)車的K&C數(shù)據(jù)作為參考；對(duì)于某款車的K&C分析，軟件能調(diào)用ADAMS求解器最多可以連續(xù)完成78次仿真，除了能輸出報(bào)告的封面、目錄、介紹等信息，還能最多輸出654條懸架特性曲線信息（如圖5所示）及1178個(gè)主要懸架特性數(shù)據(jù)匯總（如圖6所示）。

對(duì)于報(bào)告中懸架特性曲線部分，如圖5所示，它由三部分組成：

3.1 信息部分：含有某款車的車型的信息、懸架信息、承載條件、仿真工況說明、日期、版權(quán)信息等；

3.2 K&C數(shù)據(jù)部分：輸出某款車型的K&C特性數(shù)據(jù)及對(duì)標(biāo)車的數(shù)據(jù)；

3.3 K&C曲線部分：輸出某款車型的K&C曲線及對(duì)標(biāo)車的曲線，注：報(bào)告中的K&C曲線無坐標(biāo)系定義，根據(jù)變量自身的向前或向后、向上或向下、向內(nèi)或向外運(yùn)動(dòng)，可以更直觀理解K&C特性的內(nèi)涵。

對(duì)于報(bào)告中懸架K&C特性數(shù)據(jù)匯總表，如圖6所示，它包含靜載數(shù)據(jù)9項(xiàng)、平行輪跳仿真工況10項(xiàng)、反向輪跳仿真工況10項(xiàng)、單輪跳仿真工況7項(xiàng)、平行側(cè)向力仿真工況3項(xiàng)、反向側(cè)向力仿真工況3項(xiàng)、同向回正力矩仿真工況3項(xiàng)、反向回正力矩仿真工況3項(xiàng)、制動(dòng)仿真工況4項(xiàng)、單輪制動(dòng)仿真工況4項(xiàng)、驅(qū)動(dòng)仿真工況4項(xiàng)。除側(cè)傾中心相關(guān)K&C數(shù)據(jù)外，其它每項(xiàng)特性均分別輸出左右兩邊K&C數(shù)據(jù)及平均數(shù)值，另外，軟件還能對(duì)部分重要K&C特性數(shù)據(jù)給出對(duì)整車性能的影響。

4 懸架K&C仿真分析軟件與傳統(tǒng)K&C仿真分析對(duì)比

傳統(tǒng)的懸架K&C仿真通常由工程師在動(dòng)力學(xué)分析軟件中打開模型，然后對(duì)模型進(jìn)行各種加載工況進(jìn)行仿真，通過軟件的后處理窗口逐一選出懸架K&C特性曲線并對(duì)其一些簡單修整美化等處理，最后將處理后的圖片粘貼到文檔中形成K&C分析報(bào)告，過程繁瑣，工作重復(fù)且周期長，完全手工操作，容易出現(xiàn)紕漏。

懸架K&C分析軟件完成基本參數(shù)輸入后能自動(dòng)連續(xù)完成傳統(tǒng)K&C仿真所有步驟并能自動(dòng)生成更全面、更豐富的懸架K&C仿真分析報(bào)告，擁有操作簡單、自動(dòng)化程度高、報(bào)告的一致性好等優(yōu)點(diǎn)，表1是懸架K&C仿真分析軟件與傳統(tǒng)K&C仿真分析優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

結(jié)語

通過第三方編程軟件對(duì)ADAMS二次開發(fā)出的懸架K&C仿真分析軟件，擁有易于操作、簡單明了的人機(jī)交互界面，根據(jù)簡單的整車基本參數(shù)輸入，自動(dòng)完成懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，并能自動(dòng)處理仿真分析結(jié)果及生成K&C仿真分析報(bào)告。該二次開發(fā)軟件已在SGMW的產(chǎn)品開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用，效果顯著。該軟件極大了降低汽車設(shè)計(jì)工程師的專業(yè)知識(shí)門檻，并同時(shí)降低了工作難度、減少了重復(fù)工作量、提高了工作效率及保證了輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。

參考文獻(xiàn)

[1]顧柏良，等.汽車工程手冊(cè)（設(shè)計(jì)篇）[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]雷雨成.汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及仿真[M].北京：北京工業(yè)出版社，2005.

[3]喻凡.汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4]陳立平，等.機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

3.3 K&C曲線部分：輸出某款車型的K&C曲線及對(duì)標(biāo)車的曲線，注：報(bào)告中的K&C曲線無坐標(biāo)系定義，根據(jù)變量自身的向前或向后、向上或向下、向內(nèi)或向外運(yùn)動(dòng)，可以更直觀理解K&C特性的內(nèi)涵。

對(duì)于報(bào)告中懸架K&C特性數(shù)據(jù)匯總表，如圖6所示，它包含靜載數(shù)據(jù)9項(xiàng)、平行輪跳仿真工況10項(xiàng)、反向輪跳仿真工況10項(xiàng)、單輪跳仿真工況7項(xiàng)、平行側(cè)向力仿真工況3項(xiàng)、反向側(cè)向力仿真工況3項(xiàng)、同向回正力矩仿真工況3項(xiàng)、反向回正力矩仿真工況3項(xiàng)、制動(dòng)仿真工況4項(xiàng)、單輪制動(dòng)仿真工況4項(xiàng)、驅(qū)動(dòng)仿真工況4項(xiàng)。除側(cè)傾中心相關(guān)K&C數(shù)據(jù)外，其它每項(xiàng)特性均分別輸出左右兩邊K&C數(shù)據(jù)及平均數(shù)值，另外，軟件還能對(duì)部分重要K&C特性數(shù)據(jù)給出對(duì)整車性能的影響。

4 懸架K&C仿真分析軟件與傳統(tǒng)K&C仿真分析對(duì)比

傳統(tǒng)的懸架K&C仿真通常由工程師在動(dòng)力學(xué)分析軟件中打開模型，然后對(duì)模型進(jìn)行各種加載工況進(jìn)行仿真，通過軟件的后處理窗口逐一選出懸架K&C特性曲線并對(duì)其一些簡單修整美化等處理，最后將處理后的圖片粘貼到文檔中形成K&C分析報(bào)告，過程繁瑣，工作重復(fù)且周期長，完全手工操作，容易出現(xiàn)紕漏。

懸架K&C分析軟件完成基本參數(shù)輸入后能自動(dòng)連續(xù)完成傳統(tǒng)K&C仿真所有步驟并能自動(dòng)生成更全面、更豐富的懸架K&C仿真分析報(bào)告，擁有操作簡單、自動(dòng)化程度高、報(bào)告的一致性好等優(yōu)點(diǎn)，表1是懸架K&C仿真分析軟件與傳統(tǒng)K&C仿真分析優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

結(jié)語

通過第三方編程軟件對(duì)ADAMS二次開發(fā)出的懸架K&C仿真分析軟件，擁有易于操作、簡單明了的人機(jī)交互界面，根據(jù)簡單的整車基本參數(shù)輸入，自動(dòng)完成懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，并能自動(dòng)處理仿真分析結(jié)果及生成K&C仿真分析報(bào)告。該二次開發(fā)軟件已在SGMW的產(chǎn)品開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用，效果顯著。該軟件極大了降低汽車設(shè)計(jì)工程師的專業(yè)知識(shí)門檻，并同時(shí)降低了工作難度、減少了重復(fù)工作量、提高了工作效率及保證了輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。

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[4]陳立平，等.機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

3.3 K&C曲線部分：輸出某款車型的K&C曲線及對(duì)標(biāo)車的曲線，注：報(bào)告中的K&C曲線無坐標(biāo)系定義，根據(jù)變量自身的向前或向后、向上或向下、向內(nèi)或向外運(yùn)動(dòng)，可以更直觀理解K&C特性的內(nèi)涵。

對(duì)于報(bào)告中懸架K&C特性數(shù)據(jù)匯總表，如圖6所示，它包含靜載數(shù)據(jù)9項(xiàng)、平行輪跳仿真工況10項(xiàng)、反向輪跳仿真工況10項(xiàng)、單輪跳仿真工況7項(xiàng)、平行側(cè)向力仿真工況3項(xiàng)、反向側(cè)向力仿真工況3項(xiàng)、同向回正力矩仿真工況3項(xiàng)、反向回正力矩仿真工況3項(xiàng)、制動(dòng)仿真工況4項(xiàng)、單輪制動(dòng)仿真工況4項(xiàng)、驅(qū)動(dòng)仿真工況4項(xiàng)。除側(cè)傾中心相關(guān)K&C數(shù)據(jù)外，其它每項(xiàng)特性均分別輸出左右兩邊K&C數(shù)據(jù)及平均數(shù)值，另外，軟件還能對(duì)部分重要K&C特性數(shù)據(jù)給出對(duì)整車性能的影響。

4 懸架K&C仿真分析軟件與傳統(tǒng)K&C仿真分析對(duì)比

傳統(tǒng)的懸架K&C仿真通常由工程師在動(dòng)力學(xué)分析軟件中打開模型，然后對(duì)模型進(jìn)行各種加載工況進(jìn)行仿真，通過軟件的后處理窗口逐一選出懸架K&C特性曲線并對(duì)其一些簡單修整美化等處理，最后將處理后的圖片粘貼到文檔中形成K&C分析報(bào)告，過程繁瑣，工作重復(fù)且周期長，完全手工操作，容易出現(xiàn)紕漏。

懸架K&C分析軟件完成基本參數(shù)輸入后能自動(dòng)連續(xù)完成傳統(tǒng)K&C仿真所有步驟并能自動(dòng)生成更全面、更豐富的懸架K&C仿真分析報(bào)告，擁有操作簡單、自動(dòng)化程度高、報(bào)告的一致性好等優(yōu)點(diǎn)，表1是懸架K&C仿真分析軟件與傳統(tǒng)K&C仿真分析優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

結(jié)語

通過第三方編程軟件對(duì)ADAMS二次開發(fā)出的懸架K&C仿真分析軟件，擁有易于操作、簡單明了的人機(jī)交互界面，根據(jù)簡單的整車基本參數(shù)輸入，自動(dòng)完成懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，并能自動(dòng)處理仿真分析結(jié)果及生成K&C仿真分析報(bào)告。該二次開發(fā)軟件已在SGMW的產(chǎn)品開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用，效果顯著。該軟件極大了降低汽車設(shè)計(jì)工程師的專業(yè)知識(shí)門檻，并同時(shí)降低了工作難度、減少了重復(fù)工作量、提高了工作效率及保證了輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。

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