基于ADAMS的汽車底盤仿真及懸架系統(tǒng)性能優(yōu)化

王宏磊 張立革

摘 要：用ADAMS進行汽車系統(tǒng)仿真和優(yōu)化，通過優(yōu)化汽車前懸架部分參數(shù)，結(jié)合ADAMS底盤動力模型，使汽車的側(cè)傾中心得到較大的提高，同時也增加了汽車的側(cè)傾角剛度，汽車的側(cè)傾穩(wěn)定性得到了較好的改善。

關鍵詞：汽車底盤;仿真;前懸架;性能優(yōu)化

0 引言

SUV相對轎車而言，由于通常采用非承載式車身結(jié)構(gòu)，底盤有堅固的車架，使得SUV在碰撞或者翻車時對乘員有良好的保護作用;同時它的底盤比較高，SUV還具有的良好通過性，所以很受大家的歡迎。但是重心高等特點使得SUV的側(cè)傾穩(wěn)定性比較差，在避讓或轉(zhuǎn)彎時側(cè)翻的事故率很高，這已經(jīng)成為生產(chǎn)廠家和交通安全部門一個十分頭疼的問題。據(jù)資料統(tǒng)計，在美國，2004年SUV翻車造成的悲劇在SUV的各類車禍中占到61%，是一般轎車翻車事故死亡率的三倍，所以SUV的安全問題越來越受到人們的關注。這就需要我們采取切實可行的辦法來提高SUV的抗側(cè)翻性能。采用傳統(tǒng)的設計方法，就必須分析側(cè)翻相關的原因，通常與汽車的側(cè)傾角剛度、側(cè)傾中心高度、簧載質(zhì)量重心高度、簧載質(zhì)量有關，但是如果改變懸架的角剛度和側(cè)傾中心，就得改變彈簧剛度和擺臂的控制點位置，而這些改變會引起汽車前輪定位參數(shù)的變化，從而影響汽車的操縱穩(wěn)定性和乘坐的舒適性：這些位置的改變使得汽車側(cè)傾中心高度和對汽車操縱穩(wěn)定性起著重要作用的汽車前輪定位參數(shù)存在著相互制約的因素;汽車的側(cè)傾角剛度又和汽車的平順性相互制約。所以就要經(jīng)過大量的計算并對各組計算結(jié)果進行比較，不僅工作量大，還很難得到最優(yōu)解。這就需要一個仿真軟件來分析懸架參數(shù)的改變對汽車各方面性能的影響，尋求解決問題的辦法，優(yōu)化懸架系統(tǒng)性能，然后再根據(jù)仿真數(shù)據(jù)進行樣車制作，以減少試驗次數(shù)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

ADAMS就是目前國際上使用最為普遍的一種汽車動力學仿真軟件，它可以對汽車進行靜力學、運動學和動力學分析。借助此軟件，可以建立復雜機械系統(tǒng)的“虛擬樣機”模型，模擬現(xiàn)實工作條件下所有運動情況，并且快速分析比較多種設計方案，直至獲得最優(yōu)設計，從而明顯減少昂貴的物理樣機的制造數(shù)量，提高產(chǎn)品設計水平，大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和降低開發(fā)成本。所以在這里主要討論ADAMS的基本理論、懸架的數(shù)學模型并用該軟件優(yōu)化汽車懸架的實例等。

1 ADAMS仿真軟件介紹

不同的系統(tǒng)仿真模型，需要采用不同求解器求得數(shù)值解。ADAMS軟件的常用求解器有多個，可以針對模型的不同，選擇相應的求解器。在概念設計階段，研究設計人員通過多體分析軟件能夠迅速建立整個研究對象的虛擬樣機。在ADAMS軟件中，使用ADAMS/View軟件提供的部件庫與布爾運算器，研究設計人員可以方便地在ADAMS/View界面產(chǎn)生各種形狀的零部件。在模型的物體之間，通過聯(lián)接件庫、運動發(fā)生器以及廣義力和力矩施加約束，建立系統(tǒng)的動力學研究模型。同時可以為研究人員提供各種動力學分析專用模塊。對于汽車研究人員來說，眾多的專用模塊，如ADAMS/Car～供轎車動力學分析模塊，ADAMS/Android提供人體模型，ADAMS/Tire提供輪胎模型，ADAMS/Vehicle提供懸架模型，ADAMS/Engine提供發(fā)動機建模模塊，ADAMS/Hydraulic提供液壓傳動系統(tǒng)建模模塊等等，極大地方便了汽車設計階段的建模與汽車動態(tài)仿真分析。

2 建立車輛的ADAMS模型

建立車輛的ADAMS模型一般遵循以下幾個典型的基本步驟：

2.1 前懸架模型

前懸架為雙橫臂螺旋彈簧獨立懸架結(jié)構(gòu)：由下擺臂、上擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、減振器構(gòu)成，各部件質(zhì)量、慣量信息由CATIA模型給出，上下擺臂與車架之間由兩個彈性襯套相連（轉(zhuǎn)動副），上下擺臂與轉(zhuǎn)向節(jié)由球副相連，減振器上端與車架由圓柱副相連，減振器下端與下擺臂由彈性襯套相連（為轉(zhuǎn)動副）。

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型

各部件質(zhì)量、慣量信息由CATIA模型給出，該車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為齒輪—齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由方向盤、轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向傳動軸、轉(zhuǎn)向齒條、轉(zhuǎn)向橫拉桿構(gòu)成。方向盤與轉(zhuǎn)向柱之間為固定副，轉(zhuǎn)向柱與車身間為轉(zhuǎn)動副，轉(zhuǎn)向柱與轉(zhuǎn)向傳動軸之間為萬向節(jié)副，轉(zhuǎn)向傳動軸與轉(zhuǎn)向齒條之間為復合副，轉(zhuǎn)向傳動軸與車身問為轉(zhuǎn)動副，齒條與轉(zhuǎn)向橫拉桿之間為萬向節(jié)副，轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)之間為球副，齒條與車身之間為移動副。

2.3 輪胎模型

輪胎與轉(zhuǎn)向節(jié)之間為轉(zhuǎn)動副，在輪胎與地面之間作用六個分力來描述輪胎力學特性。仿真采用了基于輪胎側(cè)偏特性試驗數(shù)據(jù)、考慮側(cè)滑、縱滑聯(lián)合工況的輪胎側(cè)偏特性理論模型—UA輪胎模型。

3 結(jié)論

用ADAMS進行汽車系統(tǒng)仿真和優(yōu)化，在設計初級階段有很重要的指導意義，在樣車試驗階段又可以很方便的尋找汽車懸架系統(tǒng)參數(shù)存在的問題及優(yōu)化的方向。本文通過優(yōu)化汽車前懸架的部分參數(shù)，結(jié)合ADAMS底盤動力學模型，使汽車的側(cè)傾中心得到較大的提高，同時也增加了汽車的側(cè)傾角剛度，汽車的側(cè)傾穩(wěn)定性得到了較好的改善。通過實車試驗驗證了仿真的準確性，大大降低了開發(fā)周期，減少了開發(fā)成本。