专业课程设计说明书双横臂悬架优化.doc
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1、 成绩:_专业课程设计说明书设计题目: 双横臂悬架优化 专业班级: 机制1222 学生姓名: 覃学居 学 号: 120202227 指导教师: 孟 彩 茹 河 北 工 程 大 学 科 信 学 院2016 年 1月 6 日 26摘 要本文以某车的前双横臂独立悬架为研究对象,采用访车的实际结构参数,运用 ADAMS/Car 软件建立了该车的前悬架子系统、转向系子系统组成的悬架系统模型。应用该模型对该车前独立悬架模型进行了运动学、动力学仿真分析,得出了其车轮外倾角、前轮前束角、主销后倾角等前轮定位参数、悬架刚度、侧倾刚度、侧倾中心等参数在前轮左右轮心上下跳动时的变化规律。并且利用前人的经验对这些特性
2、曲线进行分析,发现原悬架存在不合理的地方,并针对存在的问题提出相应的解决方案。 然后,通过多步骤调整前独立悬架的有关参数,重新仿真分析、对比了这些参数对平顺性、整车操纵稳定性的影响,从不同的方案中选择较优的方案,从而得出较优的设计参数。 最后,应用解析几何的方法,对愿悬架左右轮上下跳动时的前轮定们的参数的变化情况,对比仿真结果与解析计算结果,基本吻合,由此证明了原悬架建模的正确性。关键字:双横臂独立悬架、ADAMS/Car、建模仿真分析、优化设计。【Abstract】In this paper, a Car before double wishbone typed independent su
3、spension frame as the research object, USES the Car to visit the actual structure of the parameters, the vehicles front suspension was established by applying the software of ADAMS/Car subsystem, steering are system consisting of a suspension system model. Application of the model of the vehicle fro
4、nt independent suspension kinematics and dynamics simulation analysis, it is concluded that the wheel camber Angle, the front wheel toe Angle, caster Angle, wheel alignment parameters, such as suspension stiffness, roll, roll stiffness center around the front wheel parameters such as the heart beats
5、. Predecessors and use the experience of these characteristic curve analysis, found the original suspension is not reasonable place, and put forward the corresponding solutions to existing problems. Then, by multi-step independent suspension before the adjustment of the parameters, the simulation an
6、alysis, comparison of these parameters on the ride comfort, the influence of the vehicle steering stability, the better project from different scheme selection, thereby the optimal design parameters are obtained. Finally, the application of analytic geometry method, to let suspension wheel jumping u
7、p and down around the front wheel on the changes of the parameters, the simulation results, and the numerical result was consistent, thus prove the validity of the original suspension modeling. Key words: double wishbone independent suspension, ADAMS/Car, modeling and simulation analysis and optimiz
8、ation design. 目录第一章 悬架仿真分析的理论基础31.1 悬架分析综述31.2 悬架主要分析参数数学模型4第二章 前悬架模型的建立 72.1 建模所需要的数据7 2.1.1 已知的参数7 2.1.2 需要计算的参数9 2.1.3 引用 ADAMS/Car 自带的标准文件102.2 前双横臂独立悬架模型的建立12 2.2.1 悬架的建模原理132.2.2 悬架子系统与转向子系统的建立14 2.2.3 悬架总成的建立142.2.4 模型的自由度判定15第三章 悬架的仿真分析、优化设计与验证 153.1 原悬架的运动学仿真分析15 3.1.1 前轮主销后倾角与后倾拖距15 3.1.2
9、悬架垂直刚度与侧倾刚度16 3.1.3 制动时抗点头与加速时抗上仰17 3.1.4 原悬架分析结论18 3.2 悬架的优化设计183.2.1 悬架优化设计方案183.2.2 优化设计过程18参考文献27第一章、悬架仿真分析的理论基础1.1悬架分析综述在 ADAMS/Car 中可以分析并且察看悬架与转向系组成的虚拟样机,可以轻易调整悬架的组成部件的拓扑结构与特性;可以运行一套标准的悬架与转向系动画显示;可以通过绘制曲线看到悬架特性。 对于悬架分析,可以指定以下输入:通过测试台的上下垂直激励使车轮上下垂直跳动,来测量前轮前束角、车轮外倾角、悬架刚度、悬架侧倾刚度、侧面的车轮摆臂长度等其它特性参数;
10、在轮胎接地处施加侧向力和回正力矩,来测量前束角的变化以及轮胎的侧向变形;转动方向盘从一个死点到另一死点,来测量左右车轮的转向角和阿克曼值,即左右车轮转向角的差值。 基于分析的结果,然后调整悬架系统的几何特性、弹簧刚度或减振器阻尼系数,重新分析、评价调整后的效果46 52。 1. 关于悬架测试台 ADAMS/Car 在所有的悬架分析中使用悬架测试台。当创建好了一个悬架总成后就与悬架测试台安装在一起,测试台输入运动和力给悬架与转向系作为激励,具体包括如下激励: 1) 使车轮上下跳动的垂直激励; 2) 侧倾力矩或垂直力; 3) 在转向盘或转向齿条处输入转向运动; 4) 在转向盘或转向齿条处输入力或力
11、矩; 通过悬架系统的车轮跳动、静加载与转向分析,我们可以测试悬架的运动学、动力学以及柔性特性。悬架分析过程 悬架分析过程见图 3.1-1。 为了进行悬架分析,首先必须创建一个悬架总成,或者打开一个已经存在的悬架总成,其中包含所要的子系统和测试台架。然后,要指定车轮垂直跳动的范围、转向大小、静载荷大小以及计算步次。其次是,执行悬架分析。在这过程中,ADAMS/Car 计算 38 种的悬架特性,比如:前束角、车轮外倾角、轮距变化、轴距变化、轮胎垂直刚度,等等。最后,我们就可以动画显示以上分析,并且绘出这些特性曲线以确定该悬架控制车轮运动的好坏。图 3.1-1 悬架分析过程示意图 在执行悬架分析之前
12、,必须设定那些用来计算悬架特性所需要的悬架参数,比如:要计算制动与加速时的前后轮载荷转移必须设定轴距、质心高度、簧载质量。悬架分析必须指定计算步数以及分析类型。悬架分析的类型 悬架分析的类型有:车轮跳动分析;侧倾与垂直力分析;转向分析;静载荷分析;外部文件分析。 车轮跳动分析可以让我们发现悬架垂直跳动时悬架特性如何改变。总共可以执行以下三种车轮垂直跳动分析:左右车轮平行垂直跳动分析;左右车轮反向垂直跳动分析;单边车轮垂直跳动分析。 与左右车轮反向垂直跳动分析相比,侧倾与垂直力分析允许车轮的垂直位置自调整,只要能确保各个车轮的垂直载荷的总和保持恒定。计算悬架与转向系特性 悬架与转向系特性的计算是
13、基于悬架几何参数,悬架 C 矩阵。悬架几何学指悬架上下跳动、侧倾、转向等运动时的相对于大地的位置和方向。比如,转向节轴线方向被用来计算前束角与车轮外倾角。 悬架 C 矩阵指由于作用于轮心的递增力引起悬架的递增运动,当悬架仿真运动时 ADAMS/Car 计算每一计算位置的悬架 C 矩阵。比如,悬架有效刚度与回正力矩外倾变形的计算是基于 C 矩阵。 要计算主销后倾角、主销内倾角、主销偏移距、主销后倾拖距等悬架特性参数都需要确定转向轴。确定转向轴有两种方法:几何法和瞬时轴法。C(单位力、力矩引起的变形)矩阵的定义一 个 系 统 的 C 矩 阵 是 指 , 位 移 相 对 于 作 用 力 的 偏 导
14、数 :eC =X/ F。如果系统假定为线性的,这个 C 矩阵可以用来预测力作用下的系统运动:X =CF 。从这个角度来说,矩阵元素 Cij 是指作用于自由度 j 处的单位力引起系统自由度 i 处的位移。ADAMS/Car 使用一个在左右轮心作用单位力与力矩下引起左右轮心的运动的 12 X 12 矩阵,其形式如式 3.1-1 所示。1.2悬架主要分析参数数学模型 本文中的悬架主要分析参数比较多,这里选择了那些比较容易理解、不是很复杂的参数数学模型,而那些比较复杂的参数模型不在本文中考虑。这一部分在以前的论文中还未论述,所以作者选择这一节,有助于对 ADAMS/Car 软件的仿真、计算的理解。 1
15、. 车轮外倾角数学模型 前轮外倾角示意图见图 3.2-1 所示。 车轮外倾角是车轮平面与车辆坐标轴的垂直轴 Z 轴的交角,当车轮的上部向外倾斜时车轮外倾角为正。 需要输入量为左右车轮轮心轴(车轮旋转轴线)单位矢量,设为 Z 。 camber = arcsin(spinaxis Z) 式(3.2-1) 其中, spinaxis Z 表示单位矢量 Z 在 Z 轴方向的分量值。2. 前束角数学模型 前束角的示意图见图 3.2-2 所示。前束角是车辆的纵向轴与车轮平面在车辆 XOY 面上投影线的夹角,用弧度表示。并且当车轮前方向纵向轴转时为正。需要输入量为左右轮轮心轴单位矢量。计算时使用轮心轴的 X
16、与 Y方向的方向余弦 DCOSX 、 DCOSY , DCOS 表示方向余弦。3. 主销后倾角数学模型 主销后倾角示意图见图 3.2-3 所示。主销后倾角是指在车辆的侧面(车辆的 XOZ 平面)内主销与车辆 Z轴的交角,并且当主销向上、向后倾斜时为正。需要输入量为左右车轮回转轴向的单位矢量 steer_ axis ,道路垂直方 向 的 单 位 矢 量 road_z_ axis , 以 及 车 辆 纵 向 单 位 矢 量road_ x_ axis 。其中, sx 、 sz 分别表示转向轴单位矢量在车辆 X 轴、车辆 Z 轴的分量,表示矢量点乘,后面的同理不再说明。4. 主销后倾拖距数学模型 主销
17、后倾拖距示意图见图 3.2-4 所示。 主销后倾拖距,是指沿着轮胎平面与道路平面的交线,从主销与道路平面的交点到轮胎接地中心处的距离。当主销与道路平面的交点在轮胎接地印迹的中心的前方时为正。需要输入量为左右主销上的一点的位置矢量 Rs、主销方向矢量 s、左右轮胎接触处位置矢量 Rp、左右轮心轴单位矢量 w、通常的道路单位矢量 k。这里的主销单位矢量是背离道路指向上方的,主销与道路平面的交点位置矢量为 Rsr, 沿着车轮平面与道路平面的交线并且指向后方的单位矢量 l,5. 主销内倾角数学模型 主销内倾角示意图见图 3.2-5 所示。 主销内倾角是在车辆横向平面内主销与车辆 Z 轴的交角,并且当主
18、销向上、向内倾斜时为正。需要输入量为左右主销方向的单位矢量。其中, DCOSY 、 DCOSZ 分别表示主销方向矢量在 Y、Z 方向的方向余弦。6. 侧倾中心高度数学模型 侧倾中心高度示意图见图 3.2-6 所示。 侧倾中心是通过悬架连杆作用于车身上的侧向力与垂直力的合力矩为零的车身上的那一点。通过在轮胎接触处施加垂直于道路的单位垂直力,测量最终在轮胎接触处的垂直方向与侧向方向位移。延长垂直于左右轮轮胎接触处位移的两条直线,交点即为侧倾中心。 需要输入量为 C 矩阵、轮胎接触处位置坐标(实际接地轮距 Track)。即: Y 、 Z 分别表示轮胎实际接触处的 Y 方向、Z 方向的运动增量, Kt
19、 位轮胎刚度。7. 侧倾外倾系数数学模型 侧倾外倾系数示意图见图 3.2-7 所示。侧倾外倾系数是车轮外倾角相对于汽车侧倾角的变化率。当每增加一度的车辆侧倾角时车轮外倾角增加,则侧倾外倾系数为正。 需要输入量为 C 矩阵、轮胎刚度、左右轮距。通过左右轮胎接地处施加反向的单位垂直力,左右车轮高度差 Z ,其中 Kt 表示垂直轮胎刚度,车辆侧倾角 Av,车轮倾角由两部分组成,一部分是来自于轮胎接地处的垂直运动(即车辆侧倾角),另一部分是来自于垂直力引起的轮心处的转角 Ac, Ac = C(4, 3) +C(4, 9) (左边) = C(10, 3) +C(10, 9) (右边)总的车轮倾角 Ai
20、Ai =Av Ac 所以,侧倾外倾系数 Rc Rc =( Av Ac) / Av =1 Ac/ Av 式(3.2-7)8. 总的侧倾刚度数学模型 总的侧倾刚度是在左右轮胎接触处作用反向单位垂直力下每一度的侧倾角(在轮胎接触处测量)对应的车身侧倾力矩,需要输入量为 C 矩阵、轮胎刚度与左右轮距 track 。 通过在左右车轮作用反向单位垂直力作为施加力矩 T =F track =track 结果导致左右车轮轮心高度差 ,tZ K 为轮胎刚度, 左右轮胎接地线组成的面的旋转 , = Z/ track 总的侧倾刚度为 关于其它的悬架性能参数的数学模型,由于比较复杂,在此不加以考虑。第二章 前悬架模型
21、的建立 2.1 建模所需要的数据 本文悬架模型参考坐标系采用该车车身采用的坐标制,X 轴向后,Y轴向右,Z 轴向上。2.1.1 已知的参数 已知的数据包括已知的前悬架定位参数、已知的前轮定位参数、已知的转向系参数,分别列举如下: 1. 已知的前悬架定位参数 已知的前悬架定位参数见表 4.1.1-1 所示。2. 已知的前轮定位参数 已知的前轮定位参数见表 4.1.1-2。3. 已知的转向系统参数 已知的转向系统参数见表 4.1.1-3,其中坐标点的单位为 mm.2.1.2 需要计算的参数 1. 转向节臂球销中心点 N 坐标的计算已知转向梯形断开点 M、平衡位置转向节上球销中心点 F、平衡位置转向
22、节下球销中心点 C 三点坐标分别为(-104,344,-46),(10,598,138.4),(0,639.8,-98)。且已知 M、N 两点距离为 307.5mm, C、N 两点距离为 133.5mm, F、N 两点距离为 261.5mm. 假设 N 点坐标为(x,y,z),则:得转向节臂球销中心点 N 点坐标(-131.4,648.8,-76),各坐标点的单位为 mm。2. 主销轴线与转向节轴线交点 P 坐标的计算 已知 F、C 两点坐标,且主销轴线与转向节轴线交点 P 在 FC 线段上,FP/CP=2.26,所以得主销轴线与转向节轴线交点 P 点坐标(3.1,627,-25.5), 各坐
23、标点的单位为 mm。3. 前轮轮心 G 坐标的计算 已知 C 点坐标,且已求出 P、N 点坐标,又知 N、G 两点距离为 157mm,P、G 两点距离为 94.5mm,C、G 两点距离为 104.5mm,所以得前轮轮心 G 点坐标(0.9,721.2,-32.5),各坐标点的单位为 mm。2.1.3 引用 ADAMS/Car 自带的标准文件 本文悬架模型中考虑各种橡胶元件的作用,但因为没有实际的有关橡胶元件的特性文件,所以本文考虑的各种橡胶元件是引用 ADAMS/Car软件中的自带标准文件,这对研究问题(而不是生产实际)来说也是一种可行的方法。 1. 橡胶衬套特性参数文件 在刚性约束模型的基础
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