双横臂独立悬架导向机构的设计计算 - 图文

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目 录

第一章 绪 论 ............................................. 3

1.1 国内外技术现状和发展趋势 ................................... 3 1.2 悬架概述 ................................................... 3 1.3双横臂独立悬架简介 .......................................... 5 1.4悬架几何参数及其对车辆性能的影响 ............................ 8

1.4.1汽车操纵稳定性的重要性 ................................. 8 1.4.2悬架系统几何参数对汽车操纵稳定性的影响 ................. 8 1.4.3车轮定位参数的主要研究内容 ............................. 9

第二章建立双横臂悬架模型的理论基础 ................................ 10

2．1 汽车多体系统分析软件介绍 ................................. 10

2.1.1 ADAMS一些模块介绍 ................................... 11 2.1.2 ADAMS软件的特点 ..................................... 12 2.2用ADAMS/CAR建模分析要点 ................................. 13

2.2.1 关于悬架测试台 ....................................... 13 2.2.2. 悬架分析过程 ......................................... 14 2.2.3 悬架分析的类型 ....................................... 14

第三章双横臂悬架模型的建立 ........................................ 16

3.1 双横臂式独立前悬架模型的建模数据 ........................... 16

3.1.1已知的参数 ............................................ 17 3.1.2引用ADAMS/Car自带的标准文件 ......................... 18 3.2前双横臂独立悬架模型的建立 ................................. 21

3.2.1悬架的建模原理 ........................................ 22 3.2.2前悬架总成的所有组成部件 .............................. 22 3.2.3悬架子系统的建立 ...................................... 23 3.2.4转向系统模型的建立 .................................... 23 3.2.5悬架试验台及轮胎仿真模型 .............................. 23 3.2.6悬架总成的建立 ........................................ 24

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3.3本章小结 ................................................... 28 第四章悬架的仿真分析与优化设计 .................................... 30

4.1独立悬架性能评价指标及评价方法总述 ......................... 30 4.2仿真实验的方案 ............................................. 31 4.3独立悬架运动学与弹性运动学特性的仿真 ....................... 33

4.3.1前轮外倾角 ............................................ 34 4.3.2前束角 ................................................ 35 4.3.3主销后倾角与主销后倾拖距 .............................. 36 4.3.4主销内倾角和主销偏移距 ................................ 37 4.3.5轮距的变化 ............................................ 38 4.3.6制动点头量和加速上仰量 ................................ 39 4.3.7悬架刚度和侧倾角刚度 .................................. 40 4.3.8侧向力引起的各种顺从转向 .............................. 41 4.3.9侧倾转向、干涉转向 .................................... 42 4.3.10侧倾后倾系数、侧倾转向 ............................... 44 结 论 ................................................... 44 4.4本章小结 ................................................... 45 第五章 全 文 总 结 ............................................... 46 致 谢 ........................................................... 47 参 考 文 献 ....................................................... 48

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第一章 绪 论

1.1 国内外技术现状和发展趋势

自20世纪90年代起，各主要发达国家在汽车产品设计开发领域中广泛采用信息技术、计算机技术、CAD/CAE/CAM/PDM技术、KBE(Knowledge BasedEngineering)技术等先进手段，使设计水平大为提高，新车型的开发周期大大降低。以美国为例，在90年代初，轿车新车型的开发周期大约为5-6年，到90年代末已降为12-18个月。具体到悬架设计方面，仿真分析、虚拟设计、反求工程、AI技术等已经获得推广应用。根据国际联机检索可以看出，国外己建立了悬架结构型式和悬架设计参数的知识库和专家系统，不同类型悬架的设计计算方法在国外已较为成熟，并有多项专利。值得一提的是，国外在悬架设计领域中的一些研究成果已经被某些大型的商品化的机械系统动力学仿真软件所吸收。例如，由美国著名软件公司MDI与Audi.BMW.Renault和Volvo等汽车公司合作开发的轿车设计软件包ADAMS/Car，其中就包括了悬架模块，可以预测悬架系统特性、计算悬架载荷时间历程、进行装配性能研究等，从而有效地协助工程师完成设计任务[1]。长期以来，国内汽车行业，特别是轿车、微型车行业基本上依靠国外技术生存。虽有众多专家、学者、业内人士不断强调培育本土设计开发能力的重要性，但在缺乏竞争力的环境下，相关企业往往出于短期利益考虑，不愿在此方面进行大规模投入，致使这项工作难以真正落实到位。当前，国内轿车及微型车几乎都是引进国外技术生产的。需要注意的是，这种“引进技术”实际上只是引进国外现成的产品设计结果，而不是产品设计开发技术本身。因此，迄今为出，国内汽车行业对包括悬架系统在内的汽车底盘系统关键产品的设计机理·仍然知之甚少，重复引进到处可见与浪费惊人，而且也往往受制于人。

1.2 悬架概述

悬架是车架(或承载式车身)与车轿(或车轮)之间的一切传力连接装置的总称。它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力(支承力)、纵向反力(牵引力和制动力)和侧向反力以及这些反力所造成的力矩都要传递到车架(或承载式车身)上，以保证汽车的正常行驶。汽车悬架系统基本上是由弹性元件、减振器和导向机构三大部分组成。这三部分分别起缓冲、减振和导向作用，共同承担传递轮胎与车身之间的各种力和力矩

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的任务。汽车行驶中路面的不平坦、凸起和凹坑使车身在车轮的垂直作用力下起伏波动，产生振动与冲击；在加减速及转弯和制动时的倾覆力和侧倾力可使车身产生俯仰和侧倾振动。这些振动与冲击会严重影响车辆的平顺性和操纵稳定性等重要性能。悬架作为上述各种力和力矩的传动装置，其传递特性的好坏是影响汽车行驶平顺性和操纵稳定性最重要、最直接的因素[2]。 弹性元件

弹性元件一般由钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、气体弹簧和橡胶弹簧这些部件中的一部分或者几部分组成。由于汽车不可能行驶在绝对平坦的路面上，路面作用于车轮上的垂直反力，往往是冲击性的，特别是在坏路面上行使时，这种冲击力将达到很大的数值。这种冲击力传到车身和车架时，将可能引起汽车零部件的疲劳和损伤，这种冲击力传给乘客和货物时将可能使货物受到损伤，使乘客感到疲劳和不舒适。为了缓和这种冲击力，尽量减少它对汽车零部件、乘客和货物的不利影响，在汽车行驶系中，除了采用弹性的充气轮胎以外，还在悬架中装有弹性元件，使车身(或者车架)和车轮(或者车桥)之间作为弹性联系。 减振器

汽车悬架系统中，一般都采用液力减振器。它的工作原理是:当车身与车轮作往复相对运动时，活塞在缸筒内作往复移动，减振器壳体内的油液便反复的从一个内腔通过一个狭小的孔隙流入另一个内腔。此时，孔壁与油液间的磨擦以及液体分子内的摩擦便形成了对振动的阻尼力，使车身与车轮的振动能量转化为热能，而被油液和减振器壳体所吸收，然后散发到大气中。减振器的阻尼力的大小随着车身与车轮的相对速度的增减而增减，并且与油液粘度有关，减振器的阻尼力越大，振动消除的越快，但是过大的阻尼力可能导致减振器连接部件及车身受到损坏。减振器的作用:汽车受到不平路面冲击后，将产生振动，这种持续的振动容易使乘员感到不舒适和疲劳，因此悬架中安装有减振器，使振动迅速衰减，以改善汽车的行驶平顺性。 导向机构

悬架中确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩可靠传递并决定车轮相对于车架或车身的位移特性的连接装置统称为导向机构。导向机构决定了车轮跳动时的运动轨迹和车轮定位参数的变化，以及汽车前后侧倾中心及纵倾中心的位置。因此合理设

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计导向机构，以确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩的可靠传递，保证车轮跳动时车轮定位参数的变化不会过大，并且能满足汽车具有良好的操纵稳定性要求。

对悬架提出的设计要求有： 1.保证汽车有良好的行驶平顺性。 2.具有合适的衰减振动能力。 3.保证汽车具有良好的操纵稳定性。

4.制动或加速时保证车身稳定，减少车身纵倾；转弯时车身侧倾角要合适。 5.有良好的隔声能力。

6.结构紧凑、占用空间尺寸要小。

7.可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满足零部件质量小的同时，还要保证有足够的强度和寿命。

[3]

1.3双横臂独立悬架简介

汽车悬架分为两大类：非独立悬架和独立悬架。

非独立悬架其结构特点是两侧的车轮由一根整体式车桥相连。车轮同车轿一起通过弹性悬架与车架(或车身)连接。当一侧车轮因道路不平而发生跳动时，必然引起另一侧车轮在汽车横向平面内发生摆动。独立悬架其结构特点是车轿做成断开的，每一侧的车轮可以单独地通过弹性悬架与车架(或车身)连接，两侧车轮可以单独跳动，互

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不影响，故称为独立悬架。随着汽车速度的不断提高，非独立悬架已不能满足行驶平顺性和操纵稳定性等方面提出的要求。因此，独立悬架获得了很大的发展。

独立悬架具有以下优点：

1.在悬架弹性元件一定的变形范围内，两侧车轮可以单独运动而互不影响，这样在不平道路上可减少车架和车身的振动，而且有助于消除转向不断偏摆的不良现象。

2.减少了汽车的非簧载质量(即不由弹簧支承的质量)。在非独立悬架情况下，整个车桥和车轮都属于非簧载质量部分。在采用独立悬架时，对驱动桥而言，由于主减速器、差速器及其外壳固定在车架上，成了簧载质量；对转向轴而言，它仅具有转向主销和转向节，面中部的整体梁不再存在，所以在采用独立悬架时，非簧载质量只包括车轮质量和悬架系统中的一部分零件的全部或部分质量，显然比用非独立悬架时的非簧载质量要小得多。在道路条件和车速相同时，非簧载质量越小，则悬架受到的冲击载荷也越小，故采用独立悬架可以提高汽车的平均行驶速度。

3.采用断开式车桥，发动机总成的位置可以降低和前移，使汽车重心下降，提高了汽车行驶稳定性；同时给予车轮较大的上下运动空间，因而可以将悬架刚度设计得较小，使车身振动频率降低，以改善行驶平顺性。基于以上优点使独立悬架广泛地被采用在现代汽车上，特别是轿车转向轮普遍采用了独立悬架。随着汽车行驶速度的不断提高，传统的钢板弹簧式悬架已难以满足汽车行驶舒适性和操纵稳定性等方面提出的要求，因而在轻型载货车及轻型客车上推广使用独立悬架，尤其是双横臂独立悬架得到较大的发展。独立悬架的应用不仅降低了汽车在不平路面上行驶时车架与车身的振动，减小了汽车的非簧载质量，而且可以使动力总成的位置降低与前移，使整车质心位置下降，从而提高了行驶稳定性和乘坐舒适性。双横臂独立悬架通过合理选择结构参数，可减小车轮跳动时引起前轮定位参数和轮距的过大变化，避免轮胎的过渡磨损，广泛使用在高档轿车和轻型货车的前悬架[4]。

下面，看看双横臂独立悬架的特点、优点及主要应用[5]

1.弹簧刚度和减振器阻尼可以根据需要，较容易调整；非簧载质量小，有利于行驶平顺性。

2.由于设计的自由度大，可通过合理布置，使悬架与转向杆系的运动干涉减小，不易发生跳摆。

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3.可以通过调整其导向机构较容易地得到所需要的前轮定位参数，得到较好的整车性能。

4.能够降低发动机和驾驶室高度，从而降低质心。

5.有效弹簧距等于轮距，有利于提高横向角刚度，但一般来讲，侧倾中心高度低，不利于其侧倾稳定性，一般需加横向稳定杆。双横臂式独立悬架多用于轿车和轻型客、货汽车的前悬架上，在麦弗逊式悬架出现后，逐渐被麦弗逊式悬架所替代，但是进入九十年代以来，随着轿车豪华化和高性能化，采用该结构的车种不断增加，在一些对平顺性和操纵稳定性要求较高的汽车上，不仅前悬架，而且后悬架也采用了双横臂式悬架。比如：一汽红旗CA7460的前悬架、通用的凯迪拉克（Cadillac）的前悬架、梅赛德斯—奔驰轿车）的前悬架、保时捷的前悬架、法拉利的前后独立悬架、劳斯—莱斯的险路（Corniche）的前悬架、本田的雅阁的前后悬架、三菱帕杰罗的前悬架，均采用了双横臂独立悬架[6]。可见，双横臂独立悬架得到了广泛的应用，所以研究双横臂独立悬架是非常必要的。为了能够准确的建立仿真模型，必须首先对仿真对象的物理结构有清晰的了解。下面介绍与建模相关的双横臂前悬架的结构和运动方式。

1—扭杆弹簧固定支架 2—调整螺栓 3—扭杆弹簧 4—减振器 5—减振器上支架

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6—上横臂 7—上支撑杆 8—下支撑杆 9—下横臂 10—转向节

图示1-2所示的是不等长双横臂式扭杆弹簧独立前悬架的构造图。扭杆弹簧3纵向布置在车架纵梁的外侧，其前端借花键与上横臂6相连，后端通过花键固定在扭杆弹簧固定支架1的花键套中。简式减振器的上端与焊接在车架上的减振器上支架5相连。当车轮上下跳功时，作用在车轮上的垂直载荷经转向节10和上横臂6传给扭杆弹簧，使扭杆产生扭转变形，因而缓和了由不平路面产生的冲击载荷。

1.4悬架几何参数及其对车辆性能的影响

1.4.1汽车操纵稳定性的重要性

车辆安全性能总体上可以分为两大部分：主动安全性和被动安全性。主动安全性指汽车能够帮助驾驶员在所有交通状况下尽可能安全地避免事故的性能，包括环境视见性、操纵稳定性、加速性和制动性等。被动安全性指汽车在发生不可避免事故时（特别是涉及人员伤亡时），尽可能减小其后果的性能，如安全气囊等设备。有文献[7]统计，按照汽车事故的诱发因素比例由大到小地排列，操纵稳定性名列第一。因此，汽车操纵稳定性能是车辆主动安全性中最重要的指标。汽车的操纵稳定性[9]包括相互联系的两个部分，一是操纵性，是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶的能力；二是稳定性，是指汽车遭遇外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的能力。如何评价和设计汽车的操纵稳定性，以获得良好的汽车主动安全性。

1.4.2悬架系统几何参数对汽车操纵稳定性的影响

有研究[8]表明，影响汽车操纵稳定性的因素主要有前后悬架的刚度、前悬架导向机构的几何参数、前悬架主销的定位参数、后悬架结构参数以及汽车前后轮胎的侧偏刚度、后轮胎外倾角和横向稳定杆刚度因素。可见，研究悬架系统特性对于获得良好的操纵稳定性意义重大。

在悬架系统的诸多几何参数中，车轮定位参数是最为重要的一组参数。汽车车轮定位参数是指车轮外倾角、车轮前束、轮距、主销后倾角及主销内倾角，另外还包括主销偏移距与主销后倾拖距等。车轮定位参数直接影响悬架系统特性，与汽车操纵稳定性的多种评价指标[10]都密切相关。合适的车轮定位参数可以保证所期望的行驶特性和直线行驶能力以及避免轮胎的过度磨损。下面对各种车轮定位参数分别加以说明：

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1.车轮外倾角的实际作用在于减小主销偏移距，以提高制动稳定性。负的车轮外倾角会提高所能承受的侧偏力，或者在给定的侧偏力也就是给定向心力加速度时，降低车轮侧偏角；前轮上的负外倾使转向盘力矩比无外倾时减小；后轮有负外倾时，质心处侧偏角β随v2/ρg的变化要比无外倾时缓和些。

2.前束与车轮外倾角之间的匹配是非常必要的，适当匹配前轮前束与车轮外倾角，可以使单胎上的侧向力相互抵消，从而减轻轮胎的磨损与滚动阻力。前轮前束的另一个重要作用是补偿和防止车轮后束。

3.主销后倾角对汽车操纵稳定性的影响主要是通过“后倾拖距”使地面侧向力对轮胎产生一个回正力矩，该力矩产生一个与轮胎侧偏角相似的附加转向角，它与侧向力成正比,使汽车趋于增加不足转向，有利于改善汽车的稳态转向特性。“后倾拖距”主要在高速时起回正作用。

4.主销内倾角对操纵稳定性的影响，主要也是回正力矩，它是在前轮转动时将车身抬高，由于系统位能的提高而产生的前轮回正力矩，它与侧向力无关。主销内倾主要在低速时起回正作用。主销偏移距设计得比较小或为负值，可以减小前悬架的纵向力敏感性。

5.轮距对汽车的曲线行驶性能和侧倾具有决定性的影响。轮距变化还对转向系有影响。

1.4.3车轮定位参数的主要研究内容

对车轮定位参数变化的研究分为悬架运动学和悬架弹性运动学，悬架运动学的主要研究内容是车轮定位参数与悬架弹性变形（或车轮跳动量）的关系，悬架弹性运动学是描述轮胎与路面之间的力和其力矩作用下，车轮定位参数的变化规律

[11]

。随着现

代轿车性能的不断提高，对悬架系统的缓冲、减振及导向性能的要求愈加严格，悬架导向机构的联接处愈来愈多地使用橡胶衬套，并且导向机构本身也采用柔性较大的弹性体。悬架系统中橡胶支承弹性元件和柔性体的大量采用，导致车轮定位参数在行驶过程中会产生悬架运动学和悬架弹性运动学变化，这些变化对汽车的操纵稳定性会有很大的影响。

总之，悬架运动学和弹性运动学是悬架系统设计的重要依据和评价指标，由弹性构件形成的悬架系统综合力学特性对汽车的操纵稳定性、行驶平顺性、以及轮胎的磨

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损等均有显著影响。

为了保证汽车直线行驶，汽车的转向轮均设计成具有自动回正作用。也就是说当转向轮在偶遇外力发生偏转时，一旦作用的外力消失后，应能立即自动回到原来直线行驶的位置。这种自动回正作用是由转向轮和定位参数来保证的，也就是转向轮、主销和轴之间的安装应具有一定的相对位置。这些转向轮的定位参数有主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束。此外，合理的车轮定位值是避免轮胎过度磨损的重要保证。

第二章建立双横臂悬架模型的理论基础

2．1 汽车多体系统分析软件介绍

从整个汽车CAE的角度来说，汽车多体系统分析软件可完成三项任务： 1.对直接设计的系统进行性能预测； 2.对已有的系统进行性能测试评估；

3.对原有的设计进行改进。分析的范围包括：运动分析、静态分析、准静态分析、动态分析、灵敏度分析等。应用多体系统动力学理论解决实际的汽车动力学问题时，一般要经以下几个步骤：

1.实际系统的多体模型简化； 2.自动生成动力学方程； 3.准确求解动力学方程。

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）全称是机械系统自动动力学分析软件，它是目前世界范围内最广泛使用的多体系统仿真分析软件。通过预测和分析多体系统经受大位移运动时的性能，ADAMS可以帮助改进各种多体系统

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的设计从简单连杆机构到广泛使用的车辆系统。ADAMS软件可以方便地建立参数化实体模型，并应用了多体系统动力学原理进行仿真计算。只要用户输入具体多体系统的模型参数，ADAMS软件就可以根据多体系统动力学原理自动建立动力学方程，并用数值分析的方法求解这个动力学方程。这就给多体系统的计算分析带来了方便，而且ADAMS软件建模仿真的精度和可靠性在现在所有的动力学分析软件中是最好的。所以基于这些优点本课题将采用ADAMS仿真分析软件来对悬架运动学和弹性运动学进行计算机仿真分析ADAMS使用交互图形环境和部件库、约束库、力库用堆积木方式建立三维机械系统参数化模型，并通过对其运动性能的仿真分析和比较来研究虚拟样机可供选择的设计方案[12][13]。

2.1.1 ADAMS一些模块介绍

ADAMS仿真可用于估计机械系统性能运动范围碰撞检测峰值载荷以及计算有限元的载荷输入。它提供了多种可选模块核心软件包包括交互式图形环境ADAMS/View图形用户界面模块： ADAMS/Car是MDI公司与Audi BMWRenault和Volvo等公合作开发的整车设计软件包集成了它们在汽车设计开发等方面的经验利用该模块工程师可以快速建造高精度的整车虚拟样机包括车身悬架传动系统发动机转向机构制动系统等并进行仿真通过高速动画直观地显示在各种试验工况下例如天气道路状况驾驶员经验整车动力学响应并输出标志操纵稳定性制动性乘坐舒适性和安全性的特征参数从而减少对物理样机的依赖而仿真时间只是物理样机试验的几分之一。ADAMS/Car采用的用户化界面是根据汽车设计师的习惯而专门设计的设计师不必经过任何专业培训就可以应用该软件开展卓有成效的开发工作.

ADAMS的核心配置方案是核心仿真软件包，它包括交互式图形用户界面ADAMS／View和仿真核心的求解器ADAMS／Solver等。

ADAMS／View是ADAMS系列产品的交互式图形环境，采用简单的分级方式或建模工作。仿真结果采用强有力的、形象直观的方式描述虚拟样机的动力学性能，并将分析结果进行形象化输出。CAD几何造型可通过IGES接口输入进ADAMS／View,ADAMS／View的输出选项可以是曲线图、着色的或线框式的动画显示及输出到Exchange接口视频显示器或WAVE--FRONT软件接口。

ADAMS／Solver是位于ADAMS产品系列心脏地位的仿真“发动机”。该软件自动

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形成机械系统模型的动力学方程，并提供静力学、运动学和动力学的解算结果。ADAMS／Solver有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种问题它可以对刚体和弹性体进行仿真研究。为了进行有限元分析和控制系统研究，用户除要求软件输出位移、速度、加速度和力外，还可要求模块输出用户自己定义的数据，可以通过运动副、随机运动、高副接触、用户自定义的子程序等添加不同的约束，还可同时求解运动副之间的作用力和反作用力，或施加单向外力。

ADAMS/Car(轿车模块)赋予工程师精确建立整套虚拟样机的能力，其中包括悬架、传动系、发动机、转向机构、ABS系统以及其它复杂总成。用户可以在各种不同的道路条件下运行ADAMS／Car模型，执行驾驶操作，使车辆在试验跑道上正常行驶，准确模拟汽车的操纵稳定性、乘座舒适性、安全性及其它各项性能。仿真功能还包括牵引性能控制、ABS等控制系统。这为汽车工程师提供了前所未有的仿真能力，世界五大汽车制造公司Audi、BMW、Ford、Renault和Volve形成了一个国际性合作集团，共同开发成功了ADAMS/Car软件。

2.1.2 ADAMS软件的特点

具体地说,ADAMS软件具有如下特点[14][15]：

1.ADAMS具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，其动力学数值积分有极强的适应性，积分步长和输出步长无关，用户可以成功地进行高频输出。

2.分析类型包括运动学、静力学、准静力学、动力学分析。其静平衡法包括多种级别积分，因此当一种积分方法失效后，软件就自动开始进行第二次积分。解算器可以处理病态矩阵。

3.具有二维和三维建模能力。

4.具有五十多种联结副、力和运动发生器组成的库。

5.具有组装、分析和动态显示不同模型或同一模型的某一变化过程 6.具有开发式结构，允许用户集成自己的子程序。 7.具有一个强大的函数库，供用户自定义力和运动发生器。

8.有限元载荷的输出接口，ADAMS运动时，刚体和柔体模型的载荷都可直接输出ANSYS、NASTRAN或ABAQUS兼容的格式。

9.表面接触功能可自动检测接触是否发生并作出响应。

10.通过采用全局定位图识别过约束系统，功能更强，精度更高。

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2.2用ADAMS/CAR建模分析要点

ADAMS/Car中包括整车动力学软件包Vehicle Dynamics悬架设计软件包Suspension Design以及概念化悬架设计模块CSM其仿真工况包括方向盘阶跃斜坡和脉冲输入蛇行穿越试验漂移试验加速试验制动试验和稳态转向试验。同时设定试验过程中的节气门开度变速器档位等由于ADAMS/CAR在汽车运动学/动力学仿真方面的优秀性能本文拟采用ADAMS/CAR作为主要的研究工具本文用到的主要是悬架设计软件包的功能在ADAMS/CARTemplate Builder中应用其参数化的建模环境各种现有汽车主要针对轿车的各种元件和丰富的力变量参数等功能建立悬架模块的模型在标准模式下还可以改变尺寸参数元件的属性和车辆参数与其他模块装配并可以安装在虚拟试验台上就可以方便的进行与物理实验台相同的轮跳试验静态加载试验和转向试验并自动得到大部分常用的参数此外还可以应用数学功能和request功能得到许多其它需要的参数用ADAMS/Postprocessor还可以方便的绘制分析结果的曲线在曲线上测量数值以及得到试验过程的动画重现。

ADAMS/CAR中所有的数据都是通过ADAMS/Solver求解器完成的ADAMS/Solver根据在CAR中建立的模型和参数自动生成所有约束方程动力学方程和各种力学关系方程并用数值分析的方法进行求解用户无需编写动力学计算方程及求解过程只需输入具体多体系统的模型参数这样就能把研究更多的集中在研究对象本身上。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；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

[16][17]

。

2.2.1 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

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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，我们可以测试悬架运动学、动力学以及柔性特性。

2.2.2. 悬架分析过程

悬架分析过程见图2-1。

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。在执行悬架分析之前，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。

2.2.3 悬架分析的类型

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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。

采用ADAMS/CAR软件建立汽车悬架系统虚拟样机模型的目的是为了分析悬架系统的运动学特性，悬架系统模型的建立就是围绕着这个目的，抓住悬架系统各运动机构和约束杆件之间铰接的运动学和动力学特性的本质，将实际物理样机系统作一定程度的抽象和简化，在ADAMS/CAR的view中建立出悬架系统各个杆件之间合理的多体动力学拓扑结构图，将其以数学模型的形式提交给ADAMS/SOVLE进行求解，进而通过功能强大ADAMS/PostProcessor获得所需结果。

CAR模块是ADAMS软件包中的一个专业化模块，主要用于对轿车（包括整车及各个总成）的动态仿真与分析。对于悬架系统来说ADAMS/CAR在仿真结束后，可自动计算出三十多种悬架特性，根据这些常规的悬架特性，用户由可定义出更多的悬架特性，产品设计人员完全可以通过这些特性曲线来对悬架进行综合性能的评价和分析。

应用ADAMS/CAR对悬架系统进行建模的原理相对比较简单，建模原理与实际的系统相一致。考虑到汽车基本上为一纵向对称系统，软件模块已预先对建模过程进行了处理，产品设计人员只需建立左边或右边的1/2悬架模型，另一半将会根据对称性自动生成，当然设计人员也可建立非对称的分析模型。在建立分析总成的模型过程中ADAMS/CAR的建模顺序是自下而上的，所有的分析模型都是建立在子总成基础上，而子总成又是建立在模版的基础上，模版是整个模型中最基本的模块。然而模版又是整个建模过程中最重要的部分，分析总成的绝大部分建模工作都是在模板阶段完成的。

2.3 本章小节

本章简要介绍了建立双横臂独立悬架的理论基础。首先介绍了多系统动力学的发展以及在汽车行业中的应用，并详细介绍了机械系统分析软件ADAMS的特点和优点，最后介绍了建立仿真模型的要点，为下一章打下理论基础。

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第三章双横臂悬架模型的建立

3.1 双横臂式独立前悬架模型的建模数据

本文利用ADAMS/CAR建立了双横臂式前悬架系统的仿真模型，该前悬架的结构形式采用的是上下横臂、螺旋弹簧式独立悬架，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，其具体悬架数据如下。图3-1双横臂独立悬架左侧简化机构示意图

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3.1.1已知的参数

该前双横臂独立悬架左侧简化机构示意图如图2-1所示。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、分别列举如下：

已知的悬架定位参数见表3-1。

定位点

前悬架下臂前安装点 前悬架下臂外安装点 前悬架下臂前安装点 前悬架上臂前安装点 前悬架上臂外安装点 前悬架上臂后安装点 前轮轮心安装点 前悬架减振器上安装点 前悬架转向节与下横臂安装点 前悬架转向节与车身安装点 前悬架减振器下安装点

2．已知的前轮定位参数

已知的前轮定位参数见表3-2

主销后倾角

5.5

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o

X -200 0 200 100 40 250 0 40 150 200 0

Y 400 -750 -450 -450 -675 -490 -800 -500 -750 -400 -600

Z 150 100 155 525 525 525 300 650 300 300 150

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主销内倾角 前轮外倾角 前轮前束 轮距

9.0o 1.5o -0.5o 1600mm

3.1.2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上，考虑橡胶支撑元件的弹性，用弹性约束代替刚性约束，

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就得到了弹性约束刚体运动学模型。橡胶支撑元件的弹性作用比较显著的有：上下摆臂与车身连接的橡胶衬套，减振器上活塞杆与车身连接的橡胶支撑轴承。为了在模型中使用弹性约束，在上、下摆臂与车身连接处均用衬套代替原来的转动副，在减振器上下活塞与车身、下摆臂连接处均用衬套代替原来的万向节铰链。衬套（bushing）是ADAMS/Car中的一种元件，它定义了两个相对运动的部件之间六个自由度的力的关系。衬套对应于相对移动速度和相对转动速度都有描述相对作用力的线性的阻尼系（damping coefficients）,同样，也有用力-变形曲线来描述相对位移和转角与力的关系。衬套的作用点和作用方向可以由用户确定，还可以加预加载荷（preload）或预变形（offset）衬套和铰链约束一样，可以通过开关选择在刚性或柔性的实验中是否起作用。如果衬套的力-变形曲线是线性的，这种衬套就被称为线性衬套（linearbushing）,可以通过刚度系数来简单的定义。否则，如果衬套的力-变形曲线是非线性的复杂关系，就需要用特性文件来定义，通过给一定数量的特征点，ADAMS/Car用插值的办法确定对应于每一个变形值的力的大小。显然，这种弹性约束（其实质是表征力的元件）可以比较全面地描述两个部件之间的连接的全部弹性力和阻尼力的关系，使用起来比较方便，并能达到较好的效果。但由于衬套代替刚性约束，释放了许多的约束，使模型变得比原来复杂得多。本文中除了下横臂前安装点与车身连接的衬套特性文件是mdi_0001.bus外，其余几处的连接衬套特性文件均是mdi_0004.bus。

2.减振器特性参数文件

实际汽车使用的减振器阻尼系数是非线性的，其阻尼特性用力-速度特性曲线来表示。当然，减震器特性文件也可以由实测的速度-力关系数据来自定义。

3.上、下缓冲块模型及特性参数文件

在前悬架系统的减振器上还安装有橡胶缓冲块（只上跳行程时有，在崎岖路面的车辆上，还可以选装下跳行程的橡胶缓冲块），以防止和限制悬架（也即限制车轮）的上跳极限行程。由于缓冲块有较大的弹性作用，在车轮上跳到与缓冲块开始接触时，相当于给减振器并联了一个副簧，压缩较大时，缓冲块的影响也相当大。在ADAMS/Car中，有上跳限位缓冲块（bumpstop）和下跳限位缓冲块（reboundstop）元件可以方

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便的使用。上跳限位缓冲块（bumpstop），定义了两个部件之间力和变形位移的关系。上跳限位缓冲块作用于用户定义的两个部件的坐标点之间，按照属性文件中的曲线描述的力-变形关系发挥作用。缓冲力在两个坐标点之间的距离超过空运行距离（clearance）时，或者碰撞长度（impact length）小于给定值时，开始起作用。下跳限位缓冲块（reboundstop），与上跳限位缓冲块有相似的作用，只是在下跳时起作用，不再重述。本模型中，上跳限位缓冲块连接于车身和上减振器筒之间，下跳限位缓冲块连接于大地和实验台之间。上、下缓冲块特性文件见图上、下限位缓冲块的空运行程

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4.轮胎特性文件

轮胎特性对车辆多方面性能都有着重要的影响，其它各项性能一样的前提下选用不同类型和型号的轮胎，最终表现出来的车辆性能就会不同。所以，轮胎特性文件不可忽略，本文中选用自定义法（User Defined）,而不是选用特性文件法（Property Files）。当然，也可以采用轮胎特性文件编辑的方法，这样可以编辑各方向力与力矩的非线性的轮胎特性。所以更能真实的反映轮胎性能。本文中取轮胎静载荷下的半径为300mm，轮胎刚度为200 N/mm,其它参数见表3-7。

3.2前双横臂独立悬架模型的建立

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3.2.1悬架的建模原理

CAR模块是ADAMS软件包中的一个专业化模块，主要用于对轿（包括整车及各个总成）的动态仿真与分析。对于悬架系统来说，ADAMS/CAR在仿真结束后，可自动计算出三十多种悬架特性，根据这些常规的悬架特性，用户由可定义出更多的悬架特性，产品设计人员完全可以通过这些特性曲线来对悬架进行综合性能的评价和分析。应用ADAMS/CAR对悬架系统进行建模的原理相对比较简单，模型原理与实际的系统相一致。考虑到汽车基本上为一纵向对称系统，软件模块已预先对建模过程进行了处理，产品设计人员只需建立左边或右边的1/2悬架模型，另一半将会根据对称性自动生成，当然设计人员也可建立非对称的分析模型。

在建立分析总成的模型过程中，ADAMS/CAR的建模顺序是自下而上的，所有的分析模型都是建立在子总成基础上，而子总成又是建立在模版的基础上，模版是整个模型中最基本的模块。然而模版又是整个建模过程中最重要的部分，分析总成的绝大部分建模工作都是在模版阶段完成的。 3.2.2前悬架总成的所有组成部件

整个前悬架总成由如下部件组成：左、右下横臂各一个（共两个），左、右上横臂各一个（共两个），左、右转向节各一个（共两个），左、右车轮各一个（共两个），左、右转向横拉杆各一个（共两个），转向中间臂（一个），左、右减振器下筒各一个（共两个），左、右减振器上筒各一个（共两个），车身实体（一个），横向稳定杆（一个），左、右螺旋弹簧各一个（共两个），转向盘（包含转向柱）（一个），转向传动轴

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（一个），转向输入轴（其上含有转向齿轮）（一个），起定位和导向作用的齿条外壳圆柱管（一个），齿条（一个），左、右测试台各一个（共两个）。 2.各个部件之间的约束关系

抽象简化之后的各个部件之间的约束关系如下：测试台架与大地的圆柱副约束；因为车轮具有弹性，测试台与车轮的约束关系复杂；车轮与转向节的转动副约束；转向节与上下横臂的球铰约束；上下横臂与车架的转动副约束；转向横拉杆与转向节臂的球铰约束；转向横拉杆与齿条的恒速度副约束；转向输入轴与转向齿条外壳圆柱管的转动副约束；转向输入轴（转向齿轮）与齿条的转动约束，齿条与转向齿条外壳圆柱管的移动副约束，所以这是一个转动副与移动副的耦合副；转向盘（含转向柱）与车身的转动副约束；转向柱与转传动轴的万向节约束；转向输入轴与转向传动轴的万向节约束；横向稳定杆与下横臂的球铰约束；横向稳定杆中间部分与车身的转动副约束。

3.2.3悬架子系统的建立

本文在建立悬架模型时采用该车车身采用的坐标系，X轴向后，Y轴向右，Z轴向上。建立模型时假设悬架和转向系的零部件，除了轮胎、弹性元件、阻尼元件、橡胶元件外，其余全部认为是刚体。利用ADAMS软件交互式图形环境和部件库、约束库、力库等，根据物理样机的拓补结构和各构件的约束关系，建立了三维机械系统参数化模型，如图3-8。

3.2.4转向系统模型的建立

悬架系统的运动学和弹性运动学分析可以在不与转向系统组合的情况下进行。考虑到转向系统与悬架系统运动机构可能会发生相互干涉的情况，在对悬架系统进行运动学分析时，在两个系统组合的情况下进行分析会较为全面合理。本文转向系统的模型建立采用的是齿轮齿条转向系统，是对ADAMS/Car软件中自带齿轮齿条转向系模板经过适当改动而成，模型如图3-10所示。模型的拓补结构和各杆件之间的约束较为复杂，鉴于转向系统模型的内部结构和运动特性对本文进行悬架运动学分析没有重要的影响，这里不再赘述。 3.2.5悬架试验台及轮胎仿真模型

悬架试验台及轮胎仿真模型如图3-9所示，悬架试验台仿真模型采用的是

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ADAMS/CAR软件自带的标准悬架测试台。ADAMS/CAR软件利用该测试台进行所有的悬架系统特性分析。在创建一个悬架系统组装的仿真模型时，ADAMS/CAR把悬架测试台和指定的悬架系统和转向系统组装在一起。轮胎仿真模型采用的是ADAMS/CAR悬架测试台中的标准轮胎，在进行仿真时只需给出轮胎的自由半径、刚度和质量等参数即可完成对轮胎模型的创建。悬架试验台及轮胎仿真模型中具有很为复杂的结构、约束及它们与其它系统的通讯接口，这里不进行过多的介绍。 3.2.6悬架总成的建立

根据以上对子系统及总成的部件、约束关系的分析，还有前面已知、或者是已经计算、或者是引用软件系统自带的特性文件数据，首先在ADAMS/Car中建立了前双横臂悬架子系统、齿轮齿条转向子系统，。本文是利用了ADAMS/Car里自带的双横臂独立悬架模板以及齿轮齿条转向系模板，经过改动（调整关键点数据、增加横向稳定杆）组建而成。此外，由于ADAMS/Car是模块化的，以上建立的前双横臂悬架模板，必须能够保证与悬架测试台以及转向模板正确的连接，以达到让同一模板（如悬架、转向等模板）可以应用于不同的车辆，并且能应用现成的试验台（test rig）目的。因此，还要建立必要的装配部件（mount part）和合适的块间通讯（communicator）。建立了前悬架模板、转向模板后，就可以在ADAMS/Car的StandardInterface界面下建立前悬架以及转向子系统（Subsystem），最后就可以组装成前双横臂独立悬架总成

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图3-8 双横臂悬架系统模型

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图3-9 悬架试验台及轮胎仿真模型

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图3-10 转向系统仿真模型

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图3-11 装配后的前悬架系统仿真试验模型

3.3本章小结

本章主要介绍了双横臂悬架仿真模型的建立过程。首先介绍了ADAMS的实验台和悬架的分析过程，接下来给出了建立悬架模型的悬架定位参数和前轮定位参数，最后介绍了悬架模型的建立过程。

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如图所示整车左侧模型

如图所示整车右侧悬架模型

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第四章悬架的仿真分析与优化设计

4.1独立悬架性能评价指标及评价方法总述

本文在绪论中指出，悬架系统由弹性元件、阻尼元件和导向元件三部分组成，悬架系统的研究领域包括悬架系统动力学和悬架系统运动学与弹性运动学两个领域。悬架系统性能好坏的评价要分别从悬架动力学和悬架运动学与弹性运动学两个方面对弹性元件、阻尼元件的动力学特性和导向机构的运动学特性进行评价。这种评价包括两个方面内容，一个是用那些评价指标对悬架的动力学和运动学特性进行评价，一个是采用什么样的试验方法来评价悬架运动学和动力学特性。悬架性能是影响汽车行驶平顺性、操纵稳定性和行驶速度的重要因素，在悬架的设计中应满足平顺性和操纵稳定性等多种要求，在王望予的《汽车设计》一书[18]对此进行了详细的介绍。由于悬架系统的研究包含了动力学和运动学两个方面的内容，对悬架系统性能好坏的评价也应该从这两个方面分别来进行。对悬架的设计要求也就是对汽车悬架运动学和动力学性能进行评价的总体要求，评价悬架性能好坏应该紧紧围绕着这些要求来进行。

就悬架运动学或弹性运动学而言，它主要是研究在车轮与车身发生相对运动时，悬架的导向机构对这种相对运动的引导和约束作用及其对汽车操纵稳定性的影响，因此对悬架运动学的评价指标也因该是以此为出发点来进行。这些指标主要是指反映车轮定位的参数、影响悬架产生顺从转向的参数、反映车身产生纵倾和侧倾的参数、反映轮胎回正性和转向轻便性的参数、影响轮胎磨损的轮距和轴距变化等参数。这一部分参数包括很多，其中有些是对同一种悬架特性描述采用的不同参量。本文在其中指出了从不同角度反映悬架运动学和弹性运动学特性的１7个参数指标，用这些参数可以较为全面地评价悬架对汽车操纵稳定性的影响。这些参数是：车轮的前束角、车轮外倾角、转向主销后倾角、主销后倾拖距、主销内倾角、主销偏移距、轮距的变化、轴距的变化、制动时前悬架的点头量、制动时后悬架的抬头量，等等[19][20][21]。

另外，上述参数变化特性的好坏需要在特定的试验方法下进行，目前较为多的是给悬架施加特定的运动来研究相关参数变化的合理性。其试验方法（包括两种，一是建立悬架数学模型通过计算机软件仿真试验，一是建立汽车悬架试验台，通过试验台架进行实车试验）主要有：左右车轮平行跳动引起的悬架运动；单侧车轮跳动引起的悬架运动；车身侧倾引起的悬架运动；左右车轮反向跳动引起的悬架运动；外加载荷

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引起的悬架的弹性运动。就悬架动力学而言，由于它主要研究的是悬架弹性元件和阻尼元件对路面振动激励向车身的传递特性，因此对悬架运动学特性的评价指标，就应该是对车身振动产生重要影响的悬架特性指标，总的来讲要包括反映弹性元件刚度特性的参数、反映阻尼元件阻尼特性的参数。如阻尼比和衰减力特性、前后悬架的偏频、车身的固有频率、非簧载质量、悬架的动挠度和静挠度等对汽车平顺性产生影响的参数。同研究悬架运动学和弹性运动学一样，研究悬架动力学特性也分别采用计算机仿真方法和试验方法。计算机仿真分析就是将悬架与路面、轮胎、非簧载质量和簧载质量作为一个整体，根据需要建立2～7或更高自由度的线性或非线性动力学方真模型，通过路面的激励和车身输出特性来研究悬架的动力学传递特性，进而对悬架动力学特性参数进行研究。目前MatLab和ADAMS等软件为汽车悬架动力学的研究提供了非常方便的平台，使悬架动力学的研究得到了很快的发展。

悬架动力学的台架试验包括较多的内容，而且发展得已经较为成熟，这些试验主要是对弹性元件的弹性特性、阻尼元件的阻尼特性、悬架的偏频和阻尼比等重要悬架特性和悬架参数进行测试和评价。而且具有了较多的相关国家标准和行业标准对其进行了规范。鉴于悬架动力学的试验和评价方法发展较为成熟，已经具有较多的相关标准，而悬架运动学尤其是弹性运动学起步较晚，还没有达到成熟的地步，本文仅对悬架运动学和弹性运动学的评价指标和评价方法进行阐述，而对悬架动力学的评价不再进行论述。悬架运动学和弹性运动学的研究对象是悬架系统的导向机构，按导向机构分类，悬架系统分为独立悬架和非独立悬架，相比非独立悬架而言独立悬架的运动学和弹性运动学特性更为复杂，对其进行评价的性能指标和评价方法也更为全面。因此本文所研究和阐述的是独立悬架运动学和弹性运动学的评价指标和评价方法[22][23][24]。本文仅对悬架运动学和弹性运动学的评价指标和评价方法进行阐述，而对悬架动力学的评价不再进行论述。悬架运动学和弹性运动学的研究对象是悬架系统的导向机构，按导向机构分类，悬架系统分为独立悬架和非独立悬架，相比非独立悬架而言独立悬架的运动学和弹性运动学特性更为复杂，对其进行评价的性能指标和评价方法也更为全面。因此本文所研究和阐述的是独立悬架运动学和弹性运动学的评价指标和评价方法。

4.2仿真实验的方案

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本章基于建立的前悬架系统分析模型，利用ADAMS/CAR软件仿真前悬架平行跳动过程中车轮、主销、转向系统的变化，悬架导向系、转向杆系与车身之间的互相影响，从而评价悬架系统的性能，并且通过仿真结果，得出为不同车型、不同轴距、不同质量的汽车算需要的合理的悬架参数。

本章讨论了从轴距2350mm-2950mm，簧上质量从600kg-2500kg的范围内，包括微型车、经济型轿车、高级轿车、大型越野车在内的各种车型采用双横臂悬架的布置方案，经过仿真分析，总结规律。

在仿真的过程中，作者采取ADAMS/CAR中的原始双横臂悬架模型，通过仿真，找出其不符合要求的设计参数，然后通过改变相应的设计参数，使该悬架满足设计要求。接下来，对该模型的轴距、簧载质量、驱动方式等设计参数加以变化，覆盖大多数车型，通过进一步的真分析，得出一系列不同车型对悬架参数的理想要求。通过上述数据，总结出双横臂悬架的设计规律。

由于篇幅有限，作者不能把所有的仿真数据都列在论文里，因此，只选出最有代表性的、符合要求的七组数据，接下来，我们来看仿真的结果。

优化设计时，首先要使原车零部件改动尽可能小；然后应使原悬架性能参数变化比较好的要保持，或者在优化时变得更好，若是往不好的趋势变化，则至少应该还在允许的变化范围内，而对原悬架性能参数变化本来不好（不合理）的那些要在优化设计时性能得到改善、满足要求。

选中的七组方案分别是:

1轴距2350mm簧上质量800kg前驱 2轴距2350mm簧上质量800kg前驱 3轴距2500mm簧上质量900kg前驱 4轴距2500mm簧上质量1200kg前驱 5轴距2650mm簧上质量1400kg前驱 6轴距2650mm簧上质量1400kg前驱 7轴距2800mm簧上质量1600kg后驱 8轴距2950mm簧上质量2500kg后驱

设计这几组实验的目的是在全范围内测试双横臂悬架的性能。从轴距上看，采样

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点从2350mm到2950mm,样本间隔130mm，最小样本的实体采用奇瑞QQ车型，轴距2950的样本实体采用奥迪Q7车型。其中方案1是ADAMS/CAR中自带的悬架方案，方案2是优化后的悬架方案，实验的目的是为了找出合理的悬架布置方案；方案3和4的目的是在轴距相同、簧载质量增加的条件下悬架布置方案的最佳变化规律；方案5-8的目的是为了找出轴距加大、簧上质量也加大的条件下，悬架的布置方案变化规律；其中方案5-6的目的是研究驱动方式对悬架布置的影响。

限于篇幅有限，我们在每组仿真中只选取一条最符合标准的曲线，再把这几组曲线都放入同一图表中做比较。这几组方案分别是

1 ADAMS/CAR中的原始双横臂悬架模型代表曲线为b0；

2下摆臂铰接点向外移动30mm,向上移动25mm；上摆臂外铰接向外移动30mm,向上移动25mm；代表曲线为a341

3下摆臂外铰接点向外移动40mm,向上移动30mm；上摆臂外铰接点向外移动40mm,向上移动30mm；代表曲线为a4

4下摆臂外铰接点向外移动50mm,向上移动33mm；上摆臂外铰接点向外移动50mm,向上移动30mm；代表曲线为b3

5下摆臂外铰接点向外移动60mm,向上移动40mm；上摆臂外铰接点向外移动60mm,向上移动20mm；代表曲线为d4

6下摆臂外铰接点向外移动100mm,向上移动40mm；上摆臂外铰接点向外移动100mm,向上移动20mm；代表曲线为b5

7下摆臂外铰接点向外移动100mm,向上移动40mm；上摆臂外铰接点向外移动100mm,向上移动20mm；代表曲线为c3

8下摆臂外铰接点向外移动100mm,向上移动40mm；上摆臂外铰接点向外移动100mm,向上移动20mm；代表曲线为f3

4.3独立悬架运动学与弹性运动学特性的仿真

如前所述，悬架运动学和弹性运动学主要是研究在车轮与车身发生相对运动时，悬架的导向机构对二者相对运动的引导和约束作用及其对汽车操纵稳定性的影响。评价独立悬架运动学和弹性运动学特性的参数指标就是依此提出的。从反映车轮定位、影响顺从转向、反映车身纵倾和侧倾、反映轮胎回正性和转向轻便性、影响轮胎磨损

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等几个不同角度出发，本文在众多描述独立悬架运动学和弹性运动学特性的参数中指出了反映不同特性的17个参数指标，用这些参数可以较为全面地反映出独立悬架对汽车操纵性能的影响。下面逐一对这些悬架特性参数进行具体阐述

左右车轮平行跳动引起的悬架运动学比较仿真分析

车轮遇到障碍物、路面不平引起的颠簸以及车身的侧倾和纵倾都会引起车轮的上下跳动。左右车轮平行跳动引起的悬架性能参数的变化是分析悬架运动合理性的重要依据。如前所述，在分析车轮跳动引起的悬架运动特性时，车轮的跳动形式可以是两侧车轮同向跳动、两侧车轮反向跳动和单轮跳动。由于两侧车轮反向跳动和侧倾时引起的悬架的运动特性都可以用来描述汽车车身侧倾时悬架的运动情况，而对于本文所论述的独立悬架而言，单侧车轮跳动和两侧车轮平行跳动时的悬架运动特性是类同的，所以本文在此仅就左右车轮平行跳动时两种悬架的运动学特性进行比较仿真分析。本文在仿真分析时，对车轮的输入是由-50mm—50mm的由下到上线形渐增跳动行程。仿真分析得到的悬架主要参数随两侧车轮平行跳动变化关系分别见图4-1至图4-17。

4.3.1前轮外倾角

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前轮外倾角是影响汽车操纵稳定重要参数，如前所述，车轮上跳及车轮回落时的外倾变化对车辆直线行使稳定性、稳态转向特性和轮胎的磨损等都有较的大影响。为了使汽车具有较好的操纵稳定性，一般来说，希望在车轮上跳时前轮外倾角向减小的方向变化(1°/50mm较为适宜)，而在下落时朝正值方向变化[26][27]。由图4-1知，原

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双横臂式悬架在车轮上下跳动50mm的行程过程中外倾角变化了约2.5°，而且曲线变化比较陡。改后的悬架在车轮上下跳动100mm的行程过程中外倾角变化了约为1.5°，比原来小了近1°，且曲线变化比较缓和，在车轮下落时呈正向变化。这对于防止制动时因左右制动力误差造成的直线行驶稳定性变坏和减小外倾角引起的地面对轮胎的侧向力使汽车跑偏的趋势都是有利的。因此优化后的双横臂式独立悬架更好地引导和抑制了车轮外倾角在车轮跳动过程中的变化量和变化趋势，这对汽车的直线行驶稳定性和转弯时的操纵稳定性是比较理想的。 4.3.2前束角

如前所述，车轮上跳及车轮下落时的前束变化对车辆的直行稳定性、车辆的稳态响应（不足转向、过多转向）特性有很大的影响[28]，而且在汽车行驶中保持前束不变比在汽车静止时有一个正确的前束更为重要。为了确保良好的直行稳定性和转向时的不足转向特性。希望前轮上跳时呈弱负前束变化。由图4-2可知，原独立悬架和优化后的独立悬架在平衡位置时的前束角都是0.1°，在车轮从初始位置上跳时，原双横臂式独立悬架是呈较弱的负前束变化，基本上能做到使汽车具有较好的直行稳定性和转向时的不足转向特性，但是呈现了较大的前束变化，达到4°。由于较大的正前束容易引起车辆偏摆和侧倾频率响应特征的共振，这对汽车的直线行驶稳定性和转向时的操纵性都是不利的，而且由于大的前束变化对轮胎的磨损也是不利的，所以这是一种不好的趋势。而优化后的悬架则呈现一种较弱的前束变化，控制在1°之内，相对而言是较好的变动趋势。

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4.3.3主销后倾角与主销后倾拖距

主销后倾角应保证车轮具有合适的回正力矩,使得汽车具有良好的行驶稳定性。一般不希望后倾角在车轮上下运动过程中出现大的变化,以免在载荷变化时出现回正力矩过大或过小的现象,使操纵性能恶化。另外,要求后倾角具有随车轮上跳而增加的趋势,这样可以抵消制动点头时后倾角减小的趋势,否则在出现制动点头时,由于后倾角减小,甚至出现负后倾,使回正力减小,从而出现制动跑偏和转陀等上稳定现象[29]。

后倾拖距较大，有利于提高转向轮的回正能力和直线稳定性，但转动转向盘时的转向力及保持力会加大，因此，后倾拖距的设计应有一定的限度。一般为0～30mm。

如前所述，主销后倾和后倾拖距的作用是当汽车直线行驶偶然受外力作用而稍有偏转时，主销后倾将产生车轮转向反方向的力矩使车轮自动回正，可保证汽车直线行驶的稳定性。后倾角越大车速越高，稳定力矩越大，但后倾角不宜过大,否则在转向时会导致转向沉重，而且过大会造成外侧转向轮的外倾角向负方向变化，最终导致破坏汽车的行驶稳定性。

由图4-3和图4-4可以看出，双横臂式独立悬架的主销后倾角在车轮上跳过程中变化量不是很大，这表明原双横臂式独立悬架在车轮上跳过程中使汽车的转向轻便性和高速直线行驶稳定性得到了较好的协调，因此上面双横臂式悬架的主销后倾角和主销后倾拖距随轮跳的变化趋势是一种比较合理的变化。

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4.3.4主销内倾角和主销偏移距

如前所述，主销内倾角有使车轮自动回正的作用，有利于主销横向偏移距的减小，从而减少转向时驾驶员加在方向盘上的力，使转向操纵轻便。但内倾角也上宜过大，否则转向时，车轮绕主销转动过程中，轮胎与路面之间将产生较大的滑动，增加轮胎与路面摩擦力主销内倾角主要对轮胎的回正作用产生影响（在汽车低速行驶时起到主要作用）；设计时大致范围为7°～13°主销偏移距对地面纵向力作用下汽车保持直线行驶的稳定性而不发生跑偏具有重要的影响[30]。

由图4-5和图4-6可以看出，原双横臂式独立悬架在车轮的向上跳动过程中，主销偏移距幅度基本不变，地面对轮胎的纵向作用力,特别是制动时的地面制动力和驱动轮的驱动力,会使车轮产生绕主销的转动力矩，从而影响汽车的行驶稳定性、车轮回正性、转向稳定性。主销内倾角和主销偏移距的主要影响是通过二者的共同作用使得稳定性、轻便性和回正性得到较好地协调。在高速制动时地面制动力较大，又由于车轮上跳造成主销偏移距增大较多，因此使得制动力所引发的绕主销轴回正力矩增大很多，在左右轮制动力分配不均和左右轮路面附着系数不同的情况小，会出现轴摆的现象和转向摆阵等不稳定现象，从这一点上我们看到了优化前后的双横臂式悬架的变化趋势都较好。

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4.3.5轮距的变化

轮距变化是指随着车轮的上下跳动轮胎接地点产生的横向位移。从减少轮胎磨损等因素考虑，轮距最好不发生变化。然而，在一般的独立悬架系统中，由于结构上的原因，轮距不变是不可能的。这样，为了使轮距变化尽可能小，应适当选择控制臂的长度及相对位置。一般轮距变-5mm/50mm～5mm/50mm的范围内。轮距的变化是导致车轮轮胎发生磨损的重要原因。由图4-7给出了悬架的左右车轮轮心处产生的横向位移随车轮上下跳动的变化情况（左右车轮轮心的横向位移量变化趋势是相反的）。原始轮距为1600mm,可以看出原悬架轮心的横向位移的变化范围为1575mm-1612mm,变化

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范围达到37mm，这对于轮胎的磨损的影响是不利的。优化后的悬架轮心的横向位移的变化范围1581mm-1606mm,基本能保证轮距变化保持在15mm左右，对轮胎的磨损较小，是一种合理的变化趋势。

4.3.6制动点头量和加速上仰量

制动点头量如图4-8所示。制动时的点量是指汽车在以一个重力加速度的加速度制动时，前悬架的压缩下移量。加速上仰量是指汽车在以一个重力加速度的加速度加速时，前悬架的伸张上移量。由图8可以看出，在车轮由负的最大行程到正的最大行程的跳动过程中，优化后的双横臂式独立悬架减小的幅度较大。这说明了比起原双横臂式独立悬架多沉现象具有更好的抑制作用。这里有体现了优化悬架的一个重要优点

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4.3.7悬架刚度和侧倾角刚度

侧倾角刚度的大小及其在前、后轮的分配，对车辆侧倾角的大小、侧倾时左、右车轮载荷再分配，以及车辆的稳态响应特性有一定的影响。悬架的侧倾角刚度越大，则该桥发生的轮荷转量移就越大。因此，增加前悬的侧倾角刚度有利于使汽车趋于上足转向。对于侧倾角刚度，随车车辆种类上同而异，但换算成0.5g侧向加速度下的整车侧倾角一般在2～5°

悬架的悬架刚度和侧倾角刚度分别如图4-9和图4-10所示，悬架刚度是指在车轮中心施加垂直作用力时车轮中心单位垂直位移的作用力，侧倾角刚度是指使悬架发生单位侧倾角的在轮胎接地点处施加的力矩。这两个参数都反映了悬架在外力作用下悬架的运动情况，他们不仅与悬架系统的弹性元件和阻尼元件有关，而且还在很大程度上取决于悬架导向机构的布置情况。由图4-9和图4-10可以看出，原悬架和优化后的的悬架刚度和侧倾角刚度在车轮上下跳动的整个行程中幅度变化趋势相同，是一种较好的优化方案。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qkm6.html