ADAMS在悬架运动学和弹性运动学仿真中的应用

2000年6月　　　　　　　　　　　　　　　JOURNALOFSHANGHAITIEDAOUNIVERSITY　　　　　　　　　　　　　　　　Jun.,2000　　　　文章编号:1008Ο0392(2000)06Ο0080Ο04

ADAMS在悬架运动学和弹性运动学仿真中的应用

凌　雯,余卓平,江　浩Ξ

(同济大学汽车工程系,上海200092)

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摘　要:利用机械动力学分析软件ADAMS来建立麦克弗逊式的计算机仿真分析的参数化模型,仿真分析了悬架运动学/弹性运动学特性,并与试验结果进行对比,探讨了模型中存在的误差和缺陷,为进一步提高模型的精确度指明了方向。课题所开发的ADAMS参数化悬架运动学/弹性运动学仿真软件为汽车悬架导向性能的开发设计提供了一种有效的现代化手段。关键词:悬架运动学,弹性运动学,仿真,分析软件中图分类号:U463.33+4;TP391.9　　　文献标识码:A

ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)全称是机械系统自动动力学分析软件[1],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,其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也名列前茅。应用它可以方便地建立参数化的实体模型,并采用多刚体系统动力学原理进行仿真计算。

ADAMS使用交互式图形环境和部件库、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“模拟样机”可供选择的设计方案。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ADAMSView(图形用户界面)和ADAMSSolver(仿真求解器),还ADAMSFEA(有限元接口)、ADAMSAnimation(高级动画显示)、ADAMSIGES(与CAD软件交换几何图形数据)等模块,尤其是它的ADAMSVehicle(车辆和悬架模块)和ADAMSTire(轮胎模块)使ADAMS软件在汽车行业中的应用更为广泛[2]。本文主要是用ADAMS软件来建立麦克弗逊式悬架的运动学和弹性运动学模型。

1　利用ADAMS建立悬架运动学/弹性运动学模型

悬架运动学分析是描述车轮上下跳动时车轮定位参数的变化过程。在此,不考虑悬架的弹性,将它简化成多连杆机构,得到车轮定位参数与车轮跳动量之间的关系;弹性运动学模型是在运动学模型的基础上还要考虑各个刚体橡胶连接件的弹性作用,描述车轮受侧向力、纵向力和或回正力矩时的车轮定位参数的变化趋势。

首先利用ADAMSView模块进行悬架实体的建模[3]。ADAMSView中有多种简单的实体建立命令以及各种铰接型式、约束型式,可建立悬架的三维参数化实体模型。对于麦克弗逊式悬架的运动学模型可简化成图1所示的模型。

整个麦克弗逊式悬架运动学由左右转向节(车轮与之连为一体)、减振器活塞杆、转向横拉杆和下摇臂等8个刚体组成[4]。

Ξ收稿日期:2000-03-02

作者简介:凌　雯(1975-),女,硕士研究生

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第6期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　凌　雯等:ADAMS在悬架运动学和弹性运动学仿真中的应用

　　弹性运动学模型是将运动学模型中的弹性铰接处简化成3根两两垂直的弹簧来代替橡胶衬套连接铰,一根沿着橡胶件的轴向,另两根沿橡胶衬块的径向且相互垂直(见图2)。这3根弹簧的刚度是经过试验测试来确定的。

此外,为了提高模型的通用性,以上所建立模型中的原始数据均设成参数,其他数据可以通过这些原始数据进行推算。推算公式已输入ADAMS中,用户只需修改原始数据,模型中的其他数据都会相应改变,这样建立出来的模型可适用于不同尺寸的同种悬架中。所以说,以上这些运动学、弹性运动学模型都是参数化的。

点1,2———减振器上支点与车身连接处;点9,10———转向横拉杆与转向器的连接点;点3,4———转向横拉杆与转向节臂连接处;点11,12———下摇臂的球头与转向节连接处;点5,6———左下摇臂与车身的连接处;点7,8———右下摇臂与车身的连接处;2　悬架运动学/弹性运动学规律求解

模型建立好后,在ADAMSView中调用ADAMS点13,14———左,右车轮轮心;点15,16———左,右车轮接地点Solver模块的功能来进行仿真计算,以得到各种车轮图1　麦克弗逊式悬架运动学简图定位参数在悬架变形时的变化规律。在仿真分析中,只需给悬架一个约束,如一段位移(运动学分析中加一个车轮跳动量)或一个力(弹性运动学分析中的纵向力和侧向力),ADAMSSolver就会自动输出悬架的各特性值,包括计算机自定义的各特征值,如各杆件的空间位移、受力、扭矩、变形等,也可自定义特性参数,如本文中所需的各种前轮定位参数,并可将这些参数以图表形式输出,以便清晰地看出它们的变化规律,进行操纵稳定性分析[5,6]。

图2　麦克弗逊式悬架弹性运动学简图

在设计过程中还可用Animation模块中的功能进行实体动画显示,以便直观地看出仿真效果并进行优

化设计。

再者,考虑到模型的通俗性,即用户无需学会ADAMS中繁琐的各项命令,也能方便地使用这些模型来得到运动学、弹性运动学的分析结果,在这些模型的ADAMS界面中可编制一个用户界面,即把从修改原始参数到模拟计算再到得出最后结果的过程都作成对话框形式,用户只需按照用户菜单中的各项去打开对话框,选择所需执行的任务,ADAMS就可自动进行,并且可以根据用户的要求自动出图。以上这些也可以看作是对ADAMS软件的二次开发。

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上海铁道大学学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第21卷

3　ADAMS模拟结果分析

研究中为了分析仿真得到的悬架运动学或弹性运动学性能是否合理,在ADAMS中建立的模型是否精确可靠,利用清华大学汽车节能与安全国家重点实验室的汽车悬架力学参数试验台进行了悬架运动学/弹性运动学特性试验。下面就结合试验曲线,对ADAMS仿真结果进行分析。3.1　运动学模拟结果

图3中,车轮上跳为正,下跳为负,两条粗线分别表示车轮的空载位置和满载位置。左轮以实线表示,右轮以虚线表示。弹性运动学模型模拟结果是用弹性运动学模型来模拟轮跳时的定位参

图3　前轮外倾角与轮跳变化关系数变化过程而得的计算结果。

从外倾角模拟的结果中可以看出,左右车轮外倾角的变化曲线重合,也就是说左右车轮外倾角的变化是一样的。空载位置,外倾角为负值,从空载位置开始随车轮上跳外倾角减小,而随车轮下落外倾角增大,并由负值变为正值。由于汽车曲线行驶时,车身的侧倾使得车身外侧车轮相对地面向正的外倾角方向变化,从而降低了承载较高的外侧车轮的侧偏性能,所以常常将悬架设计成车轮上跳时外倾角朝负值方向变化,而在下落时朝正值方向变化,这里仿真计算的结果符合这样的变化规律。

运动学和弹性运动学两种模型运动学仿真计算的结果很接近,特别是在空载到满载之间轮跳不是很大的区间内,可以认为弹性件的变形对前轮外倾角运动学的影响是非常小的。

和试验结果对比,试验结果变化趋势和仿真计算结果相同,而且变化范围比较接近。中间轮跳不是很大的范围内,仿真计算结果和试验结果吻合得很好。只是在两端,也就是轮跳量很大时计算值和试验值有差别。这有可能是因为轮跳太大,对悬架的金属结构件产生较大的力,结构件产生了变形引起外倾角的变化。而在模型中将构件简化成刚体,没有充分考虑构件在受到较大的力时的弹性。3.2　侧向力模拟结果

外倾角仿真结果中,对于左轮,侧向力从左至右为正,对于右轮,侧向力从右至左为正。

从图4的仿真计算结果可以看到,车轮外倾角随侧向力变化有所变化,但变化量不大。变化

趋势是左侧车轮随侧向力增加外倾角增大。而对于右侧车轮侧向力为负,随侧向力增加右轮外倾

图4　前轮外倾角与侧向力关系角减小。

计算结果和试验结果变化趋势相同,只是在受力大的时候,试验结果车轮外倾角的变化比计算结果大。这也可能是因为悬架的构件受到很大的力时产生的变形引起外倾角变化,在模型中将构件简化成刚体,没有充分考虑构件在受到较大的力时的弹性而造成的。

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4　总结

本文以麦克弗逊式悬架为例,利用ADAMS软件建立了前后悬架运动学和弹性运动学计算机仿真模型,并通过试验提供了模型参数和对比结果。从以上例举的几个动力学仿真计算和试验结果的对比中,可以看出计算结果和试验数据有一致的变化趋势,并且在常用载荷下的变化大小也比较吻合。这说明所建立的悬架运动学和弹性运动学模型已达到一定的精确度,可以为悬架的设计开发提供依据。

从建模中知道,在ADAMS中所建悬架运动学/弹性运动学模型是参数化的,并且又有方便用户使用的人机界面,这些都有利于该模型通用性与实用性的实现。

当然,使用该模型进行仿真计算也不可避免地存在着一定的误差,例如前面提到的没有充分考虑构件在受到较大的力时的弹性变形;将橡胶连接铰简化成3根两两垂直的弹簧在小变形范围内是可靠的,但变形越大误差越大;另外还忽略了橡胶件的预紧力,橡胶件在小变形范围内是线性特性,但在大变形范围内非线性较明显,这也是上几幅图中轮跳或受力大时模拟结果与试验结果差别较大的原因之一。但总的来说,用ADAMS软件来分析悬架的运动学、弹性运动学问题还是既方便又精确的。

参考文献:

[1]　宋　健,张越今.ADAMS软件应用中解决数值发散的技巧[J].汽车技术,1996,(12):7～11.

[2]　张越今,宋　健,张云清等.多体系统动力学分析的两大软件———ADAMS和DADS[J].汽车技术,1997,(3):16～

19.

[3]　MechanicalDynamicsIncorporation.ADAMS/ViewUser’sGuide[Z].1997.

[4]　张越今.多体动力学在轿车动力学仿真及优化研究中的应用[D].北京:清华大学,1997.[5]　MechanicalDynamicsIncorporation.ADAMS/VehicleUser’sGuide[Z].1997.[6]　MechanicalDynamicsIncorporation.ADAMS/GettingStarted[Z].1997.

ADAMS’ApplicationinSimulationofSuspension

KineticsandElasticKinetics

LINGWen,YUZhuoΟping,JIANGHao

(Dept.ofAutomobiles,TongjiUniv.,Shanghai200092,China)

Abstract:Withthedevelopmentoffreeways,themeanvelocityofautomobileshasincreasedconsiderably,theorientationfunctionofautomobilesuspensionhasbecomemoreandmoreimportant,andautomobilesuspensionkinetics/elastickineticsdesignhasbeenaveryimportanttaskinautomobiledesignanddevelopment.

ThispaperusesmechanicdynamicsanalysissoftwareADAMStobuildaparametricmodelwhichanalyzesMcPhersonstrutsuspension.Usingsimulationtoanalyzesuspensionkineticsandcomparingthissimulationresultwithexperimentresults,wediscussedthelimitationandintrinsicerrorofthismodel,andwefoundawaytoen2hancethemodel’sprecision,TheADAMSparametricsuspensionkinetics/elastickineticssimulationsoftwareprovidesefficientandupdatedtoolsfordevelopingsuspensionsystem.Keywords:suspensionkinetics,elastickinetics,simulation,ADAMS

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