基于ADAMS的汽车底盘仿真及悬架系统性能优化_肖力军.pdf

DOI:10.16182/https://www.360docs.net/doc/cd16332460.html,ki.joss.2006.07.067

系 统仿真学报?

第 18卷第 7期 2006年 7月

Vol. 18 No. 7 Journal of System Simulation

July, 2006

基于 ADAMS 的汽车底盘仿真及悬架系统性能优化

肖力军 1,2

，李仁发 1

（1.湖南大学，长沙 410082；2.湖南长丰汽车制造股份有限公司，长沙 410014）

摘 要：用 ADAMS 进行汽车系统仿真和优化，通过优化汽车前悬架部分参数，结合 ADAMS 底 盘动力学模型，使汽车的侧倾中心得到较大的提高，同时也增加 了汽车的侧倾角刚度，汽车的侧倾 稳定性得到了较好的改善。

关键词：汽车底盘；仿真；前悬架；性能优化 中图分类号：TP391.9

文献标识码：A

文章编号：1004-731X (2006) 07-2007-04

Vehicle Chassis Simulation and Suspension System Performance Optimization Based on ADAMS

XIAO Li-jun 1,2, LI Ren-fa 1

（1.Hunan University, Changsha 410082, China; 2.Hunan Changfeng Motor CO. LTD., Changsha 410014, China ）

Abstract The vehicle system simulation and optimization were done with ADAMS . Combined with chassis dynamic model of ADAMS and optimizing the parameters of front suspension, the roll center and roll stiffness of the vehicle were increased. The vehicle’s roll stability is much improved.

Key words: chassis; simulation; front suspension ；performance optimization

问题的办法，优化悬架系统性能，然后再根据仿真数据进行 引言

样车制作，以减少试验次数，缩短开发周期，降低开发成本。

ADAMS 就是目前国际上使用最为普遍的一种汽车动 力学仿真软件，它可以对汽车进行静力学、运动学和动力学 分析。借助此软件，可以建立复杂机械系统的“虚拟样机” 模型，模拟现实工作条件下所有运动情况，并且快速分析比 较多种设计方案，直至获得最优设计，从而明显减少昂贵的 物理样机的制造数量，提高产品设计水平，大幅度缩短产品 开发周期和降低开发成本。所以在这里主要讨论 ADAMS 的基本理论、悬架的数学模型并用该软件优化汽车悬架的实 例等。

SUV 相对轿车而言，由于通常采用非承载式车身结构， 底盘有坚固的车架，使得 SUV 在碰撞或者翻车时对乘员有良 好的保护作用；同时它的底盘比较高，SUV 还具有的良好通 过性，所以很受大家的欢迎。但是重心高等特点使得 SUV 的 侧倾稳定性比较差,在避让或转弯时侧翻的事故率很高，这已 经成为生产厂家和交通安全部门一个十分头疼的问题。据资 料统计，在美国，2004年 SUV 翻车造成的悲剧在 SUV 的各 类车祸中占到 61％，是一般轿车翻车事故死亡率的三倍，所 以 SUV 的安全问题越来越受到人们的关注。这就需要我们采 取切实可行的办法来提高 SUV 的抗侧翻性能。

1 ADAMS 仿真软件介绍

采用传统的设计方法，就必须分析侧翻相关的原因，通 常与汽车的侧倾角刚度、侧倾中心高度、簧载质量重心高度、 簧载质量有关，但是如果改变悬架的角刚度和侧倾中心，就 得改变弹簧刚度和摆臂的控制点位置，而这些改变会引起汽 车前轮定位参数的变化，从而影响汽车的操纵稳定性和乘坐 的舒适性：这些位置的改变使得汽车侧倾中心高度和对汽车 操纵稳定性起着重要作用的汽车前轮定位参数存在着相互 制约的因素；汽车的侧倾角刚度又和汽车的平顺性相互制 约。所以就要经过大量的计算并对各组计算结果进行比较， 不仅工作量大，还很难得到最优解。这就需要一个仿真软件 来分析悬架参数的改变对汽车各方面性能的影响，寻求解决

不同的系统仿真模型，需要采用不同求解器求得数值 解。ADAMS 软件的常用求解器有多个，可以针对模型的不 同，选择相应的求解器。

在概念设计阶段，研究设计人员通过多体分析软件能够 迅速建立整个研究对象的虚拟样机。在 ADAMS 软件中，使 用 ADAMS/View 软件提供的部件库与布尔运算器，研究设 计人员可以方便地在 ADAMS/View 界面产生各种形状的零 部件。在模型的物体之间，通过联接件库、运动发生器以及 广义力和力矩施加约束，建立系统的动力学研究模型。

同时可以为研究人员提供各种动力学分析专用模块。对 于汽车研究人员来说，众多的专用模块，如ADAMS/Car 提 供轿车动力学分析模块，ADAMS/Android 提供人体模型， ADAMS/Tire 提供轮胎模型，ADAMS/Vehicle 提供悬架模型，

收稿日期：2005-11-28 修回日期：2006-05-19

作者简介：肖力军（1975-），男，湖南邵阳人，硕士，研究方向为计算 机仿真、计算机辅助汽车设计技术等；李仁发（ 1957-），男，湖南宜章 人，教授，博导，研究兴趣为嵌入式计算，无线网络，网络与数字仿真。

2006年 7月

系 统 仿 真 学 报

July, 2006

ADAMS/Engine 提供发动机建模模块， ADAMS/Hydraulic 对于图1所示的悬架系统的运动方程为：

m s z 2 c s (z 2 z 1) k s (z 2 z 1)

(1) 提供液压传动系统建模模块等等，极大地方便了汽车设计阶 段的建模与汽车动态仿真分析。

m u z 1 c s (z

2

z 1)k t (z 1 z 0) k s (z 2 z 1)

(2)

2 ADAMS 软件的理论基础

z 1

z 2]T 地面激励V z 0；

取状态变量X=[z 1 z 0 z 2 z 1

输出向量Y [z 2 z 2 z 1 z 1 z 0] 2.1 广义坐标选择

于是得出如下状态方程：

X AX BY

Y CX

动力学方程的求解速度很大程度上取决于广义坐标的 选择。ADAMS 用刚体 i 的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位 的欧拉角作为广义坐标

(3)

其中

q i x , y , z , , ,

体用六个广义坐标描述。 T

i

, q q 1T ,",q

T

，即每个刚 T n 1 0

0 1 0

1 0 1 0 A= , B= k t k s c s c s

2.2 系统动力学方程的建立

0 m u m m u c s m s

m u

ADAMS 程序采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程：

[1]

u

k m s

c s 0 0 s T T

d T T m s

p qT Q 0 T q dt q q

k s c s c s

0 q ,t 0 完整约束方程时

m s m s m C= u

q ,q ,t 0 非完整约束方程时

0 1 0 0 0 0

式中：T —系统能量，T 12 M v v w I w 。 (q ,t ) 0为 完整约束方程； q ,q ,t 0为非完整约束方程；q —广义 1 0

4 建立车辆的ADAMS 模型

坐标列阵；Q —广义力列阵；p —对应于完整约束的拉氏乘 子列阵； —对应于非完整约束的拉氏乘子列阵；M —质量 列阵；v —广义速度列阵；I —转动惯量列阵；w —广义角速 度列阵。

建立车辆的ADAMS 模型一般遵循以下几个典型的基本

步骤（如图2）：

机械系统建模：

几何建模；加运动副；施加载荷

重新改写成一般形式：

F q , v , v , , t 0

仿真分析： (2 - 1)

G v , q v q 0 设置测量和仿真输出；进行仿真分析

q , t 0 式中：q —广义坐标列阵；q , v —广义速度列阵； —约束反

力及作用力列阵；F —系统动力学微分方程及用户定义的微 分方程； —描述完整约束的代数方程列阵；G —描述非完 整约束的代数方程列阵。

仿真结果分析：

回放仿真结果；绘制仿真结果曲线

验证仿真分析结果：

输入试验数据；添加试验数据曲线

3 悬架系统数学模型

是

与试验结果一致？

否

为了方便研究，将汽车简化为二自由度1/4汽车模型， 如图1所示。

Z 2

m s

精致系统模型：增加摩擦力，改进载荷函数； 定义柔性物体和连接；定义控制

K S

C s

Z 1

重复仿真分析：

m u

设置可变参数点；定义设计变量

K t

Z 0

机械系统优化分析：进行主要设计影响因素研 究；进行设计试验研究；进行最优化研究

图1悬架系统简化数学模型（m s -簧载质量；m u -非簧载质量；

k s -悬架刚度；k t -轮胎刚度；c s -减振器阻尼。

图 2建立 ADAMS 模型的一般步骤

2006年7月肖力军，等：基于ADAMS的汽车底盘仿真及悬架系统性能优化July, 2006 4.1 前悬架模型表1整车系统的约束及自由度

模型运动副

类型运动副约束自

由度

1*5

整车自

前悬架为双横臂螺旋弹簧独立悬架结构：由下摆臂、

数量

1 由度数

上摆臂、转向节、减振器构成，各部件质量、惯量信息由CATIA模型给出，上下摆臂与车架之间由两个弹性衬套相连（转动副），上下摆臂与转向节由球副相连，减振器上端与车架由圆柱副相连，减振器下端与下摆臂由弹性衬套相连（为转动副）。多刚体

模型

移动副

圆柱副

转动副

球副

4 4*4

30个

零件

12

10

12

3

12*5

10*3

12*4

3*1

18

万向节副

复合副

移动副

圆柱副

转动副

球副

4.2 转向系统模型多柔体

模型1 1*5 4 4*4

各部件质量、惯量信息由CATIA模型给出，该车转向系统为齿轮—齿条式转向系统，由方向盘、转向柱、转向传动轴、转向齿条、转向横拉杆构成。方向盘与转向柱之间为固定副，转向柱与车身间为转动副，转向柱与转向传动轴之间为万向节副，转向传动轴与转向齿条之间为复合副，转向传动轴与车身间为转动副，齿条与转向横拉杆之间为万向节副，转向横拉杆与转向节之间为球副，齿条与车身之间为移动副。

30个

零件

10

4

10*5

4*3

86

万向节副

复合副

2 2*4

3 3*1

对多刚体模型而言其18个自由度分别对应以下自由度：车身6个自由度；前悬架两上下摆臂的4个转动自由度；后悬架减振器的两个移动自由度；4个车轮的4个转动自由度；转向齿轮齿条的1个移动自由度；转向系统一个转动自由度；相应的多柔体则有86个自由度。

4.3后悬架系统模型

各部件质量、惯量信息由CATIA模型给出，后悬架为双纵臂带PANHARD杆、螺旋弹簧非独立悬架，考虑弹性衬套时为球铰链），纵臂与车架之间为转动副，纵臂与后桥之间为复合副，PANHARD杆与车桥之间为转动副，PANHARD与车架之间为转动副。减弹器上端与车架为圆柱副，下端与车桥相连，为转动副。5 仿真结果分析及实车试验比较

通过对转向回正试验、方向盘角阶跃试验等仿真曲线和试验曲线相比较（如图4~5），误差在10%以内，所以该底盘模型是基本准确的，可以用来做进一步的分析和优化。仿真曲线与试验曲线对比：

4.4 轮胎模型

轮胎与转向节之间为转动副，在轮胎与地面之间作用六个分力来描述轮胎力学特性。仿真采用了基于轮胎侧偏特性

试验数据、考虑侧滑、纵滑联合工况的轮胎侧偏特性理论模型--UA轮胎模型，有关UA轮胎模型理论可参考[3~4]。试验曲线

仿真曲线

4.5 整车约束与自由度分析

图3为底盘ADAMS模型，把车身和动力总成简化成一个

质心。约定不考虑弹性衬套为多刚体模型，考虑弹性衬套为

多柔体模型，从表1中可以看出整车系统的约束与自由度情

况。图4 转向回正试验曲线和仿真曲线

试验曲线

仿真曲线

图5 方向盘角阶跃试验曲线和仿真曲线图3底盘ADAMS模型

2006年 7月

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July, 2006

按照表3的参数对前悬架进行优化，优化后选取一组各 方面性能综合最优的一组，优化前后部分参数比较见表2。

就改进后性能表现显著提高的蛇行试验（根据GB/T6323.1- 1997测试）曲线进行比较（如图8、9）。

表2 优化前后部分参数对比

蛇行试验曲线

优化 侧倾中 心高度 制动 点头 驱动 后仰 前束角 角刚度 项目 优化前 优化后

150.041 187.526

3.44746 2.3226

3.1482 2.08532

0.02609 0.03680

2.92E+07

3.49E+07

表3 优化项目及变化值

变量名 Uv1 代表含义 上臂前支点Z 坐标 上臂后支点Z 坐标 下臂前支点Z 坐标 下臂后支点Z 坐标 减振器上支点Y

坐标 单位 mm mm mm mm mm

标准值 48 最大值 58 最小值 38 Uv2 48 58 38 Uv3 -205 -205 371

-225 -225 421

-185 -185 471

图8 优化前实车蛇行试验曲线

蛇行试验曲线

Uv4 Uv5 Uv6 减振器下支点Y 坐

标 mm

411

461

511

Uv7 Uv8

主销内倾角 度 度

15 3

10 0

20 6

主销后倾角

优化前整车动力学模型性能仿真试验曲线和优化后性 能仿真曲线（如图6、7）：

图9 优化后实车蛇行试验曲线

优化前

6 结论

用ADAMS 进行汽车系统仿真和优化，在设计初级阶段 有很重要的指导意义，在样车试验阶段又可以很方便的寻找

汽车悬架系统参数存在的问题，及优化的方向。本文通过优 化汽车前悬架的部分参数，结合ADAMS 底盘动力学模型， 使汽车的侧倾中心得到较大的提高，同时也增加了汽车的侧 倾角刚度，汽车的侧倾稳定性得到了较好的改善。通过实车

试验验证了仿真的准确性，大大降低了开发周期，减少了开 发成本。

优化后

图6 优化前后驱动后仰值的变化

参考文献:

优化后

[1] [2] 洪嘉振.计算多体系统动力学[M].北京：高等教育出版社，1999. 张越今.多刚体系统动力学在汽车转向和悬架系统运动分析中的 应用[J].汽车工程，1995，(5): 263-269.

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[4]

[5]

Gim G, Nikravesh P. An analytical model of pneumatic tyres for vehicle dynamic simulations Part 1:Pure slips[J]. Int J of Vehicle Design(S0143-3369) ,1991 , 11(6): 589-618. Gim G, Nikravesh P. An analytical model of pneumatic tyres for vehicle dynamic simulations Part 2:Comprehensive slips[J]. Int. J of Vehicle Design(S0143-3369) ,1991 , 12(1): 19-39. 优化前

尤瑞金. ADAMS 软件在汽车前悬架－转向系统运动学及动力学 分析中的应用 [C]//美国 MDI 公司中国用户论文集. 2001. 郭孔辉.汽车操纵动力学[M].吉林：吉林科学技术出版社，1991. 张云清. ADAMS 在某微轿整车动力学仿真中的应用及其二次开 发 [C]//美国 MDI 公司中国用户论文集. 2001.

图7 优化前后侧倾中心变化

[6] [7]

由表2和图6~7可知，经过前悬架优化后汽车的抗侧倾性 能有明显的提高，于是根据优化后的参数进行了实车改进， 并按照相关的国标或国际标准进行了实车操纵稳定性试验，