1、汽车前悬架优化设计CAD/CAE课 程 设 计汽车前悬架优化设计姓 名 _ 学 号 _ 专 业 _ 班 级 _ 指导教师 _ 年 月 日CAE课程设计任务书第一组：参照ADAMS实例教程 出版社:北京理工大学出社。作者:李军等编。建立第三章第二节汽车前悬架模型。数据可以是参考书上（主销长度330mm，主销内倾角10，主销后倾角2.5，上横臂长350mm，上横臂在汽车横向平面内的倾角11，上横臂轴水平斜置角-5，下横臂长500mm，下横臂在汽车横向平面内的倾角9.5，下横臂轴水平斜置角10，车轮前束角0.2）。同时要测试、细化和优化前悬架模型（目标函数：车轮接地点侧向滑移量）。一、基础资料1.软
2、件简介ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件销售总额近八千万美元、占据了51%的份额。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进
3、行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。ADAMS/View是ADAMS系列产品的核心模块之一，采用以用户为中心的交互式图形环境，将图标操作、菜单操作、鼠标点击操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、XY曲线图处
4、理、结果分析和数据打印等功能集成在一起。ADAMS/View采用简单的分层方式完成建模工作。采用Parasolid内核进行实体建模，并提供了丰富的零件几何图形库、约束库和力/力矩库，并且支持布尔运算、支持FORTRAN/77和FORTRAN/90中的函数。除此之外，还提供了丰富的位移函数、速度函数、加速度函数、接触函数、样条函数、1力/力矩函数、合力/力矩函数、数据元函数、若干用户子程序函数以及常量和变量等。ADAMS/View新版采用了改进的动画/曲线图窗口，能够在同一窗口内可以同步显示模型的动画和曲线图；具有丰富的二维碰撞副，用户可以对具有摩擦的二维点曲线、圆曲线、平面曲线，以及曲线曲线、
5、实体实体等碰撞副自动定义接触力；具有实用的Parasolid输入/输出功能，可以输入CAD中生成的Parasolid文件，也可以把单个构件、或整个模型、或在某一指定的仿真时刻的模型输出到一个Parasolid文件中；具有新型数据库图形显示功能，能够在同一图形窗口内显示模型的拓扑结构，选择某一构件或约束(运动副或力)后显示与此项相关的全部数据；具有快速绘图功能，绘图速度是原版本的20倍以上；采用合理的数据库导向器，可以在一次作业中利用一个名称过滤器修改同一名称中多个对象的属性，便于修改某一个数据库对象的名称及其说明内容；具有精确的几何定位功能，可以在创建模型的过程中输入对象的坐标、精确地控制对象
6、的位置；多种平台上采用统一的用户界面、提供合理的软件文档；支持Windows NT平台的快速图形加速卡，确保ADAMS/View的用户可以利用高性能OpenGL图形卡提高软件的性能；命令行可以自动记录各种操作命令，进行自动检查。2.悬架介绍悬架是车架（或承载式车身）与车桥（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（支撑力）、纵向反力（驱动力和制动力）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），以保证汽车的正常行驶。汽车悬架可分为非独立悬架和独立悬架。非独立悬架的结构特点是两侧车轮由一根整体式车桥相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架与车架(
7、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，故称为非独立悬架。独立悬架的结构特点是车桥做成断开的，每一侧的车轮可以单独的通过弹性悬架与车架(或车身)连接，两侧车轮可以单独跳动，互不影响，故称为独立悬架。悬架结构通常由弹性元件、阻尼元件、导向机构等组成，个别结构则还有缓冲块、横向稳定杆等。弹性元件又有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧、油气弹簧、橡胶弹簧以及扭杆弹簧等形式。零件功能：（1）阻尼元件阻尼元件（又叫减振器）是产生阻尼力的主要元件,其作用是加速衰减汽车的振动,改善汽车的行驶平顺性,增强车轮和地面的附着力.另外,阻尼元件能够降低车身部分的动载荷,
8、延长汽车的使用寿命.目前在汽车上广泛使用的减振器主要是筒式液力减振器,其结构可分为双筒式,单筒充气式和双筒充气式三种。在车轮上下跳过程中，减振器活塞在工作腔内往复运动，使减振器液体通过活塞上的节流孔，由于液体有一定的粘性和液体通过节流孔时与孔壁间产生摩擦，使动能转化成热能散发到空气中，从而达到衰减振动功能。（2）弹性元件支撑垂直载荷,缓和和抑止不平路面引起的振动和冲击.用具有弹性较高材料制成的零件，在车轮受到大的冲击时，动能转化为弹性势能储存起来，在车轮下跳或回复原行驶状态时释放出来。（3）导向机构导向机构的作用是传递力和力矩,同时兼起导向作用。在汽车的行驶过程当中,使车轮按照一定轨迹相对车架
9、和车身跳动。 此次优化设计采用的是不等长双横臂式独立悬架。双横臂式独立悬架按上下横臂是否等长，又分为等长双横臂式和不等长双横臂式两种悬架。等长双横臂式悬架在车轮上下跳动时，能保持主销倾角不变，但轮距变化大(与单横臂式相类似)，造成轮胎磨损严重，现已很少用。对于不等长双横臂式悬架，只要适当选择、优化上下横臂的长度，并通过合理的布置，就可以使轮距及前轮定位参数变化均在可接受的限定范围内，保证汽车具有良好的行驶稳定性。3.汽车使用性能（1）操纵稳定性本次前悬架模型优化分析涉及到汽车的操纵稳定性。汽车的操纵稳定性，是指在驾驶员不感觉过分紧张、疲劳的条件下，汽车能按照驾驶员通过转向系及转向车轮给定的方向
10、行驶，且当受到外界干扰时，汽车能抵抗干扰而保持稳定行驶的性能。（2）悬架与操纵稳定性之间关系有很多因素影响汽车操纵稳定性，其中主要因素是在行驶系、转向系及传动系等方面。而行驶系中影响操纵稳定性的主要因素有：前轮定位参数、后悬架结构参数及横向稳定杆、轮胎、前轴或车架变形、悬架等。前轮定位参数中的前轮外倾角随负荷的变化而变化。当车辆转向时，在离心力作用下，车身向外倾斜，外轮悬架处于压缩状态，车轮跳动量逐渐减小（向负外倾变化）；内轮悬架处于伸张状态，使得本来对道路向负外倾变化的外倾角减弱。从而提高车轮承受侧向力的能力，使汽车转向时稳定性大为提高。前轮前束不可过大，若前束过大，会使车轮跳动量、主销后倾
11、角变小，会使前轮出现摆头现象，行驶中有蛇行，转向操作不稳。前悬架导向机构的几何参数决定前轮定位参数的变化趋势和变化率。在车轮跳动时，外倾角的变化包括由车身侧倾产生的车轮外倾变化和车轮相对车身的跳动而引起的外倾变化两部分。在双横臂独立悬架中，前一种变化使车轮向车身侧倾的方向倾斜，即外倾角增大，结果使轮胎侧偏刚度变小，因而使整车不足转向效果加大；后一种变化取决于悬架上、下臂运动的几何关系，在双横臂结构中，往往是外倾角随弹簧压缩行程的增大而减小，这种变化与车身侧倾引起的外倾角变化相反，会产生过度转向趋势。悬架对操纵稳定性影响是当车辆受到侧向作用力时，汽车前、后轴垂直载荷变动量的大小影响操纵稳定性。如
12、果汽车前轴左、右车轮的垂直载荷变动量较大，汽车趋于增加不足转向量；如果后轴的左、右车轮的垂直载荷变动量较大，汽车趋于减少不足转向量。影响汽车前轴和后轴左、右车轮的垂直载荷变动量的主要因素有：前、后悬架的侧偏刚度，悬挂质量，质心位置，前、后悬挂侧倾中心位置等。这些参数也是悬架系统影响操纵稳定性的参数。横向稳定杆常用来提高悬架的侧倾角刚度，或是调整前、后悬架侧倾角刚度的比值。在汽车转弯时，它可以防止车身产生很大的横向侧倾和横向角振动，以保证汽车具有良好的行驶稳定性。提高横向稳定杆的刚度后，前悬架的侧倾角刚度增加，转向时左右轮荷变化加大，前轴的每个车轮的平均侧偏刚度减小，汽车不足转向量有所增加。前悬
13、架中采用较硬的横向稳定杆有助于提高汽车的不足转向性，并能改善汽车的蛇行行驶性能。轮胎是影响汽车操纵稳定性的一个重要因素，增大轮胎的载荷能力，特别是后轮胎的载荷能力，例如加大轮胎尺寸或提高层级，或者后轮由单胎改为双胎，都会改善汽车的稳态转向特性。改变后轮胎的外倾角，也可以改善汽车的操纵稳定性，这是因为后轮胎的负外倾角可以增加后轮胎的侧偏刚度，从而减小过多转向趋势。二、创建前悬架模型1.创建新模型双击桌面上ADAMS/View的快捷图标，打开ADAMS/View，在欢迎对话窗中选择“Create a new model”，在模型名称（Model Name)栏中输入：FRONT_SUSP，其它选项栏
14、中选择系统默认的选项，按“OK”设置工作环境在ADAMS/View菜单栏中，选择设置（Settings)菜单中的单位（Units）命令，将模型的长度单位、质量单位、力的单位、时间单位、角度单位和频率单位分别设置为毫米、千克、牛顿、秒、度和赫兹。在ADAMS/View菜单栏中，选择设置（Settings)菜单中的工作网格（Working Grid)命令，将网格X方向和Y方向的大小分别设置为750和800,将网格的间距设置为50。在ADAMS/View菜单栏中，选择设置(Settings)，将图标的大小设置为50。2.创建设计点点击ADAMS/View中零件库的点(Point)，选择“Add to
15、 Ground”和“Dont Attach”，在工作窗口创建图八个设计点，它们的名称和位置见下表。设计点X坐标Y坐标Z坐标LCA_outer000UCA_outer57.25324.6814.39UCA_inner399.51391.2144.90LCA_inner485.6581.27-86.82Tie_rod_outer-26.95100-170.71Tie_rod_inner439.55181.19-252.50Knuckle_inner18.91107.244.75Knuckle_outer-235.05102.813.86表13.创建主销点击ADAMS/View中零件库的圆柱体（Cy
16、linder),选择“New Part”，定义圆柱体的半径（Radius)20,选择设计点“LCA_outer”和“UCA_outer”，创建主销，将其重新命名为Kingpin。4.创建上横臂点击ADAMS/View中零件库的圆柱体（Cylinder)既选择“New Part”，定义圆柱体的半径（Radius)为20,选择设计点“UCA_outer”和“UCA_inner”创建上横臂，将其重新命名为UCA。点击ADAMS/View中零件库的球体（Sphere)，选择“Add to Part”，定义球体的半拉(Radius)为25，选择上横臂为参考物体，球体的位置为设计点“UCA_outer5.
17、创建下横臂点击ADAMS/View中零件库的圆柱体（Cylinder)选择“New Part”，定义圆柱体的半径（Radius)为20,选择设计点“LCA_outer”和“LCA_inner”，创建下横臂，将其重新命名为LCA。点击ADAMS/View中零件库的球体（Sphere)，选择“Add to Part”，定义球体的半径(Radius)为25,选择下横臂为参考物体，球体的位置为设计点“LCA_outer”。6.创建拉臂点击ADAMS/View中零件库的圆柱体（Cylinder)，选择“New Part”，定义圆柱体的半径（Radius)为15,选择设计点“Knuckle_inner”和
18、“Tie_rod_outer”，创建拉臂，将其重新命名为“Pull_arm7.创建转向拉杆点击ADAMS/View中零件库的圆柱体（Cylinder),选择“New Part定义圆柱体的半径(Radius)为15,选择设计点“Tie_rod_outer”和“Tle_rod_inner”，创建转向拉杆，将其重新命名为Tie_rod。点击ADAMS/View中零件库的球体（Sphere)，选择“Add to Part”，定义球体的半径(Radius)为20,选择转向拉杆为参考物体，球体的位置分别为设计点“Tie_rod_outer”和Tie_rod_inner8.创建转向节点击ADAMS/View
19、中零件库的圆柱体(Cylinder)，选择“New Part”，定义圆柱体的半径（Radius)为20，选择设计点“Knuckle_outer”和“Knuckle_inner创建转向节，将其重新命名为Knuckle。9.创建车轮点击ADAMS/View中零件库的圆柱体（Cylinder)，选择“New Part”，定义圆柱体的半径（Radius)为375,定义圆柱体的长度（Length)为215 。选择设计点“Knuckle_outer”和“Knuckle_inner”（注意：不要把先后顺序颠倒），创建车轮，将其重新命名为Wheel。点击ADAMS/View中零件库的倒圆（Fillet)，定义
20、倒圆半径（Radius)为50，选择车轮圆柱体的两条圆边，然后按鼠标右键，完成倒圆。10.创建测试平台点击ADAMS/Mew中零件库的点（Point)，选择Add to Ground”和“Dont Attach”创建设计点“POINT_1，它的位置为（-350,-320,-200)。点击ADAMS/View中零件库的长方体（Box)O,选择“New Part”，将长方体的长度(Length)、高度（Height)和厚度（Depth)分别设置为500、45和400,选择设计点“POINT_1”，创建长方体。点击ADAMS/View中零件库的圆柱体（Cylinder)，选择“Add to Part
21、”，定义圆柱体的长度（Length)为350,半径（Radius)为30，选择长方体“PART_1”为参考物体，选择长方体的质心位置为圆柱体的起始点，垂直向下创建圆柱体，它与长方体组合构成测试平台，将其重新命名为Test_Catch。11.创建弹簧点击ADAMS/View中零件库的点命令，选择“Add to Part”和“Dont Attach”，在上横臂(UCA)上创建设计点“Spring_lower”，它的位置为(174.6,347.89,24.85)。点击ADAMS/View中零件库的点命令，选择“Add to Ground”，和“Dont Attach ”,创建设计点“Spring_u
22、pper”，它的位置为(174.6,637.89,24.85)。点击ADAMS/View中力库的弹簧(Spring)，设置弹簧的刚度(K)和阻尼(C)分别为129.8和6000，选择设计点“Spring_lower”和“Spring_upper，创建弹簧。12.创建球副点击ADAMS/View中约束库的球副( Spherical Joint )，设置球副的选项为“2 Bod-1Loc”和“Normal To Grid。选择上横臂(UCA)和主销(Kingpin)为参考物体，选择设计点“UCA_outer”为球副的位置点，创建上横臂和主销之间的约束副。点击ADAMS/View中约束库的球副( S
23、pherical Joint )，设置球副的选项为“2Bod-1Loc”和“Normal To Grid ,选择下横臂(LCA)和主销(Kingpin)为参考物体，选择设计点“LCA_outer”为球副的位置点，创建下横臂和主销之间的约束副。点击ADAMS/View中约束库的球副( Spherical Joint )，设置球副的选项为“2Bod-1Loc”和“Normal To Grid ，选择转向拉杆(Tie_rod)和拉臂(Pull_arm)为参考物体，选择设计点“Tie_ rod _outer”为球副的位置点，创建转向拉杆和拉臂之间的约束副。点击ADAMS/View中约束库的球副(Sph
24、erical Joint )，设置球副的选项为“1Location和“Normal To Grid ，选择设计点“Tie_rod_inner”为球副的位置点，创建转向拉杆和大地之间的约束副。13.创建固定副点击ADAMS/View中约束库的固定副(Fixed Joint)，设置固定副的选项为“2Bod-1 Loc”和Normal To Grid。选择拉臂( Pull_arm)和主销( Kingpin )为参考物体，选择设计点“Knuckle_inner”为固定副的位置点，创建拉臂和主销之间的约束副。点击ADAMS/View中约束库的固定副Fixed Joint)，设置固定副的选项为“2Bod-
25、1 Loc”和“Normal To Grid，选择转向节(Knuckle)和主销( Kingpin)为参考物体，选择设计点“Knuckle_inner为固定副的位置点，创建转向节和主销之间的约束副。点击ADAMS/View中约束库的固定副(Fixed Joint)，设置固定副的选项为“2 Bod-1Loc”和“Normal To Grid，选择车轮(Wheel)和转向节(Knuckle)为参考物体，选择设计点“Knuckle_inner”为固定副的位置点，创建车轮和转向节之间的约束副。14.创建旋转副 首先将视图方向设置为前视图，这个视图方向是下面调整旋转副方向时的基准。点击ADAMS/Vie
26、w中约束库的旋转副(Revolute Joint )，设置旋转副的选项为“1Location”和“Normal To Grid ”。选择设计点“UCA _inner为旋转副的位置点，放置旋转副后，直接在菜单栏的“Edit菜单中选择“Modify”命令，修改刚刚创建的旋转副。系统弹出修改旋转副对话窗。点击改变位置(Change Position)按钮，系统弹出移动目标对话窗。如图1。 在Rotate一栏中，输入5，点选Z坐标方框，将旋转副的方向旋转5度，满足上横臂轴水平斜置角为-5度的要求。保持模型的视图为前视图，点击ADAMS/View中约束库的旋转副(Revolute Joint)，设置旋转
27、副的选项为“1 Location”和“Normal To Grid ”，选择设计点“LCA_ inner”为旋转副的位置点，放置旋转副后，直接在“Edit莱单中选择“Modify”命令，在修改旋转副对话窗中点击改变位置(Change Positian)按钮，系统弹出移动目标对话窗，在Rotate一栏中，输入10，点选Z坐标方框，将旋转副的方向旋转10度，满足下横臂轴水平斜置角为10度的要求。 图115.创建移动副点击ADAMS/View中约束库的移动副(Translational Jaint) ，设置移动副的选项为“1Location”和“Pick Feature”，。选择测试平台(Test_
28、Patch)质心的Marker(Test_Patch.cm)为移动副的位置点，垂直向上(或向下)创建测试平台和大地之间的约束副。16.创建点面约束副点击ADAMS/View中约束库的点面约束副(Inplane Joint Primitive )，设置点-面约束副的选项为“2Bodys -1 Location”和“Pick Geometry Feature”。选择车轮(Wheel )和测试平台(Testes Patch )为参考物体(注意:选择物体的顺序不要颠倒)，选择测试平台(Test_ Patch)质心的Marker(Test_Patch.cm)为点面约束副的位置点，选择垂直向上的方向为约束
29、副的方向，创建车轮和测试平台之间的约束副。17.保存模型 在ADAMS/View中，选择“File”菜单中的“Save Datebase”命令，将前悬架模型保存在工作目录中。图2二测量车轮接地点侧向滑移量1.添加驱动点击ADAMS/View中驱动库的直线驱动(Translational Joint Motion )按钮，选择测试平台和大地的移动副约束，创建直线驱动(TRANS_MOTION_1)。创建直线驱动后，直接在“Edit”菜单中选择“Modify”可以修改直线驱动，在添加驱动对话窗的“F ( time )=”栏中，输入驱动的函数表达式:100*sin(360d*time)，它表示车轮的
30、上跳和下跳行程均为100mm。图3在ADAMS/View的主工具箱中，选择仿真按钮，设置终止时间为1，工作步为100。然后点击开始按钮，进行仿真。观察前悬架模型的运动仿真情况。如图3所示。图4 2.测量车轮接地点侧向滑移量首先在车轮上创建Marker，修改它的位置为（-150，-270,0）；然后，在大地创建Marker。在菜单栏中，创建新的测量函数，在函数编辑器对话窗中输入测量名称，编辑车轮接地点 侧向滑移量的函数表达式：DX其中，“TO Maarker”选择车轮在（-150，-270,0）处的Marker，“From Marker”选择大地在（-150，-270,0）处的Maarker 。
31、图5按ok，创建车轮接地点侧向滑移量的测量函数。系统生成测量曲线，设置终止时间为1，工作步为100，进行仿真。图6三.细化前悬架模型1.创建设计变量在ADAMS/View菜单栏中，选择BuildDesign Variable New,如图7所示。创建设计变量,系统弹出创建设计变量对话窗，变量名称(Name)取系统默认的“DV_1”(此变量代表主销长度)，变量类型(Type)选择“Real”，变量单位(units)选择“length”,变量的标准值(Standard Value)取330，在“Value Range by ”栏中选择“Absolute Min and Max Values”,输入变量的最小值(Min. Value)为310,输入变量的最大值(Max. Value)为350，按“Apply”，创建设计变量“DV_1”。如图7所示。图7图8在创建设计变量对话窗中，变量名称(Name)取系统默认的“DV_2”(此变量代表主销内倾角)，变量类型(Type)选择“Real”，变量单位(Units)选择“angle”,变量的标准值(Standard Value)取10，在“Value Range by”栏中选择“Absolute Min and Max Values”,输入
