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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1懸架概況
根據(jù)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，汽車懸架可以分為非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架。非獨(dú)立懸架兩側(cè)的車輪由一根整體式車橋相連，車輪連同車橋一起通過彈性懸架與車架連接。特點(diǎn)是當(dāng)一側(cè)的車輪遇到路面沖擊而跳動(dòng)時(shí)，必然導(dǎo)致另一側(cè)車輪在汽車橫向平面內(nèi)擺動(dòng)。非獨(dú)立懸架由于非簧載質(zhì)量比較大，高速行駛時(shí)懸架受到?jīng)_擊載荷比較大，平順性較差。獨(dú)立懸架的車橋做成斷開的，每一側(cè)車輪可以單獨(dú)通過彈性懸架與車架連接。 結(jié)構(gòu)較非獨(dú)立懸架復(fù)雜，但兩側(cè)的車輪單獨(dú)跳動(dòng)時(shí)互不影響，可以提高乘坐的舒適性和平順性。獨(dú)立懸架使得發(fā)動(dòng)機(jī)可放低安裝，有利于降低汽車重心，并使結(jié)構(gòu)緊湊。獨(dú)立懸架允許前輪有大的跳動(dòng)空間，有利于轉(zhuǎn)向，便于選擇軟的彈簧元件使平順性得到改善。同時(shí)獨(dú)立懸架非簧載質(zhì)量小，可提高汽車車輪的附著性。
按照彈性原件的種類，汽車懸架又可以分為鋼板彈簧懸架、螺旋彈簧懸架、扭桿彈簧懸架、空氣懸架以及油氣懸架等。鋼板彈簧又叫葉片彈簧，它是由若干不等長的合金彈簧片疊加在一起組合成一根近似等強(qiáng)度的梁。鋼板彈簧在載荷作用下變形，各片之間因相對(duì)滑動(dòng)而產(chǎn)生摩擦，可促使車架的振動(dòng)衰減。鋼板彈簧本身還兼起導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用，可不必單設(shè)導(dǎo)向裝置，使結(jié)構(gòu)簡化，并且由于彈簧各片之間摩擦引起一定減振作用。螺旋彈簧是用彈簧鋼鋼棒料卷制而成，它們有剛度不變的圓柱形螺旋彈簧和剛度可變的圓錐形螺旋彈簧。螺旋彈簧大多應(yīng)用在獨(dú)立懸架上，尤以前輪獨(dú)立懸架采用廣泛。由于螺旋彈簧只承受垂直載荷，它用做彈性元件的懸架要加設(shè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和減振器。它與鋼板彈簧相比具有不需潤滑，防污性強(qiáng)，占用縱向空間小，彈簧本身質(zhì)量小的特點(diǎn)，因而現(xiàn)代轎車上廣泛采用。
按照作用原理，可以分為被動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架[1]。目前多數(shù)汽車上都采用被動(dòng)懸架，汽車姿態(tài)只能被動(dòng)地取決于路面及行駛狀況和汽車的彈性元件，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及減振器這些機(jī)械零件。
半主動(dòng)懸架根據(jù)簧上質(zhì)量相對(duì)車輪的速度響應(yīng)、加速度響應(yīng)等反饋信號(hào)，按照一定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)彈簧的阻尼力或者剛度。半主動(dòng)懸架產(chǎn)生力的方式與被動(dòng)懸架相似，但其阻尼或剛度系數(shù)可根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)，這和主動(dòng)懸架極為相似。有級(jí)式半主動(dòng)懸架是將阻尼分成幾級(jí)，阻尼級(jí)由駕駛員根據(jù)“ 路感” 選擇或由傳感器信號(hào)自動(dòng)選擇。無級(jí)式半主動(dòng)懸架根據(jù)汽車行駛的路面條件和行駛狀態(tài)，對(duì)懸架的阻尼在幾毫秒內(nèi)由最小到最大進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)。由于半主動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)簡單，工作時(shí)不需要消耗車輛的動(dòng)力，而且可取得與主動(dòng)懸架相近的性能，具有很好的發(fā)展前景。
主動(dòng)懸架可以能動(dòng)地控制垂直振動(dòng)及其車身姿態(tài)，根據(jù)路面和行駛工況自動(dòng)調(diào)整懸架剛度和阻尼。
前面已經(jīng)介紹了，汽車懸架按其振動(dòng)的控制方式分為被動(dòng)、半主動(dòng)和主動(dòng)懸架3種基本類型，經(jīng)典隔振理論認(rèn)為被動(dòng)懸架采用了一種優(yōu)化折中方案，不能兼顧提高乘坐舒適性與行駛安全性要求，主動(dòng)懸架能獲得一個(gè)優(yōu)質(zhì)的隔振系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)理想懸架的控制目標(biāo)，但耗能大、液壓裝置噪聲大、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜；半主動(dòng)懸架系統(tǒng)可以輸入少量的調(diào)節(jié)能量來局部改變懸架系統(tǒng)的動(dòng)特性(剛度或阻尼系數(shù))，僅僅消耗振動(dòng)能量，而且結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。由于半主動(dòng)懸架諸多的良好性能，且半主動(dòng)懸架研究所涉及的關(guān)鍵技術(shù)是設(shè)計(jì)，因此車輛半主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)的研究具有重要意義。
1.2懸架的發(fā)展
1934年世界上出現(xiàn)了第一個(gè)由螺旋彈簧組成的被動(dòng)懸架。被被動(dòng)懸架的參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法確定，在行駛過程中保持不變它是一系列路況的折中，很難適應(yīng)各種復(fù)雜路況，減振的效果較差。為了克服這種缺陷，采用了非線性剛度彈簧和車身高度調(diào)節(jié)的方法，雖然有一定成效，但無法根除被動(dòng)懸架的弊端。被動(dòng)懸架主要應(yīng)用于中低檔轎車上，現(xiàn)代轎車的前懸架一般采用帶有橫向穩(wěn)定桿的麥弗遜式懸架，比如桑塔納、夏利、賽歐等車，后懸架的選擇較多，主要有復(fù)合式縱擺臂懸架和多連桿懸架。
隨著道路交通的不斷發(fā)展，汽車車速有了很大的提高，被動(dòng)懸架的缺陷逐漸成為提高汽車性能的瓶頸，為此人們開發(fā)了能兼顧舒適和操縱穩(wěn)定的主動(dòng)懸架。主動(dòng)懸架的概念是1954年美國通用汽車公司在懸架設(shè)計(jì)中率先提出的。 20世紀(jì)80年代，世界各大著名的汽車公司和生產(chǎn)廠家競(jìng)相研制開發(fā)這種懸架。 特點(diǎn)是乘坐非常舒服，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高，成本昂貴，可靠性存在問題。
由于種種原因，我國的汽車絕大部分采用被動(dòng)懸架。在半主動(dòng)和主動(dòng)懸架的研究方面起步晚，與國外的差距大在西方發(fā)達(dá)國家，半主動(dòng)懸架在20世紀(jì)80年代后期趨于成熟，福特公司和日產(chǎn)公司首先在轎車上應(yīng)用，取得了較好的效果主動(dòng)懸架雖然提出早，但由于控制復(fù)雜，并且牽涉到許多學(xué)科，一直很難有大的突破。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，僅應(yīng)用于排氣量大的豪華汽車，未見國內(nèi)汽車產(chǎn)品采用此技術(shù)的報(bào)道，只有北京理工大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)等少數(shù)幾個(gè)單位對(duì)主動(dòng)懸架展開研究。主動(dòng)懸架的平順性能最好。它采用許多新興的控制技術(shù)和使用大量電子器件，可使懸架的穩(wěn)定性得到保證因此，主動(dòng)懸架的平順性和操縱穩(wěn)定性是最好的，是汽車懸架必然的發(fā)展方向。
1990年，西班牙學(xué)者J.M.DEL.Castillo等人用八自由度模型在時(shí)域和頻域分別進(jìn)行了優(yōu)化研究，取得了與上述相似的結(jié)果。
被動(dòng)懸架是傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，剛度和阻尼都是不可調(diào)的，依照隨機(jī)振動(dòng)理論，它只能保證在特定的路況下達(dá)到較好效果。但它的理論成熟、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，成本相對(duì)低廉且不需額外能量，因而應(yīng)用最為廣泛。在我國現(xiàn)階段，仍然有較高的研究價(jià)值。
被動(dòng)懸架性能的研究主要集中在三個(gè)方面:通過對(duì)汽車進(jìn)行受力分析后，建立數(shù)學(xué)模型，然后再用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)或有限元法尋找懸架的最優(yōu)參數(shù)；研究可變剛度彈簧和可變阻尼的減振器，使懸架在絕大部分路況上保持良好的運(yùn)行狀態(tài)；研究導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，使汽車懸架在滿足平順性的前提下，穩(wěn)定性有大的提高。
主動(dòng)懸架的概念早在1954年就被提出了。20世紀(jì)60年代，Thompson完善了主動(dòng)懸架的基本構(gòu)成和控制規(guī)律，證明了“全主動(dòng)”懸架對(duì)車輛性能的提高。80年代初，一些裝備主動(dòng)懸架系統(tǒng)的試驗(yàn)樣車被生產(chǎn)出來，驗(yàn)證了主動(dòng)懸架對(duì)車輛性能的提高。
主動(dòng)懸架使用液壓或電動(dòng)機(jī)械的作動(dòng)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)被動(dòng)懸架中的彈簧和減振器，作動(dòng)器根據(jù)主動(dòng)懸架控制規(guī)律輸出作用力。全主動(dòng)懸架能夠根據(jù)車輛的工作狀態(tài)和路面的狀況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，抑制車體的振動(dòng)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用到較多的懸掛設(shè)備，而且工作時(shí)需要獨(dú)立的能源供應(yīng)，耗費(fèi)大量的能量，另外，使用全主動(dòng)懸架系統(tǒng)時(shí)還會(huì)引起其它的負(fù)面問題，如非懸掛質(zhì)量的共振現(xiàn)象，這就使得全主動(dòng)懸架系統(tǒng)的應(yīng)用受到限制。
主動(dòng)懸架研究也集中在兩個(gè)方面:①可靠性；②執(zhí)行器。由于主動(dòng)懸架采用了大量的傳感器、單片機(jī)、輸出輸入電路和各種接口，元器件的增加降低了懸架的可靠性，所以加大元件的集成程度，是一個(gè)不可逾越的階段。執(zhí)行器的研究主要是用電動(dòng)器件代替液壓器件卜電氣動(dòng)力系統(tǒng)中的直線伺服電機(jī)和永磁直流直線伺服電機(jī)具有較多的優(yōu)點(diǎn)，今后將會(huì)取代液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。運(yùn)用電磁蓄能原理，結(jié)合參數(shù)估計(jì)自校正控制器，可望設(shè)計(jì)出高性能低功耗的電磁蓄能式自適應(yīng)主動(dòng)懸架，使主動(dòng)懸架由理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。
1974年，Crosby和Karnop基于天棚阻尼的概念發(fā)明了半主動(dòng)阻尼器。其生產(chǎn)應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代，但它對(duì)懸架性能的改善是有限的。1975年，M argolis等人提出了“開關(guān)”控制的半主動(dòng)懸架，它能產(chǎn)生較大的阻尼力，這種懸架已應(yīng)用到實(shí)際中。1986年，KimB rough在半主動(dòng)懸架控制方法中引入了Lyapunov方法，改進(jìn)了控制算法的穩(wěn)定性。1988年，日產(chǎn)公司研制了一種“聲納”式半主動(dòng)懸架，它可通過聲納裝置預(yù)測(cè)路面信息，懸架減振器有“柔和”、“適中”和“穩(wěn)定”3種選擇狀態(tài)。1994年，Prin2kos等人使用了電流變和磁流變液體作為工作介質(zhì)，研究了新型半主動(dòng)懸架系統(tǒng)。美國Delphi公司已經(jīng)利用磁流變液開發(fā)出半主動(dòng)懸架系統(tǒng)Magen2R ide，被評(píng)為1999年世界100項(xiàng)重大發(fā)明之一。2000年，美國Lord公司公布了它的商業(yè)磁流變材料(MRF2132LD、MRF2336AG、MRF2240B S)。Delphi公司也發(fā)布了它的磁流變減振器。半主動(dòng)懸架是指懸架彈性元件的剛度和減振器的阻尼系數(shù)之一可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的懸架。目前半主動(dòng)懸架研究主要集中在調(diào)節(jié)減振器的阻尼系數(shù)方面，即將阻尼可控減振器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過傳感器檢測(cè)到的汽車行駛狀況和道路條件的變化以及車身的加速度，由ECU根據(jù)控制策略發(fā)出脈沖控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)減振器阻尼系數(shù)的無級(jí)可調(diào)。這種結(jié)構(gòu)生產(chǎn)、使用、維護(hù)成本高；本文描述一種四級(jí)剛度減振彈簧，則是一種根據(jù)載荷狀況和道路條件自行調(diào)節(jié)剛度的一種新型結(jié)構(gòu)，具有生產(chǎn)、使用、維護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn)。
半主動(dòng)懸架的研究集中在兩個(gè)方面:①執(zhí)行策略的研究；②執(zhí)行器的研究。阻尼可調(diào)減振器主要有兩種，一種是通過改變節(jié)流孔的大小調(diào)節(jié)阻尼，一種是通過改變減振液的粘性調(diào)節(jié)阻尼。節(jié)流孔的大小一般通過電磁閥或步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行有級(jí)或無級(jí)的調(diào)節(jié)，這種方法成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。通過改變減振液的粘性來改變阻尼系數(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、無噪音和沖擊等特點(diǎn)，因此是目前發(fā)展的主要方向。在國外，改變減振液粘性的方法主要有電流變液體和磁流變液體兩種。北京理工大學(xué)的章一鳴教授進(jìn)行了阻尼可調(diào)節(jié)半主動(dòng)懸架的研究，林野進(jìn)行了懸架自適應(yīng)調(diào)節(jié)的控制決策研究，哈工大的陳卓如教授對(duì)車輛的自適應(yīng)控制方面進(jìn)行了研究。執(zhí)行策略的研究是通過確定性能指標(biāo)，然后進(jìn)行控制器的設(shè)定。目前，模糊控制在這方面應(yīng)用較多。
1.3越野車懸架的發(fā)展
由于越野汽車大比例越野路面行駛要求，一般越野汽車采用非承載式車身結(jié)構(gòu)，既車架和車身分開，有獨(dú)立的車架。
近年來隨著計(jì)算機(jī)虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造等一系列列新技術(shù)的應(yīng)用和人們對(duì)越野汽車整車性能要求的不斷提高，中重型越野汽車獨(dú)立懸架技術(shù)逐漸被人們所重視。典型代表就是美國奧什科什(OSHKO-SH)公司生產(chǎn)的MTVR系列，其采用雙橫臂獨(dú)立懸架系統(tǒng)，使懸架行程達(dá)到400mm，懸架性能得到了大幅提升，從而為第三代越野汽車的設(shè)計(jì)研究指明方向。
我國的獨(dú)立懸架技術(shù)僅在輕型越野車及濟(jì)南汽車廠于20世紀(jì)70年代設(shè)計(jì)制造的JN252 8×8中噸位軍用車上得到了應(yīng)用，目前在重型越野車領(lǐng)域基本上屬于空白。因此國內(nèi)主要越野車研發(fā)單位開始對(duì)中重型越野汽車獨(dú)立懸架技術(shù)進(jìn)行研究，并取得了階段性成果。
1.4設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和方法
汽車懸架的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。其設(shè)計(jì)的成功與否決定著車輛的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性、舒適性等多方面的設(shè)計(jì)要求。這就對(duì)懸架設(shè)計(jì)人員提出較高的要求。利用ADAMS/Insight 從影響前懸架參數(shù)的兩側(cè)車輪同向跳動(dòng)和高速回正性及低速回正性三個(gè)試驗(yàn)出發(fā)對(duì)前懸架參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠大大提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。
在我國傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式中以手工繪圖或采用AutoCAD繪制二維平面圖為主，無法滿足快速設(shè)計(jì)的需求，造成產(chǎn)品開發(fā)周期長、設(shè)計(jì)成本高。汽車產(chǎn)品開發(fā)工程正面臨三個(gè)重要方面的轉(zhuǎn)變:從串行工程轉(zhuǎn)變到擴(kuò)展企業(yè)范圍的并行工程；從零件的參數(shù)化建模轉(zhuǎn)變到產(chǎn)品的參數(shù)化建模；從基于二維工程圖紙的開發(fā)工程轉(zhuǎn)變到以三維實(shí)體模型為中心的開發(fā)過程。
傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)是由最初的設(shè)計(jì)→試驗(yàn)→設(shè)計(jì)。在制造出樣品產(chǎn)品后，進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試合格，制造出產(chǎn)品。如果不合格，重新設(shè)計(jì)，直到合格為止。在從設(shè)計(jì)到制造要經(jīng)過多次的重試，需要很長的時(shí)間，浪費(fèi)了大量的人力和物力，并且延長了新產(chǎn)品的上市時(shí)間。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，特別是CAD和CAE技術(shù)的應(yīng)用，各種繪圖、分析軟件的推廣，使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)開發(fā)階段，就將零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)融合在一起，在計(jì)算機(jī)上建造出產(chǎn)品的整體模型，并對(duì)該產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進(jìn)行仿真分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的整體性能，進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品性能。現(xiàn)在汽車設(shè)計(jì)中大量采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，大大提高了汽車的性能，提前了汽車的上市時(shí)間。
越野行駛最大平均車速是汽車越野機(jī)動(dòng)性的核心技術(shù)指標(biāo)，越野行駛最大平均車速越高汽車的機(jī)動(dòng)性越高。但是越野路面最大平均車速的提升意味著地面對(duì)車輛的沖擊載荷的增大，意味著車輪接地性能(車輛通過性)的降低，意味著乘員舒適性的降低。怎樣在提升越野行駛最大平均車速，提高越野機(jī)動(dòng)性的前提下，保證乘員的舒適性、車輛行駛安全性、車輛通過性、整車各主要部件可靠性、整車輕量化是越野汽車設(shè)計(jì)的重要工作。
明確獲得用戶需求和清晰地確定車輛實(shí)際使用環(huán)境是汽車研制核心工作。越野汽車與其他車輛最大的不同就是大比例地行駛在越野路面上，此時(shí)整車扭轉(zhuǎn)變形大、扭轉(zhuǎn)載荷高。對(duì)這種大扭轉(zhuǎn)使用環(huán)境的設(shè)計(jì)也反映了越野汽車設(shè)計(jì)水平的高低。
懸架、車架、車身作為越野汽車主要承載和受力部件，起著承載整車部件和載荷，實(shí)現(xiàn)整車行駛和操控性能，吸收地面沖擊滿足乘員舒適性和貨物完好性要求等作用。三者的總質(zhì)量占越野車總質(zhì)量的50%左右，因此三者對(duì)車輛承載能力、舒適性、通過性、輕量化和可靠性有著重要的影響。
第2章 越野車懸架的初步設(shè)計(jì)
汽車懸架是車架(或車身) 與車橋(或車輪)之間彈性連接的部件。主要州彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及減振器三個(gè)基本部分組成。此外，還可包括一些特殊功能的部件，如緩沖塊和穩(wěn)定桿等。現(xiàn)代汽車還采用了控制機(jī)構(gòu)，形成可控式懸架。
汽車懸架把車身和車輪彈性地連接在一起。懸架的主要作用是傳遞作用在車輪和車身之間的一切力和力矩，比如支撐力、制動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力等，并且緩和由不平路面?zhèn)鹘o車身的沖擊載荷、衰減由此引起的振動(dòng)、保證乘員的舒適性、減小貨物和車輛本身的動(dòng)載荷。
汽車懸架的工作原理是: 當(dāng)汽車輪胎受到?jīng)_擊時(shí)，彈性元件對(duì)沖擊進(jìn)行緩沖，防止對(duì)汽車構(gòu)件和人員造成損傷。但彈性件受到?jīng)_擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生長時(shí)間持續(xù)的振動(dòng)， 容易使駕駛員疲勞而發(fā)生車禍， 故減振元件必須快速衰減振動(dòng)。當(dāng)車輪受到?jīng)_擊而跳動(dòng)時(shí)， 使其運(yùn)動(dòng)軌跡符合一定的要求， 增加汽車的平順性和穩(wěn)定性。導(dǎo)向構(gòu)件在傳力的同時(shí)，對(duì)方向進(jìn)行控制。
懸架與汽車的多種使用性能有關(guān)，為滿足這些性能，懸架系統(tǒng)必須能滿足這些性能的要求:首先，懸架系統(tǒng)要保證汽車有良好的行駛平順性，對(duì)以載人為主要目的的轎車來講，乘員在車中承受的振動(dòng)加速度不能超過國標(biāo)規(guī)定的界限值。其次，懸架要保證車身和車輪在共振區(qū)的振幅小，振動(dòng)衰減快。再次，要能保證汽車有良好的操縱穩(wěn)定性，一方面懸架要保證車輪跳動(dòng)時(shí)，車輪定位參數(shù)不發(fā)生很大的變化，另一方面要減小車輪的動(dòng)載荷和車輪跳動(dòng)量。還有就是要保證車身在制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、加速時(shí)穩(wěn)定，減小車身的俯仰和側(cè)傾。最后要保證懸架系統(tǒng)的可靠性，有足夠的剛度、強(qiáng)度和壽命。所以，汽車懸架是保證乘坐舒適性的重要部件。同時(shí)，汽車懸架做為車架(或車身)與車軸(或車輪)之間作連接的傳力機(jī)件，又是保證汽車行駛安全的重要部件。因此，汽車懸架往往列為重要部件編入轎車的技術(shù)規(guī)格表，作為衡量轎車質(zhì)量的指標(biāo)之一。
與非獨(dú)立懸架相比，獨(dú)立懸架具有許多優(yōu)點(diǎn)：非懸掛質(zhì)量小，懸架所受到并傳給車身的沖擊載荷小，有利于提高汽車的行駛平順性及輪胎的接地性能；左右車輪的跳動(dòng)沒有直接的相互影響，可減少車身的傾斜和振動(dòng)；占用橫向空間少，便于發(fā)動(dòng)機(jī)布置，可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置，從而降低汽車質(zhì)心位置，有利于提高汽車的行駛穩(wěn)定性；易于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向等。所以此越野車前懸架采用獨(dú)立懸架。隨著高速公路網(wǎng)的快速發(fā)展，促使汽車速度不斷提高，使得非獨(dú)立懸架已不能滿足行駛平順性和操縱穩(wěn)定性等方面提出的要求。因此，獨(dú)立懸架獲得了很大的發(fā)展空間。獨(dú)立懸架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，兩側(cè)的車輪各自獨(dú)立地與車架或車身彈性連接，因而具有很多優(yōu)點(diǎn)。獨(dú)立懸架中尤其是雙橫臂獨(dú)立懸架得到了廣泛的應(yīng)用。
2.1獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)、類型和特點(diǎn)
1.單橫臂式
這種懸架在車輪跳動(dòng)時(shí)．車輪傾角有顯著的變化，側(cè)滑量大、輪胎磨損嚴(yán)重，轉(zhuǎn)向輪采用這種懸架對(duì)轉(zhuǎn)向操縱有一定影響因此很少用于的前懸架。對(duì)后懸架來說．汽車在小向心加速度行駛時(shí)車輪外傾角變化將增加汽車不足轉(zhuǎn)向因素．而在大向心加速度時(shí)車身產(chǎn)生“舉升”現(xiàn)象。單橫臂式懸架結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小、成本低，在早期轎車后懸架上采用得比較多，目前已很少使用。
2.單縱臂式
單縱臂式懸架在車輪跳動(dòng)時(shí)，車輪外傾角和前束不變，但后傾角變化較大，因此多用于不轉(zhuǎn)向的后輪。轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)，由于車輪隨車身一起向外傾斜，后懸架采用這種懸架容易出現(xiàn)過多轉(zhuǎn)向趨勢(shì)。單縱臂式懸架結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小，可以得到較大的室內(nèi)空間，所以在前輪驅(qū)動(dòng)汽車的后懸架上應(yīng)用的比較多，目前被單斜臀式、麥弗遜式獨(dú)立懸架所代替。
3.單斜臂式
介于單橫臂式和單縱臂式之間的一種懸架結(jié)構(gòu)。擺臂的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與汽車縱軸線所成角度在0o-90o之間。單斜臂式懸架自60年代初問世以來，在后輪驅(qū)動(dòng)汽車的后懸架上得到了廣泛應(yīng)用。目前由于對(duì)汽車干順性和操縱穩(wěn)定性提出了更高要求，有些汽車采用了結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的雙橫臂式或多桿式獨(dú)立懸架。今后伴隨著后輪驅(qū)動(dòng)汽的減少，單斜臂式懸架應(yīng)用會(huì)逐漸減少。
4.縱臂扭轉(zhuǎn)梁式
這種懸架主要優(yōu)點(diǎn)是，車輪運(yùn)動(dòng)特性比較好，左、右車輪在等幅正向或反向跳動(dòng)時(shí)，車輪外傾角、前束及輪距無變化，汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性。但這種懸梁在側(cè)向力作用時(shí)。呈過多轉(zhuǎn)向趨勢(shì)。另外，扭轉(zhuǎn)梁因強(qiáng)度關(guān)系，允許承受的載荷受到限制。扭轉(zhuǎn)梁式懸架結(jié)構(gòu)簡單、成本低、在一些前置前驅(qū)動(dòng)汽車的后懸架上應(yīng)用得比較多。
5.雙橫臂式
雙橫臂式獨(dú)立懸架按其上、下橫臂的長短又分為等長雙橫臂式和不等長雙橫臂式兩種。等長雙橫臂式懸架在其車輪作上、下跳動(dòng)時(shí)，可保持主銷傾角不變，但輪距卻有較大的變化，會(huì)使輪胎磨損嚴(yán)重，故已很少采用，多為不等長雙橫臂式懸架所取代。后一種形式的懸架在其車輪上、下跳動(dòng)時(shí)，只要適當(dāng)?shù)剡x擇上、下橫臂的長度，并合理布置，即可使輪距及車輪定位參數(shù)的變化量限定在允許的范圍內(nèi)。這種不大的輪距改變，不引起車輪沿路面的側(cè)滑，而為輪胎的彈性變形所補(bǔ)償。因此，不等長雙橫臂獨(dú)立懸架能保證汽車有良好的行駛穩(wěn)定性，已為中高級(jí)轎車的前懸架所廣泛采用。
6.多桿式
多桿式懸架主要優(yōu)點(diǎn)是，利用多桿控制車輪的空間運(yùn)動(dòng)軌跡，以便更好地控制車輪定位參數(shù)變化規(guī)律，得到更為滿意的汽車順從轉(zhuǎn)向特性，最大限度滿足汽車操縱性和平順性要求。缺點(diǎn)是零件數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、要求精度高。多桿式懸架是目前最為先進(jìn)的懸架結(jié)構(gòu)。
7.麥弗遜式
它可看成是上擺臂等效無限長的雙橫臂式獨(dú)立懸架。它的突出優(yōu)點(diǎn)是簡化了結(jié)構(gòu)，減小了質(zhì)量，節(jié)省了空間，有利于前部地板構(gòu)造和發(fā)動(dòng)機(jī)布置。它的缺點(diǎn)是：由于自由度少，懸架運(yùn)動(dòng)特性的可設(shè)計(jì)性不如雙橫臂懸架；振動(dòng)通過上支點(diǎn)傳遞給汽車頭部，需采取相應(yīng)的措施隔離振動(dòng)、噪聲；減震器的活塞桿與導(dǎo)向套之間存在摩擦力，使得懸架的動(dòng)剛度增加，彈性特性變差，小位移時(shí)這一影響更加顯著；對(duì)輪胎的不平衡性較敏感；減震器緊貼車輪布置，其空間很小，有些情況下不便于采用寬胎或加裝防滑鏈。
2.2懸架的主要參數(shù)選擇
從上節(jié)中可知不等長雙橫臂式懸架可以通過合理選擇上、下橫臂的長度和布置方案，保證越野車有很好的行駛穩(wěn)定性，而且結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜，因此本設(shè)計(jì)選用不等長雙橫臂獨(dú)立懸架，參考同類型車的整車參數(shù)，初步設(shè)定其整車參數(shù)為：前輪距1500mm；后輪距1500mm；滿載質(zhì)量2106kg；軸距2630mm；滿載前軸荷848kg；滿載后軸荷1258kg；前懸需彈簧剛度66.6N/mm；后懸所需彈簧剛度43.9N/mm；前懸非簧載質(zhì)量87.2kg；后懸非簧載質(zhì)量213kg；輪胎規(guī)格為P215/70R16；質(zhì)心高度400mm。
2.2.1懸架靜撓度
懸架靜撓度?c是指汽車滿載靜止時(shí)懸架上的載荷Fw與此時(shí)懸架剛度c之比，即：
?c=Fw/c （2.1）
因現(xiàn)代汽車的質(zhì)量分配系數(shù)ε近似等于1，于是汽車前、后軸上方車身兩點(diǎn)的振動(dòng)不存在聯(lián)系。因此，汽車前、后部分車身的固有頻率n1和n2可用下式表示：
n1=c1m1/(2π) （2.2）
n2=c2m2/(2π) （2.3）
當(dāng)采用彈性特性為線性變化的懸架時(shí)：
?c1=m1g/c1 （2.4）
?c2=m2g/c2 （2.5）
由式(2.1)，(2.2)，(2.3)，(2.4)可得：
n1≈15.76/fc1 （2.6）
n2≈15.76?c2 （2.7）
式中： c1、c2為前、后懸架的剛度（N/mm）；m1、m2為前、后懸架（單邊）的簧上質(zhì)量（kg）；g為重力加速度，g=9810mm/s2。
一般對(duì)于采用鋼制彈簧的汽車，n1≈1~1.3Hz，n2≈1.17~1.5Hz，非常接近人體步行的自然頻率。越野汽車更大些。為了減少汽車的角振動(dòng)，一般汽車前、后懸架偏頻之比約為n1/n2=0.85~0.95[2]。
取n1=1.35Hz，n1/n2=0.9，則n2≈1.5Hz，由式（2.4）和（2.5）可得：
fc1≈136.28mm
fc2≈110.39mm
2.2.2懸架動(dòng)撓度
懸架動(dòng)撓度?d是指從滿載靜平衡位置開始懸架壓縮到結(jié)構(gòu)允許的最大變形（通常指緩沖塊壓縮到其自由高度的1/2或2/3）時(shí)，車輪中心相對(duì)車架（或車身）的垂直位移。要求懸架應(yīng)有足夠大的動(dòng)撓度，以防止在壞路面上行駛時(shí)經(jīng)常碰撞緩沖塊。對(duì)乘用車，取?d=7~9cm；對(duì)客車，取?d=5~8cm；對(duì)貨車取?d=6~9cm。在這里，由于是越野車前懸架，行駛工況惡劣，因此動(dòng)撓度應(yīng)取更大點(diǎn) [3]，取?d=1.02cm
2.3彈性元件設(shè)計(jì)
根據(jù)總布置要求及懸架的具體結(jié)構(gòu)形式，得到設(shè)計(jì)載荷時(shí)彈簧的受力Pi=m1g=3731.724N及彈簧高度Hi=235mm，懸架在壓縮行程極限位置時(shí)彈簧高度Hi=175mm。
初步選擇彈簧中徑Dm=95mm，兩端碾細(xì)，根據(jù)工作條件，屬于Ⅰ類載荷彈簧。選取汽車懸架C類油淬火回火彈簧（60Si2MnA）鋼絲，由《汽車設(shè)計(jì)》查得其切變模量G=83GP。
臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)伸張及壓縮極限位置相對(duì)于設(shè)計(jì)載荷位置的變形量?1=136.28mm，?2=113mm。
初選鋼絲直徑d=14mm，查得其許用拉應(yīng)力[σ]=1569MPa；其許用切應(yīng)力：
τp=0.63δb=988.47MPa （2.8）
由 ?=8PDm3?i/(Gd4)得Cs=P/?=Gd4/(8Dm3?i)，因此：
i= Gd4/(8Dm3Cs)=6.797取7 （2.9）
式中： Dm彈簧中徑，mm；d彈簧鋼絲直徑，mm；i彈簧工作圈數(shù)；G彈簧材料的剪切模量，取83000MPa；?變形量，mm；Cs為彈簧剛度。
總?cè)?shù)n= i+2=8.979，查彈簧設(shè)計(jì)手冊(cè)應(yīng)取9。
完全并緊時(shí)載的彈簧高度：
Hs=1.01d(n-1)+2t=122.453mm （2.10）
式中：t=d/3
彈簧在完全壓緊時(shí)的載荷：
Ps=Pi+Cs(Hi+Hs)=27538.094N （2.11）
彈簧在臺(tái)架試驗(yàn)伸張極限位置對(duì)應(yīng)的載荷：
P1=Pi-Cs?1=53440524N （2.12）
彈簧在臺(tái)架試驗(yàn)壓縮極限位置對(duì)應(yīng)的載荷：
P2=Pi+Cs?2=10524.924N （2.13）
彈簧在工作壓縮極限位置的載荷：
Pm=Pi+Cs(H1-Hm)=7727.724N （2.14）
彈簧指數(shù)：
C=Dm/d=6.786 （2.15）
曲度系數(shù)：
K'=(4C-1)/(4C-4)+0.615/C=1.22 （2.16）
τ1=8P1CK'/(πd2)=412.345MPa≤τp （2.17）
τ2=8P2CK'/(πd2)=812.028MPa≤τp （2.18）
τs=8PsCK'/(πd2)=2249.849MPa （2.19）
τmax=8PmCK'/(πd2)=904.519MPa≤τp （2.20）
雖然τs>τmax，但τmax是懸架工作時(shí)彈簧設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的最大剪應(yīng)力，對(duì)應(yīng)懸架的極限壓縮狀態(tài)。
Ke=0.74(τ2-τ1)/{ 1.48[σ]-(τ2+τ1)}=0.269 （2.21）
在給定條件下的循環(huán)次數(shù)：
ne=(1.808/Ke)10.13=2317236.469 （2.22）
符合要求。
彈簧的自由高度：
Ho=Hi+Pi/Cs=291.032mm （2.23）
取Ho=300mm
由C=6.25查圖13-65（參考文獻(xiàn)[3]）的δ=0.12，因此彈簧最小工作高度Hn=Hs+δdi=134.178mmλ=Ho/Dm=3.158<5.3，取C0=1；則(fH0)cr=0.811(1+1-6.89(C0λ)2=1.22897，由于H0已經(jīng)設(shè)計(jì)出，易發(fā)現(xiàn)相對(duì)變形量f/H0顯然比其臨界值(fH0)cr小，因此彈簧穩(wěn)定。
2.4減振器設(shè)計(jì)
2.4.1減振器及其形式的選擇
減振器主要用來抑制彈簧吸震后反彈時(shí)的震蕩及來自路面的沖擊。在經(jīng)過不平路面時(shí)，雖然吸震彈簧可以過濾路面的震動(dòng)，但彈簧自身還會(huì)有往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而減震器就是用來抑制這種彈簧跳躍的。減震器太軟，車身就會(huì)上下跳躍，減震器太硬就會(huì)帶來太大的阻力，妨礙彈簧正常工作。
懸架用得最多的減震器是內(nèi)部充有液體的液力式減震器。汽車車身和車輪振動(dòng)時(shí)，減震器的液體在流經(jīng)阻尼孔時(shí)的摩擦和液體的粘性摩擦形成了振動(dòng)阻力，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽⑸l(fā)到周圍的空氣中去，達(dá)到迅速衰減振動(dòng)的目的。如果能量的耗散僅僅是在壓縮行程或者是在伸張行程進(jìn)行，這把這種減震器稱為單向作用式減震器；反之稱為雙向作用式減震器。本設(shè)計(jì)選用雙向作用式減震器。
根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，減震器分為搖臂式和筒式兩種筒式減震器又分為單筒式、雙筒式和充氣筒式三種。本設(shè)計(jì)選用雙筒式減震器。
2.4.2相對(duì)阻尼系數(shù)ψ
我們用相對(duì)阻尼系數(shù)ψ的大小來評(píng)定振動(dòng)衰減的快慢程度。ψ值大，振動(dòng)能迅速衰減，同時(shí)又能將較大的路面沖擊力傳到車身；ψ值小則反之。通常情況下，將壓縮行程時(shí)的相對(duì)阻尼系數(shù)ψY取得小些，伸張行程時(shí)的相對(duì)阻尼系數(shù)ψS取得大些。兩者之間保持有ψY=（0.25~0.50）ψS的關(guān)系。對(duì)于無內(nèi)摩擦的彈性元件懸架，取ψ=0.25~0.35；對(duì)于有內(nèi)摩擦的彈性元件彈簧，ψ值取小些。對(duì)于行駛路面條件較差的汽車，ψ值應(yīng)取大些，一般取ψS>0.3，由于是越野汽車，所以我取ψ=0.32（ψY與ψS的平均值）；為避免懸架碰撞車架，取ψY=0.5ψS。因此可計(jì)算出：
ψY=0.213
ψS=0.427
2.4.3減震器阻尼系數(shù)δ的確定
懸架系統(tǒng)固有振動(dòng)頻率：
ω=cms=66.6×103760.8=9.356 （2.24）
式中：c懸架系統(tǒng)的垂直剛度；ms簧上質(zhì)量。因此可求得的減震器的阻尼系數(shù)：
δ=2ψmsωn2(a2cos2α)=125654.3 （2.25）
式中：n雙橫臂懸架的下臂長；a減震器在下橫臂上的連接點(diǎn)到下橫臂在車身上鉸鏈點(diǎn)之間的距離。取na=53；α減震器軸線與鉛垂線之間的夾角，取90°。同理可算出伸張行程時(shí)的阻尼系數(shù)δs=16885.6。
2.4.4減震器最大卸荷力的確定
為求出減震器的最大卸荷力F0，先求出當(dāng)減震器打開卸荷閥時(shí)活塞的速度即卸荷速度vx=Aωacosαn=0.22ms
式中：vx一般都在0.15~0.30ms；A車身振幅，取±40mm；
因此可求得在伸張時(shí)的最大卸荷力：
F0=δsvx=3791.556N （2.26）
2.4.5筒式減震器工作缸直徑D的確定
根據(jù)伸張行程的最大卸荷力計(jì)算工作缸直徑：
D=4F0πp(1-λ2)=41.58mm （2.27）
式中：[p]工作缸最大允許壓力，取3~4MPa，本設(shè)計(jì)中取3.5MPa；λ連桿直徑與缸筒直徑之比，雙筒式減震器取λ=0.40~0.50，單筒式減震器取λ=0.30~0.35，本設(shè)計(jì)中取0.45。由于減震器的工作缸直徑為20mm、30mm、40mm、（45mm）、50mm、65mm等幾種，本設(shè)計(jì)選D=40mm。材料選20鋼，壁厚取2mm。
貯油筒直徑Dc=（1.35~1.50）D，取Dc=1.40D=56mm。
2.5導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.5.1側(cè)傾中心及橫向平面內(nèi)上、下橫臂的布置方案
雙橫臂式獨(dú)立懸架的側(cè)傾中心由圖2.1所示方式得出。
圖2.1 雙橫臂式獨(dú)立懸架側(cè)傾中心的確定
初選β=2°；δ=11°；α=5°；c=450mm；d=220mm；a=18mm；已知B12=450mm
可計(jì)算出側(cè)傾中心高度：
hW=B12hpkcosβ+dtanδ+a=70mm （2.28）
式中 ： k=csin(90°+δ-α)sin(α+β)=3672mm （2.29）
hp=ksinβ+d=348 （2.30）
所以側(cè)傾中心高度符合在獨(dú)立懸架中側(cè)傾中心高度前懸架0~120mm的要求。
2.5.2縱向平面內(nèi)上、下橫臂的布置方案
為了提高汽車的制動(dòng)穩(wěn)定性和舒適性，一般希望主銷后傾角的變化規(guī)律是：在懸架彈簧壓縮時(shí)后傾角增大；在彈簧壓縮時(shí)后傾角減小，用以造成制動(dòng)時(shí)因主銷后傾角變大而在控制臂支架上產(chǎn)生的防止制動(dòng)前俯的力矩。
縱向平面內(nèi)上、下橫臂有六種布置方案，如圖2.2所示。
第1、2、6方案主銷后傾角的變化規(guī)律比較好，在現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中被廣泛采用，這里我初選第2種方案，β2'=-5°左右。
2.5.3．水平面內(nèi)上、下橫臂的布置方案
水平面的布置方案有三種，如圖2.3所示。初取α1'=5°；α2'=8°
2.5.4上、下橫臂長度的確定
汽車懸架設(shè)計(jì)時(shí)，希望輪距變化更小，以減少輪胎磨損，提高其使用生命，因此應(yīng)選擇上、下橫臂長度之比在0.6附近；為保證汽車具有更好的操縱穩(wěn)定性，希望前輪定
（a） （b） （c）
（d） （e） （f）
圖2.2 縱向平面內(nèi)上、下橫臂軸布置方案
（a） （b） （c）
圖2.3 水平面內(nèi)上、下橫臂軸的布置方案
位角度的變化更小，這時(shí)應(yīng)選擇上、下橫臂長度之比在1.0附近。根據(jù)我國乘用車設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，在初選尺寸時(shí)取上、下橫臂長度之比為0.65為宜。因此本設(shè)計(jì)初選尺寸下擺臂長度l1=400mm，l2l1=0.65，即上擺臂長度l2=260mm。
2.6本章小結(jié)
本章通過對(duì)多種形式的獨(dú)立懸架的優(yōu)缺點(diǎn)的比較，確定了選用不等長雙橫臂獨(dú)立懸架作為越野車的前懸架，并參考了有關(guān)資料初步取得了越野車前懸架和整車的主要參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式和布置方案等。為進(jìn)一步設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。
第3章 建立越野車懸架模型
3.1ADAMS介紹
ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，原由美國 MDI 公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)，目前已被美國 MSC 公司收購成為 MSC/ ADAMS，是最著名的虛擬樣機(jī)分析軟件。它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，利用拉格朗日第一類方程建立系統(tǒng)最大量坐標(biāo)動(dòng)力學(xué)微分－代數(shù)方程，求解器算法穩(wěn)定，對(duì)剛性問題十分有效，可以對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，后處理程序可輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線以及動(dòng)畫仿真[4]。
ADAMS 軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。目前，ADAMS 已在汽車、飛機(jī)、鐵路、工程機(jī)械、一般機(jī)械、航天機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，己經(jīng)被全世界各行各業(yè)的大多制造商采用。根據(jù) 1999 年機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析軟件國際市場(chǎng)份額的統(tǒng)計(jì)資料，ADAMS 軟件占據(jù)了銷售總額近 8 千萬美元的 51%份額[5]。
ADAMS 軟件由核心模塊、功能擴(kuò)展模塊、專業(yè)模塊、工具箱和接口模塊 5 類模塊組成。ADAMS 一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺(tái)。
下面對(duì)本設(shè)計(jì)涉及到的幾個(gè)模塊進(jìn)行簡要介紹。
ADAMS/Solver是 ADAMS 系列產(chǎn)品的核心模塊之一， 是 ADAMS產(chǎn)品系列中處于心臟地位的仿真器。該軟件自動(dòng)形成機(jī)械系統(tǒng)模型的動(dòng)力學(xué)方程，提供靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的解算結(jié)果。ADAMS/Solver有各種建模和求解選項(xiàng)，以便精確有效地解決各種工程應(yīng)用問題。
后處理模塊 ADAMS/Postprocessor，用來處理仿真結(jié)果數(shù)據(jù)、顯示仿真動(dòng)畫等。
ADAMS/Insight 是基于網(wǎng)頁技術(shù)的新模塊。利用該模塊，工程師可以方便地將仿真試驗(yàn)結(jié)果置于 Intranet或 Extranet網(wǎng)頁上，這樣，企業(yè)不同部門的人員(設(shè)計(jì)工程師、試驗(yàn)工程師、計(jì)劃/采購/管理/銷售部門人員)都可以共享分析成果，加速?zèng)Q策進(jìn)程，最大限度地減少?zèng)Q策的風(fēng)險(xiǎn)。 應(yīng)用 ADAMS/Insight，工程師可以規(guī)劃和完成一系列仿真試驗(yàn)，從而精確地預(yù)測(cè)所設(shè)計(jì)的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)在各種工作條件下的性能，并提供了對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行各種專業(yè)化統(tǒng)計(jì)分析的工具。ADAMS/Insight 是選裝模塊，既可以在 ADAMS/View，ADAMS/Car， ADAMS/Pre 環(huán)境中運(yùn)行，也可脫離 ADAMS 環(huán)境單獨(dú)運(yùn)行。工程師在擁有這些工具后，就可以對(duì)任何一種仿真進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，精確地預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)的性能，得到高品質(zhì)的設(shè)計(jì)方案[6]。
轎車模塊（ADAMS/Car ）是 MDI 公司與 Audi、BMW、Renault 和 Volvo 等公司合作開發(fā)的整車設(shè)計(jì)軟件包，集成了他們?cè)谄囋O(shè)計(jì)、開發(fā)方面的專家經(jīng)驗(yàn)，能夠幫助工程師快速建造高精度的整車虛擬樣機(jī)，其中包括車身、懸架、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、制動(dòng)系統(tǒng)等，工程師可以通過高速動(dòng)畫直觀地再現(xiàn)在各種試驗(yàn)工況下(例如：天氣、道路狀況、駕駛員經(jīng)驗(yàn))整車的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，并輸出標(biāo)志操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性、乘坐舒適性和安全性的特征參數(shù)，從而減少對(duì)物理樣機(jī)的依賴，而仿真時(shí)間只是進(jìn)行物理樣機(jī)試驗(yàn)的幾分之一。 ADAMS/Car 采用的用戶化界面是根據(jù)汽車工程師的習(xí)慣而專門設(shè)計(jì)的。ADAMS/Car 中包括整車動(dòng)力學(xué)模塊(Vehicle Dynamics)和懸架設(shè)計(jì)模塊(Suspension Design)，其仿真工況包括：方問盤角階躍、斜坡和脈沖輸入、蛇行穿越試驗(yàn)、漂移試驗(yàn)、加速試驗(yàn)、制動(dòng)試驗(yàn)和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)等，同時(shí)還可以設(shè)定試驗(yàn)過程中的節(jié)氣門開度、變速器檔位等。利用ADAMS /Car可以使工程師們的工作快速而精確，有更多時(shí)間集中精力去研究如何改進(jìn)設(shè)計(jì)獲得理想的汽車性能。虛擬分析、試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)有：在制造和測(cè)試實(shí)物樣機(jī)以前對(duì)處于設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品進(jìn)行分析，了解其工作特性并指導(dǎo)設(shè)計(jì)的改進(jìn)；與物理樣機(jī)的試驗(yàn)相比，使用ADAMS/Car評(píng)價(jià)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的效果，快捷而且成本低廉；快速、方便地改變?cè)囼?yàn)的種類，無需重新裝置儀表、試驗(yàn)設(shè)備；由于是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的仿真試驗(yàn)，所以無需擔(dān)心因儀器失敗和氣候的影響而耽擱時(shí)間；與真實(shí)試驗(yàn)相比，虛擬試驗(yàn)沒有任何危險(xiǎn)[7]。
3.2建立模型
ADAMS/Car文件體系是指基于模板建立的虛擬產(chǎn)品。它由一系列的文件構(gòu)成， 在ADAMS/Car中有四種文件：屬性文件、模板、子系統(tǒng)和裝配組件。
屬性文件是定義部件參數(shù)的ASCII格式文件，可以使用任何文本編輯器進(jìn)行編輯、修改和保存。模板是參數(shù)化的模型，在模板中含有標(biāo)準(zhǔn)模型組件的零件參數(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。子系統(tǒng)是基于模板建立的、允許標(biāo)準(zhǔn)用戶修改模板參數(shù)的零部件組合，如懸掛、車輪、傳動(dòng)系、車架等。用戶只能在標(biāo)準(zhǔn)界面中才可以使用子系統(tǒng)。裝配組件是子系統(tǒng)和試驗(yàn)臺(tái)的組合件。由于標(biāo)準(zhǔn)仿真都是試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)，所以只有包含試驗(yàn)臺(tái)的裝配組件才可以進(jìn)行仿真分析。
ADAMS/Car模塊通常的建模程序是：設(shè)計(jì)人員首先在“Template Budider”（模板）下創(chuàng)建所需的模板，或?qū)σ延械哪０暹M(jìn)行修改以適應(yīng)建模要求；然后根據(jù)建立的模板在“Standard Interface”（標(biāo)準(zhǔn)界面）下建立子系統(tǒng)模型，并將子系統(tǒng)模型組裝成系統(tǒng)總成或整車模型；最后根據(jù)研究目標(biāo)對(duì)組裝好的懸架或整車模型給出不同的分析命令，即可進(jìn)行不同工況下的仿真分析或優(yōu)化設(shè)計(jì)[8]。
由于ADAMS/Car模板采用的是自下而上的建模順序(即懸架整車總成模型都是建立于子系統(tǒng)模型基礎(chǔ)之上，而不同的子系統(tǒng)則需要建立不同的模板)，因此，在“Template Builder”中建立模板是ADAMS/Car仿真分析首要的關(guān)鍵步驟。
（1）物理模型的簡化
根據(jù)物理模型中各零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，定義出各零件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，把沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的零件進(jìn)行整合，定義為“General Part”。
（2）確定“Hard Point”(硬點(diǎn))
硬點(diǎn)即為各零件間連接處的幾何定位點(diǎn)，確定硬點(diǎn)就是在模板坐標(biāo)系內(nèi)給出零件之間連接點(diǎn)的幾何位置。
（3）創(chuàng)建零件
根據(jù)硬點(diǎn)位置或零件質(zhì)心的絕對(duì)坐標(biāo)創(chuàng)建零件，并將實(shí)際零件的參數(shù)（如質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心位置等）輸入到相應(yīng)的對(duì)話框中。注意，零件的三個(gè)坐標(biāo)軸方向必須與絕對(duì)坐標(biāo)系的相應(yīng)坐標(biāo)軸平行。
（4）定義“Mount”（組裝）
系統(tǒng)總成或整車模型都是由多個(gè)子系統(tǒng)裝配而成，因而要在各子系統(tǒng)中定義“Mount”（組裝），以方便各子系統(tǒng)模型之間的裝配連接。
（5）創(chuàng)建零件的“Geometry”(幾何形體)
在硬點(diǎn)的基礎(chǔ)上建立零件的幾何形體。由于零件的動(dòng)力學(xué)參數(shù)已經(jīng)確定，因此幾何形體對(duì)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果實(shí)際上沒有影響[4]。但在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中，零件的外形輪廓直接關(guān)系到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干涉。考慮到模型的直觀性，零件的幾何形狀應(yīng)盡可能地貼近實(shí)際結(jié)構(gòu)。
（6）定義“Attachment”(連接)
按照各個(gè)零件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系確定約束類型，通過“Joint”（約束）或“Bushing”(襯套)等將各零件連接起來，從而構(gòu)成子系統(tǒng)模板的結(jié)構(gòu)模型。定義連接是正確建模的重要步驟，它直接關(guān)系著系統(tǒng)自由度的合理性。
（7）定義“Parameter Variable”(參數(shù)變量)
對(duì)不同的子系統(tǒng)模板，通常還需定義相應(yīng)的參數(shù)變量，例如懸架模型中通常需對(duì)前輪定位參數(shù)進(jìn)行定義。
（8）定義、測(cè)試通訊器（Communicator）。
創(chuàng)建、核對(duì)與外部連接的通訊器的類型、名稱、對(duì)稱性。
3.2.1簡化模型
設(shè)懸架模型的絕對(duì)坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為兩側(cè)車輪接地印跡中心點(diǎn)連線之中點(diǎn)，車輛行駛方向?yàn)閤軸負(fù)向，y軸由坐標(biāo)原點(diǎn)指向駕駛員右側(cè)，z軸符合右手螺旋法則垂直向上。
假設(shè)前懸架關(guān)于整車縱向中心對(duì)稱面對(duì)稱，這樣在建模過程中將type選為left，只需建立半個(gè)前懸架模型，另一半模型（包括零件、硬點(diǎn)、約束）可由ADAMS/Car自動(dòng)生成。忽略導(dǎo)向桿件的柔性和變形，假設(shè)前懸架是一個(gè)多缸體系統(tǒng)，除了在減振器與車身及控制臂與副車架等連接處定義了“Bushing”(襯套)的彈性特性之外，系統(tǒng)各零件及車身均假定為缸體。假設(shè)所研究的越野車前后部符合不耦合力學(xué)條件，即前后懸架彈簧上質(zhì)量的垂向運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，無軸荷縱向轉(zhuǎn)移?；缮腺|(zhì)量根據(jù)質(zhì)心位置安比例分配與前、后車架上[9]。
3.2.2確實(shí)硬點(diǎn)坐標(biāo)
根據(jù)第二章中懸架橫臂在橫向平面、縱向平面、水平面內(nèi)的布置方案及坐標(biāo)系的位置可大致計(jì)算出各硬點(diǎn)的坐標(biāo)，前懸架左半邊硬點(diǎn)坐標(biāo)如下：
表3.1 各硬點(diǎn)坐標(biāo)
序號(hào)
硬點(diǎn)
Hard Point
x/mm
y/mm
z/mm
1
驅(qū)動(dòng)軸內(nèi)支點(diǎn)
drive_shaft_inr
0
-200
280
2
下控制臂前支點(diǎn)
lca_front
-169
-327
233
3
下控制臂外支點(diǎn)
lca_outer
0
-690
220
4
下控制臂后支點(diǎn)
lca _rear
230
-342
233
5
上控制臂前支點(diǎn)
uca_front
15
-345
636
6
上控制臂外支點(diǎn)
uca_outer
23
-604
661
7
上控制臂后支點(diǎn)
uca_rear
139
-375
622
8
減振器下安裝點(diǎn)
lwr_strut_mount
0
-517
226
9
減振器上安裝點(diǎn)
top_mount
0
-517
636
10
轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)支點(diǎn)
tierod_inner
200
-420
336
11
轉(zhuǎn)向橫拉桿外支點(diǎn)
tierod_outer
150
-720
336
12
車輪中心
wheel_center
0
-750
336
13
副車架前支點(diǎn)
subframe_front
-400
-380
233
14
副車架后支點(diǎn)
subframe_rear
400
-380
233
3.2.3建立雙橫臂懸架模型
（1）創(chuàng)建部件
除創(chuàng)建副車架外，都選擇元素的類型為左邊，這樣就只需創(chuàng)建左邊的元素，在ADAMS/Car中自動(dòng)創(chuàng)建相對(duì)縱向中心線的對(duì)稱元素。
1.ADAMS/Car模塊采用的是自上而下的建模順序，首先在模板模式下建立點(diǎn)首先建立上控制臂硬點(diǎn)。如圖3.1所示。
圖3.1 上控制臂硬點(diǎn)
2.然后建立上控制臂零件（general part）：名稱為upper_control_arm；類型為left；位置在三個(gè)硬點(diǎn)之間；方向從外點(diǎn)指向內(nèi)點(diǎn)；質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參照同類型懸架設(shè)置，如圖3.2和圖3.3所示。
3.為了直觀，建立上控制臂的幾何形體，得到上控制臂的幾何形體如圖3.4所示。
4.上控制臂基本建完后就按同樣的方法建其它零部件。創(chuàng)建下控制臂如圖3.5所示。
5.創(chuàng)建轉(zhuǎn)向節(jié)部件，得到模型如圖3.6所示所示。
6.創(chuàng)建轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)向橫拉桿，得到模型如圖3.7所示。
7.創(chuàng)建減震器：首先創(chuàng)建減震器筒和減震器桿零件，再定義減震器。減震器和彈簧的屬性都是通過對(duì)應(yīng)的屬性文件來定義的，得到模型如圖3.8所示。
8.定義螺旋彈簧如圖3.9所示。
9.創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)軸如圖3.10所示。
10.創(chuàng)建副車架；為了直觀和美觀，在各接頭處創(chuàng)建球體并將其定義為某個(gè)general part的幾何物體，這樣接頭處就沒有縫隙，而且看起來過度圓滑，如圖3.11所示。
圖3.2 創(chuàng)建上控制臂零件時(shí)的設(shè)置
圖3.3 上控制臂零件創(chuàng)建后的模型
圖3.4 上控制幾何形體創(chuàng)建后的模型
圖3.5 下控制臂零件和幾何形體創(chuàng)建后的模型
圖3.6 轉(zhuǎn)向節(jié)及其幾何形體創(chuàng)建后的模型
圖3.7 轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)向橫拉桿創(chuàng)建后的模型
圖3.8 減震器創(chuàng)建后的模型
圖3.9 螺旋彈簧創(chuàng)建后的模型
圖3.10 驅(qū)動(dòng)軸創(chuàng)建后的模型
圖3.11 副車架創(chuàng)建后的模型
（2）部件間連接
主要零件創(chuàng)建完成后定義部件之間的連接，部件間的連接分為模板內(nèi)部連接和，外部連接，內(nèi)部部件之間直接通過運(yùn)動(dòng)副連接，外部則還需要借助安裝件和通訊器連接。如圖3.12和圖3.13所示。
鉸鏈軸套
J部件
I部件
圖3.12 內(nèi)部連接
圖3.13 外部連接
轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向節(jié)、上控制臂與轉(zhuǎn)向節(jié)、下控制臂與轉(zhuǎn)向節(jié)之間屬于內(nèi)部連接，都采用球面副連接；轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)向節(jié)、下控制臂與副車架之間屬于內(nèi)部連接，都采用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接；半軸接頭與驅(qū)動(dòng)半軸、驅(qū)動(dòng)半軸與轉(zhuǎn)軸之間屬于內(nèi)部連接，且要求等速轉(zhuǎn)動(dòng)，因此都采用等速萬向節(jié)；減振器筒與下控制臂之間屬于內(nèi)部連接，采用萬向節(jié)連接；而下控制臂的前、后端，下控制臂的前、后端，減振器活塞桿，副車架及轉(zhuǎn)向橫啦桿里端都與外部有連接，對(duì)于這些地方的連接先創(chuàng)建安裝件，安裝件通過通訊器與其他子系統(tǒng)連接，再將懸架與這些安裝件連接，這樣就實(shí)現(xiàn)了前懸架與其它子系統(tǒng)的連接。減振器筒與安裝件strut_to_body之間用萬向節(jié)連接；上控制臂與安裝件uca_to_body之間用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接；轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)端與安裝件tierod_to_body之間用等速萬向節(jié)連接；副車架與安裝件subframe_to_body之間用固定副連接；半軸接頭與安裝件tripot_to_differential之間用移動(dòng)副連接。安裝件與通訊器的名稱必須匹配，否則無法與外部通訊。上控制臂與安裝件之間，下控制臂與副車架之間，副車架與安裝件之間還采用軸套連接。因?yàn)檩S套是柔性的，兩個(gè)部件之間可以使用多個(gè)軸套，但剛性鉸接副不一樣，只能用一個(gè)，否則將產(chǎn)生過約束[10]。完成之后模型如圖3.14所示。
圖3.14 各連接處連接創(chuàng)建后的模型
（3）創(chuàng)建懸架參數(shù)
在創(chuàng)建了懸架的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，還需要定義懸架的特性參數(shù)，設(shè)置前束角為0.1度，外傾角為-1度，如圖3.15所示。
之后，需要定義主銷軸線。對(duì)于此雙橫臂懸架來說上、下橫臂的外端點(diǎn)間連線就是主銷軸線。確定主銷軸線有兩種方法：幾何法（Geometric）和瞬時(shí)軸法（Instant Axis）。這里我采用幾何法，即以兩個(gè)不重疊硬點(diǎn)之間的直線確定轉(zhuǎn)向軸[11]，如圖3.16所示。
圖3.15 懸架車輪前束角和外傾角的設(shè)置
圖3.16 定義主銷軸線
（4）定義通訊器
為保證裝配正確進(jìn)行，需要定義懸架與懸架試驗(yàn)臺(tái)之間的連接，通過定義通訊器的方法把懸架試驗(yàn)臺(tái)與車輪中心位置連接起來。
先查看標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)通訊器信息，如圖3.17所示。
當(dāng)進(jìn)行懸架靜載荷分析時(shí)，還須將轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)向節(jié)鎖定，否則，由于組件中存在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的自由度將導(dǎo)致分析結(jié)果不能收斂，ADAMS/CAR根據(jù)通訊器的設(shè)定在轉(zhuǎn)向節(jié)和轉(zhuǎn)軸之間按分析要求自動(dòng)鎖定[12]。其過程如下：
1.創(chuàng)建一個(gè)安裝輸出通訊器，指定懸架試驗(yàn)臺(tái)連接到哪個(gè)部件。這個(gè)通訊器將完成兩個(gè)任務(wù)：一是指定與試驗(yàn)臺(tái)連接的部件；另一個(gè)是為靜態(tài)鎖止器定義被鎖止部件：spindle。如圖3.18所示。
2.創(chuàng)建一個(gè)安裝輸出通訊器，為懸架試驗(yàn)臺(tái)的鎖止執(zhí)行器指定被鎖住的部件：轉(zhuǎn)向節(jié)。如圖3.19所示。
3.創(chuàng)建一個(gè)位置輸出通訊器，指定懸架試驗(yàn)臺(tái)放置的位置。如圖3.20所示。
4.為了核對(duì)模板中指定的通訊器的正確性，可以對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，找出未匹配的通訊器對(duì)，再進(jìn)行修改，確保懸架模板與懸架試驗(yàn)臺(tái)正確組合。如圖3.21所示。
圖3.17 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)的通訊器信息
圖3.18 創(chuàng)建一個(gè)安裝輸出通訊器的設(shè)置
圖3.19 創(chuàng)建另一個(gè)安裝輸出通訊器時(shí)的設(shè)置