论文总字数：35524字

摘 要

本文首先根据实车的结构和理论计算确定了整车结构和力学特性参数，并利用这些参数基于CATIA和ADAMS建立了包括前双横臂悬架系统、后纵臂悬架系统、齿轮齿条转向系统、车身系统和轮胎路面系统的整车模型。并参照我国汽车操纵稳定性试验标准，基于ADAMS设计出虚拟仿真试验，进行了圆周行驶和蛇形行驶试验，分别对该车的不足转向特性以及蛇形行驶性能做出了主观和客观评价。结合该车特点，还探究了车辆质心高度变化和四轮驱动对操纵稳定性的影响。

本文还基于ANSYS对前悬横臂进行了柔性化处理，与其余部件构成弹性动力学系统。并再次进行圆周行驶和蛇形行驶试验，与前面的刚体动力学系统进行比较，探究柔性部件对整车操纵稳定性的影响。事实上，真实的车辆结构在运动过程中都会发生一定的变形，表现出柔性，通过该弹性动力学试验探究了车辆更加真实的操纵稳定性响应，为以后的车辆动力学仿真试验提供了一定的参考依据。

关键词：操纵稳定性、圆周行驶、蛇形行驶、柔性处理、弹性动力学

Modeling and Simulation of A Car’s Independent Suspension

02011432 Yan Zhang

Supervised by Daojun Zhu

Abstract：The research is about the performance of a car’s independent suspension .There have been a lot experiments conducted by numerous domestic and foreign researchers based on one-half or one-quarter vehicle model .Actually the changes of suspension parameters cannot be subjective to evaluate by the driver, so I decided to research the steering stability which is directly determined by the suspension.

Firstly, determine the structure and mechanical properties of the vehicle .and create the front double wishbone suspension system, rear trailing arm suspension system, rack and pinion steering vehicle model systems , body systems and tire road system based on CATIA and ADAMS. And according to the light of vehicle handling and stability test standards, ADAMS design a virtual simulation tests were carried out with travel and serpentine circumferential driving test .Combined with the characteristics of the car, but also explores the impact of changes in vehicle centroid height and four-wheel drive for steering stability.

This article is also based on ANSYS arm front suspension was flexible treatment, and the remaining components constituting the elastic dynamic system .exploring the impact of the flexible part of the steering stability of the vehicle .For future vehicle dynamics simulation provides a frame of reference.

Key words: Steering stability; The circumferential traveling ; Serpentine traveling; Flexible process; Elastic dynamics

目录

摘要： I

Abstract： II

1、绪 论 1

1.1 选题意义和背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文的研究内容 3

2、整车参数 5

2.1 整车参数 5

2.2前轮定位参数 5

2.3悬架定位坐标 6

2.3.1前悬定位坐标 6

2.3.2 后悬定位坐标 7

2.4力特性参数 8

2.4.1前后避震器弹簧特性参数 8

2.4.2前后避震器阻尼系数 9

2.4.3轴套力特性 10

2.5 本章小结 10

3、仿真模型建立 11

3.1 CATIA建模 11

3.2 CATIA模型导入ADAMS 11

3.3 模型导入过程中质量质心的继承 12

3.3.1 计算质量特性 12

3.3.2 设置质量特性 12

3.4 ADAMS里的装配 13

3.5 悬架系统创建 14

3.5.1前悬架系统 14

3.5.2后悬架系统 15

3.6 转向系统创建 16

3.7 车身系统创建 17

3.8 轮胎创建 17

3.9 路面谱创建 18

3.10 整车模型 21

3.11本章小结 22

4、整车操纵稳定性刚体动力学试验分析 23

4.1 圆周行驶试验—圆周行驶 24

4.1.1试验方法 24

4.1.2试验仿真过程 25

4.1.3试验结果 26

4.1.4圆周行驶试验结果分析 27

4.2蛇形试验 28

4.2.1试验场地 28

4.2.2试验方法 29

3.2.3评价指标及其计算 29

4.2.4试验过程 30

4.2.5蛇形试验结果 30

4.2.6蛇形试验结果分析 33

4.3 质心高度对操作稳定性的影响 33

4.3.1 试验方法和结果 34

4.3.2 试验结果分析 34

4.4 四轮驱动对操纵稳定性的影响 34

4.3.1试验方法 34

4.3.2 试验结果分析 35

4.4本章小结 35

5、车辆弹性动力学分析 36

5.1 应用ANSYS生成模态中性文件 36

5.1.1准备工作 36

5.2.2生成中性文件的方法 36

5.2.3 ADAMS创建柔性体 39

5.3 弹性动力学圆周行驶试验 40

5.3.1试验方法和试验结果 40

5.3.2 弹性动力学圆周行驶试验结果分析 41

5.4 弹性动力学蛇形行驶试验 42

5.4.1 试验方法和试验结果 42

5.4.2弹性动力学蛇形试验结果分析 44

5.5 本章小结 44

6、总结与展望 45

6.1 工作总结 45

6.2 工作展望 45

致谢

附录 刚性前悬时蛇形试验曲线…………………………………………………………......49

柔性前悬时蛇形试验曲线…………………………………………………………......52

1、绪 论

1.1 选题意义和背景

轮胎是汽车中唯一接触地面的结构，而汽车的悬架系统则是作为连接轮胎与车身的桥梁，传递轮胎施加给车身的各种力和力矩，因此悬架系统性能的优劣直接决定了汽车的平顺性和操纵稳定性等指标。随着汽车行业的迅速发展，悬架系统的开发也必须跟上时代的步伐，传统的设计再制作试验样机的方法效率较低，研发周期较长，不能满足现代汽车的开发需求。目前国外已经普遍开始使用数字化虚拟样机技术，即采用计算机来进行汽车的动力学和运动学的仿真分析。在生产实体车辆之前，采用这种技术对设计方案进行论证，反复进行设计-仿真试验-再设计的过程，可以使汽车的性能得到不断的优化，更重要的是省去了在产品开发初期制作实体样机的周期，大大提升了汽车研发的效率，解决了大部分诸如各零部件产生干涉的问题，因此在国内汽车行业推广和完善这项虚拟化样机技术是很有必要的。

目前已经有不少研究者在悬架系统性能的仿真分析上做出了很大的贡献，为汽车的研发设计奠定了具有一定参考价值的理论基础。不过大多数的研究方法是基于四分之一车辆模型，即在建模仿真时用轮胎，悬架和一部分车身来代表整个悬架系统，对其施加力和力矩，通过分析车辆各种参数的响应变化来获知该悬架系统的性能优劣。一方面虽然这种简化可以更快的得到悬架系统在轮胎上下跳动以及侧向力下的响应，从而大致上的分析总结出悬架参数的改进点；而另一方面，仅仅采用悬架参数变化来评价悬架性能并不直观，悬架系统直接影响到整车的操纵稳定性和平顺性，且在整车的性能表现上更为直观。因此本课题拟在现有理论基础上，结合国家汽车操纵稳定性试验标准，对某车进行整车建模，探究该车在圆周行驶和蛇形行驶下的操纵稳定性表现。

整车仿真的虚拟样机技术在国内尚不成熟，希望这种方法的不断完善，不断创新后，能够在我国汽车行业中引领一种革新。

1.2 国内外研究现状

早期的汽车速度很慢，与操纵稳定性还没有联系，最早出现这一问题还是在速度较快的赛车上^[1]。赛车因速度过快出现跑出赛道，原地打转的问题。后来，随着道路条件改善，汽车的速度也越来越快，在一些重型的载货汽车上也出现了类似的问题。人们通过仔细的观察，发现问题出现的原因与车速是分不开的。对于操纵稳定性不好的汽车，驾驶者通常会直观的感受到汽车不断改变行驶方向，不受控制，反应迟钝等。

在国外，对汽车操纵稳定性的研究可以追溯到20世纪30年代，当时法国的工程师乔治·布劳海特注意到在横向力的作用下轮胎会发生侧向的变形，提出了轮胎侧偏的定义。汽车操纵稳定性是车辆动力学的一部分，首先要肯定英国的Lanchester^[2]对这门学科的早期发展所做的贡献，他与法国的Broulheit^[3]创造性的开始研究车辆独立悬架系统，这一理念现在仍在使用。通过他们的研究，结合轮胎侧向变形对悬架运动学的分析，人们越来越意识到轮胎侧偏特性的重要性。

1934年，另外一名对车辆动力学作出巨大贡献的美国工程师Olley^[4]提出车速是影响轮胎变形的关键因素。这一发现意义重大，当时的固特异轮胎公司进行了著名的转鼓实验，进一步了解了轮胎特性。到了20世纪40年代末期，Evans^[5]深入探究轮胎侧向变形的现象，分析了侧向力、回正力矩与侧偏角、径向载荷以及外倾角的关系，总结出了侧偏刚度随侧偏角变化的规律。

1956年Coronell Aeronautical实验室的William F·Milliken，David W·Whitcomb和Leonard Segel联合发表了一套非常完善的关于车辆操纵稳定性的理论和一系列对这一性能进行定量分析的文章。在这一时期，已经出现了车辆的三种转向特性，不足转向、中性转向和过度转向。Segel^[6]为了深入探究这三种不同的转型特性，先是建立了两自由度车辆模型，该模型考虑了车辆的侧向运动和横摆运动，但忽略了悬架的作用。随后他们又建立了三自由度车辆模型，增加了车辆侧倾的自由度，继续对转向特性进行论证。

在20世纪60年代以前，研究者们停留在研究操纵稳定性的开环控制上，即把汽车作为一个开环系统，求出汽车在简单输入下输出的时域响应和频率响应，不考虑人的反馈作用。通常用前轮角阶跃输入稳态响应、前轮角阶跃输入瞬态响应、横摆角速度频率特性及三种转向特性来作为评价汽车操纵稳定性的指标。开环研究的方法运算简单，但是要求这个开环控制系统的精确度更高，一旦与真实系统误差较大，由于没有反馈环节，误差也会被系统所放大。开环系统的研究经过研究者们的不断完善，取得了丰富的研究成果，例如对汽车不足转向和过度转向特性的深入探究，现在仍在使用。

1967年，美国通用公司的R.Thomas Bundorf发表了关于汽车参数设计和不足转向以及特征车速的关系的文章。首次提出了特征车速的概念，它指的是汽车横摆角速度增益达到最大值时的一个值，是表征不足转向量的一个参数。Bundorf还给出了在特定汽车设计参数下预测特征车速的表达式。

20世纪60年代后，日本工程师近藤提出了驾驶员可以影响车辆操纵稳定性的观点以后，藤井、井口、三川等人为了将驾驶员操纵的影响加入到研究中，构造了各种传递函数。因此也建立了更加精确的数学模型来描述人-车系统。随着计算机技术的发展，可以计算更加复杂的数学模型，人们也开始提出了自由度更多的车辆动力学模型，使得汽车系统更加的全面逼真，仿真结果越来越准确，为后来的研究者们提供了一个明确的思路。

八十年代以后，计算机技术继续发展，出现了一些多体动力学建模和分析软件，为车辆动力学的研究提供了一个开放、直观的平台，使得研究者们可以深入探究多个自由度的车辆动力学模型，且能够获得更加可靠的分析结果。车辆自由度越多，越接近真实的车辆模型，1989年Missouri-Columbia大学的研究者们甚至建立除了多达14个自由度的非线性车辆操纵稳定性分析模型，充分探究了车辆的侧翻倾向对车辆操纵稳定性的影响。

我国也在二十世纪七十年代开始了对汽车操纵稳定性的探究。最具有代表性的是长春汽车研究所、吉林大学和清华大学等对此作出的巨大贡献。其中，最具有代表性，成就最突出的人物要数吉林大学的郭孔辉院士。郭孔辉院士提出，汽车是一个反馈系统，造成汽车转向的反馈作用的因素除了轮胎侧偏特性，还有转向悬架系统的弹性、侧倾转向效应、车轮倾斜效应和空气动力的影响，这也就是郭孔辉院士所总结出的人-车闭环系统特性^[7]。在他的实验室中建立了可以实时仿真的高达29个自由度的车辆动力学模型，模拟结果与实验结果极为匹配。2000年后国内对汽车操纵稳定性的研究层出不穷，以下介绍几位具有代表性研究成果的研究者。

2001年，中国农业大学的尹念东博士，设计出了一套桌面虚拟现实系统，基于该平台进行了典型工况例如蛇形路线的操纵稳定性仿真分析。基于汽车-驾驶员-环境闭环控制系统，建立了一套自适应模糊汽车模型，具有一定的实用性。另外，还通过研究驾驶员的控制模式，建立了模糊神经驾驶员控制模型。该研究为汽车操纵稳定性虚拟试验提供了大量的参考数据，为驾驶模拟器和汽车自动驾驶的开发指明了一定的方向^[8]。

2004年，东南大学的吕红明硕士，基于横摆率跟踪控制理论，开发了四轮转向控制系统，该系统具有良好的经济性和可靠性。基于Matlab，对汽车重心处各参数进行了仿真分析，包括侧滑角、横摆率和侧向加速度的响应特性。该研究基于驾驶员-汽车-道路闭环控制系统，在双移线道路条件下，对比仿真分析了两种汽车的操纵稳定性的时域响应，结果符合预期^[9]。

2008年，长安大学的彭鹏峰硕士，基于Visual C 平台，设计了汽车操纵稳定性虚拟仿真平台，该研究方法具有良好的经济性和精确性。探讨了九自由度汽车动力学模型的模型并给出了它的微分方程求解方法；在MultiGen Creater平台中创建了小轿车、货车和客车的三维模型。并对其进行了转向盘角阶跃输入下的瞬态和稳态试验等，验证了上述操纵稳定性评价指标^[10]。

2014年，长安大学的吴永强硕士，基于ADAMS/CAR，创建了汽车的麦弗逊独立悬架，为验证悬架各参数在汽车在典型工况下的变化规律，还对该悬架进行了运动学仿真。另外也创建了整车的虚拟样机模型，进行了转向盘角阶跃输入仿真试验等几个评价汽车操纵稳定性的指标^[11]。

通过国内的汽车操纵稳定性发展我们可以发现，在吸取了国外优秀试验和理论成果后，国内的研究进展较快，且随着虚拟样机技术的发展，我们对操纵稳定性的研究方法也更加的丰富。不断的学习，不断的创新，这些研究成果都将对我国的汽车研发领域起着指导性的作用。

1.3 本文的研究内容

本次课题对实验室的某车进行了整车建模，并根据国家汽车操纵稳定性试验标准对其进行了圆周行驶和蛇形行驶试验，探究了它的操纵稳定性优劣。更重要的是，以此次试验为基础，提出了一套完备的整车建模和性能仿真方法。主要包括以下几个方面的内容。

（1）第二章主要讲了如何确定整车参数，在本次试验中，几何尺寸来自于对实车的测绘，力学参数来自于悬架设计的理论设计和ADAMS自带的数据库，质量特性参数来自于CATIA和ADAMS的计算。如果条件允许，在车辆的开发过程中，厂家都有每一款车的模型数据，能够能够获取到厂家数据，将使得试验结果更加的精确。

（2）第三章对悬架系统、转向系统、车身系统、轮胎和路面进行了建模。在建模过程中，对整车的结构参数以及几何外形进行了最大程度上的还原，保留了车架的外形轮廓，还考虑了驾驶员和电池对整车操纵稳定性的影响。

（3）第四章依据国家操纵稳定性试验标准，对整车模型进行圆周行驶试验和蛇形行驶试验。其中圆周试验中以侧倾角响应、不稳定因数K和转弯半径比为评价指标对该车的操纵稳定性进行了主观和客观评价；蛇形试验中，以侧倾角响应和横摆角速度响应对该车进行了评价。另外，结合该车特点，探究了该车电池位置高度和四轮驱动对操纵稳定性的影响，得出了相关结论。

（4）第五章里主要总结了柔性化处理方法，对该车进行了弹性动力学试验分析。汽车是一个复杂的弹性动力学系统，故决定对前悬横臂进行柔性化处理。利用ANSYS平台生成模态中性文件，再导入ADAMS中创建出柔性体，使该车成为了一个弹性系统。对该车再次进行了圆周行驶和蛇形行驶试验，得出了明显不同的结果，这也表明了仿真试验中高度还原模型的必要性。

本次课题一定程度上得出了该车操纵稳定性的优劣，更重要的是通过这次试验，总结出了一套利用CATIA、ANSYS和ADAMS三种软件进行联合仿真车辆性能的方法，降低车辆研发试验的成本，缩短周期，对设计上的反馈优化指明了一定的方向。

2、整车参数

本课题的分析对象是实验室的某车，在ADAMS中建立其车辆模型前，先要准备工作确定该车辆的整车参数。由于车辆是一个多体动力学模型，各参数相互关联，如果各参数测量不准确，会导致误差累积，大大影响仿真结果的精确性。本课题前期需要准备以下参数：

1）悬架定位参数。包括悬架前轮的主销后倾、主销内倾、外倾、前束角，以及悬架系统与车身装配之后各个零部件在空间中的定位坐标。

2）质量特性。整车及各零部件的质心、质量和转动惯量。

3）力特性参数。避震器的弹性和阻尼系数，轴套的刚度和阻尼系数。

上述的各个参数除了基本的测绘，还可以通过查阅大量的文献，实车实验以及理论计算获得。如果能够制造各部件的生产厂家，最好是向生产厂家索取参数。

2.1 整车参数

通过对实车尺寸的测绘和质量的估计，得到该车的整车参数表见表2.1。

表2.1 整车参数表

2.2前轮定位参数

前轮的定位参数包括主销内倾角、主销后倾角、外倾角和前束角，这几个参数在保证车辆直线行驶中起着重要的作用，为了测量出该车定位参数的准确值，为后面建模的真实性提供依据。本课题采用了实验室的四轮定位仪对这几个参数进行测量。测量结果虽然有一定误差，但为这几个参数的设置提供了指导性意义。测量结果中，主销内倾和后倾值为0，这与实际观测的结果不符，在参考了长安马自达5这款车的内倾角和后倾角数值后，设定该车的主销内倾为4°，主销后倾为5°。测量结果中外倾角-2°和前束角0°，这与该车实际观测的结果一致，于是在模型建立中采用了这两个数值。最终的前轮定位参数见表2.2。

表2.2前轮定位参数

2.3悬架定位坐标

整车在装配完成之后，各个零部件会共享一个全局坐标系，悬架定位坐标指的是各个部件与其他部件的安装点在全局坐标系里的坐标值。这些坐标值是为了方便第三方软件（本课题使用的是CATIA）里建好的零部件模型导入到ADAMS后，为这些零部件进行定位。全局坐标系方向规定如下，以车辆质心为原点，车辆前进方向为X轴负方向，车辆前进的右方为Y轴正方向，垂直向上为Z轴正方向。

2.3.1前悬定位坐标

前悬架类型为双横臂式独立悬架，左右对称，其悬架结构示意图如图2.1。

A为FR_upper_R , B为FR_tan_upper , C为FR_upper_R ,

D为FR_lower_R , EA为FR_lower_F , F为FR_tan_lower.

图2.1前悬结构示意图

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