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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時(shí)，必然導(dǎo)致另一側(cè)車輪在汽車橫向平面內(nèi)擺動。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，各片之間因相對滑動而產(chǎn)生摩擦，可促使車架的振動衰減。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，可以分為被動懸架、半主動懸架和主動懸架[1]。目前多數(shù)汽車上都采用被動懸架，汽車姿態(tài)只能被動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。
半主動懸架根據(jù)簧上質(zhì)量相對車輪的速度響應(yīng)、加速度響應(yīng)等反饋信號，按照一定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)彈簧的阻尼力或者剛度。半主動懸架產(chǎn)生力的方式與被動懸架相似，但其阻尼或剛度系數(shù)可根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)，這和主動懸架極為相似。有級式半主動懸架是將阻尼分成幾級，阻尼級由駕駛員根據(jù)“ 路感” 選擇或由傳感器信號自動選擇。無級式半主動懸架根據(jù)汽車行駛的路面條件和行駛狀態(tài)，對懸架的阻尼在幾毫秒內(nèi)由最小到最大進(jìn)行無級調(diào)節(jié)。由于半主動懸架結(jié)構(gòu)簡單，工作時(shí)不需要消耗車輛的動力，而且可取得與主動懸架相近的性能，具有很好的發(fā)展前景。
主動懸架可以能動地控制垂直振動及其車身姿態(tài)，根據(jù)路面和行駛工況自動調(diào)整懸架剛度和阻尼。
前面已經(jīng)介紹了，汽車懸架按其振動的控制方式分為被動、半主動和主動懸架3種基本類型，經(jīng)典隔振理論認(rèn)為被動懸架采用了一種優(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)的動特性(剛度或阻尼系數(shù))，僅僅消耗振動能量，而且結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。由于半主動懸架諸多的良好性能，且半主動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懸架。被被動懸架的參數(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，但無法根除被動懸架的弊端。被動懸架主要應(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)定的主動懸架。主動懸架的概念是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懸架。在半主動和主動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)單位對主動懸架展開研究。主動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。
被動懸架性能的研究主要集中在三個(gè)方面:通過對汽車進(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完善了主動懸架的基本構(gòu)成和控制規(guī)律，證明了“全主動”懸架對車輛性能的提高。80年代初，一些裝備主動懸架系統(tǒng)的試驗(yàn)樣車被生產(chǎn)出來，驗(yàn)證了主動懸架對車輛性能的提高。
主動懸架使用液壓或電動機(jī)械的作動器代替?zhèn)鹘y(tǒng)被動懸架中的彈簧和減振器，作動器根據(jù)主動懸架控制規(guī)律輸出作用力。全主動懸架能夠根據(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，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，使用全主動懸架系統(tǒng)時(shí)還會引起其它的負(fù)面問題，如非懸掛質(zhì)量的共振現(xiàn)象，這就使得全主動懸架系統(tǒng)的應(yīng)用受到限制。
主動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器件代替液壓器件卜電氣動力系統(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)主動懸架，使主動懸架由理論轉(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)明了半主動阻尼器。其生產(chǎn)應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代，但它對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”式半主動懸架，它可通過聲納裝置預(yù)測路面信息，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)出半主動懸架系統(tǒng)Magen2R ide，被評為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，實(shí)現(xiàn)對減振器阻尼系數(shù)的無級可調(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)行有級或無級的調(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)車輪同向跳動和高速回正性及低速回正性三個(gè)試驗(yàn)出發(fā)對前懸架參數(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)行測試，測試合格，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)動性越高。但是越野路面最大平均車速的提升意味著地面對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?，F(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、制動力和驅(qū)動力等，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、保證乘員的舒適性、減小貨物和車輛本身的動載荷。
汽車懸架的工作原理是: 當(dāng)汽車輪胎受到?jīng)_擊時(shí)，彈性元件對沖擊進(jìn)行緩沖，防止對汽車構(gòu)件和人員造成損傷。但彈性件受到?jīng)_擊時(shí)會產(chǎn)生長時(shí)間持續(xù)的振動， 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。當(dāng)車輪受到?jīng)_擊而跳動時(shí)， 使其運(yùn)動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，對以載人為主要目的的轎車來講，乘員在車中承受的振動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載荷和車輪跳動量。還有就是要保證車身在制動、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；左右車輪的跳動沒有直接的相互影響，可減少車身的傾斜和振動；占用橫向空間少，便于發(fā)動機(jī)布置，可以降低發(fā)動機(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轉(zhuǎn)向操縱有一定影響因此很少用于的前懸架。對后懸架來說．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。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)動汽車的后懸架上得到了廣泛應(yīng)用。目前由于對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)動汽的減少，單斜臂式懸架應(yīng)用會逐漸減少。
4.縱臂扭轉(zhuǎn)梁式
這種懸架主要優(yōu)點(diǎn)是，車輪運(yùn)動特性比較好，左、右車輪在等幅正向或反向跳動時(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。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、下跳動時(shí)，可保持主銷傾角不變，但輪距卻有較大的變化，會使輪胎磨損嚴(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)動機(jī)布置。它的缺點(diǎn)是：由于自由度少，懸架運(yùn)動特性的可設(shè)計(jì)性不如雙橫臂懸架；振動通過上支點(diǎn)傳遞給汽車頭部，需采取相應(yīng)的措施隔離振動、噪聲；減震器的活塞桿與導(dǎo)向套之間存在摩擦力，使得懸架的動剛度增加，彈性特性變差，小位移時(shí)這一影響更加顯著；對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，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懸架動撓度
懸架動撓度?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)，車輪中心相對車架（或車身）的垂直位移。要求懸架應(yīng)有足夠大的動撓度，以防止在壞路面上行駛時(shí)經(jīng)常碰撞緩沖塊。對乘用車，取?d=7~9cm；對客車，取?d=5~8cm；對貨車取?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。
臺架試驗(yàn)時(shí)伸張及壓縮極限位置相對于設(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）
彈簧在臺架試驗(yàn)伸張極限位置對應(yīng)的載荷：
P1=Pi-Cs?1=53440524N （2.12）
彈簧在臺架試驗(yàn)壓縮極限位置對應(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)對應(yīng)的最大剪應(yīng)力，對應(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，但彈簧自身還會有往復(fù)運(yùn)動，而減震器就是用來抑制這種彈簧跳躍的。減震器太軟，車身就會上下跳躍，減震器太硬就會帶來太大的阻力，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阻力，將振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并散發(fā)到周圍的空氣中去，達(dá)到迅速衰減振動的目的。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相對阻尼系數(shù)ψ
我們用相對阻尼系數(shù)ψ的大小來評定振動衰減的快慢程度。ψ值大，振動能迅速衰減，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)的相對阻尼系數(shù)ψY取得小些，伸張行程時(shí)的相對阻尼系數(shù)ψS取得大些。兩者之間保持有ψY=（0.25~0.50）ψS的關(guān)系。對于無內(nèi)摩擦的彈性元件懸架，取ψ=0.25~0.35；對于有內(nèi)摩擦的彈性元件彈簧，ψ值取小些。對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)動力學(xué)微分－代數(shù)方程，求解器算法穩(wěn)定，對剛性問題十分有效，可以對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(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畫仿真[4]。
ADAMS 軟件的仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動范圍、碰撞檢測、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)動態(tài)仿真分析軟件國際市場份額的統(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虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(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。
下面對本設(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。該軟件自動形成機(jī)械系統(tǒng)模型的動力學(xué)方程，提供靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(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，加速決策進(jìn)程，最大限度地減少決策的風(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，就可以對任何一種仿真進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，精確地預(yù)測設(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，集成了他們在汽車設(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、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、制動系統(tǒng)等，工程師可以通過高速動畫直觀地再現(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))整車的動力學(xué)響應(yīng)，并輸出標(biāo)志操縱穩(wěn)定性、制動性、乘坐舒適性和安全性的特征參數(shù)，從而減少對物理樣機(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)勢有：在制造和測試實(shí)物樣機(jī)以前對處于設(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、方便地改變試驗(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)臺的組合件。由于標(biāo)準(zhǔn)仿真都是試驗(yàn)臺驅(qū)動，所以只有包含試驗(yàn)臺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運(yùn)動關(guān)系，定義出各零件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，把沒有相對運(yùn)動關(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)動慣量、質(zhì)心位置等）輸入到相應(yīng)的對話框中。注意，零件的三個(gè)坐標(biāo)軸方向必須與絕對坐標(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。由于零件的動力學(xué)參數(shù)已經(jīng)確定，因此幾何形體對動力學(xué)仿真結(jié)果實(shí)際上沒有影響[4]。但在運(yùn)動學(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前輪定位參數(shù)進(jìn)行定義。
（8）定義、測試通訊器（Communicator）。
創(chuàng)建、核對與外部連接的通訊器的類型、名稱、對稱性。
3.2.1簡化模型
設(shè)懸架模型的絕對坐標(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)于整車縱向中心對稱面對稱，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
硬點(diǎn)
Hard Point
x/mm
y/mm
z/mm
1
驅(qū)動軸內(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中自動創(chuàng)建相對縱向中心線的對稱元素。
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)動副連接；半軸接頭與驅(qū)動半軸、驅(qū)動半軸與轉(zhuǎn)軸之間屬于內(nèi)部連接，且要求等速轉(zhuǎn)動，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)臺之間的連接，通過定義通訊器的方法把懸架試驗(yàn)臺與車輪中心位置連接起來。
先查看標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)臺通訊器信息，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)臺放置的位置。如圖3.20所示。
4.為了核對模板中指定的通訊器的正確性，可以對其進(jìn)行測試，找出未匹配的通訊器對，再進(jìn)行修改，確保懸架模板與懸架試驗(yàn)臺正確組合。如圖3.21所示。
圖3.17 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)臺的通訊器信息
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