威驰悬架系统建模及动力学仿真分析

2024年4月4日发(作者：太平洋车险报价查询)

威驰悬架系统建模及动力学仿真分析

发布时间：2021-12-30T06:27:05.017Z 来源：《中国科技人才》2021年第25期 作者： 林伟刚

[导读] 汽车悬架是当今汽车上的重要组成部分，其性能参数与结构形式的选择是否合理，对汽车操纵稳定性有直接的和非常大的影响。

太原市交通学校 汽修教研组 山西省太原市 030013

摘要：汽车悬架是当今汽车上的重要组成部分，其性能参数与结构形式的选择是否合理，对汽车操纵稳定性有直接的和非常大的影

响。而汽车的重要使用性能之一是操纵稳定性，它不仅影响到高速汽车行驶时的安全程度，而且也是决定汽车驾驶时操纵是否方便一个的

重要性能，因此人们对汽车的操纵稳定性越来越受到重视。但是过去的研究分析方法已无法满足现代汽车的研究要求，现在虚拟样机技术

作为一项新的产业技术，己经开始应用到各个领域。本文的内容如下：

1）根据丰田威驰轿车整车总体布局的参数对前悬架结构型式进行测量，对前悬架主要参数、导向机构的参数及布置、其他主要结构元

件等进行设计与计算。

2）利用UG软件已对前独立悬架和后悬架机构建立了实体模型，再利用ADAMS软件对模型进行动力学仿真分析，分析影响悬架稳定性

的主要因素，包括车轮跳动时对主销位置、前束、前悬架、整车载荷和前后轮胎的侧偏等参数。

关键词：悬架，仿真，UG软件，ADAMS软件

第一章 绪论

1.1课题研究的背景及其意义

进入21世纪以来，汽车是人们日常生活中不能缺少的重要交通工具，也是人们消费水平的提高和生活节奏的加快的一个重要象征。在

车辆高速化的进程中，人们对乘坐的舒适性和安全性提出了更高的要求和殷切的期望。

传统的汽车悬架系统设计开发过程必须是边试验边改进，边改进边试验，从设计→试制→试验→再设计→再试制→再试验→最终定

型，产品开发的周期和成本太高，产品质量较低，系统性能较差，较困难的甚至无法获得最优化和创新的设计。而该课题结合汽车设计来

解决运动学及动力学问题，为悬架系统性能开拓了更加科学的策略，从而提高设计质量。

1.2车辆动力学仿真技术国内外研究现状

汽车的构成包括很多运动零件、受力很复杂，并涵盖了弹性、惯性、阻尼等动力学知识的极其庞杂的非线性系统。在具体剖析汽车运

动状态的进程中，一定要将车轮定位角的变化考虑在内。在汽车行驶在道路上时，会受到外部条件的激励和内部条件的控制，工况不同的

情况下，汽车零部件的空间位置均会发生位移并受到不同程度的力，这造成了剖析汽车动力学及行使情况的困难，倘若只是以简单的图解

法来分析汽车的空间结构。不仅误差较大，而且费时费力[2]。

在国外，悬架诞生的同时几乎和悬架运动学的研究同步进行，即：主销后倾拖距、主销内倾角、主销偏移距、主销后倾角、前束角、

轮距和车轮外倾角，它们对汽车直线行驶性能、转向稳态特征、回正性、路感等汽车的稳定系统都会产生影响。著名专家耶尔森?赖姆帕尔

在著作《汽车底盘基础》中详细论证了以上内容。欧洲人阿达姆?措莫托所写的《汽车行驶性能》、日本专家安部正人所写的《汽车的运动

和操纵》、DonaldBastow所写的《汽车的悬架和操纵》以及ThomasDGillesPie所写《车辆动力学基础》等都仔细地剖析了汽车悬架运动学特

征对于汽车自身稳定系统的影响。

ADAMS软件是由美国MDI公司开发的适用范围最广的和全球最有权威的机械体系动力学剖析软件。运营这一软件可以分析任意复杂体

统的多体动力学数字化虚拟样机模型，在利用微机仿真之前，首先要对汽车的整车动力学建立一个模型。本文利用UG软件建立悬架模型，

导入ADAMS软件后进行分析，汽车动力学体系的元素涵盖了轮胎、转向体系、悬架等，其均具备显著的非线性特征。

概括上文可知，伴随仿真科技的持续成熟，以及其逐步向悬架性能探究的延伸，势必令构建的全车模型更加接近现实、且仿真特性、

结论剖析与指标评估都更具可操作性。

1.3课题的研究内容

对威驰汽车前麦弗逊独立悬架及后纵向托臂式扭力梁悬架在设计过程中运用UG软件建立了前麦弗逊独立悬架和后纵向托臂式扭力梁悬

架模型。在模型的建立过程中，将软件的数值及其定位参数记下，以便导入ADAMS后计算方便，根据系统各部分的特点灵活处理，简化了

分析，提高了模型精度。经过实例验证的模型，保证了建立的模型的准确性，并对所建立的模型进行动力性分析和给出结论。

论文的主要研究内容：

（1）导入之前用UG软件建立的威驰汽车前麦弗逊独立悬架及后纵向托臂式扭力梁式悬架仿真模型，再用ADAMS同时增添必须的制约

与驱使。将创建的三维模型导进ADAMS后，应用其体系中既有的制约工具，对创建的模型增添必须的驱使与制约要件，更进一步的完善模

型，从而使模型所需的元素更加的完备。

（2）应用Adams/view软件对车辆前麦弗逊独立悬架展开动力学性能仿真，获得车轮跳动量的大小与车轮定位参数变化的关系，更深一

步的分析该型车的定位参数变化对悬架性能的影响，确定影响的因素。

（3）对动力学模型进行调整与仿真，分析在不同定位参数的条件下得出在车轮运动时定位参数的图形变化，分析不同的定位参数引起

的车轮侧滑，从而为悬架设计提供参考。

第二章 创建威驰悬架仿真模型

2.1 威驰汽车三维总体设计流程

自下而上的设计方法是机械设计中常用的方法。在研究机械各部件的性能和局限的基础上，进一步设计出由这些小部件组成的较大点

得部件，这样一直一层一层地叠加设计下去，最终就会得到最终的设计整体。对于专业面广、系统复杂、设计更改较多以及交叉专业的设

计，这种产品的结构和整体、结构和外形等在设计过程中常常相互制约，如果要减少错误很好的满足设计要求，自下而上的设计方法已经

很难满足了。

在装配界面中从最顶层开始直接建立零件完成整个产品的设计及组装，这种由上而下组装方式就称为自顶而下设计。其自顶而下设计

步骤为：首先确定方案草绘出原始结构装配图，完成产品模型的约束驱动；然后根据每个零件的参数，对其相关参数进行详细计算，接下

来设置参数就可以设计出模型，通过零件之间的几何约束关系完成产品的模拟装配；然后分析设计方案，可进行修改，最后得到最优化产

品[11]。

自顶而下设计方法具有以下三个方面的特点：

①它是根据设计人员的思维进行产品设计的；

②可以让子系统相互配合，即体现了并行设计；

③创造良好的条件给面向装配及制造的设计。

三维设计威驰汽车时，Pro/ENGINEER的相关性和参数化特征得到了充分使用。在设计过程中零部件的约束参数可以随时修改，并且在

所有相关的零部件中修改后的结果都会得到体现。如此一来，同一件产品的不同零部件的设计、测试、反复修改等可以分给不同的设计人

员来完成，从而实现并行设计理念。三维设计的主要内容在于对模型的分析、计算以及模拟仿真等方面，其三维实体模型转化成二维工程

图只是其次要功能。设计参数确定后，可以对生成的模型进行性能检测以及模拟装配，最终确定它工作的实际环境，模拟威驰汽车在不同

的工况条件下的工作效果，这种方式对于研发速度和模型改进都具有促进作用[13]。

2.4悬架实体模型的建立

威驰汽车前悬架是麦弗逊式独立悬架主要由转向器，减震器，弹簧，摆臂，横向稳定器，万向转向节等组成，实体建模时，尽量依威

驰实际几何参数建立实体模型，但根据悬架的实际受载情况，有些细节可以在建模时省略或进行简化，以便消除不影响分析的因素，比方

倒角、圆角及小孔等，把中间板中部的曲面体简化为直面外形，略去连接座上的螺栓孔。因为参数化模型部件三维模型内的建模细节（比

方螺栓孔、焊缝等），会对结构的网格分布产生影响，造成网格数量的增加，进而令模型太过复杂。

设计软件采用UG/NX，该建模的重点在于两旁变截面的部分发：以前桥壳前后的对称中心与左右对称中心的交点当成坐标原点，根据

实车上测得的各个关键点的数据、典型截面的特殊点坐标，接着描绘前悬架中间板的截面草图，；再以【插入】︱【设计特征】︱【拉

伸】得到初始的悬架中间板，再进行下一步建模。在创建新的零件图的时候可以先建立好树形模型也就是上面介绍的总装配模型方便整个

装配图参数化的建立，这次在建模过程中大量使用草图建模，虽然麻烦，但确能处理好细节。

2.4.2装配图的建立

下面介绍各部件装配图的建立：

在UG中装配各个零件是比较方便的，方法也有比较多可以在模型树中建立装配文件再在装配文件下面建立各个零件的文件还可以在装

配文件中再建立装配文件，比如悬架是个总的装配文件，在这个文件下面可以建立减震器的子装配文件在减震器的子装配文件中还有各个

零件如弹簧，减震器，上端盖下端盖等，这些零件的装配形成最后的总装配图，这种方法的好处在于可以看着其它的零件进行绘制，画的

时候可以直接定位，有时可以省去装配就能形成装配图，绘图速度比较方便快捷。还有一种装配方法是先一个个把零件画完，保存好，再

建立装配文件把一个个零件装入装配图，虽然步骤比较复杂但是这是装配的基本方法也是学习装配的开始，下面我以第二种方法绘制的万

向转向节和轮毂的装配。

2.4.4威驰悬架模型各部分整装图及其部件介绍

本次建立的威驰悬架模型有前后两个悬架如图2-30和2-31所示：这两个前后悬架是各个部件装配而成的以便完成整车装配打好基础，最

后导入ADAMS进行仿真分析。

Fig. 2-39 Vehicle assembly model

在UG中建立环境并定义刚体。待装配完成之后，运用UG与 软件接口程序产生 可读文件，从而有效保障达到2个软件间的无缝连接。

安装好UG后，在UG程序内将会产生级联菜单，通过这些菜单，能指定机构中的各刚体，建立刚体间的基本约束与参考坐标系，完成这一

切后，便可以通过这个接口程序直接将实体模型何存成能于 读取的文件格式。

2.5小结

本章在建模之前，先介绍了建模所用到的软件UG的来源、主要功能模块和用UG软件建立实体模型的两种方法，最后用威驰轿车的基

本参数结合实际的测量参数，对悬架进行了实体模型的建立，并绘制横向稳定器、建立各个部件装配图，并对其模型的各部分进行了介

绍，为导入ADMS软件进行下一步的分析做好准备。

参考文献

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[2]王毅. 轿车多连杆悬架优化设计及整车稳态转向性能研究[D]，合肥，2009

[3]金永利. 电动液压助力转向系统对整车操纵稳定性影响分析[D]，江苏，2009

[4]毛金明. 麦弗逊悬架仿真分析[D]， 南京，2003年

[5]黄志平. 基于ADAMS的五连杆悬架性能研究[D]，成都：西南交通大学， 2009

[6]张兴龙. 基于ADAMS的汽车转向和悬架系统动力学分析与仿真研究[D]， 长春：东北大学 ，2006

[7]廖力成. 基于多体系统动力学的麦弗逊悬架运动学仿真与优化设计[D]，武汉， 2009

[8]邓子祥 等. 基于虚拟样机技术的汽车悬架动力学仿真分析[R]，武汉：《武汉工程职业技术学院学报》，2008

[9]Using ADAMS/View,MDI,1994

[10]马敏海. 微型运动款汽车前悬架设计与整车动力学仿真[D]，哈尔滨： 哈尔滨工业大学，2010

[11]ADAMS User Reference Manual，MDI，1994，4(2)：51-57

[12]姜正根主编. 汽车理论[M]，北京：机械工业出版社，1999

[13]Thompson A G, Davis B R. An Optimal Linear Active Suspension with Finite Road Paper.1984,NO.800520

[14]徐石安等. 汽车构造--底盘工程[M]， 北京:清华大学出版社，2008

[15]陈欣，林逸，王焕明等. 悬架元件对悬架性能的影响[J]， 汽车技术，1999

[17]席俊杰. 虚拟样机技术的发展及应用[J]，制造业自动化，2006，28(11):19-22

作者简介;林伟刚（1985-），男（汉族），山东诸城人，硕士，任职于太原市交通学校 讲师，研究方向：车辆工程。