悬架K&C仿真分析及软件的二次开发

2014-06-28董国红蒋贤芳

中国新技术新产品 2014年7期

董国红++蒋贤芳

摘要：悬架K&C特性是研究汽车操纵稳定性基础，在汽车动力学研究领域中占有极其重要的地位。本文运用MSC.ADAMS软件对某款微型车的悬架进行K&C仿真分析，并对分析结果进行总结提炼，然后在第三方编程软件基础上二次开发出更实用的悬架K&C仿真分析软件，极大降低了汽车设计工程师的专业知识门槛，同时提高了K&C仿真分析效率和准确度。

关键词：悬架；K&C仿真；ADAMS；二次开发

中图分类号：U461 文献标识码：A

1 概述

汽车操纵稳定性是汽车主要性能之一，卓越的操纵稳定性能不仅大大提高了汽车主动安全性，同时能给驾驶者带来驾驶乐趣。汽车的悬架运动学和动力学特性对整车的操纵稳定性水平具有决定性的影响，一直是国内外汽车动力学领域研究的热点之一。所谓悬架运动学特性（Kinematics，下文简称悬架K特性）描述车轮在弹簧变形过程和转向时的运动，悬架动力学特性（Compliance，下文简称悬架C特性）描述的是由于轮胎和路面之间的力和力矩引起的车轮定位参数的变化，二者统称为悬架运动学与动力学特性（Kinematics and Compliance，下文简称悬架K&C特性）。悬架K&C特性研究可以给悬架的合理设计、整车性能的调校、NVH及操纵稳定性之间的矛盾提供良好的性能平衡。

MSC.ADAMS多体系统动力学分析软件具有丰富的建模功能和强大的运动学与动力学解算能力，可以建立规模庞大、机构复杂、系统级的仿真模型，能够对成千上万个零件组成汽车进行整车动态性能的仿真分析。借助MSC.ADAMS的仿真平台，可在物理样车试制之前对整车操纵稳定性和平顺性等性能进行评估预测及优化，使最终制造出来的汽车满足设计要求及用户的期望。

2 悬架K&C仿真分析

悬架K&C仿真分析主要是测试车辆过坑（凸块）、转弯、制动、加速等工况，考察车轮前束角变化、车轮外倾角变化、主销后倾角变化、轮心侧向位移（轮距）变化和轮心纵向位移（轴距）变化等特性。

目前MSC.ADAMS是悬架K&C仿真分析的主流软件，下文以某款微型车的悬架为例，加以说明运用ADAMS进行悬架K&C仿真分析步骤：打开ADAMS仿真软件中汽车专业仿真模块，读入前悬架模型并检查悬架的硬点、弹簧、衬套、轮胎、簧上、簧下质量、前束角、外倾角等数据，如图1所示，然后打开平行轮跳仿真分析界面并按图2所示对话框进行参数设置并进行仿真，成功完成仿真计算后，查看仿真动画是否出现异常，如有异常，需修改多体动力学悬架模型，

直到仿真动画正常为止，然后进入ADAMS/PostProcessor后处理模块，准备输出车辆过坑和凸块的K&C特性，X坐标选取平行轮跳变量wheel travel/vertical left，Y坐标选取前束toe angle/left，运用ADAMS后处理工具读取曲线设计位置的斜率并保存该图片，这样就得出了左轮前束角与左轮跳动的关系，如图3所示，跳动前束：前束角是汽车纵向平面与车轮中心平面之间的夹角。车轮上跳及下落时前束角的变化对车辆的直线行驶稳定性、稳态响应特性有很大影响。同样的方法，得出右轮前束角与右轮跳动的关系、左轮前外倾角与左轮跳动的关系、右轮前外倾角与右轮跳动的关系、左主销后倾角与左轮跳动的关系、右主销后倾角与右轮跳动的关系、左轮心侧向位移与左轮跳动的关系、右轮心侧向位移与右轮跳动的关系、左轮心纵向位移与左轮跳动的关系、右轮心纵向位移与右轮跳动的关系等。同理，输出车辆转弯、制动、加速等工况的K&C特性。将上述保存的图片汇总并添加上车型基本信息（如质量）和ADAMS/ACAR 软件输出变量（如侧向力）的方向定义说明，即为悬架K&C仿真分析报告（美国通用称为汽车操纵稳定性文件）。整个悬架K&C仿真分析过程非常繁琐复杂，工作效率低，大量的人工操作，容易出现纰漏。

3 悬架K&C仿真软件的开发

国外的汽车公司均在多体商品化软件基础上开发有自己特色的虚拟样机仿真软件，如福特公司的ADAMS/PRE，ISUZU公司的ADAMS/ISUZU，大约28个主要汽车公司拥有在ADAMS基础上二次开发的专用仿真软件，其用户界面十分友好，一般产品设计人员均可直接使用，大大降低了工作难度、减少了重复工作量、提高了仿真的工作效率、保证输出结果的一致性等优点。因此，我们在ADAMS 的基础上二次开发出SGMW悬架K&C仿真分析软件，具有上述同样的优点，其主界面如图4所示。

悬架K&C仿真分析软件需要输入的参数有：ADAMS多体动力学悬架模型、ADAMS版本、悬架的设计质量、簧下质量、平行轮跳仿真工况、反向轮跳仿真工况、单轮跳仿真工况、平行侧向力仿真工况、反向侧向力仿真工况、同向回正力矩仿真工况、反向回正力矩仿真工况、制动仿真工况、单轮制动仿真工况、驱动仿真工况等。为了避免众多参数的重复输入，本软件提供了人性化的“保存”和“载入”数据功能。

悬架K&C分析软件自动调入动力学模型，利用ADAMS软件的求解器连续完成多种工况的仿真，并读取ADAMS求解器解算出的结果文件，最后对结果文件的数据进行处理并自动生成悬架K&C仿真分析报告，悬架K&C仿真分析软件的功能除了可以快速生成某款车的悬架K&C报告，同时还可以增加两款对标车的K&C数据作为参考；对于某款车的K&C分析，软件能调用ADAMS求解器最多可以连续完成78次仿真，除了能输出报告的封面、目录、介绍等信息，还能最多输出654条悬架特性曲线信息（如图5所示）及1178个主要悬架特性数据汇总（如图6所示）。

对于报告中悬架特性曲线部分，如图5所示，它由三部分组成：

3.1 信息部分：含有某款车的车型的信息、悬架信息、承载条件、仿真工况说明、日期、版权信息等；

3.2 K&C数据部分：输出某款车型的K&C特性数据及对标车的数据；

3.3 K&C曲线部分：输出某款车型的K&C曲线及对标车的曲线，注：报告中的K&C曲线无坐标系定义，根据变量自身的向前或向后、向上或向下、向内或向外运动，可以更直观理解K&C特性的内涵。

对于报告中悬架K&C特性数据汇总表，如图6所示，它包含静载数据9项、平行轮跳仿真工况10项、反向轮跳仿真工况10项、单轮跳仿真工况7项、平行侧向力仿真工况3项、反向侧向力仿真工况3项、同向回正力矩仿真工况3项、反向回正力矩仿真工况3项、制动仿真工况4项、单轮制动仿真工况4项、驱动仿真工况4项。除侧倾中心相关K&C数据外，其它每项特性均分别输出左右两边K&C数据及平均数值，另外，软件还能对部分重要K&C特性数据给出对整车性能的影响。

4 悬架K&C仿真分析软件与传统K&C仿真分析对比

传统的悬架K&C仿真通常由工程师在动力学分析软件中打开模型，然后对模型进行各种加载工况进行仿真，通过软件的后处理窗口逐一选出悬架K&C特性曲线并对其一些简单修整美化等处理，最后将处理后的图片粘贴到文档中形成K&C分析报告，过程繁琐，工作重复且周期长，完全手工操作，容易出现纰漏。

悬架K&C分析软件完成基本参数输入后能自动连续完成传统K&C仿真所有步骤并能自动生成更全面、更丰富的悬架K&C仿真分析报告，拥有操作简单、自动化程度高、报告的一致性好等优点，表1是悬架K&C仿真分析软件与传统K&C仿真分析优缺点对比。

结语

通过第三方编程软件对ADAMS二次开发出的悬架K&C仿真分析软件，拥有易于操作、简单明了的人机交互界面，根据简单的整车基本参数输入，自动完成悬架运动学和动力学仿真分析，并能自动处理仿真分析结果及生成K&C仿真分析报告。该二次开发软件已在SGMW的产品开发中得到广泛应用，效果显著。该软件极大了降低汽车设计工程师的专业知识门槛，并同时降低了工作难度、减少了重复工作量、提高了工作效率及保证了输出结果的准确性和一致性。

参考文献

[1]顾柏良，等.汽车工程手册（设计篇）[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]雷雨成.汽车系统动力学及仿真[M].北京：北京工业出版社，2005.

[3]喻凡.汽车系统动力学[M].北京：机械工业出版社，2005.