懸架K&C仿真分析及軟件的二次開發(fā)

董國紅++蔣賢芳

摘 要：懸架K&C特性是研究汽車操縱穩(wěn)定性基礎，在汽車動力學研究領域中占有極其重要的地位。本文運用MSC.ADAMS軟件對某款微型車的懸架進行K&C仿真分析，并對分析結果進行總結提煉，然后在第三方編程軟件基礎上二次開發(fā)出更實用的懸架K&C仿真分析軟件，極大降低了汽車設計工程師的專業(yè)知識門檻，同時提高了K&C仿真分析效率和準確度。

關鍵詞：懸架；K&C仿真；ADAMS；二次開發(fā)

中圖分類號：U461 文獻標識碼：A

1 概述

汽車操縱穩(wěn)定性是汽車主要性能之一，卓越的操縱穩(wěn)定性能不僅大大提高了汽車主動安全性，同時能給駕駛者帶來駕駛樂趣。汽車的懸架運動學和動力學特性對整車的操縱穩(wěn)定性水平具有決定性的影響，一直是國內外汽車動力學領域研究的熱點之一。所謂懸架運動學特性（Kinematics，下文簡稱懸架K特性）描述車輪在彈簧變形過程和轉向時的運動，懸架動力學特性（Compliance，下文簡稱懸架C特性）描述的是由于輪胎和路面之間的力和力矩引起的車輪定位參數的變化，二者統(tǒng)稱為懸架運動學與動力學特性（Kinematics and Compliance，下文簡稱懸架K&C特性）。懸架K&C特性研究可以給懸架的合理設計、整車性能的調校、NVH及操縱穩(wěn)定性之間的矛盾提供良好的性能平衡。

MSC.ADAMS多體系統(tǒng)動力學分析軟件具有豐富的建模功能和強大的運動學與動力學解算能力，可以建立規(guī)模龐大、機構復雜、系統(tǒng)級的仿真模型，能夠對成千上萬個零件組成汽車進行整車動態(tài)性能的仿真分析。借助MSC.ADAMS的仿真平臺，可在物理樣車試制之前對整車操縱穩(wěn)定性和平順性等性能進行評估預測及優(yōu)化，使最終制造出來的汽車滿足設計要求及用戶的期望。

2 懸架K&C仿真分析

懸架K&C仿真分析主要是測試車輛過坑（凸塊）、轉彎、制動、加速等工況，考察車輪前束角變化、車輪外傾角變化、主銷后傾角變化、輪心側向位移（輪距）變化和輪心縱向位移（軸距）變化等特性。

目前MSC.ADAMS是懸架K&C仿真分析的主流軟件，下文以某款微型車的懸架為例，加以說明運用ADAMS進行懸架K&C仿真分析步驟：打開ADAMS仿真軟件中汽車專業(yè)仿真模塊，讀入前懸架模型并檢查懸架的硬點、彈簧、襯套、輪胎、簧上、簧下質量、前束角、外傾角等數據，如圖1所示，然后打開平行輪跳仿真分析界面并按圖2所示對話框進行參數設置并進行仿真，成功完成仿真計算后，查看仿真動畫是否出現異常，如有異常，需修改多體動力學懸架模型，

直到仿真動畫正常為止，然后進入ADAMS/PostProcessor后處理模塊，準備輸出車輛過坑和凸塊的K&C特性，X坐標選取平行輪跳變量wheel travel/vertical left，Y坐標選取前束toe angle/left，運用ADAMS后處理工具讀取曲線設計位置的斜率并保存該圖片，這樣就得出了左輪前束角與左輪跳動的關系，如圖3所示，跳動前束：前束角是汽車縱向平面與車輪中心平面之間的夾角。車輪上跳及下落時前束角的變化對車輛的直線行駛穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)響應特性有很大影響。同樣的方法，得出右輪前束角與右輪跳動的關系、左輪前外傾角與左輪跳動的關系、右輪前外傾角與右輪跳動的關系、左主銷后傾角與左輪跳動的關系、右主銷后傾角與右輪跳動的關系、左輪心側向位移與左輪跳動的關系、右輪心側向位移與右輪跳動的關系、左輪心縱向位移與左輪跳動的關系、右輪心縱向位移與右輪跳動的關系等。同理，輸出車輛轉彎、制動、加速等工況的K&C特性。將上述保存的圖片匯總并添加上車型基本信息（如質量）和ADAMS/ACAR 軟件輸出變量（如側向力）的方向定義說明，即為懸架K&C仿真分析報告（美國通用稱為汽車操縱穩(wěn)定性文件）。整個懸架K&C仿真分析過程非常繁瑣復雜，工作效率低，大量的人工操作，容易出現紕漏。

3 懸架K&C仿真軟件的開發(fā)

國外的汽車公司均在多體商品化軟件基礎上開發(fā)有自己特色的虛擬樣機仿真軟件，如福特公司的ADAMS/PRE，ISUZU公司的ADAMS/ISUZU，大約28個主要汽車公司擁有在ADAMS基礎上二次開發(fā)的專用仿真軟件，其用戶界面十分友好，一般產品設計人員均可直接使用，大大降低了工作難度、減少了重復工作量、提高了仿真的工作效率、保證輸出結果的一致性等優(yōu)點。因此，我們在ADAMS 的基礎上二次開發(fā)出SGMW懸架K&C仿真分析軟件，具有上述同樣的優(yōu)點，其主界面如圖4所示。

懸架K&C仿真分析軟件需要輸入的參數有：ADAMS多體動力學懸架模型、ADAMS版本、懸架的設計質量、簧下質量、平行輪跳仿真工況、反向輪跳仿真工況、單輪跳仿真工況、平行側向力仿真工況、反向側向力仿真工況、同向回正力矩仿真工況、反向回正力矩仿真工況、制動仿真工況、單輪制動仿真工況、驅動仿真工況等。為了避免眾多參數的重復輸入，本軟件提供了人性化的“保存”和“載入”數據功能。

懸架K&C分析軟件自動調入動力學模型，利用ADAMS軟件的求解器連續(xù)完成多種工況的仿真，并讀取ADAMS求解器解算出的結果文件，最后對結果文件的數據進行處理并自動生成懸架K&C仿真分析報告，懸架K&C仿真分析軟件的功能除了可以快速生成某款車的懸架K&C報告，同時還可以增加兩款對標車的K&C數據作為參考；對于某款車的K&C分析，軟件能調用ADAMS求解器最多可以連續(xù)完成78次仿真，除了能輸出報告的封面、目錄、介紹等信息，還能最多輸出654條懸架特性曲線信息（如圖5所示）及1178個主要懸架特性數據匯總（如圖6所示）。

對于報告中懸架特性曲線部分，如圖5所示，它由三部分組成：

3.1 信息部分：含有某款車的車型的信息、懸架信息、承載條件、仿真工況說明、日期、版權信息等；

3.2 K&C數據部分：輸出某款車型的K&C特性數據及對標車的數據；

3.3 K&C曲線部分：輸出某款車型的K&C曲線及對標車的曲線，注：報告中的K&C曲線無坐標系定義，根據變量自身的向前或向后、向上或向下、向內或向外運動，可以更直觀理解K&C特性的內涵。

對于報告中懸架K&C特性數據匯總表，如圖6所示，它包含靜載數據9項、平行輪跳仿真工況10項、反向輪跳仿真工況10項、單輪跳仿真工況7項、平行側向力仿真工況3項、反向側向力仿真工況3項、同向回正力矩仿真工況3項、反向回正力矩仿真工況3項、制動仿真工況4項、單輪制動仿真工況4項、驅動仿真工況4項。除側傾中心相關K&C數據外，其它每項特性均分別輸出左右兩邊K&C數據及平均數值，另外，軟件還能對部分重要K&C特性數據給出對整車性能的影響。

4 懸架K&C仿真分析軟件與傳統(tǒng)K&C仿真分析對比

傳統(tǒng)的懸架K&C仿真通常由工程師在動力學分析軟件中打開模型，然后對模型進行各種加載工況進行仿真，通過軟件的后處理窗口逐一選出懸架K&C特性曲線并對其一些簡單修整美化等處理，最后將處理后的圖片粘貼到文檔中形成K&C分析報告，過程繁瑣，工作重復且周期長，完全手工操作，容易出現紕漏。

懸架K&C分析軟件完成基本參數輸入后能自動連續(xù)完成傳統(tǒng)K&C仿真所有步驟并能自動生成更全面、更豐富的懸架K&C仿真分析報告，擁有操作簡單、自動化程度高、報告的一致性好等優(yōu)點，表1是懸架K&C仿真分析軟件與傳統(tǒng)K&C仿真分析優(yōu)缺點對比。

結語

通過第三方編程軟件對ADAMS二次開發(fā)出的懸架K&C仿真分析軟件，擁有易于操作、簡單明了的人機交互界面，根據簡單的整車基本參數輸入，自動完成懸架運動學和動力學仿真分析，并能自動處理仿真分析結果及生成K&C仿真分析報告。該二次開發(fā)軟件已在SGMW的產品開發(fā)中得到廣泛應用，效果顯著。該軟件極大了降低汽車設計工程師的專業(yè)知識門檻，并同時降低了工作難度、減少了重復工作量、提高了工作效率及保證了輸出結果的準確性和一致性。

參考文獻

[1]顧柏良，等.汽車工程手冊（設計篇）[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]雷雨成.汽車系統(tǒng)動力學及仿真[M].北京：北京工業(yè)出版社，2005.

[3]喻凡.汽車系統(tǒng)動力學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[4]陳立平，等.機械系統(tǒng)動力學分析及ADAMS應用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.

3.3 K&C曲線部分：輸出某款車型的K&C曲線及對標車的曲線，注：報告中的K&C曲線無坐標系定義，根據變量自身的向前或向后、向上或向下、向內或向外運動，可以更直觀理解K&C特性的內涵。

對于報告中懸架K&C特性數據匯總表，如圖6所示，它包含靜載數據9項、平行輪跳仿真工況10項、反向輪跳仿真工況10項、單輪跳仿真工況7項、平行側向力仿真工況3項、反向側向力仿真工況3項、同向回正力矩仿真工況3項、反向回正力矩仿真工況3項、制動仿真工況4項、單輪制動仿真工況4項、驅動仿真工況4項。除側傾中心相關K&C數據外，其它每項特性均分別輸出左右兩邊K&C數據及平均數值，另外，軟件還能對部分重要K&C特性數據給出對整車性能的影響。

4 懸架K&C仿真分析軟件與傳統(tǒng)K&C仿真分析對比

傳統(tǒng)的懸架K&C仿真通常由工程師在動力學分析軟件中打開模型，然后對模型進行各種加載工況進行仿真，通過軟件的后處理窗口逐一選出懸架K&C特性曲線并對其一些簡單修整美化等處理，最后將處理后的圖片粘貼到文檔中形成K&C分析報告，過程繁瑣，工作重復且周期長，完全手工操作，容易出現紕漏。

懸架K&C分析軟件完成基本參數輸入后能自動連續(xù)完成傳統(tǒng)K&C仿真所有步驟并能自動生成更全面、更豐富的懸架K&C仿真分析報告，擁有操作簡單、自動化程度高、報告的一致性好等優(yōu)點，表1是懸架K&C仿真分析軟件與傳統(tǒng)K&C仿真分析優(yōu)缺點對比。

結語

通過第三方編程軟件對ADAMS二次開發(fā)出的懸架K&C仿真分析軟件，擁有易于操作、簡單明了的人機交互界面，根據簡單的整車基本參數輸入，自動完成懸架運動學和動力學仿真分析，并能自動處理仿真分析結果及生成K&C仿真分析報告。該二次開發(fā)軟件已在SGMW的產品開發(fā)中得到廣泛應用，效果顯著。該軟件極大了降低汽車設計工程師的專業(yè)知識門檻，并同時降低了工作難度、減少了重復工作量、提高了工作效率及保證了輸出結果的準確性和一致性。

參考文獻

[1]顧柏良，等.汽車工程手冊（設計篇）[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]雷雨成.汽車系統(tǒng)動力學及仿真[M].北京：北京工業(yè)出版社，2005.

[3]喻凡.汽車系統(tǒng)動力學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[4]陳立平，等.機械系統(tǒng)動力學分析及ADAMS應用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.

3.3 K&C曲線部分：輸出某款車型的K&C曲線及對標車的曲線，注：報告中的K&C曲線無坐標系定義，根據變量自身的向前或向后、向上或向下、向內或向外運動，可以更直觀理解K&C特性的內涵。

對于報告中懸架K&C特性數據匯總表，如圖6所示，它包含靜載數據9項、平行輪跳仿真工況10項、反向輪跳仿真工況10項、單輪跳仿真工況7項、平行側向力仿真工況3項、反向側向力仿真工況3項、同向回正力矩仿真工況3項、反向回正力矩仿真工況3項、制動仿真工況4項、單輪制動仿真工況4項、驅動仿真工況4項。除側傾中心相關K&C數據外，其它每項特性均分別輸出左右兩邊K&C數據及平均數值，另外，軟件還能對部分重要K&C特性數據給出對整車性能的影響。

4 懸架K&C仿真分析軟件與傳統(tǒng)K&C仿真分析對比

傳統(tǒng)的懸架K&C仿真通常由工程師在動力學分析軟件中打開模型，然后對模型進行各種加載工況進行仿真，通過軟件的后處理窗口逐一選出懸架K&C特性曲線并對其一些簡單修整美化等處理，最后將處理后的圖片粘貼到文檔中形成K&C分析報告，過程繁瑣，工作重復且周期長，完全手工操作，容易出現紕漏。

懸架K&C分析軟件完成基本參數輸入后能自動連續(xù)完成傳統(tǒng)K&C仿真所有步驟并能自動生成更全面、更豐富的懸架K&C仿真分析報告，擁有操作簡單、自動化程度高、報告的一致性好等優(yōu)點，表1是懸架K&C仿真分析軟件與傳統(tǒng)K&C仿真分析優(yōu)缺點對比。

結語

通過第三方編程軟件對ADAMS二次開發(fā)出的懸架K&C仿真分析軟件，擁有易于操作、簡單明了的人機交互界面，根據簡單的整車基本參數輸入，自動完成懸架運動學和動力學仿真分析，并能自動處理仿真分析結果及生成K&C仿真分析報告。該二次開發(fā)軟件已在SGMW的產品開發(fā)中得到廣泛應用，效果顯著。該軟件極大了降低汽車設計工程師的專業(yè)知識門檻，并同時降低了工作難度、減少了重復工作量、提高了工作效率及保證了輸出結果的準確性和一致性。

參考文獻

[1]顧柏良，等.汽車工程手冊（設計篇）[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]雷雨成.汽車系統(tǒng)動力學及仿真[M].北京：北京工業(yè)出版社，2005.

[3]喻凡.汽車系統(tǒng)動力學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[4]陳立平，等.機械系統(tǒng)動力學分析及ADAMS應用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.