汽車工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文）基于ADAMS的制動系統(tǒng)優(yōu)化設計

1、摘要隨著汽車的普及，交通事故也日趨頻繁，人們對汽車安全性的要求也越來越高。對于這些要求，只有通過對汽車系統(tǒng)動力學的深入研究才能實現(xiàn)。在多體系統(tǒng)動力學分析軟件中，adams 是車輛動力學中應用最廣，最為著名的一個軟件。本文基于多剛體動力學adams 軟件對汽車制動系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化設計。在adams/car 模塊中構(gòu)建整車動力學模型，進行直線制動仿真，分析了影響制動性能的關(guān)鍵因素；基于響應面法利用adams/insight 模塊對制動系統(tǒng)前、后制動輪缸活塞面積,前、后制動器的摩擦系數(shù)和前后制動管路壓強分配系數(shù)進行優(yōu)化，得到制動距離最短的制動系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)；并對優(yōu)化前后的制動性能進行對比分析。結(jié)果表明

2、：經(jīng)過優(yōu)化后的汽車制動性能得到較大改善。關(guān)鍵詞：盤式制動器；仿真；響應面法；參數(shù)優(yōu)化abstract with the popularization of automobile, traffic accident becomes more and more. more powerful technology and methods meet them, and they all based on betterly studing system dynamics of automobile. the software adams, which developed with multi-body

3、system dynamics, is the most fashionable and authoritative software in the field of mechanical dynamics simulation.optimization design for automotive brake system parameters is discussed in this paper based on multi-body dynamic software adams. in adams/car module, the vehicle dynamic model is built

4、 and straight brake simulation is performed, the optimal ranges of main factors are determined after analyzing the factors effecting brake performance. by using response surface methodology a group of optimal parameters is obtained with shortest brake distance in adams/insight module. the results of

5、 simulation are compared with that of the primary is enhanced after optimal design. keywords: disc brake; simulation; response surface methodology; parameter optimization 目錄摘要iabstractii1 緒論11.1 本課題來源及意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢11.3 本課題研究的主要內(nèi)容32 制動系的主要參數(shù)及選擇42.1 制動力與制動力分配系數(shù)42.2 同步附著系數(shù)72.3 制動器最大制動力矩93 adams軟件

6、簡介113.1 adams軟件概述113.2 adams軟件基本模塊133.2.1 用戶界面模塊(adams/view)133.2.2 求解器模塊 (adams/solver)143.2.3 后處理模塊 (adams/postprocessor)153.2.4 轎車模塊(adams/car)164 基于adams 的汽車建模174.1 主要系統(tǒng)模型174.1.1 前懸架系統(tǒng)174.1.2 后懸架系統(tǒng)184.1.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)194.1.4 制動系統(tǒng)194.2 整車模型的建立204.3 原車直線制動仿真214.3.1 仿真標準214.3.2 仿真條件224.3.3 仿真方法225 制動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

7、設計245.1 優(yōu)化目標和設計參數(shù)245.2 優(yōu)化方法與結(jié)果255.2.1 創(chuàng)建設計矩陣255.2.2 更改設計因素265.2.3 提出并更改響應285.2.4 運行試驗295.3 參數(shù)優(yōu)化前后制動性能對比分析326 結(jié)論與展望346.1 論文主要研究重點及結(jié)論346.2 展望34致謝35參考文獻36 1 緒論1.1 本課題來源及意義課題基于adams的制動系統(tǒng)優(yōu)化設計來源于湖北汽車工業(yè)學院汽車工程系科研課題。隨著經(jīng)濟和交通的發(fā)達，汽車越來越普及，它的安全性能也越來越受重視。汽車的良好制動性能是汽車安全的重要保障1。由制動引起的交通事故，在交通事故中占很大的比例。而且制動穩(wěn)定性實車試驗十分危險

8、。對車輛的制動穩(wěn)定性的研究受到了人們的廣泛重視，尤其對制動穩(wěn)定性的計算機仿真研究越來越受到關(guān)注。因此選擇此課題對汽車的制動性能進行優(yōu)化設計。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢自1885 年卡爾.本茨制造出世界第一輛汽車之后，經(jīng)過一百多年的迅猛發(fā)展，如今汽車已成為人們?nèi)粘Ｉ詈凸まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的重要交通工具。但隨著汽車的普及，公路交通呈現(xiàn)出行駛高速化、車輛密集化和駕駛員非職業(yè)化的趨勢。頻繁的交通事故使公路運輸?shù)慕煌ò踩蔀橐粋€廣泛關(guān)注的社會性問題。隨著交通密集的增加，交通事故呈現(xiàn)出增加的趨勢，因此，汽車的安全性研究是擺在汽車專家們面前的一個嚴峻的課題2。安全問題可分為兩大部分：主動安全性和被動

9、安全性。主動安全性是指汽車具有的在所有交通狀況下盡可能地避免事故的一種性能；被動安全性是指汽車在發(fā)生不可避免的事故時（特別涉及到人員傷亡時），盡可能減小其后果的一種性能，包括外部安全性和內(nèi)部成員安全性。按照汽車事故誘發(fā)因素的比例由大到小的排列，其順序是操縱穩(wěn)定性、加速制動性、環(huán)境視見性和可靠性。幾十年來，如何設計汽車以獲得良好的主動安全性，尤其是操縱穩(wěn)定性，始終是各國學者和設計師們的主要研究方向之一。近年來，電子智能技術(shù)的引入如：全電子制動系統(tǒng)、電子控制的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、智能懸掛系統(tǒng)、車輛周圍的監(jiān)測系統(tǒng)以及abs防抱死系統(tǒng)等等，大大提高了汽車的主動安全性3。近十年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，以

10、計算機仿真技術(shù)為手段，研究汽車的操縱動力學已成為該領(lǐng)域研究中的主要方向之一。新興的虛擬樣機技術(shù)是現(xiàn)代計算機仿真技術(shù)的一個新的研究方向。虛擬樣機技術(shù)是指在產(chǎn)品設計開發(fā)過程中，將分散的零部件設計和分析技術(shù)（指在某單一系統(tǒng)中零部件的cad 和fea技術(shù)）揉和在一起，在計算機上建造出產(chǎn)品的整體模型，并針對該產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進行仿真分析，預測產(chǎn)品的整體性能，進而改進產(chǎn)品設計、提高產(chǎn)品性能的一種新技術(shù)。它興起于20 世紀90 年代，廣泛應用于各種領(lǐng)域。不同領(lǐng)域?qū)λ亩x略有不同，主要區(qū)別在于技術(shù)的構(gòu)成及其范疇上。虛擬樣機技術(shù)的應用可以帶來以下優(yōu)點：1）在實際制造前，設計工程師可以通過虛擬樣機方便

11、地修改設計，進而減少物理樣機數(shù)量，節(jié)約成本。2）對于項目管理者，虛擬樣機在評估和管理項目風險方面是一個極有價值的工具。3）在設計生產(chǎn)的各階段，虛擬樣機能夠主動地影響產(chǎn)品的支持保障，減少產(chǎn)品周期。4）通過在設計的每一個階段進行虛擬樣機測試，使測試者對未來產(chǎn)品進行評價，減少工裝費用。5）借助虛擬樣機，并行工程應用在設計過程中，加快了產(chǎn)品的上市時間。6）通過使用虛擬樣機，將使傳統(tǒng)的系統(tǒng)、子系統(tǒng)、制造過程的理解得到擴展和深入，并且使為技術(shù)要求、制造性能、可實現(xiàn)性和可維護性而進行的設計變得可能和容易，從而提高企業(yè)市場競爭能力。7）虛擬樣機是分析對于物理樣機來說極其危險的工況的最佳手段，如汽車的碰撞試驗，

12、越野車的抗翻傾試驗，飛機乘員的安全性試驗等。此外，虛擬樣機技術(shù)還可用于產(chǎn)品的概念設計階段、設計細化階段、試驗規(guī)劃階段以及工作狀態(tài)再現(xiàn)等的全過程（虛擬樣機的建立步驟見圖1.1）?？傊瑱C械系統(tǒng)虛擬樣機技術(shù)作為進行機械系統(tǒng)樣機設計、仿真分析研究復雜機械系統(tǒng)動力學問題的有效手段，可以幫助產(chǎn)品制造商擺脫對物理樣機的過度依賴，對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短設計開發(fā)周期、降低成本都可以起到顯著的作用。從產(chǎn)品開發(fā)的發(fā)展趨勢來看，未來的機械產(chǎn)品開發(fā)必將是基于虛擬樣機技術(shù)的開發(fā)4。而作為虛擬樣機分析軟件的杰出代表，機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件adams(automatic dynamic analysismechanic

13、ai systems)已經(jīng)被世界各行業(yè)許多主要制造商采用，占據(jù)了機械系統(tǒng)動態(tài)仿真軟件51的市場份額。在汽車設計制造業(yè)中，廣泛應用于汽車零部件設計與優(yōu)化、整車性能分析評價與預測、新技術(shù)開發(fā)以及制造。本文首先在adams中建立了汽車整車模型，然后對其進行了制動性能的分析研究。1.3 本課題研究的主要內(nèi)容本課題即是在某汽車的設計階段，根據(jù)整車的結(jié)構(gòu)特征及其性能參數(shù)，在adams/car 里建立整車模型，根據(jù)國家標準及國際標準要求，對該車的制動效能進行了仿真分析和評價，對該車的制動性能進行了優(yōu)化。車輛的制動穩(wěn)定性直接關(guān)系到其安全性能，對車輛的操縱控制有重要影響，對車輛的主動安全性亦有否決權(quán)。由制動引起

14、的交通事故，在交通事故中占很大的比例。而且制動穩(wěn)定性實車試驗十分危險。對車輛的制動穩(wěn)定性的研究受到了人們的廣泛重視，尤其對制動穩(wěn)定性的計算機仿真研究越來越受到關(guān)注，已成為車輛制動穩(wěn)定性理論研究與樣車性能預測的重要手段。但制動穩(wěn)定性本身是一個十分復雜的問題，因此，較為簡單的模型只能用于理論的定性分析，很難指導具體的產(chǎn)品設計與開發(fā)，產(chǎn)品的設計與開發(fā)需要更加精確的模型，適合采用虛擬樣機的仿真試驗進行研究。汽車的制動性是指汽車在行駛時能在短距離內(nèi)停車且維持行駛方向穩(wěn)定性和在狹長坡時能維持一定車速的能力。汽車制動性主要由以下三個方面來評價：1）制動效能，即制動距離和制動減速度；2）制動效能的恒定性，即抗

15、衰退性能；3）制動時汽車的方向穩(wěn)定性，即制動時汽車不發(fā)生跑偏、側(cè)滑以及失去轉(zhuǎn)向能力的性能。鑒于汽車制動穩(wěn)定性影響因素的多面性和不可預知性，而該車制動系統(tǒng)建模時左、右車輪施加的是相同的制動力矩，因此不能用于制動穩(wěn)定性方面的分析。制動效能的恒定性本文也不予討論5。本文僅對第一項“制動效能”進行仿真研究，主要是直線制動性能仿真分析。另外該制動系統(tǒng)模型不含abs 功能，仿真時逐漸增大踏板力，待前輪剛發(fā)生抱死時停止仿真，考察該車在abs 系統(tǒng)產(chǎn)生作用之前的制動效能。2 制動系的主要參數(shù)及選擇2.1 制動力與制動力分配系數(shù)汽車制動時，如果忽略路面對車輪的滾動阻力矩和汽車回轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性力矩，則任一角速度0的

16、車輪，其力矩平衡方程為: （2-1）式中tf 制動器對車輪作用的制動力矩，即制動器的摩擦力矩，其方向與車輪旋轉(zhuǎn)方向相反，nm； fb 地面作用于車輪上的制動力，即地面與輪胎之間的摩擦力，又稱為地面制動力，其方向與汽車行駛方向相反，n； re車輪有效半徑，m。 （2-2）并稱之為制動器制動力，它是在輪胎周緣克服制動器摩擦力矩所需的力，因此又稱為制動周緣力。ff與地面制動力fb的方向相反，當車輪角速度0時，大小亦相等，且ff僅由制動器結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定。即ff取決于制動器的結(jié)構(gòu)型式、尺寸、摩擦副的摩擦系數(shù)及車輪有效半徑等，并與制動踏板力即制動系的液壓或氣壓成正比。當加大踏板力以加大tf，ff和fb均隨

17、之增大。但地面制動力受著附著條件的限制，其值不可能大于附著力fj,即fb fj=zj，fb= fj=zj （2-3）式中輪胎與地面間的附著系數(shù)； z地面對車輪的法向反力。 當制動器制動力ff和地面制動力fb達到附著力fj值時，車輪即被抱死并在地面上滑移。此后制動力矩tf即表現(xiàn)為靜摩擦力矩，而ff= tf / re即成為與相平衡以阻止車輪再旋轉(zhuǎn)的周緣力的極限值。當制動到f=0以后，地面制動力fb達到附著力fj值后就不再增大，而制動器制動力ff由于踏板力fp的增大使摩擦力矩tf增大而繼續(xù)上升。根據(jù)汽車制動時的整車受力分析，考慮到制動時的軸荷轉(zhuǎn)移，可求得地面對前、后軸車輪的法向反力z1，z2為：z1

18、= （2-4）z2= （2-5）式中 g汽車所受重力； l汽車軸距； l1汽車質(zhì)心離前軸距離； l2汽車質(zhì)心離后軸距離； hg汽車質(zhì)心高度； g重力加速度； 汽車制動減速度。 汽車總的地面制動力為fb= =gq （2-6）式中 q（q=）制動強度，亦稱比減速度或比制動力； fb1，fb2前后軸車輪的地面制動力。由以上兩式可求得前、后軸車輪附著力為f1= （2-7）f2= （2-8）上式表明：汽車在附著系數(shù)為任意確定值的路面上制動時，各軸附著力即極限制動力并非為常數(shù)，而是制動強度q或總制動力fb的函數(shù)。當汽車各車輪制動器的制動力足夠時，根據(jù)汽車前、后軸的軸荷分配，前、后車輪制動器制動力的分配、道

19、路附著系數(shù)和坡度情況等，制動過程可能出現(xiàn)的情況有三種，即(1)前輪先抱死拖滑，然后后輪再抱死拖滑； (2)后輪先抱死拖滑，然后前輪再抱死拖滑； (3)前、后輪同時抱死拖滑。 在以上三種情況中，顯然是最后一種情況的附著條件利用得最好。 由式(7)、式(8)不難求得在任何附著系數(shù)的路面上，前、后車輪同時抱死即前、后軸車輪附著力同時被充分利用的條件是= （2-9） = = （2-10）式中 ff1前軸車輪的制動器制動力， ff2后軸車輪的制動器制動力， fb1前軸車輪的地面制動力； fb2后軸車輪的地面制動力； z1，z2地面對前、后軸車輪的法向反力； g汽車重力； l1 ，l2汽車質(zhì)心離前、后軸距

20、離；hg汽車質(zhì)心高度。 由式(9)可知，前、后車輪同時抱死時，前、后輪制動器的制動力ff1，ff2是的函數(shù)。 由式(9)中消去，得 ff2= （2-11）式中 l汽車的軸距。 將上式繪成以ff1，ff2為坐標的曲線，即為理想的前、后輪制動器制動力分配曲線，簡稱i曲線。如果汽車前、后制動器的制動力ff1，ff2能按i曲線的規(guī)律分配，則能保證汽車在任何附著系數(shù)的路面上制動時，都能使前、后車輪同時抱死。然而，目前大多數(shù)兩軸汽車尤其是貨車的前、后制動器制動力之比值為一定值，并以前制動ff1與汽車總制動力ff之比來表明分配的比例，稱為汽車制動器制動力分配系數(shù)： （2-12）又由于在附著條件所限定的范圍內(nèi)

21、，地面制動力在數(shù)值上等于相應的制動周緣力，故又可通稱為制動力分配系數(shù)14。 圖2-1 某載貨汽車的i曲線和曲線2.2 同步附著系數(shù)式(2-12)可表達為 （2-13）上式在圖2-1中是一條通過坐標原點且斜率為(1-)/的直線，它是具有制動器制動力分配系數(shù)為的汽車的實際前、后制動器制動力分配線，簡稱線。圖中線與i曲線交于b點，可求出b點處的附著系數(shù)=0,則稱線與i曲線交點處的附著系數(shù)0為同步附著系數(shù)。它是汽車制動性能的一個重要參數(shù)，由汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定。同步附著系數(shù)的計算公式是： 0= （2-14）對于前、后制動器制動力為固定比值的汽車，只有在附著系數(shù)等于同步附著系數(shù)0的路面上，前、后車輪制動器

22、才會同時抱死。當汽車在不同值的路面上制動時，可能有以下情況： (1)當0，線位于i曲線上方，制動時總是后輪先抱死，這時容易發(fā)生后軸側(cè)滑使汽車失去方向穩(wěn)定性。 (3)當=0，制動時汽車前、后輪同時抱死，是一種穩(wěn)定工況，但也失去轉(zhuǎn)向能力。 為了防止汽車的前輪失去轉(zhuǎn)向能力和后輪產(chǎn)生側(cè)滑，希望在制動過程中，在即將出現(xiàn)車輪抱死但尚無任何車輪抱死時的制動減速度，為該車可能產(chǎn)生的最高減速度。分析表明，汽車在同步附著系數(shù)0的路面上制動(前、后車輪同時抱死)時，其制動減速度為du/dt=qg=0g，即q=0，q為制動強度。而在其他附著系數(shù)的路面上制動時，達到前輪或后輪即將抱死時的制動強度q0的良好的路面上（例如

23、=0.7）能夠制動到后軸和前軸先后抱死滑移（此時制動強度=q），前、后軸的車輪制動器所能產(chǎn)生的最大制動力力矩為 （2-19） （2-20）對于選取較大0值的各類汽車，則應從保證汽車制動時的穩(wěn)定性出發(fā)，來確定各軸的最大制動力矩。當時，相應的極限制動強度q ，故所需的后軸和前軸的最大制動力矩為 （2-21） （2-22）式中該車所能遇到的最大附著系數(shù)；q制動強度，由式(22)確定；re車輪有效半徑。一個車輪制動器應有的最大制動力矩為按上列公式計算結(jié)果的半值13。3 adams軟件簡介本章對基于虛擬樣機技術(shù)的商業(yè)軟件adams進行扼要介紹，并分類介紹adams軟件的主要模塊，包括基本模塊、擴展模塊、

24、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊和工具箱。通過本章的學習，可以對adams軟件的主要模塊有個概要性的了解，便于以后對各模塊具體內(nèi)容的學習掌握6。3.1 adams軟件概述adams，即機械系統(tǒng)動力學自動分析(automatic dynamic analysis of mechanical systems)，該軟件是美國mdi公司(mechanical dynamics inc.)開發(fā)的虛擬樣機分析軟件。目前，adams己經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。根據(jù)1999年機械系統(tǒng)動態(tài)仿真分析軟件國際市場份額的統(tǒng)計資料，adams軟件銷售總額近八千萬美元、占據(jù)了51%的份額。adams軟件使用交互式圖

25、形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格郎日方程方法，建立系統(tǒng)動力學方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。adams軟件的仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。adams一方面是虛擬樣機分析的應用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析。另一方面，又是虛擬樣機分析開發(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)用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發(fā)工具平臺。adams軟件有兩種操作系統(tǒng)的

26、版本：unix版和windows nt/2000版。本書將以windows 2000版的adams l2.0為藍本進行介紹。adams軟件由基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類模塊組成，如表3.1所示。用戶不僅可以采用通用模塊對一般的機械系統(tǒng)進行仿真，而且可以采用專用模塊針對特定工業(yè)應用領(lǐng)域的問題進行快速有效的建模與仿真分析。 表3.1 adamas軟件模塊基本模塊用戶界面模塊adamsview求解器模塊adamssolver后處理模塊adamspostprocessor擴展模塊液壓系統(tǒng)模塊adams/hydraulics振動分析模塊adams/vibration線性化分析模

27、塊adams/linear高速動畫模塊adams/animation試驗設計與分析模塊adams/insight耐久性分析模塊adams/durability數(shù)字化裝配回放模塊adams/dmu replay接口模塊柔性分析模塊adams/flex控制模塊adams/controls圖形接口模塊adams/exchangecatia專業(yè)接口模塊cat/adamspro/e接口模塊mechanical/pro專業(yè)領(lǐng)域模塊轎車模塊adams/car懸架設計軟件包suspension design概念化懸架模塊csm駕駛員模塊adams/driver動力傳動系統(tǒng)模塊adams/driveline輪胎

28、模塊adams/tire柔性環(huán)輪胎模塊ftire module柔性體生成器模塊adams/fbg經(jīng)驗動力學模型edm發(fā)動機設計模塊adams/engine配氣機構(gòu)模塊adams/engine valvetrain正時鏈模塊adams/engine chain附件驅(qū)動模塊accessory drive module鐵路車輛模塊adams/railford汽車公司專用汽車模塊adams/pre工具箱軟件開發(fā)工具包adams/sdk虛擬試驗工具箱virtual test lab虛擬試驗模態(tài)分析工具箱virtual experiment modal analysis鋼板彈簧工具箱leafspring

29、toolkit飛機起落架工具箱adams/landing gear履帶/輪胎式車輛工具箱tracked/wheeled vehicle齒輪傳動工具箱adams/gear tool3.2 adams軟件基本模塊3.2.1 用戶界面模塊(adams/view)adams/view是adams系列產(chǎn)品的核心模塊之一，采用以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境，將圖標操作、菜單操作、鼠標點擊操作與交互式圖形建模、仿真計算、動畫顯示、優(yōu)化設計、xy曲線圖處理、結(jié)果分析和數(shù)據(jù)打印等功能集成在一起。adams/view采用簡單的分層方式完成建模工作。采用parasolid內(nèi)核進行實體建模，并提供了豐富的零件幾何圖形庫

30、、約束庫和力/力矩庫，并且支持布爾運算、支持fortran/77和fortran/90中的函數(shù)。除此之外，還提供了豐富的位移函數(shù)、速度函數(shù)、加速度函數(shù)、接觸函數(shù)、樣條函數(shù)、力/力矩函數(shù)、合力/力矩函數(shù)、數(shù)據(jù)元函數(shù)、若干用戶子程序函數(shù)以及常量和變量等。自9.0版后，adams/view采用用戶熟悉的motif界面(unix系統(tǒng))和windows界面(nt系統(tǒng))，從而大大提高了快速建模能力。在adams/view中，用戶利用table editor，可像用excel一樣方便地編輯模型數(shù)據(jù)，同時還提供了plot browser和function builder工具包。ds(設計研究)、doe(實驗設

31、計)及optimize(優(yōu)化)功能可使用戶方便地進行優(yōu)化工作。adams/view有自己的高級編程語言，支持命令行輸入命令和c+語言，有豐富的宏命令以及快捷方便的圖標、菜單和對話框創(chuàng)建和修改工具包，而且具有在線幫助功能。adams/view模塊界面如圖3 -1所示。 圖3 -1 adams/view模塊adams/view新版采用了改進的動畫/曲線圖窗口，能夠在同一窗口內(nèi)可以同步顯示模型的動畫和曲線圖；具有豐富的二維碰撞副，用戶可以對具有摩擦的二維點曲線、圓曲線、平面曲線，以及曲線曲線、實體實體等碰撞副自動定義接觸力；具有實用的parasolid輸入/輸出功能，可以輸入cad中生成的paras

32、olid文件，也可以把單個構(gòu)件、或整個模型、或在某一指定的仿真時刻的模型輸出到一個parasolid文件中；具有新型數(shù)據(jù)庫圖形顯示功能，能夠在同一圖形窗口內(nèi)顯示模型的拓撲結(jié)構(gòu)，選擇某一構(gòu)件或約束(運動副或力)后顯示與此項相關(guān)的全部數(shù)據(jù)；具有快速繪圖功能，繪圖速度是原版本的20倍以上；采用合理的數(shù)據(jù)庫導向器，可以在一次作業(yè)中利用一個名稱過濾器修改同一名稱中多個對象的屬性，便于修改某一個數(shù)據(jù)庫對象的名稱及其說明內(nèi)容；具有精確的幾何定位功能，可以在創(chuàng)建模型的過程中輸入對象的坐標、精確地控制對象的位置；多種平臺上采用統(tǒng)一的用戶界面、提供合理的軟件文檔；支持windows nt平臺的快速圖形加速卡，確保

33、adams/view的用戶可以利用高性能opengl圖形卡提高軟件的性能；命令行可以自動記錄各種操作命令，進行自動檢查。3.2.2 求解器模塊 (adams/solver)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。該軟件自動形成機械系統(tǒng)模型的動力學方程，提供靜力學、運動學和動力學的解算結(jié)果。adams/solver有各種建模和求解選項，以便精確有效地解決各種工程應用問題。adams/solver可以對剛體和彈性體進行仿真研究。為了進行有限元分析和控制系統(tǒng)研究，用戶除要求軟件輸出位移、速度、加速度和力外，還可要求模塊輸出用戶自己定義的

34、數(shù)據(jù)。用戶可以通過運動副、運動激勵，高副接觸、用戶定義的子程序等添加不同的約束。用戶同時可求解運動副之間的作用力和反作用力，或施加單點外力。adams/solver新版中對校正功能進行了改進，使得積分器能夠根據(jù)模型的復雜程度自動調(diào)整參數(shù)，仿真計算速度提高了30%；采用新的s12型積分器(stabilized index 2 intergrator)，能夠同時求解運動方程組的位移和速度，顯著增強積分器的魯棒性，提高復雜系統(tǒng)的解算速度；采用適用于柔性單元(梁、襯套、力場、彈簧阻尼器)的新算法，可提高s12型積分器的求解精度和魯棒性；可以將樣條數(shù)據(jù)存儲成獨立文件使之管理更加方便，并且spline語句

35、適用于各種樣條數(shù)據(jù)文件，樣條數(shù)據(jù)文件子程序還支持用戶定義的數(shù)據(jù)格式；具有豐富的約束摩擦特性功能，在translational, revolute, hooks, cylindrical, spherical, universal等約束中可定義各種摩擦特性。3.2.3 后處理模塊 (adams/postprocessor)mdi公司開發(fā)的后處理模塊adams/postprocessor，用來處理仿真結(jié)果數(shù)據(jù)、顯示仿真動畫等。既可以在adams/view環(huán)境中運行，也可脫離該環(huán)境獨立運行。如圖3 -2所示。adams/postprocessor的主要特點是：采用快速高質(zhì)量的動畫顯示，便于從可視化角

36、度深入理解設計方案的有效性；使用樹狀搜索結(jié)構(gòu)，層次清晰，并可快速檢索對象；具有豐富的數(shù)據(jù)作圖、數(shù)據(jù)處理及文件輸出功能；具有靈活多變的窗口風格，支持多窗口畫面分割顯示及多頁面存儲；多視窗動畫與曲線結(jié)果同步顯示，并可錄制成電影文件；具有完備的曲線數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能：如均值、均方根、極值、斜率等；具有豐富的數(shù)據(jù)處理功能，能夠進行曲線的代數(shù)運算、反向、偏置、縮放、編輯和生成波特圖等；為光滑消隱的柔體動畫提供了更優(yōu)的內(nèi)存管理模式；強化了曲線編輯工具欄功能；能支持模態(tài)形狀動畫，模態(tài)形狀動畫可記錄的標準圖形文件格式有：*.gif，*.jpg，*.bmp，*.xpm，*.avi 等；在日期、分析名稱、頁數(shù)等方面增加

37、了圖表動畫功能；可進行幾何屬性的細節(jié)的動態(tài)演示。圖3 -2 adams后處理模塊 adams/postprocessor的主要功能包括：為用戶觀察模型的運動提供了所需的環(huán)境，用戶可以向前、向后播放動畫，隨時中斷播放動畫，而且可以選擇最佳觀察視角，從而使用戶更容易地完成模型排錯任務；為了驗證adams仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)的有效性，可以輸入測試數(shù)據(jù)，并測試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進行繪圖比較，還可對數(shù)據(jù)結(jié)果進行數(shù)學運算、對輸出進行統(tǒng)計分析；用戶可以對多個模擬結(jié)果進行圖解比較，選擇合理的設計方案；可以幫助用戶再現(xiàn)adams中的仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)，以提高設計報告的質(zhì)量；可以改變圖表的形式，也可以添加標題和注釋；可

38、以載入實體動畫，從而加強仿真分析結(jié)果數(shù)據(jù)的表達效果；還可以實現(xiàn)在播放三維動畫的同時，顯示曲線的數(shù)據(jù)位置，從而可以觀察運動與參數(shù)變化的對應關(guān)系7。3.2.4 轎車模塊(adams/car)adams/car是mdi公司與audi、bmw、renault和volvo等公司合作開發(fā)的整車設計軟件包，集成了他們在汽車設計、開發(fā)方面的專家經(jīng)驗，能夠幫助工程師快速建造高精度的整車虛擬樣機，其中包括車身、懸架、傳動系統(tǒng)、發(fā)動機、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、制動系統(tǒng)等，工程師可以通過高速動畫直觀地再現(xiàn)在各種試驗工況下(例如：天氣、道路狀況、駕駛員經(jīng)驗)整車的動力學響應，并輸出標志操縱穩(wěn)定性、制動性、乘坐舒適性和安全性的特征參數(shù)

39、，從而減少對物理樣機的依賴，而仿真時間只是進行物理樣機試驗的幾分之一。adams/car采用的用戶化界面是有成效的開發(fā)工作。adams/car中包括整車動力學模塊(vehicle dynamics)和懸架設計模塊(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、漂根據(jù)汽車工程師的習慣而專門設計的。工程師不必經(jīng)過任何專業(yè)培訓，就可以應用該軟件開展卓移試驗、加速試驗、制動試驗和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向試驗等，同時還可以設定試驗過程中的節(jié)氣門開度、變速器檔位等。4 基于adams 的汽車建?；赼dmas 軟件建立的整車虛擬模型由前懸架系統(tǒng)、后懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車

40、身系統(tǒng)、發(fā)動機及傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)以及輪胎系統(tǒng)組成。本文重點討論制動系統(tǒng)、輪胎系統(tǒng)和車身系統(tǒng)的建模和參數(shù)設置。4.1 主要系統(tǒng)模型 4.1.1 前懸架系統(tǒng)該車的前懸架為雙橫臂獨立懸架，簡化后的前懸架系統(tǒng)模型由上橫臂、下橫臂、立柱、前橫向穩(wěn)定桿、連桿、轉(zhuǎn)向橫拉桿、減震器支座、輪心軸、前副車架以及減震器的上、下端組成。減震器上端與車身由彈性襯套（ 不考慮彈性襯套時為萬向節(jié)鉸鏈）相連，減震器的上、下端由圓柱副和彈簧、阻尼器力元相連；上橫臂與車身由2個彈性襯套（不考慮彈性襯套時為轉(zhuǎn)動鉸鏈）相連，上橫臂與立柱由球鉸相連；連桿和減震器支座由球鉸相連；轉(zhuǎn)向橫拉桿與轉(zhuǎn)向齒條由恒速副相連，轉(zhuǎn)向橫拉桿與立柱由球鉸

41、相連；輪心軸與立柱由轉(zhuǎn)動鉸鏈相連；下橫臂與立柱由球鉸相連；輪心軸與驅(qū)動軸由恒速副相連；驅(qū)動軸和發(fā)動機動力輸出軸由恒速副相連；下橫臂與前副車架由2 個彈性襯套（ 不考慮彈性襯套時為轉(zhuǎn)動鉸鏈）相連；前副車架與車身由6個彈性襯套（不考慮彈性襯套時為固定鉸鏈）相連；動力輸出軸與驅(qū)動軸由恒速副相連；減震器支座與下橫臂由彈性襯套（不考慮彈性襯套時為萬向節(jié)鉸鏈）相連，減震器支座與減震器下端由固定副相連。前橫向穩(wěn)定桿分成左、右對稱的2個部分，2部分之間由1個旋轉(zhuǎn)副和1個扭轉(zhuǎn)彈簧阻尼器相連，以該扭轉(zhuǎn)彈簧阻尼器的扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼來模擬實際橫向穩(wěn)定桿的扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼。橫向穩(wěn)定桿與連桿由恒速副相連，橫向穩(wěn)定桿與前副車架

42、由1 個彈性襯套相連，如圖4-1 所示9。圖4-1 前懸架總成4.1.2 后懸架系統(tǒng)該車的后懸架系統(tǒng)為雙橫臂獨立懸架，簡化后的后懸架模型由上橫臂、下橫臂、立柱、動力輸出軸、輪心軸以及減震器的上、下端組成，如圖4-2 所示。圖4-2 后懸架系統(tǒng)4.1.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)該車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一個齒輪齒條式液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，簡化后的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由方向盤、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向傳動軸、轉(zhuǎn)向輸出軸、轉(zhuǎn)向齒輪、轉(zhuǎn)向齒條以及轉(zhuǎn)向齒條套組成。當轉(zhuǎn)向齒輪轉(zhuǎn)過一個角度時，液壓動力活塞上會產(chǎn)生壓強差，從而產(chǎn)生幫助轉(zhuǎn)向的助力。該液壓系統(tǒng)輸出的動力是通過編輯特性文件來實現(xiàn)的。方向盤與轉(zhuǎn)向軸間為旋轉(zhuǎn)副，轉(zhuǎn)向軸與車身間為旋轉(zhuǎn)副，這2個旋轉(zhuǎn)副之間為

43、復合鉸鏈；轉(zhuǎn)向傳動軸與轉(zhuǎn)向軸之間為萬向節(jié)鉸鏈，轉(zhuǎn)向輸出軸與轉(zhuǎn)向傳動軸之間為萬向節(jié)鉸鏈；轉(zhuǎn)向輸出軸與轉(zhuǎn)向齒條套間為旋轉(zhuǎn)副，轉(zhuǎn)向齒輪與轉(zhuǎn)向齒條套間為旋轉(zhuǎn)副，這2個旋轉(zhuǎn)副之間為復合鉸鏈；轉(zhuǎn)向齒條與轉(zhuǎn)向齒條套間為滑動副，該約束副和轉(zhuǎn)向齒輪與轉(zhuǎn)向齒條套間為旋轉(zhuǎn)副之間為復合鉸鏈；轉(zhuǎn)向齒輪與轉(zhuǎn)向輸出軸由彈性襯套相連，轉(zhuǎn)向齒條套與車身之間由2個襯套（不考慮彈性襯套時為固定鉸鏈）相連；轉(zhuǎn)向齒條與轉(zhuǎn)向橫拉桿之間為球副10。4.1.4 制動系統(tǒng)該車前、后輪制動器均采用液壓盤式制動器。在adams 中將盤式制動器簡化成制動鉗和制動盤兩部分，其中制動鉗通過輸入通訊器與懸架的立柱連接，制動盤通過輸入通訊器安裝在車輪上。制

44、動盤和制動鉗之間以一個單作用力矩制動器定義制動力矩。制動力矩由公式（4-1）計算得到： t= （4-1）式中： a 制動輪缸活塞面積， mm2 ；p 制動輪缸的制動液壓； 制動鉗摩擦襯片和制動盤之間的摩擦系數(shù)；r 有效制動半徑， mm； （4-2）式中： 前制動器液壓與前、后制動器液壓總和的比值，仿真分析時輸入的踏板力， n ； 從輸入的踏板力到前、后制動器液壓的轉(zhuǎn)換系數(shù)。鑒于汽車制動穩(wěn)定性影響因素的多面性和不可預知性，而該車制動系統(tǒng)建模時左、右車輪施加的是相同的制動力矩，因此本文建立的制動系統(tǒng)模型僅用于制動效能的仿真研究，而不能用于制動穩(wěn)定性方面的分析。另外，該制動系統(tǒng)模型不含abs 功能，

45、僅考察該車在abs 系統(tǒng)產(chǎn)生作用之前的制動效能。4.2 整車模型的建立各子系統(tǒng)建立完成后，在標準模式(standard interface)下將所建各子系統(tǒng)模型與整車測試臺(mdi_sdi_testrig)組裝在一起，得到整車多體動力學仿真模型，如圖4-4所示。表4.1為該車滿載時整車及制動系統(tǒng)原始設計參數(shù)。 圖4-3 建立整車模型 圖4-4 整車模型表4.1 整車及制動系統(tǒng)參數(shù)整車總質(zhì)量/kg1528軸距/mm2608質(zhì)心距前軸距離/mm1482重心離地高度/mm432前制動盤作用半徑/mm140后制動盤作用半徑/mm125前卡鉗油缸直徑/mm53后卡鉗油缸直徑/mm48前、后制動器摩擦系數(shù)

46、0.42前后制動管路油壓分配系數(shù)0.64.3 原車直線制動仿真4.3.1 仿真標準本文直線制動性能仿真分析的進行步驟參照中華人民共和國國家標準（gb126761999），此標準適合于轎車、客車及貨車11。4.3.2 仿真條件在附著系數(shù)為0.8的良好路面上，對整車進行直線制動仿真試驗。4.3.3 仿真方法仿真時間為6 s，汽車以80 km/h初速度運動1 s后開始制動，制動強度為100%，制動器起作用時間為0.22 s。分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)前后制動器制動力分配嚴重不合理，有必要對制動系統(tǒng)參數(shù)進行重新設計，以減小制動距離，滿足法規(guī)要求。 圖4-5 直線制動仿真圖4-6 仿真結(jié)果在附著系數(shù)為0.8的路面

47、上進行制動仿真試驗。以80km/h初速行駛1 s后開始制動，強度為100%，制動器起作用時間為0.22 s，仿真時間為6 s。制動距離46.16 m。5 制動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計5.1 優(yōu)化目標和設計參數(shù)汽車制動距離越短，則制動效能越高，故將制動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計的目標定為制動距離最短。決定汽車制動距離的主要因素是：制動器起作用的時間、制動減速度以及起始車速。由于整車制動器型式不變，仿真初始制動車速設定后，只需考慮影響最大制動減速度的汽車參數(shù)。制動器制動力矩的大小直接影響制動減速度的大小。由公式（1）可知，制動器制動力矩的大小與制動軟管油液的壓強有關(guān)。而制動軟管油液壓強p 又與前后制動管路壓強分配系

48、數(shù)密切相關(guān)，增加，前制動器制動力矩增加，后制動器制動力矩減小，因此，將作為優(yōu)化參數(shù)之一。該車為發(fā)動機前置前輪驅(qū)動，前輪要求的制動器制動力較大，將變化范圍定在0.600.73 之間。由式（1）又知，增大摩擦系數(shù)、制動輪缸活塞面積和制動盤的有效制動半徑，會使制動器制動力矩增大。摩擦系數(shù)主要取決于摩擦材料種類，根據(jù)零件的供應情況，有三種摩擦系數(shù)的制動塊可供選擇，摩擦系數(shù)分別為0.38、0.40、0.42，因此將前、后制動器的摩擦系數(shù)作為優(yōu)化參數(shù)。另外，將前、后制動輪缸活塞面積也作為優(yōu)化參數(shù)，前輪缸活塞面積變化范圍為22002600 mm2（缸徑為5356mm）, 后輪缸活塞面積變化范圍為180020

49、00mm2（缸徑為4850mm）。由于制動盤的有效制動半徑大小受輪輞尺寸的限制，前制動盤尺寸的設計還必需考慮其與轉(zhuǎn)向節(jié)的相對位置，制動盤有效制動半徑可變動范圍很小，故不作為優(yōu)化設計參數(shù)。 另外，制動減速度受地面附著力的限制。地面附著力取決于輪胎與路面間的垂直載荷和附著系數(shù)，這兩方面又會受很多因素的影響，其中一些因素在汽車的實際行駛過程中又是隨機的。如整車重量和質(zhì)心位置影響著前后車輪的垂直載荷與其轉(zhuǎn)移量的大小，但整車的質(zhì)量、質(zhì)心的位置和軸距在汽車總布置設計完成后不能輕易變動，因此這些參數(shù)不作為優(yōu)化參數(shù)12。圖5-1 制動系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)5.2 優(yōu)化方法與結(jié)果adams/insight模塊是msc公司的試驗設計軟件，利用該模塊用戶可以進行單目標或多目標優(yōu)化，自變量可以是連續(xù)的，也可以是離散的。在insight中，將前后制動管路油壓分配系數(shù)、前制動器的摩擦系數(shù)、后制動器的摩擦系數(shù)、前輪缸活塞面積、后輪缸活塞面積作為制動系統(tǒng)優(yōu)化設計因素，以制動距離最短為響應進行優(yōu)化設計。為了在設計范圍內(nèi)尋求最優(yōu)解，本文用響應面法，用交互模式來擬合設計因素與響應之間的關(guān)系。響應面方法(response surface methodology，rsm)是用一個超曲面來近似地替代實際的復雜結(jié)構(gòu)輸入與輸出的關(guān)系，即通過近似構(gòu)造一個具有明確表達形式的多項式來表達隱式功能函數(shù)。它