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SY-025-BY-3
畢業(yè)設計（論文）開題報告
學生姓名
張華
系部
汽車與交通工程學院
專業(yè)、班級
B07-1班
指導教師姓名
楊兆
職稱
講師
從事
專業(yè)
車輛工程
是否外聘
□是■否
題目名稱
麥弗遜前懸架參數(shù)匹配與運動仿真
一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義
課題研究現(xiàn)狀：
汽車作為極其重要的交通工具，在交通運輸領域和人民日常生活中的地位日益突出，用戶對汽車安全性、行駛平順性、操縱穩(wěn)定性的要求越來越高。汽車懸架系統(tǒng)是汽車的重要部件，是影響車輛動態(tài)特性關系最為密切的系統(tǒng)，汽車懸架系統(tǒng)對汽車的操縱穩(wěn)定性、行駛平順性以及行駛安全都有很大的影響。
懸架對車輛操縱穩(wěn)定性的發(fā)揮至關重要，操縱穩(wěn)定性的好壞也影響著汽車行駛平順性和安全。懸架系統(tǒng)起著傳遞車輪和車身之間的力和力矩、引導與控制汽車車輪與車身的相對運動、緩和路面?zhèn)鬟f給車身的沖擊、衰減系統(tǒng)的振動等作用。懸架的性能反映在當車輪上下跳動時，車輪的定位參數(shù)變化量保持在合理的范圍內(nèi)，以保證汽車具有所期望的行駛性能。
汽車懸架有非獨立懸架和獨立懸架兩種基本類型。麥弗遜式懸架(McPherson Suspension)是獨立懸架的一種，于1947年由任職于美國福特汽車公司的麥弗遜(EarlS．McPherson)發(fā)明。1950年首次生產(chǎn)使用麥弗遜懸架汽車以后，麥弗遜懸架以其節(jié)約空間和成本較低成為最為流行的汽車獨立懸架系統(tǒng)之一。根據(jù)對日本在1987到2000年之間生產(chǎn)的轎車的統(tǒng)計，轎車前懸架導向機構都是以麥弗遜式為主。1987年末、1994年末、2000年末采用麥弗遜懸架作為前懸架的車型所占比例分別為：69．6％、61．6％、69．3％，麥弗遜懸架在三個統(tǒng)計年度均占第一位。在全球范圍內(nèi)來看，前懸架都是麥弗遜式占主導地位，該懸架的突出優(yōu)點是增大了兩前輪的內(nèi)側(cè)空間，便于發(fā)動機橫向布置，因此這種結(jié)構廣泛應用于從微型轎車到高級轎車的所有轎車中，且不分驅(qū)動橋或非驅(qū)動橋均適用。保時捷911、國產(chǎn)奧迪、桑塔納、夏利、富康等轎車的前懸架均為麥弗遜獨立懸架。
麥弗遜獨立懸架是現(xiàn)代汽車上廣泛采用的一種懸架結(jié)構形式。懸架是連接車輪和車身的唯一部件，車輪把復雜的路況等行駛條件通過懸架系統(tǒng)傳遞給車身，所以懸架的運動特性、動力特性等的好壞直接決定汽車行駛?cè)N性能能否實現(xiàn)。合理的幾何參數(shù)能保證懸架具有良好的運動特性。汽車在各種行駛條件下，車輪定位參數(shù)隨車輪的跳動而變化, 從而影響汽車的操縱穩(wěn)定性、輪胎的磨損、安全性等性能, 是懸架設計主要考慮的指標之一。
所以在設計懸架時就要充分考慮這些因素，進行合理設計，盡量滿足使用要求。懸架在成品之前首先要反復進行試驗，做懸架的運動學分析，以便進一步進行論證、改進設計。
如何更好的設計懸架催生了對懸架的研究。汽車懸架運動學研究方法很多，對它的研究在國外起步較早。德國的耶爾森·賴姆帕爾著的《汽車底盤技術》對各種懸架運動作了詳細的分析，對車輪定位參數(shù)做了準確的定義，分析了他們的作用及其對操縱穩(wěn)定性的影響。阿達姆·措莫托著的《汽車行駛性能》和安培正人著的《汽車的運動與操縱》介紹了懸架運動對汽車行駛性能的影響。
近年來，隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，以及各種基礎理論研究成果出現(xiàn)，而且在現(xiàn)代的工程研究領域，計算機仿真技術己成為熱門研究課題。這都為汽車動力學研究提供了一個方便快捷的手段。國外各主要汽車生產(chǎn)企業(yè)和研究機構，如Ford、GM、BMW、Audi和Volvo等的產(chǎn)品研發(fā)部門使用了大量的多體系統(tǒng)動力學分析軟件，在設計研發(fā)中發(fā)揮了重要作用。應用得較多的這方面的軟件有美國MSC公司的ADAMS、美國CADSI公司的DADS等。機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）是目前世界范圍內(nèi)使用最廣泛的虛擬樣機仿真軟件，應用它可以方便地建立參數(shù)化的實體模型，并進行仿真分析。
ADAMS中的 Car 模塊是ADAMS軟件中的一個專業(yè)化模塊，它整合了世界多家大型汽車企業(yè)在汽車設計、開發(fā)方面的經(jīng)驗，能夠幫助快速建立精確的包括汽車車身、發(fā)動機、懸架系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向機構以及制動系統(tǒng)等系統(tǒng)在內(nèi)的參數(shù)化虛擬汽車模型。ADAMS/Insight 功能擴展模塊是ADAMS 基于網(wǎng)頁的試驗設計與分析模塊，能對仿真進行實驗設計，可以更精確地對設計進行量化研究，應用ADAMS/Insight，可以很方便地進行一系列的仿真試驗，從而精確地預測所設計的復雜的機械系統(tǒng)在各種工作條件下的性能，并對試驗結(jié)果提供專業(yè)化的統(tǒng)計結(jié)果。
在這種背景下，人們開始運用虛擬樣機仿真軟件ADAMS等建立車輛及懸架系統(tǒng)的復雜動力學仿真模型，并通過分析得出了許多有益結(jié)論。
懸架的運動學、動力學仿真分析在汽車懸架系統(tǒng)的設計和開發(fā)中占有重要的地位。以機械CAD設計、虛擬樣機仿真技術為前題,提出運用虛擬樣機仿真軟件ADAMS里的CAR模塊分析并進行優(yōu)化汽車懸架的設計方法。首先,根據(jù)懸架各部件之間的相對運動關系和各部件的參數(shù)在ADAMS\CAR中建立某轎車的麥弗遜前懸架的三維CAD模型,再加上路面激勵,分析懸架參數(shù)在汽車行駛中的變化規(guī)律，對設計參數(shù)進行修改和調(diào)整以發(fā)現(xiàn)其對各種性能參數(shù)的影響, 然后利用ADAMS\Insight對建立的懸架模型進行結(jié)構優(yōu)化，最終提供較理想的產(chǎn)品開發(fā)解決方案。
選題目的：
由于懸架系統(tǒng)在汽車行駛中占有重要地位和發(fā)揮關鍵作用，懸架的設計越來越受到廣泛的重視。在傳統(tǒng)設計方法的基礎上，也出現(xiàn)了許多先進設計方法和技術，比如CAD/CAE技術、有限元分析、模擬仿真、虛擬設計、優(yōu)化設計等等。所以懸架系統(tǒng)的研究設計有廣闊前景。
在實際當中，如果懸架結(jié)構設計不當，將會大大影響汽車產(chǎn)品的使用性能(如轉(zhuǎn)向沉重、車輪擺振、輪胎偏磨嚴重、影響輪胎使用壽命等)。
本課題研究的目的就在于運用CAD/CAE技術對車輛麥弗遜式前懸架的虛擬設計。在試制前的階段運用ADAMS/CAR進行懸架結(jié)構布置和建模仿真，獲得分析車輪垂直跳動、轉(zhuǎn)動與車輪前束角的變化等關系，總結(jié)規(guī)律。并且運用ADAMS/Insight, 通過對模型某項或是多項性能指標進行優(yōu)化，通過調(diào)節(jié)相應的參數(shù)來滿足設計要求。
初步驗證運用ADAMS /Car進行汽車懸架建模和仿真的合理性，為生產(chǎn)實踐提供必要的理論支持。獲得相關數(shù)據(jù)，在產(chǎn)品制造出之前，就可以發(fā)現(xiàn)并更正設計缺陷，并且提出優(yōu)化設計的意見，使參數(shù)間的匹配達到良好，從而為汽車懸架的設計提供一種新的可行性方案。
選題意義：
⑴.懸架是車輛行駛系的重要的組成部分。其主要任務是彈性連接車輪與車架，傳遞二者之間的力和力矩，并緩和沖擊、衰減振動。對改善車輛的操縱穩(wěn)定性、行駛平順性、減輕車輛自重、改善輪胎的磨損狀況以及減少對公路的破壞具有重要意義。
⑵.傳統(tǒng)的懸架設計一般采用經(jīng)驗設計法、數(shù)學推導法以及幾何作圖等方法, 在懸架系統(tǒng)設計、試驗、試制整個過程中必須邊試驗、邊改進，從設計到試制、試驗、定型，產(chǎn)品開發(fā)成本較高，雖然可以滿足設計要求, 但精度和效率不高。所以，傳統(tǒng)的方法已經(jīng)很難滿足日益加速的設計需求, 為縮短開發(fā)周期, 降低開發(fā)成本, 有必要采用新的設計方法。
⑶.運用虛擬樣機技術，結(jié)合虛擬設計和虛擬試驗，可以大大簡化懸架系統(tǒng)設計開發(fā)過程，大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，大量減少產(chǎn)品開發(fā)費用和成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品的系統(tǒng)性能，獲得最優(yōu)設計產(chǎn)品。有利于企業(yè)搶占市場和發(fā)展先機，提高經(jīng)濟效益和社會效益。
二、設計（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題
基本內(nèi)容：分析麥弗遜式懸架的結(jié)構和懸架設計要求，在懸架設計中，根據(jù)整車的布置要求以及經(jīng)驗數(shù)據(jù)，確定懸架的整體空間數(shù)據(jù)和性能參數(shù)，運用PRO/E建立三維物理模型，并在ADAMS軟件平臺上建立麥弗遜懸架的簡化物理模型，進行動力學仿真分析，通過分析車輪垂直跳動、轉(zhuǎn)動與車輪前束角的變化等關系獲得相關數(shù)據(jù)，優(yōu)化相關參數(shù)，建立虛擬麥弗遜懸架模型。
主要技術指標：
1）車輪跳動時，輪距變化不超過±4mm以防止輪胎早期磨損；2）車輪跳動時，前輪定位角變化特性合理；3）轉(zhuǎn)彎時，車身在0.4g側(cè)向加速度作用下，車身側(cè)傾角不大于3—5°，并保證車輪與車身傾斜同向，以增加不足轉(zhuǎn)向效應；4）制動及加速時，車身應有“抗點頭”及“抗后坐”效應；5）應具有足夠的強度，以可靠地承受及傳遞除垂直力以外的力和力矩。
擬解決問題：
1）利用ADAMS/Car 建立了麥弗遜式懸架模型；2）并進行了左右車輪計算機運動仿真試驗，得出前輪各定位參數(shù)隨車輪跳動的變化關系；3）仿真結(jié)束后，以前輪定位參數(shù)為主要優(yōu)化目標，運用ADAMS/Insight 模塊，通過對麥弗遜式懸架結(jié)構不斷調(diào)整，使車輪定位參數(shù)得到優(yōu)化；4）另外還要保證懸架具有較好的橫向穩(wěn)定性、強度和剛度。
建立虛擬麥弗遜懸架模型
獲得車輪垂直跳動、轉(zhuǎn)動與車輪前束角的變化等關系的相關數(shù)據(jù)
進行動力學仿真分析
在ADAMS軟件平臺上建立麥弗遜懸架簡化物理模型
運用PRO/E建立三維物理模型
確定懸架整體空間數(shù)據(jù)和性能參數(shù)
分析懸架結(jié)構和設計要求
三、技術路線（研究方法）
優(yōu)化相關參數(shù)
數(shù)據(jù)是否滿足要求
N
Y
四、進度安排
（1）調(diào)研、資料收集、完成開題報告 第1、2周（2月28日～3月6日）
(2) 根據(jù)給出的相關尺寸參數(shù)進行相關部件的參數(shù)計算，并進行驗證 第 3、4周（3月7日～3月20日）
(3) 在ADAMS軟件平臺上建立零件的等比例物理模型，進行運動學分析 第5、6、7周（3月21日～4月10日）
（4）利用部件的鏈接關系建立部件之間的裝配 第8、9、10、11周（4月11日～5月8日）
（5）設計1.5萬字說明書一份，零件圖一套（包括PRO/E零件圖）第12、13、14周（5月9日～5月29日）
（6）畢業(yè)設計審核、修改 第15、16周（5月30日～6月12日）
（7）畢業(yè)設計答辯準備及答辯 第17周（6月13日～6月 19日）
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六、備注
七、指導教師意見：
簽字： 年 月 日