1、东 北 大 学 再 教 育 学 院 毕 业 论 文 I 摘要 随着汽车的普及，交通事故也日趋频繁，人们对汽车安全性的要求也越来越高 。对于这些要求，只有通过对汽车系统动力学的深入研究才能实现。 在多体系统动力学分析软件中， ADAMS 是车辆动力学中应用最广，最为著名的一个软件。 本文 基于多刚体动力学 ADAMS 软件对汽车制动系统参数进行优化设计。在 ADAMS/Car 模块中构建整车动力学模型，进行直线制动仿真，分析了影响制动性能的关键因素；基于响应面法利用 ADAMS/Insight 模块对制动系统 前、后制动轮缸活塞面积 ,前、后制动器的摩擦系数 和 前后制动管路压强分配 系数 进行
2、优化，得到制动距离最短的制动系统优化参数；并对优化前后的制动性能进行对比分析。结果表明：经过优化后的汽车制动性能得到较大改善 。 关键词 ： 盘式制动器；仿真；响应面法；参数优化东 北 大 学 再 教 育 学 院 毕 业 论 文 II 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
3、dynamics of automobile. The software ADAMS, which developed with multi-body 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 dyn
4、amic software ADAMS. In ADAMS/Car module, the vehicle dynamic model is built 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 o
5、btained with shortest brake distance in ADAMS/Insight module. The results of simulation are compared with that of the primary is enhanced after optimal design. Keywords: disc brake; simulation; response surface methodology; parameter optimization 东 北 大 学 再 教 育 学 院 毕 业 论 文 III 目录 摘要 .I Abstract . II
6、1 绪论 . 1 1.1 本课题来源及意义 . 1 1.2 国内外研究现状及发展趋势 . 1 1.3 本课题研究的主要内容 . 3 2 制动系的主要参数及选择 . 4 2.1 制动力与制动力分配系数 . 4 2.2 同步附着系数 . 7 2.3 制动器最大 制动力矩 . 9 3 ADAMS 软件简介 . 11 3.1 ADAMS 软件概述 . 11 3.2 ADAMS 软件基本模块 . 13 3.2.1 用户界面模块 (ADAMS/View). 13 3.2.2 求解器模块 (ADAMS/Solver). 14 3.2.3 后处理模块 (ADAMS/PostProcessor) . 15 3.
7、2.4 轿车模块 (ADAMS/Car). 16 4 基于 ADAMS 的汽车建模 . 17 4.1 主要系统模型 . 17 4.1.1 前悬架系统 . 17 4.1.2 后悬架系统 . 18 4.1.3 转向 系统 . 19 4.1.4 制动系统 . 19 4.2 整车模型的建立 . 20 4.3 原车直线制动仿真 . 21 4.3.1 仿真标准 . 21 4.3.2 仿真条件 . 22 4.3.3 仿真方法 . 22 东 北 大 学 再 教 育 学 院 毕 业 论 文 IV 5 制动系统参数优化设计 . 24 5.1 优化目标和设计参数 . 24 5.2 优化方法与结果 . 25 5.2.
8、1 创建设计矩阵 . 25 5.2.2 更改设计因素 . 26 5.2.3 提出并更改响应 . 28 5.2.4 运行试验 . 29 5.3 参数优化前后制动性能对比分析 . 32 6 结论与展望 . 34 6.1 论文主要研究重点及结论 . 34 6.2 展望 . 34 致谢 . 35 参考文献 . 36 东 北 大 学 再 教 育 学 院 毕 业 论 文 1 1 绪论 1.1 本课题来源 及意义 课题基于 ADAMS 的制动系统优化设计来源于 东北大学再教育学院毕业设计课题 。 随着经济和交通的发达，汽车越来越普及，它的安全性能也越来越受重视。汽车的良好制动性能是汽车安全的重要保障 1。
9、由制动引起的交通事故，在交通事故中占很大的比例。而且制动稳定性实车试验十分危险。对车辆的制动稳定性的研究受到了人们的广泛重视，尤其对制动稳定性的计算机仿真研究越来越受到关注。因此选择此课题对汽车的制动性能进行优化设计。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 自 1885 年卡尔 .本茨 制造出世界第一辆汽车之后，经过一百多年的迅猛发展，如今汽车已成为人们日常生活和工农业生产中不可缺少的重要交通工具。但随着汽车的普及，公路交通呈现出行驶高速化、车辆密集化和驾驶员非职业化的趋势。频繁的交通事故使公路运输的交通安全成为一个广泛关注的社会性问题。随着交通密集的增加，交通事故呈现出增加的趋势，因此，汽车的安
10、全性研究是摆在汽车专家们面前的一个严峻的课题 2。 安全问题可分为两大部分：主动安全性和被动安全性。主动安全性是指汽车具有的在所有交通状况下尽可能地避免事故的一种性能；被动安全性是指汽车在发生不 可避免的事故时（特别涉及到人员伤亡时），尽可能减小其后果的一种性能，包括外部安全性和内部成员安全性。按照汽车事故诱发因素的比例由大到小的排列，其顺序是操纵稳定性、加速制动性、环境视见性和可靠性。几十年来，如何设计汽车以获得良好的主动安全性，尤其是操纵稳定性，始终是各国学者和设计师们的主要研究方向之一。近年来，电子智能技术的引入如：全电子制动系统、电子控制的动力转向系统、智能悬挂系统、车辆周围的监测系统
11、以及 ABS防抱死系统等等，大大提高了汽车的主动安全性 3。 东 北 大 学 再 教 育 学 院 毕 业 论 文 2 近十年来，随着计算机技术的飞速发展，以计算机仿 真技术为手段，研究汽车的操纵动力学已成为该领域研究中的主要方向之一。 新兴的虚拟样机技术是现代计算机仿真技术的一个新的研究方向。虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术（指在某单一系统中零部件的 CAD 和 FEA技术）揉和在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。它兴起于 20 世纪 90 年代
12、，广泛应用于各种领域。不同领域对它的定义略有不同，主要区别在于技术的构成及其范畴上。 虚 拟样机技术的应用可以带来以下优点： 1） 在实际制造前，设计工程师可以通过虚拟样机方便地修改设计，进而减少物理样机数量，节约成本。 2） 对于项目管理者，虚拟样机在评估和管理项目风险方面是一个极有价值的工具。 3） 在设计生产的各阶段，虚拟样机能够主动地影响产品的支持保障，减少产品周期。 4） 通过在设计的每一个阶段进行虚拟样机测试，使测试者对未来产品进行评价，减少工装费用。 5） 借助虚拟样机，并行工程应用在设计过程中，加快了产品的上市时间。 6） 通过使用虚拟样机，将使传统的系统、子系统、制造过程的理
13、解得到扩展和深 入，并且使为技术要求、制造性能、可实现性和可维护性而进行的设计变得可能和容易，从而提高企业市场竞争能力。 7） 虚拟样机是分析对于物理样机来说极其危险的工况的最佳手段，如汽车的碰撞试验，越野车的抗翻倾试验，飞机乘员的安全性试验等。此外，虚拟样机技术还可用于产品的概念设计阶段、设计细化阶段、试验规划阶段以及工作状态再现等的全过程（虚拟样机的建立步骤见图 1.1）。总之，机械系统虚拟样机技术作为进行机械系统样机设计、仿真分析研究复杂机械系统动力学问题的有效手段， 可以帮助产品制造商摆脱对物理样机的过度依赖，对于提高产 品质量、缩短设计开发周期、降低成本都可以起到显著的作用。从产品开
14、发的发展趋势来看，未来的机械产品开发必将是基于虚拟样机技术的开发 4。 而作为虚拟样机分析软件的杰出代表，机械系统动力学自动分析软件ADAMS(Automatic Dynamic AnalysisMechanicaI systems)已经被世界各行业许多主要东 北 大 学 再 教 育 学 院 毕 业 论 文 3 制造商采用，占据了机械系统动态仿真软件 51的市场份额。在汽车设计制造业中，广泛应用于汽车零部件设计与优化、整车性能分析评价与预测、新技术开发以及制造。本文首先在 ADAMS中建立了汽车整车 模型，然后对其进行了制动性能的分析研究。 1.3 本课题研究的主要内容 本课题即是在某汽车的设
15、计阶段，根据整车的结构特征及其性能参数，在ADAMS/CAR 里建立整车模型，根据国家标准及国际标准要求，对该车的制动效能进行了仿真分析和评价，对该车的制动性能进行了优化。 车辆的制动稳定性直接关系到其安全性能，对车辆的操纵控制有重要影响，对车辆的主动安全性亦有否决权。由制动引起的交通事故，在交通事故中占很大的比例。而且制动稳定性实车试验十分危险。对车辆的制动稳定性的研究受到了人们的广泛重视，尤其对制动稳定性的 计算机仿真研究越来越受到关注，已成为车辆制动稳定性理论研究与样车性能预测的重要手段。但制动稳定性本身是一个十分复杂的问题，因此，较为简单的模型只能用于理论的定性分析，很难指导具体的产品
16、设计与开发，产品的设计与开发需要更加精确的模型，适合采用虚拟样机的仿真试验进行研究。 汽车的制动性是指汽车在行驶时能在短距离内停车且维持行驶方向稳定性和在狭长坡时能维持一定车速的能力。汽车制动性主要由以下三个方面来评价： 1）制动效能，即制动距离和制动减速度； 2）制动效能的恒定性，即抗衰退性能； 3）制动时汽车的方向稳定性， 即制动时汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能。 鉴于汽车制动稳定性影响因素的多面性和不可预知性，而该车制动系统建模时左、右车轮施加的是相同的制动力矩，因此不能用于制动稳定性方面的分析。制动效能的恒定性本文也不予讨论 5。本文仅对第一项“制动效能”进行仿真研究， 主
17、要是直线制动性能仿真分析。另外该制动系统模型不含 ABS 功能，仿真时逐渐增大踏板力，待前轮刚发生抱死时停止仿真，考察该车在 ABS 系统产生作用之前的制动效能。 东 北 大 学 再 教 育 学 院 毕 业 论 文 4 2 制动系的主要参数及选择 2.1 制动力与制动力分配系数 汽车制动时，如 果忽略路面对车轮的滚动阻力矩和汽车回转质量的惯性力矩，则任一角速度 0 的车轮，其力矩平衡方程为 : 0 eBf rFT （ 2-1） 式中 Tf 制动器对车轮作用的制动力矩，即制动器的摩擦力矩，其方向与车轮旋转方向相反， Nm； FB 地面作用于车轮上的制动力，即地面与轮胎之间的摩擦力，又称为地面制动
18、力，其方向与汽车行驶方向相反， N； re 车轮有效半径， m。 eff rTF / （ 2-2） 并称之为制动器制动力，它是在轮胎周缘克服制动器摩擦力矩所需的力，因此又称为制动周缘力。 Ff 与地面制动力 FB的方向相反，当车轮角速度 0 时，大小亦相等，且 Ff 仅由制动器结构参数所决定。即 Ff 取决于制动器的结构型式、尺寸、摩擦副的摩擦系数及车轮有效半径等，并与制动踏板力即制动系的液压或气压成正比。当加大踏板力以加大 Tf， Ff 和 FB 均随之增大。但地面制动力受着附着条件的限制， 其值不可能大于附着力 F,即 FB F=Z， FB= F=Z （ 2-3） 式中 轮胎与地面间的附着
19、系数； Z 地面对车轮的法向反力。 当制动器制动力 Ff和地面制动力 FB达到附着力 F值时，车轮即被抱死并在地面 上滑移。 此后制动力矩 Tf即表现为静摩擦力矩，而 Ff= Tf / re即成为与相平衡以阻止车轮再旋转的周缘力的极限值。当制动到 F=0以后，地面制动力 FB达到附着力 F值后就不再增大，而制动器制动力 Ff由于踏板力 Fp的 增大使摩擦力矩 Tf增大而继续上升 。 东 北 大 学 再 教 育 学 院 毕 业 论 文 5 根据汽车制动时的整车受力分析，考虑到制动时的轴荷转移，可求得地面对前、后轴车轮的法向反力 Z1， Z2为： Z1= )gh( g2 dtduLLG （ 2-4
20、） Z2= )ghL( g1 dtduLG （ 2-5）式中 G 汽车所受重力； L 汽车轴距； L1 汽车质心离前轴距离； L2 汽车质心离后轴距离； hg 汽车质 心高度； g 重力加速度； dtdu 汽车制动减速度。 汽车总的地面制动力为 FB= 21 BB FF =gG dtdu=Gq （ 2-6） 式中 q（ q=gdtdu） 制动强度，亦称比减速度或比制动力； FB1， FB2 前后轴车轮的地面制动力。 由以上两式可求得前、后轴车轮附着 力为 F 1= g2g2 hL)hL( qLGLFLG （ 2-7） F 2= g1g1 hL)hL( qLGLFLG （ 2-8） 上式表明：汽
21、车在附着系数 为任意确定值的路面上制动时，各轴附着力即极限制动力并非为常数，而是制动强度 q 或总制动力 FB 的函数。当汽车各车轮制动器的制动力足够时，根据汽车前、后轴的轴荷分 配，前、后车轮制动器制动力的分配、道路附着系数和坡度情况等，制动过程可能出现的情况有三种，即 东 北 大 学 再 教 育 学 院 毕 业 论 文 6 (1)前轮先抱死拖滑，然后后轮再抱死拖滑； (2)后轮先抱死拖滑，然后前轮再抱死拖滑； (3)前、后轮同时抱死拖滑。 在以上三种情况中，显然是最后一种情况的附着条件利用得最好。 由式 (7)、式 (8)不难求得在任何附着系数 的路面上，前、后车轮同时抱死即前、后轴车轮附
22、着力同时被充分利用的条件是 21 ff FF = 21 BB FF = G （ 2-9） 21/ ff FF = 21/ BB FF = g1g2 h/h LL （ 2-10） 式中 Ff1 前轴车轮的制动器制动力， Ff2 后轴车轮的制动器制动力， FB1 前轴车轮的地面制动力； FB2 后轴车轮的地面制动力； Z1， Z2 地面对前、后轴车轮的法向反力； G 汽车重力； L1 ， L2 汽车质心离前、后轴距离； hg 汽车质心高度。 由式 (9)可知，前、后车轮同时抱死时，前、后轮制动器的制动力 Ff1， Ff2是 的函数。 由式 (9)中消去 ，得 Ff2= 12122 2421 fgfg FhGLFGLhLhG（ 2-11） 式中 L 汽车的轴距。 将上式绘成以 Ff1， Ff2为坐标的曲线，即为理想的前、后轮制动器制动力分配曲线 ，简称 I曲线。如果汽车前、后制动器的制动力 Ff1， Ff2能按 I曲线的规律分配，则能保证汽车在任何附着系数 的路面上制动时，都能使前、后车轮同时抱死。然而，目前大多数两轴汽车尤其是货车的前、后制动器制动力之比值为一定值，并以前制动 Ff1与汽车总制动力 Ff之比来表明分配的比例，称为汽车制动器制动力分配系数 ： 21121fffff FF FFF （ 2-12）
