基于ADAMS 的钢板弹簧动力学建模方法及性能仿真* 韩翔
（徐州工程学院机电学院，徐州221008）
Dynamics modeling and simulation of leaf spring based on ADAMS
HAN Xiang
（Department of Mechanical Engineering and Electronics ，Xuzhou Institute of Technology ，Xuzhou 221008，China ）
文章编号：1001-3997（2009）10-0220-03
【摘要】应用离散BEAM 梁法完成钢板弹簧在ADAMS/CHASSIS 中的动力学建模，并在ADAMS/
VIEW 下实现性能仿真，为在VIEW 下灵活实现车辆仿真分析奠定了基础。
关键词：钢板弹簧；仿真；ADAMS/CHASSIS ；ADAMS/VIEW
【Abstract 】By applying the principle of discrete beam the dynamics model of leaf spring was estab －lished under the enviroment of ADAMS/CHASSIS ，and simulation was accomplied based on ADAMS/VIEW .Thus laid foundation to carried out vehicle simulation.
Key words ：Leaf spring ；Simulation ；ADAMS/CHASSIS ；ADAMS/VIEW
中图分类号：TH12，U463文献标识码：A
＊来稿日期：2008-12-01
＊基金项目：徐州市工业科技计划项目（X20060089）
钢板弹簧是工程车辆、三轮车等农用运输车辆悬架系统中的
弹性元件，同时又是传递纵向、侧向力的传力元件。实际工作中，钢板弹簧同时存在大变形、预应力和各叶片间的接触摩擦等多种非线性响应，因此，对车辆的平顺性和乘坐舒适性有着至关重要的影响。
随着市场对车辆产品设计制造快速多变，同时又要保证性能的要求，基于多体动力学的虚拟样机仿真技术在本行业得到广泛的应用。
而正确合理地建立钢板弹簧模型是车辆性能仿真重要的环节。基于目前应用较为广泛的机械多体动力学仿真软件ADAMS 对钢板弹簧的动力学建模方法及性能仿真进行探讨。 1ADAMS 中的钢板弹簧动力学建模方法
在ADAMS 中，有三个模块可以用来建立钢板弹簧，分别是ADMASC/AR 、ADMAS/CHASSIS 和ADMAS/VIWE 。对于典型的车辆分析，推荐使用前两者，对于后者，适用于建立普通的多刚体机械系统。需要注意的是，
尽管三者都可建立柔性体，但建立的原理和方法不相同，故建立的柔性体钢板弹簧很难在三者之间任意转换。
1.1建立钢板弹簧的模型
利用ANSYS 、NASTRAN 等有限元软件建立钢板弹簧的模型并通过ANSYS 与ADAMS/Flex 的接口，在ADAMS/VIEW 或CAR 中建立基于模态中性文件（MNF ）的钢板弹簧柔性体模型。
1.2ADMAS/VIWE 模块
该软件的原理实际是BEAM 梁法，也是将钢板弹簧的各片分成若干块，将各块之间用无质量的BEAM
梁（铁木辛柯理论）连接起来。对于钢板弹簧之间的接触用ADMAS 中提供的接触力来定义。不过，在新版本中此模块已取消。
1.3系统自带插件AutFolex/LeafsPring 建立钢板弹簧
利用该插件，可以直接建立多达30片的钢板弹簧模板，包含了所有车辆整车建模与动力学仿真必须的无质量部件和通信信使。
1.4ADMAS/CHASSIS 模块建立钢板弹簧的方法
1.4.1SAE 三段梁法
这是一种简化的板簧模型，是美国汽车工程学会于60年代提出的对板簧运动的近似算法在ADAMS 中的应用，它将板簧看成中间的刚性杆（U 型螺栓固定）和两侧的简支梁构成，主要特性参数是板簧的径向扭转刚度、侧向弯曲刚度梁和垂直弯曲刚度。在这个模型中梁的几何形状可定义为直线或样条线。 中国兰寿网1.4.2离散BEAM 梁法
这种方法的主要思想就是将每片钢板弹簧分成多个小块，每一小块均视为一个刚体，但块与块之间用
无质量的BEAM 柔性梁来连接，BEAM 梁的刚度、阻尼矩阵由ADAMS 软件根据钢板弹簧的截面形状及材质自动计算得出。各片钢板弹簧之间的接触力用ADAMS 中提供的接触力来定义。BEAM 梁法可以有效降低整个虚拟车辆的自由度，减少计算量。
综上所述，在ADMAS 中建立钢板弹簧柔性体模型共有5种方法。一般情况下，基于模态中性文件（MNF ）的钢板弹簧柔性体模型最能反映钢板弹簧的实际动力学特性，能提高车辆操纵稳定性的仿真精度。但是该方法建模方法及过程较复杂。在综合考虑建模精度和计算强度的情况下，将研究用ADAMS/CHASSIS 中的BEAM 梁法创建钢板弹簧动力学模型的方法。
2钢板弹簧的结构特点
钢板弹簧也称叶片弹簧，一般是由很多曲率半径不同、长度不等、宽度一样、厚度相等或不等的弹簧钢板所叠成，在整体刚度上近似等强度的弹性梁。弹簧的中部通过U 形螺栓（骑马螺栓）和压板与车桥刚性固定，其两端用销子铰接在车架的支架和吊耳上。
3ADAMS/CHASSIS 钢板弹簧动力学建模
在ADAMS/CHASSIS 中并没有专门的基于BEAM 梁法的钢板弹簧建模插件，但是它提供了一个基于BEAM 梁法的创建钢板
Machinery Design ＆Manufacture
机械设计与制造
第10期2009年10月
220
弹簧的实例，通过对该实例的修改可生成适合自己需要的模型。
3.1ADAMS/CHASSIS的设置
3.1.1指定当前工作目录和临时文件目录
选择命令Edit→Preferences，打开Preferences Editor窗口，分别指定当前工作目录和临时文件目录。
3.1.2加载实例车辆数据库文件和系统文件
（1）拷贝实例车辆数据库文件到当前工作文件夹
选择菜单Utilities→Database Utilities，打开Database Utilities 窗口，单击Copy Dadabase按钮，选择安装目录下的big_truck.vdb 文件，单击Copy Database to Working Directory按钮即可。
（2）注册数据库文件
选择命令Edit→Preferences，在Preferences Editor窗口内单击Add New按钮，选择big_truck.vdb文件，然后保存即可。
（3）选择车辆系统文件
单击工具栏内Load Model按钮，在打开的Select File窗口内选择big_truck，最后选择big_truck_l并打开。
3.2打开钢板弹簧实例文件
3.2.1拷贝实例文件example.ltf至工作目录下
将位于安装目录…examples\example.ltf文件拷贝至工作目录…big_truck\springs.tbl文件夹下。
3.2.2编辑、修改example.ltf文件
（1）选择菜单命令Utilities→Leaf Spring Editor。仪礼注疏
（2）打开example.ltf文件，即可修改。
3.3钢板弹簧模型的相关参数设置方法
下面以轮心作为基准点，对板簧模型的相关参数进行设置。需要定义的板簧总体设计参数有：板数、片间的摩擦系数、垂向弹性力impact的指数e、板簧轮廓线的插值阶次。车轴的定义参数，如图1所示。具体有：U型螺栓及垫片等装配附件的质量、钢板弹簧与车桥连接方式、板簧总成与车轴中心线的距离+Z、板簧前后因U型螺栓夹持所产生的非有效长度、设计载荷下的车桥（轮心）高度。
图1上置式钢板弹簧车轴位置的定义
对板簧卡箍的定义，如图2所示。卡箍到中心螺栓的距离1、分别指定与卡箍底部2、顶部3接触的弹簧叶片序号、卡箍内壁高4、卡箍内壁宽6，对于夹有缓冲材料的卡箍，还可给定其缓冲材料层的垂直厚度5和水平厚度7。此外，ADAMS板簧工具箱中还提供了对吊耳式板簧的吊耳定位尺寸、几何尺寸及轴套力学性能等相关参数的设置。
在定义第i片簧时，需指出该是否用作为副簧，并对前（i-1）片簧的厚度与相互间间隙之和Z、前、后部分的长度、组成各的离散体数量、各片在中心螺栓处的截面厚度与宽度、弹性模量E、剪切模量G及材料密度ρ（材料为SUP9，故取钢的密度）、剪切修正系数ASY和ASZ、阻尼比（阻尼矩阵与刚度矩阵之比值）、间接触点的数目（越多则仿真时间越长，这里取2）等参数进行设置。
此外定义第i片簧时还须给出描述轮廓形状的X坐标、Z坐标及对应截面处的厚度（等截面板簧，故厚度相等，均取为8mm）。具体坐标值是通过matlab编程计算得到。
图2钢板弹簧卡箍的定义
3.4运行钢板弹簧程序
板簧参数设置完毕后，单击GO按钮运行程序，系统计算完毕后，工作目录下自动生成可导入ADAMS/VIEW模块的钢板弹簧. adm文件至此，完整的钢板弹簧动力学模型完全建立。将建好的模型导入View模块后，根据研究需要可通过ADAMS的建模工具对钢板弹簧作部分修改，如删除模型中吊耳、轴套等研究中不具备的特征，同时可将原模型中的板簧中间刚性部分的衬套连接改为刚性的固定副连接等，最终建立好的离散梁单元板簧模型，如图3所示。
图3钢板弹簧动力学模型
4钢板弹簧的性能仿真
对钢板弹簧柔性体设置好后即可进行仿真。在板簧末片中部位置施加一个向上的（0～8000）N范围内变化的动载荷，板簧模型变形情况，如图4所示。板簧模型末片中部上的标记点的载荷位置曲线，如图5所示。
图4钢板弹簧模型的变形情况
图5板簧载荷—位置曲线
第10期韩翔：基于ADAMS 的钢板弹簧动力学建模方法及性能仿真221
韩永杰郝伟董辛旻
低碳世界期刊（郑州大学振动工程研究所，郑州450001）
Research of fault diagnosis of gears based on EMD and SPMiec标准
HAN Yong-jie ，HAO Wei ，DONG Xin-min
（Research Institute of Vibration Engineering ，Zhengzhou University ，Zhengzhou 450001，China ）
文章编号：1001-3997（2009）10-0222-03
【摘
要】介绍了冲击脉冲法的基本原理，采用基于经验模态分解的冲击脉冲法，信号带通滤波后，
进一步采用经验模态分解方法自适应滤波提取故障齿轮振动信号中的调制信息，最后应用Hilbert 变换解析出故障频率。仿真信号和实验验证结果表明，与仅仅采用冲击脉冲法比较，该方法更能突出故障频率成分，避免误诊断。
关键词：齿轮；经验模态分解；冲击脉冲法；故障诊断
【Abstract 】The basic principle of SPM （shock pulse method ）was introduced as well as the method based on EMD （empirical mode decomposition ）and SPM was used.After the vibration signal of gears was filtered by band-pass filter ，the EMD method was introduced to self-adapting filter the signal and to ex －
tract the modulated information.At last ，the fault frequency was extracted by Hilbert transform.Simulation and experiment showed that ，compared with the method of SPM ，this method could make fault frequency clearer and avoid misdiagnosing.
paa
Key words ：Gears ；EMD ；SPM ；Fault diagnosis
中图分类号：TH12文献标识码：A复方苯甲酸膏
1前言
齿轮箱具有传动比固定、传动转矩大、结构紧凑等优点，是机械系统的重要部件，故障发生率也较高，因而对其进行故障诊断和监测十分重要。齿轮在运转过程中，由于疲劳等原因往往产生局部剥落的现象。当齿轮表面上产生剥落和裂纹等局部缺陷时，随着齿轮的旋转，啮合的两个轮齿不平表面相互接触时，就产生激振力，这个激振力是冲击性的，它使齿轮的振动系统励振，每逢冲击时就产生振动通常称为冲击脉冲。由于冲击脉冲的存在，因此冲击脉冲诊断方法在齿轮故障诊断中得到广泛应用。
齿轮故障诊断的关键是怎样从齿轮故障振动信号中提取故障特征，传统的信号时域、频域分析方法为齿轮故障诊断已经打下了坚实的基础，解决了很多的实际问题。为了进一步提高齿轮故障诊断的准确性和快速性，新的技术不断应用于齿轮的故障诊断，包括短时傅立叶分析，小波分析等，但这些方法又都有各自的局限性。
EMD 是一种自适应的信号处理方法，被认为是近年来对以
傅立叶变换为基础的线性、稳态频谱分析的一个重大突破，主要用于非线性、
非平稳信号的分析。目前，EMD 方法已经成功地应用于很多领域的研究，取得了很好的效果。而齿轮信号也具有非线性、
非平稳性的特征。因此利用EMD 和冲击脉冲相结合的方法对齿轮的故障进行诊断，从故障齿轮信号中成功出齿轮的故障
特征，从而成功的诊断齿轮故障类型。
2冲击脉冲的基本原理
冲击脉冲法（SPM ，即Shock Pulse Method ），是由瑞典SPM 公司在上世纪70年代最先提出的一套系统监测方法，开始专门用于滚动轴承多种失效的诊断，尤其对疲劳、磨损、润滑不良等失效的诊断准确率相当高，是滚动轴承失效诊断的主要方法，后来在齿轮的诊断中也得到广泛应用。
冲击脉冲的特点是：持续时间很短，很快衰减，频率较高，其能量可在广阔的频率范围内发散；冲击脉冲由于衰减很快，累积的能量很小。
根据载荷位置曲线可以计算板簧的变形量及相应的载荷大
小，所以通过仿真结果，能比较清楚了解钢板弹簧的特性情况。这样在样品试制出来以前，就可较准确地模拟板簧特性的台架试验，在设计阶段就可预测其力学性能，方便地进行设计修改。
参考文献
1郑银环，张仲甫.汽车钢板弹簧多柔体建模及仿真研究［J ］.湖北工业大学学报，2007，22（4）
2王其东，方锡邦，卢剑伟等.汽车钢板弹簧多体动力学建模及动特性仿真研究［J ］.合肥工业大学学报（自然科学版），1999，22（6）
3Mechanical Dynamics Incorporation.Getting Started Using ADAMS/Chassis ［Z ］，2005
4李增刚.ADAMS 入门详解与实例［M ］.北京：国防工业出版社，20075Bittencourt E ，Creus GJ ．Finite element analysis of three-dimensional contact and impact in large deformation problems ［J ］.Comput Struct ，1998（69）：219～234
＊来稿日期：2008-12-05
＊基金项目：国家自然科学基金资助项目（50675209），河南省杰出人才创新基金（0621000500）
00000000000000000000000000000000000000000
Machinery Design ＆Manufacture
机械设计与制造
第10期2009年10月
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