薛 亮，李志高

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

基于剛?cè)狁詈夏Ｐ偷碾p橫臂獨(dú)立懸架仿真分析及優(yōu)化

薛 亮，李志高

（武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

在機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)軟件ADAMS中建立了某轎車雙橫臂獨(dú)立懸架的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，并對其進(jìn)行了雙輪同向激振仿真分析。利用ADAMS/Insight模塊對懸架參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使懸架系統(tǒng)的性能得到了改善。

剛?cè)狁詈希籄DAMS；雙橫臂獨(dú)立懸架；優(yōu)化

懸架系統(tǒng)是汽車重要的組成部分，其性能是影響汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和安全性的重要因素。在汽車行駛中由于路面不平或車輪垂直載荷變化會引起懸架導(dǎo)向桿系的運(yùn)動和變形以及各種橡膠襯套的變形，車輪定位參數(shù)隨之也會發(fā)生變化，從而影響到汽車的操縱穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)的多剛體動力學(xué)分析中，系統(tǒng)的各構(gòu)件為剛體，各運(yùn)動副為剛性連接，因此用多剛體動力學(xué)方法無法準(zhǔn)確分析懸架系統(tǒng)的運(yùn)動特性。柔性多體動力學(xué)的發(fā)展及多體動力學(xué)分析軟件的出現(xiàn)，為復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析提供了可靠的手段，使分析結(jié)果更加符合實(shí)際［1］。

以某轎車雙橫臂獨(dú)立懸架為研究對象，考慮到雙橫臂獨(dú)立懸架的下擺臂在運(yùn)動中受力較大而變形以及橡膠襯套的變形，在ADAMS中建立了雙橫臂獨(dú)立懸架的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，并對懸架進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)特性仿真分析以及優(yōu)化。

1 懸架剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h2>

1.1 雙橫臂獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)樣車雙橫臂獨(dú)立懸架的空間結(jié)構(gòu)，建立了雙橫臂獨(dú)立懸架的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。雙橫臂獨(dú)立懸架是由多節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)的RSSR（R表示旋轉(zhuǎn)副，S表示球面副）結(jié)構(gòu)組成。上、下擺臂均通過旋轉(zhuǎn)副與車架相連，通過球面副與轉(zhuǎn)向節(jié)相連。點(diǎn)A、B為上擺臂前后支點(diǎn)，點(diǎn)C、D為下擺臂前后支點(diǎn)，點(diǎn)F、E為轉(zhuǎn)向節(jié)上下球鉸點(diǎn)，點(diǎn)I為轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸點(diǎn)，點(diǎn)J為轉(zhuǎn)向節(jié)梯形斷開點(diǎn)，點(diǎn)K、L為減震器上下安裝點(diǎn)，點(diǎn)H為車輪中心。

圖1 雙橫臂獨(dú)立懸架空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.2 建立懸架下擺臂柔體模型

從圖1中可知，上擺臂作為導(dǎo)向臂，其受力相對較??；而下擺臂作為承載臂，作用于車輪上各方向力和力矩大部分都是通過下擺臂傳遞到車身，其彈性變形是不能忽略的。因此，在模型中將下擺臂作為柔性體處理。首先根據(jù)樣車下擺臂設(shè)計圖紙，應(yīng)用三維設(shè)計軟件CATIA建立其實(shí)體模型。然后將三維模型導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中，進(jìn)行幾何模型的離散化、材料特性定義等有限元模型處理和計算分析，最后借助于ANSYS軟件提供的ADAMS數(shù)據(jù)接口生成ADAMS/Flex可接受的中性文件（MNF文件）［2］。圖2為該車懸架下擺臂的有限元模型。

圖2 懸架下橫擺臂的有限元模型

1.3 建立剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ?/h3>

首先根據(jù)樣車雙橫臂獨(dú)立懸架中各硬點(diǎn)坐標(biāo)，在ADAMS/Car模塊中建立由懸架子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系子系統(tǒng)組成的雙橫臂獨(dú)立懸架系統(tǒng)剛體模型［3］。在建模過程中做了如下簡化和假設(shè)：懸架中所有零件都剛性體；零件之間的所有連接都簡化為鉸接，內(nèi)部間隙不計；各運(yùn)動副內(nèi)的摩擦力忽略不計。然后將懸架下擺臂柔性體模型導(dǎo)入到雙橫臂獨(dú)立懸架系統(tǒng)剛體模型中替代剛體下擺臂。同時考慮到橡膠襯套的變形對懸架運(yùn)動影響很大，因而在上、下擺臂與車身連接處以及減震器的兩端連接處添加橡膠襯套。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置了減震器的剛度、阻尼以及預(yù)加載荷，最終得到雙橫臂獨(dú)立懸架剛?cè)狁詈夏Ｐ?，如圖3所示。

圖3 雙橫臂獨(dú)立懸架剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

2 懸架運(yùn)動學(xué)仿真分析

在ADAMS/Car中對懸架模型進(jìn)行雙輪同向激振仿真分析，根據(jù)轎車車輪實(shí)際跳動情況，設(shè)置車輪跳動的范圍為±50 mm。然后根據(jù)仿真結(jié)果分析前輪外傾角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪前束的變化規(guī)律。此外車輪的側(cè)滑量也是影響汽車操縱穩(wěn)定性和輪胎磨損的重要因素。為了反映下擺臂的變形以及橡膠襯套的變形對前輪定位參數(shù)和車輪側(cè)滑量的影響，對懸架剛體模型也進(jìn)行了同樣的仿真。仿真結(jié)果對比如圖4所示。虛線為剛體模型仿真結(jié)果，實(shí)線為剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡娼Y(jié)果。

車輪外傾角：為了使汽車具有較好的操縱穩(wěn)定性以及減少輪胎的偏磨損，一般來說，希望在車輪向上運(yùn)動時前輪外傾角往減小的方向變化，而車輪向下運(yùn)動時朝正值方向變化，并且在車輪跳動過程中外傾角的變動盡量小。從圖4a中可以看出，在剛?cè)狁詈夏Ｐ椭熊囕喭鈨A角的變化趨勢滿足設(shè)計要求，其變化范圍為-1.54°～0.91°，稍微偏大。剛體模型中車輪外傾角仿真結(jié)果相比剛?cè)狁詈夏Ｐ驮龃蟆?/p>

主銷后傾角：主銷后傾能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的力矩使車輪自動回正，從而可保證汽車直線行駛的穩(wěn)定性。一般不希望后傾角在車輪上下運(yùn)動過程中出現(xiàn)大的變化，以免在載荷變化時出現(xiàn)回正力矩過大或過小的現(xiàn)象，使操縱性能惡化。另外，要求后傾角具有隨車輪上跳而增加的趨勢，下跳過程中逐漸減小。從圖4b中可以看出，剛?cè)狁詈夏Ｐ椭兄麂N后傾角的變化范圍為3.06°～3.27°，滿足設(shè)計要求。剛體模型主銷后傾角仿真結(jié)果相比剛?cè)狁詈夏Ｐ蜏p小。

主銷內(nèi)傾角：主銷內(nèi)傾角是在汽車低速行駛時起到對輪胎回正的作用。同時，主銷內(nèi)傾角產(chǎn)生的主銷偏移距會減小轉(zhuǎn)向時駕駛員加在方向盤上的力，使轉(zhuǎn)向操縱輕便，所以應(yīng)保證主銷內(nèi)傾角不能太小。另一方面主銷內(nèi)傾角度太大時，不僅會增大輪胎磨損，而且會產(chǎn)生轉(zhuǎn)向時反而費(fèi)力的不良后果。從圖4c中可以看出，剛?cè)狁詈夏Ｐ椭兄麂N內(nèi)傾角的變化范圍為8.58°～11.20°，偏大。剛體模型主銷內(nèi)傾角仿真結(jié)果相比剛?cè)狁詈夏Ｐ蜏p小。

前輪前束角：前輪前束的作用是為了避免由車輪外傾角產(chǎn)生的圓錐滾動效應(yīng)帶來的不良后果。理想的前輪前束變化是前輪上跳時呈弱負(fù)前束變化，同時車輪下落過程中，前輪前束角變化盡量小［4］。從圖4d中可以看出，剛?cè)狁詈夏Ｐ椭星拜喦笆堑淖兓秶鸀?1.35°～1.96°，偏大。剛體模型中前輪前束角仿真結(jié)果相比剛?cè)狁詈夏Ｐ蜕晕⒃龃蟆?/p>

圖4 各參數(shù)隨車輪跳動變化曲線圖

車輪側(cè)滑量：車輪的側(cè)滑量一方面影響汽車的操縱穩(wěn)定性，另一方面由于輪胎的橫向滑移，導(dǎo)致輪胎的磨損而降低了輪胎的使用壽命。所以要求在輪跳過程中輪距的變化盡量小。從圖4e中可以看出，剛?cè)狁詈夏Ｐ椭熊囕喸谏咸^程中最大側(cè)移量為-0.88 mm，在下跳過程中最大側(cè)移量為8.31 mm，側(cè)滑量過大將導(dǎo)致行駛時輪胎磨損嚴(yán)重。剛體模型前輪側(cè)移量仿真結(jié)果和剛?cè)狁詈夏Ｐ突鞠嗤?/p>

3 優(yōu)化設(shè)計

在ADAMS/Insight模塊中，將雙橫臂懸架的下擺臂前支點(diǎn)（lca_front）、后支點(diǎn)（lca_rear）、下擺臂球頭銷 （lca_outer）、轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)支點(diǎn)（tierod_inner）、外支點(diǎn) （tierod_outer）、上擺臂前支點(diǎn)（uca_front）、后支點(diǎn) （uca_rear）、上擺臂球頭銷（uca_outer）等8個硬點(diǎn)的24個坐標(biāo)值作為設(shè)計變量，并設(shè)置每個坐標(biāo)值的變動范圍在-5～5 mm之間。將車輪外傾角、前輪前束角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角及輪胎側(cè)滑量作為優(yōu)化目標(biāo)。然后對設(shè)計變量進(jìn)行靈敏度分析，得到上述8個硬點(diǎn)的坐標(biāo)在前輪跳動過程中對車輪外傾角、前輪前束角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角和輪胎滑移量的影響情況。［5］

為了避免對懸架結(jié)構(gòu)進(jìn)行過大的改動，通過對硬點(diǎn)坐標(biāo)對定位參數(shù)和輪胎滑移量的影響程度以及懸架運(yùn)動學(xué)仿真分析結(jié)果進(jìn)行綜合分析，最終只選取 lca_front.z、lca_rear.z、lca_outer.x、lca_outer.z、tierod_inner.z、tierod_outer.z、uca_front.z、uca_rear.z、uca_outer.x、uca_outer.z這10個坐標(biāo)值作為優(yōu)化變量對優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。表1為優(yōu)化前后懸架的硬點(diǎn)坐標(biāo)。

表1 懸架優(yōu)化前后硬點(diǎn)坐標(biāo)

調(diào)整硬點(diǎn)坐標(biāo)后，再進(jìn)行仿真分析，可得到優(yōu)化前后車輪外傾角、前輪前束角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角和輪胎滑移量的仿真曲線對比圖，如圖5所示。虛線為優(yōu)化前的曲線，實(shí)線為優(yōu)化后的曲線。

通過懸架優(yōu)化前后仿真結(jié)果對比分析可知：在車輪上下跳動50 mm過程中，車輪外傾角的變化范圍優(yōu)化后由-1.54°～0.91°減小到了-1.25°～0.62°，變化范圍縮小了23.7%；主銷后傾角優(yōu)化后變小了，其變化范圍仍然保持在較小的范圍內(nèi)；主銷內(nèi)傾角的變化范圍優(yōu)化后由8.58°～11.20°減小到了9.03°～10.95°，變化范圍縮小了26.7%；前輪前束角的變化范圍優(yōu)化后由-1.35°～1.96°減小到了-0.48°～0.99°，變化范圍縮小了55.6%；車輪側(cè)滑量也由原來的9.19 mm減小到8.23 mm，減少了10.5%。優(yōu)化后懸架的運(yùn)動學(xué)特性更加合理，同時輪胎的磨損情況也得到了一定的改善。

圖5 優(yōu)化前后仿真曲線對比圖

4 結(jié) 語

通過運(yùn)用ADAMS軟件，結(jié)合有限元分析軟件ANSYS建立了雙橫臂獨(dú)立懸架剛?cè)狁詈夏Ｐ?，使仿真結(jié)果更加接近于實(shí)際情況。然后使用ADAMS/ Insight模塊對懸架的車輪外傾角、前輪前束角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角及輪胎側(cè)滑量進(jìn)行優(yōu)化，讓懸架的運(yùn)動學(xué)性能得到了改善，為生產(chǎn)設(shè)計中懸架性能的改進(jìn)提供了參考。

［1］何通俊，紀(jì)玉國.基于剛-柔耦合多柔體動力學(xué)的懸架系統(tǒng)分析及優(yōu)化 ［J］.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2009（6）：45-47.

［2］陳曉霞.ANSYS 7.0高級分析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］陳 軍.MSC.ADAMS技術(shù)與工程分析實(shí)例［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［4］于海峰，于學(xué)兵.基于ADAMS的雙橫臂獨(dú)立懸架優(yōu)化仿真分析［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2007（10）：56-58.

［5］高 晉.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的懸架K&C特性及其對整車影響的研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2010.

Simulation Analysis and Optimization of Double Wishbone Independent Suspension Based on Rigid-flexible Coupling Model

Xue Liang，Li Zhigao
(School of Automobile Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

Using simulation software ADAMS，a rigid-flexible coupling model for the doublewishbone independent suspension was set up.And the simulation of Parallel Wheel Travel was carried out.Through optimizing the parameters of the suspension in ADAMS/Insight module，the performance of the suspension system was improved.

rigid-flexible coupling；ADAMS；double-wishbone independent suspension；optimization

U461.1

A

1008-5483（2010）04-0009-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2010.04.003

2010-09-29

薛 亮（1985-），男，湖北宜昌人，碩士生，從事汽車動力學(xué)方面的研究。