童寧娟，肖云娜，惠鵬，王鋒剛

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

基于ADAMS的麥弗遜懸架的動力學(xué)仿真和優(yōu)化

童寧娟，肖云娜，惠鵬，王鋒剛

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

本文以多剛體系統(tǒng)動力學(xué)為理論基礎(chǔ)，應(yīng)用多體運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)仿真軟件ADAMS 中的Car專業(yè)模塊建立了麥弗遜懸架多剛體模型。在對該懸架模型進(jìn)行了兩側(cè)車輪同向跳動的仿真分析后, 研究了前束角(Toe Angle)、車輪外傾角(Camber Angle)、主銷后傾角(Caster Angle)、主銷內(nèi)傾角(Kingpin Inclination Angle)及車輪轉(zhuǎn)向角（Steer Angle）五個懸架運(yùn)動特性參數(shù)，同時研究了這五個運(yùn)動特性參數(shù)對汽車的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性、直線行駛的穩(wěn)定性、操縱穩(wěn)定性等眾多性能的影響。此外，以改善懸架的性能為目標(biāo)，從ADAMS/Car模塊中導(dǎo)入ADAMS／Insight模塊，對麥弗遜懸架五個運(yùn)動特性參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。最后，對優(yōu)化前后的懸架運(yùn)動特性參數(shù)曲線進(jìn)行了比較，并從比較中得到較好的運(yùn)動特性參數(shù)，從而對懸架進(jìn)行了優(yōu)化。

ADAMS；麥弗遜懸架；多體系統(tǒng)動力學(xué)；仿真與優(yōu)化

CLC NO.:U461.1Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)11-35-05

引言

由于汽車懸架系統(tǒng)對整車行駛動力學(xué)(如操縱穩(wěn)定性、行駛平順性、舒適性等) 及零部件的壽命有很大的影響，因此，懸架的動力學(xué)仿真分析在汽車懸架系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)中占有很重要的地位。

本論文就是應(yīng)用ADAMS這一世界上應(yīng)用最為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件，對麥弗遜懸架的動力學(xué)特性進(jìn)行仿真，并且通過對前束角(Toe Angle)、車輪外傾角(Camber Angle)、主銷后傾角(Caster Angle)、主銷內(nèi)傾角(Kingpin Inclination Angle) 及車輪轉(zhuǎn)向角（Steer Angle）這五個運(yùn)動特性參數(shù)的研究，運(yùn)用ADAMS／Insight模塊進(jìn)行虛擬試驗，得出了影響這五個運(yùn)動特性參數(shù)的懸架模型的主要硬點(diǎn)，并且對其進(jìn)行了修改，達(dá)到了優(yōu)化麥弗遜懸架的目的。

1、建立模型及仿真分析

1.1 模型分析

麥弗遜懸架左右對稱于汽車縱向平面，由下擺臂、轉(zhuǎn)向

節(jié)總成(包括減震器下體、輪轂軸、制動底板等)、轉(zhuǎn)向橫拉桿、減震器上體、轉(zhuǎn)向器齒條，車輪總成及車身組成。各剛體之問的連接關(guān)系如下：減震器上端與車身的連接因為只有3個自由度，故簡化為球鉸A，轉(zhuǎn)向節(jié)總成與減震器上體用圓柱鉸B約束，只能沿軸線移動和轉(zhuǎn)動，下擺臂一端通過轉(zhuǎn)動鉸F和G與車身相連(其中一個為虛約束)，另一端通過球鉸E與轉(zhuǎn)向節(jié)總成相連，轉(zhuǎn)向橫拉桿一端通過球鉸c與轉(zhuǎn)向節(jié)總成相連，另一端通過球鉸H與轉(zhuǎn)向齒條相連，運(yùn)動分析時，轉(zhuǎn)向齒條通過固定副I與車身相連，車輪總成和轉(zhuǎn)向節(jié)總成也通過固定副D相連，車身相對地面不動 。由于運(yùn)動學(xué)無需考慮受力問題，因此不考慮減震器的阻尼和彈簧的剛度。建成的麥弗遜前懸架模型如圖 2.2所示：

1.2 確定懸架運(yùn)動特性參數(shù)

雖然麥弗遜式獨(dú)立懸架具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等眾多優(yōu)點(diǎn)，但是由于主銷軸線位于減震器上支點(diǎn)和下擺臂外支點(diǎn)的連線上。因此，當(dāng)懸架變形時，主銷軸線也隨之改變，車輪的定位參數(shù)前束角(Toe Angle)、車輪外傾角(Camber Angle)、主銷后傾角(Caster Angle)、主銷內(nèi)傾角(Kingpin Inclination Angle) 及車輪轉(zhuǎn)向角（Steer Angle）也都會相應(yīng)改變，且變化量可能很大，從而會導(dǎo)致車輪嚴(yán)重的磨損，出現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向或過度轉(zhuǎn)向，并且可能使汽車的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性以及直線行駛的穩(wěn)定性變差。

因此，對麥弗遜懸架進(jìn)行優(yōu)化，就必須使以上五個運(yùn)動特性參數(shù)在懸架變形的時候，其變化量盡可能減小。

1.3 仿真分析

本文針對兩側(cè)車輪同向跳動進(jìn)行動力學(xué)仿真分析。在本次仿真分析中，將建立一個虛擬激振臺，設(shè)置上下激振位移為50ram，得到懸架左右車輪同步上下跳動過程中主要性能參數(shù)的變化規(guī)律。仿真步數(shù)設(shè)為100步，車輪跳動行程為-50～50mm。進(jìn)行仿真后，可以得到各種特性參數(shù)仿真曲線：

(1)外傾角

由圖2.3可以看出外傾角變化曲線, 變化范圍為- 1.69°～0.325°/50mm。為防止車輪出現(xiàn)過大的不足轉(zhuǎn)向或過度轉(zhuǎn)向趨勢, 一般希望車輪從滿載位置起上下跳動40mm 的范圍內(nèi),車輪外傾角變化在1 度左右。故此懸架模型需要優(yōu)化，使得外傾角特性盡量接近期望值。

(2)前束角

前束角變化的較理想特性值為：前輪上跳時，為0～0.5 °/50mm，圖2.4中前輪上跳時的變化范圍為-1.2°～2.0° /50mm，不滿足設(shè)計要求，有待優(yōu)化。

(3)主銷后傾角

一般認(rèn)為合理的主銷后傾角為2°～3°。圖2.5 中，主銷后傾角變化曲線，變化范圍在5.4°附近，過大，需要優(yōu)化。

(4)主銷內(nèi)傾角

圖2.6中的主銷內(nèi)傾角變化范圍為9°～11.3°，偏大。為了減小轉(zhuǎn)向時車輪與地面的滑動，減緩輪胎磨損，主銷內(nèi)傾角的變化范圍有待優(yōu)化。

（5）車輪跳動產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向角

由于車輪跳動產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向角影響汽車的操縱穩(wěn)定性,而且會加劇輪胎的磨損，所以一般要求將該轉(zhuǎn)角控制在一個較小的范圍內(nèi)。

車輪跳動產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向角：圖2.7 為轉(zhuǎn)角變化曲線，左、右車輪變化相反。

2、運(yùn)行試驗及懸架優(yōu)化

2.1 運(yùn)行試驗

（1）首先，在ADAMS／Car模塊中建立麥弗遜懸架總成，并且進(jìn)行兩側(cè)車輪同向跳動的仿真，步數(shù)仍然為100，車輪上下跳動行程仍為50mm。建立麥弗遜懸架總成如圖3.1：

（2）在ADAMS／Car中導(dǎo)入MSC.ADAMS/Insight 模塊,運(yùn)行實驗，對車輪定位參數(shù)中的某項或是多項進(jìn)行優(yōu)化,使定位參數(shù)達(dá)到一個理想值。通過試驗，對麥弗遜懸架的下?lián)u臂前點(diǎn)( lca_front) 、后點(diǎn)( lca_ rear) , 轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)點(diǎn)( tierod_inner) 、外點(diǎn)( tierod _outer) , 下?lián)u臂球頭銷( lca_outer) 等五個硬點(diǎn)的15 個坐標(biāo)值( 每個點(diǎn)有X、Y、Z三個方向坐標(biāo)) 進(jìn)行分析,并且得出這些硬點(diǎn)的坐標(biāo)值分別對不同的懸架運(yùn)動特性參數(shù)是否有影響以及影響程度如何。設(shè)定每個坐標(biāo)值的變動范圍在- 20mm～20mm 之間。

（3）運(yùn)行試驗，仿真結(jié)束后，返回ADAMS/Insight查看結(jié)果。

（4）擬合結(jié)果，并選擇統(tǒng)計特性評價擬合結(jié)果。

（5）響應(yīng)值的獲得。把擬合結(jié)果發(fā)布為HTML,用IE瀏覽器打開，可以改變設(shè)計因素的值，得到當(dāng)前的響應(yīng)值。

在多次試驗之后，得出各硬點(diǎn)對各個不同懸架特性參數(shù)的影響，列出影響較明顯的硬點(diǎn)如表3.1所示。

我們可以根據(jù)前面對擬合結(jié)果進(jìn)行分析后得出的規(guī)律，對各個特性參數(shù)影響較明顯的硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。即：影響量Effect%為正時，減小坐標(biāo)數(shù)值，影響量Effect%為負(fù)時，增大相應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)值。當(dāng)某一個坐標(biāo)對兩個以上的特性參數(shù)有影響，并且影響趨勢相反時，則看對哪個特性參數(shù)的影響更大，則按對哪個特性參數(shù)的趨勢進(jìn)行調(diào)整。

表3.1 硬點(diǎn)參數(shù)與懸架參數(shù)關(guān)系

2.2 優(yōu)化懸架

根據(jù)表3.1可以比較出影響比較的大的一些參數(shù)，并對

它們進(jìn)行調(diào)整如下表3.2所示。

按照表3.2調(diào)整這些硬點(diǎn)參數(shù)后，便得到了優(yōu)化后的懸架硬點(diǎn)值，從而得到修改后的模型，并對此模型進(jìn)行仿真分析，可以得到優(yōu)化后的特性曲線與原來的特性曲線的對比圖（具體將在3.3節(jié)中詳細(xì)分析）。

表3.2 硬點(diǎn)參數(shù)改動表

2.3 優(yōu)化后懸架性能的改善

（1）車輪外傾角優(yōu)化前后對比。

從圖3.2可以看出，優(yōu)化后車輪外傾角的變化范圍是-1．1°～-0．38°/50mm，比優(yōu)化前的范圍- 1.69°～0.325°/50mm要小。表明懸架性能得到改善。

(2)車輪前束角優(yōu)化前后對比。

如圖3.3所示，優(yōu)化前，前束角的變化為-1.4°～2.2°/50mm，而優(yōu)化后的變化范圍大約為0°～1°/50mm，已經(jīng)得到改善。

（3）主銷后傾角優(yōu)化前后對比。

從圖3.4中得出，優(yōu)化前主銷后傾角在5.5°附近，而優(yōu)化后，主銷后傾角的變化范圍在3°左右，大大小于優(yōu)化前的變化范圍，而且基本滿足主銷后傾角要求在2°～3°的設(shè)計要求。

（4）主銷內(nèi)傾角優(yōu)化前后對比。

從圖3.5中看出，優(yōu)化前，主銷內(nèi)傾角的范圍在9°～11.3°,而優(yōu)化后范圍為7.6°～8.25°,平均值比原先小了2°左右，這將減小轉(zhuǎn)向時車輪與地面的滑動，減緩輪胎磨損。

（5）車輪跳動產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向角優(yōu)化前后對比。

一般要求將車輪跳動產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向角控制在一定的范圍內(nèi)，否則不僅影響汽車的操縱穩(wěn)定性，而且會加劇輪胎的磨損。優(yōu)化前的轉(zhuǎn)向角范圍偏大。從圖3.6中可以看出優(yōu)化后轉(zhuǎn)向角范圍比優(yōu)化前明顯減小，所以車輪跳動產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向角得到了改善，從而提高了汽車的操縱穩(wěn)定性，減小了輪胎的磨損。

從以上優(yōu)化結(jié)果可以看出，優(yōu)化時選擇的8個坐標(biāo)點(diǎn)的改變，使得車輪的四個定位參數(shù)及車輪跳動產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向角得到了不同程度的改善，懸架性能得到了優(yōu)化。

3、結(jié)束語

本文通過應(yīng)用ADAMS軟件對麥弗遜懸架進(jìn)行了動力學(xué)仿真和優(yōu)化，解決了車輪跳動過程中各定位參數(shù)變化過大及不符合設(shè)計要求范圍等問題,使得輪胎磨損、不足轉(zhuǎn)向或過度轉(zhuǎn)向等問題得到了改觀，提高了車輛直線行駛的穩(wěn)定性。同時也說明了下?lián)u臂（后點(diǎn)lca_rear）對車輪外傾角有較明顯影響；轉(zhuǎn)向橫拉桿（內(nèi)點(diǎn)tierod_inner）對前輪前束角有較大影響；下?lián)u臂球頭銷( lca_ outer)對主銷后傾角和前束角以及主銷內(nèi)傾角都有較明顯影響。在開發(fā)新車或在原來已有的車型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計時，在實際樣件、樣車制造出來之前，完全可以利用ADAMS／CAR提供的動態(tài)仿真環(huán)境，對懸架甚至整車的一些主要性能進(jìn)行事先預(yù)測、評估，這樣可以大大地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

[1] 陳家瑞．汽車構(gòu)造(下冊)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000，167-246.

[2] 饒劍. 基于ADAMS 的懸架系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析與優(yōu)化設(shè)計：[D]．武漢：武漢理工大學(xué)汽車學(xué)院，2005，1-11.

[3] 喬明俠．基于多體動力學(xué)的汽車平順性仿真分析及懸架參數(shù)優(yōu)化：[D]．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2005，1-5.

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Dynamic Simulation and Optimization of McPherson Suspension based on ADAMS

Tong Ningjuan, Xiao Yunna, Hui Peng, Wang Fenggang
（Shaanxi Handeaxle Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710201）

This paper is based on Multi-rigid Body System dynamics and establish a Multi-rigid Body model of McPherson Suspension with ADAMS/Car. Study five kinematic parameters of suspension including Toe Angle,Camber Angle, Caster Angle,Kingpin Inclination Angle, Steer Angle after simulating and analysing the suspension model whose two wheels bump and rebound to the same direction.Besides,in order to improve the performaces of the suspension,the five kinematic parameters are optimized with ADAMS/Insight from ADAMS/Car.Finally, compare the optimized curves of kinematic parameters with the original curves to gain better kinematic parameters.Then suspension has been optimized.

ADAMS; McPherson Suspension; Multi-rigid Body System Dynamics; Simulation and Optimization

U461.1

A

1671-7988(2014)11-35-05

童寧娟，就職于陜西漢德車橋有限公司。