耿強

摘要：近些年來，汽車行業(yè)的迅速發(fā)展推動了汽車技術的不斷完善，促使汽車的舒適性和操穩(wěn)性能也在不斷提高，不斷滿足人們對于汽車性能的要求。而懸架的可靠性對汽車的操穩(wěn)性和乘坐舒適性有著決定性的影響，因而對懸架系統(tǒng)進行分析及優(yōu)化來提高其可靠性至關重要。麥弗遜式獨立懸架具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等眾多優(yōu)點，但是由于主銷軸線位于減震器上支點和下擺臂外支點的連線上，因此當懸架變形時，主銷軸線也隨之改變，車輪定位參數(shù)和輪距也都會相應改變，且變化量可能很大，從而會導致車輪嚴重的磨損。基于此，本文主要對基于ADAMS的麥弗遜前懸架優(yōu)化進行分析探討。

關鍵詞：基于ADAMS；麥弗遜；前懸架；優(yōu)化研究

前言

機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件ADAMSAutomatic Dynamic Analysisof Mechanical System中的Car專業(yè)模塊是MSC與AudiBMWRenault和Volvo等公司合作開發(fā)的整車設計軟件包整合了他們在汽車設計開發(fā)方面的經(jīng)驗能夠幫助工程師快速建造高精度的包括車身懸架系統(tǒng)傳動系統(tǒng)引擎轉(zhuǎn)向機構(gòu)制動系統(tǒng)等子系統(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使用戶可以更精確地對設計進行量化研究應用ADAMS/Insight我們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。

1、建立模型

1.1模型分析

根據(jù)實際懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)抽象出如圖1所示的前左懸架系統(tǒng)分析模型，懸架右側(cè)和左側(cè)對稱。由于Car建立模型只需要輸入單側(cè)模型的參數(shù)會自動地建立另一邊的模型。因此，這里建模過程只涉及到左邊懸架。根據(jù)實際懸架及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)?？梢猿橄蟪鋈鐖D1所示的運動學仿真系統(tǒng)模型。

麥弗遜獨立懸架左懸架部分由下擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)總成（包括減振器下體、輪轂軸、制動底板等）、轉(zhuǎn)向橫拉桿、減振器上體、轉(zhuǎn)向器齒條、車輪總成、車身共7個剛體組成。減振器上體用萬向節(jié)鉸A與車身相連，轉(zhuǎn)向節(jié)總成與減振器上體用圓柱鉸B約束，相對減振器上半部分可以進行軸向移動和轉(zhuǎn)動；下擺臂一端通過轉(zhuǎn)動鉸F，G與車身相連（其中一個為虛約束），可相對車身上下擺動，另一端通過球鉸E與轉(zhuǎn)向節(jié)總成相接；轉(zhuǎn)向橫拉桿一端通過球鉸C與轉(zhuǎn)向節(jié)總成相連，另一端通過萬向節(jié)鉸H與轉(zhuǎn)向齒條相連；轉(zhuǎn)向齒條通過移動鉸I與車身相連，可相對車身左右移動；車輪總成和轉(zhuǎn)向節(jié)總成通過轉(zhuǎn)動鉸鏈D相連，進行運動學分析時，車身與地面是固定在一起的。

1.2模型關鍵點的獲取

模型關鍵點的空間位置坐標和相關參數(shù)是建立ADAMS運動學模型的關鍵，由于廠家未能提供零部件裝配圖，因此我們使用三坐標儀進行測繪。在測量該皮卡車前懸架零部件的空間位和參數(shù)時，我們采用ISO坐標制，以地面為XY平面，汽車中心對稱面為XZ平面，通過前輪輪心連線，垂直另外兩平面的面為YZ平面，取豎直向上為Z軸正向，車身右側(cè)為Y軸正向，以車前進方向的反方向為X軸正向。於是我們得到如表1所示的左側(cè)懸架空間參數(shù)表。其中，使用GCD-I型光束水準車輪定位儀測量前輪定位參數(shù)，車輪外傾為1.5度，主銷后傾角為3度，主銷內(nèi)傾角為8.5度。

1.3建立仿真模型

調(diào)用ADAMS/Car中自帶的模板，輸入相關參數(shù)建立懸架子系統(tǒng)，調(diào)用該懸架子系統(tǒng)則可以建立前懸架模型系統(tǒng)。由于該車輪胎為165/R13，根據(jù)參考書目中的公式：以及實車的有關參數(shù)，我們可以計算得到理想角為0.286°，在ADAMS/Car中輸入懸架參數(shù)車輪外傾角1.5度，前束角0.286°，則可以完成麥弗遜懸架的建模。

2、前輪定位參數(shù)的影響

汽車前輪定位參數(shù)主要包括車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角和前輪前束。此外，輪距的變化對汽車的操縱穩(wěn)定性和輪胎的磨損度也有較大的影響。車輪外傾角的理想設計為：車輪由下向上跳動時，外傾角向減小方向變化，以確保汽車在行駛過程中側(cè)傾時，外傾車輪接近于垂直地面的狀態(tài)，從而提高輪胎的側(cè)偏特性。對于主銷后傾角而言，如果主銷后傾角的角度過大，則外傾轉(zhuǎn)向輪的外傾角會向負方向變化。因此，當前輪主銷后傾角較大時，需增加前輪轉(zhuǎn)向所必需的橫向力，以抵消外傾推力。主銷內(nèi)傾角不宜過大，否則在轉(zhuǎn)向時，車輪繞主銷轉(zhuǎn)動的過程中，輪胎與路面將產(chǎn)生較大的滑動，進而增加了輪胎與路面的摩擦阻力，這不僅會使汽車轉(zhuǎn)向發(fā)沉，還會加速輪胎的磨損。車輪跳動時的前束變化對車輛的直線穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)響應特性有很大的影響，是汽車懸架的重要參數(shù)之一。設計人員在設計時，應注意車輪跳動時前束應不變或變化幅度較小。

+3、麥弗遜前懸架的仿真分析

對模型進行了兩次仿真，前綴kin為運動學仿真，前綴com為順應態(tài)仿真。順應態(tài)仿真中采用的是ADAMS自帶的4種線性襯套。橡膠襯套1的剛度特點是：徑向x和y的剛度相等，軸向z的剛度較小，彎曲剛度相等，扭轉(zhuǎn)剛度基本為0.車輪外傾角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪前束曲線如圖2所示。

紅—kin_parallel_travel_left，綠—com_parallel_travel_eft.左、右曲線重合。觀察圖2中的（a）（b）（c）發(fā)現(xiàn)，用橡膠襯套代替運動副后，車輪作上、下跳時車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角的變化范圍均有所縮小，這有利于轉(zhuǎn)向輕便度和車輪回正性的提升，對汽車操縱穩(wěn)定性的提升有積極作用。然而，主銷內(nèi)傾角的設計要求為：主銷內(nèi)傾角隨車輪上跳而減小，隨車輪下跳而增大。這是為了保證汽車直線行駛時的穩(wěn)定性，并使轉(zhuǎn)向輕便。

前輪前束變化的理想值為：車輪跳動時，為0至負前束（-0.5）。在圖2的（d）中，前輪前束的變化范圍過大，采用橡膠襯套后變化范圍進一步加大，這會對汽車的操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響。

4、麥弗遜式懸架的優(yōu)化分析

4.1確定優(yōu)化目標

根據(jù)仿真結(jié)果綜合分析，主銷內(nèi)傾角影響著汽車轉(zhuǎn)向自動回正，保持直線行駛的能力，對整車影響特別大，因此選擇主銷內(nèi)傾角為主要優(yōu)化目標，同時使其他三個車輪定位參數(shù)變化范圍盡可能小。

4.2確定優(yōu)化變量

選擇1個硬點arm_out在X，Y，Z三個方向上共有3個坐標，在ADAMS/Insight選擇這3個坐標為優(yōu)化變量，確定優(yōu)化目標。接著創(chuàng)建工作矩陣，然后創(chuàng)建工作空間（CreateWorkSpace），最后點擊RunSimulations按鈕，系統(tǒng)自動迭代運算512次。主銷內(nèi)傾角的目標函數(shù)是主銷的最大內(nèi)傾角變化范圍盡可能小，由運算結(jié)果選擇第30次迭代運算結(jié)果為硬點優(yōu)化值。

4.3優(yōu)化結(jié)果分析

選擇主銷內(nèi)傾角為優(yōu)化目標，優(yōu)化前平衡位置時為9.57°，變化范圍為8.73°～9.98°，優(yōu)化后平衡位置值為8.94°，變化范圍為8.14°～9.27°；由此可見優(yōu)化后主銷內(nèi)傾角對汽車運動學特性得到很好的改善。主銷后傾角，前輪前束角，車輪外傾角都在合理的變化內(nèi)，滿足懸架運動學特征。故此優(yōu)化結(jié)果是合理的。

5、結(jié)語

本文利用機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件ADAMS的Car模塊建立了某皮卡車麥克弗遜式懸架運動學計算機仿真模型，使用ADAMS/Insight模塊將下擺臂布置對懸架的定位參數(shù)和側(cè)滑量的影響進行了分析，并進一步進行優(yōu)化設計，較好地解決了懸架上跳過程中定位參數(shù)變化過大，輪胎磨損嚴重的問題。

參考文獻：

[1]徐成蔭.基于ADAMS的汽車前懸架仿真分析與優(yōu)化.沈陽工業(yè)大學碩士學位論文，2012，12.

[2]周兵兵，李惠林，劉清.基于Adams/Car的汽車前懸架仿真分析及優(yōu)化設計.計算機輔助工程，2013，22，118-123.