基于ADAMS的麦弗逊式独立悬架优化仿真分析

32│天津汽车TIANJINAUTO│2008年第8期王晓峰1于海峰2(1.大连理工大学汽车工程学院；2.一汽-大众汽车有限公司）摘要针对轿车前悬架系统对车辆操纵稳定性有较大影响，文章利用机械系统动力学分析软件ADAMS建立了带有转向系统的麦弗逊式独立悬架模型，并对其进行仿真分析。通过修改前悬架的定位参数来对其进行优化设计，从而研究悬架参数对车辆操纵稳定性的影响。数值计算表明，优化后的悬架使得前轮定位参数基本达到一个最优值，为改进汽车操纵稳定性提供了参考依据。关键词ADAMS麦弗逊式独立悬架定位参数SimulationAnalysisandOptimizationofMcphersonSuspensionBasedonADAMSAbstract:Thefrontsuspensionhasanaffectonthecontrolstabilityofthecar,macphersonfrontsuspensionmodelwithsteeringsystemisbuiltbyapplyingthemechanicalsystemsimulationsoftwareADAMS,thenthesimulationanalysisisperformed.Bymodifyingtheparametersofsuspension,thesuspensionhasbeenimprovedandtheresearchhasbeendone.Theresultindicatesthattheparametershaveareasonablealignmentparametersoffrontwheelandhasanreferenceonthestabilityofthecar.Keywords:ADAMSMcphersonfrontsuspensionAlignmentparameters操纵稳定性是汽车重要的使用性能之一，它不仅影响到汽车驾驶操纵的方便程度，也是决定汽车高速行驶安全的一个重要指标，被称为“高速车辆的生命线”。因此，研究车辆的操纵稳定性很有必要。前悬架对车辆操纵稳定性的影响至关重要。悬架的性能反映在当车轮上下跳动时，车轮的定位参数变化量保持在合理的范围内，以保证汽车具有所期望的行驶性能。机械系统动力学仿真软件ADAMS中专门用于汽车动力学分析的ADAMS/Car模块，由于其仿真分析时间短，可重复性好，对各种方案可以进行快速优化对比，并可以完成在试验条件下不能进行的严酷工况分析，因此广泛应用于汽车设计领域。文章利用ADAMS/Car模块建立了麦弗逊式前悬架模型，并进行双轮平行跳动仿真试验，然后利用ADAMS/Insight模块进行了前轮定位参数的优化，探讨了前悬架系统参数对汽车操纵稳定性的影响。1麦弗逊式悬架的建模麦弗逊式悬架一般用于轿车前轮，具有结构简单、占用空间少及性能优越等优点，因此在前置驱动的轿车和微型车上有基于ADAMS的麦弗逊式独立悬架优化仿真分析33│天津汽车TIANJINAUTO│2008年第8期着广泛的应用，其主要结构是由螺旋弹簧加上减振器组成。麦弗逊式悬架结构，如图1所示。图1麦弗逊式悬架结构麦弗逊式悬架是闭式空间机构，机架就是车身及没有原动件。在行驶过程中，通过车轮上下跳动来带动悬架机构转向节和横摆臂运动。文章在ADAMS/Car模块中建立悬架模型时采用ISO坐标制，以地面为XY平面；悬架中心对称面为XZ平面；通过前轮轮心连线，垂直另外两平面的面为YZ平面。取竖直向上为Z轴正向，悬架右侧为Y轴正向，以车前进方向的反方向为X轴正向。然后添加约束，1/2前麦弗逊悬架约束方程数目为：m=6×1+5×3+4×3+3×2=39；1/2悬架自由度为：DOF=6×7-m=3。即一侧悬架有3个自由度,分别是：车轮绕着车轴的转动、车轮绕主销的转动及车轮的上下跳动。车轮外倾为1.5°,主销后倾角为3°，主销内倾角为8.5°。然后建立简化的转向系刚性铰链连接模型，图2为由悬架子系统和转向系子系统组成的麦弗逊式前悬架模型。2麦弗逊式悬架的仿真优化左右车轮平行跳动引起的悬架运动分析是悬架运动特性分析的基本方法。悬架性能参数的变化是分析悬架运动合理性的重要依据,这种分析较为全面地反映了悬架的运动特性。首先对悬架参数进行设置，包括质心高度、簧载质量及轴距等。点击驱动库中的直线驱动按钮,选择测试平台和地面的移动副约束来创建直线驱动,即路面对车轮的激励函数。然后设置仿真参数，对其进行平行跳动的仿真试验，上下跳动都为50mm。再输入轮胎径向刚度及相关的整车数据。根据建立的前悬架系统分析模型，利用ADAMS/Car仿真前悬架平行跳动过程中车轮、主销及转向系统的变化，并参考悬架导向系和转向杆系与车身之间的互相影响，从而评价前悬架系统的性能，发现问题所在，并提出改进方案，进行优化设计。仿真结束后，调用MSC.ADAMS/Solver进行解算，并输出多种有关悬架性能的参数。由于路面存在一定的不平度，轮胎和车身之间的相对位置会发生变化，这也会造成车轮定位参数发生相应的变动。如果车轮定位参数的变动过大，会加剧轮胎和转向机件的磨损并降低整车操纵稳定性和其他相关性能，所以车轮定位参数的变化量不能太大。文章是通过对悬架的部分硬点坐标进行改变以达到优化定位参数的目的。在Insight模块中，选取麦弗逊式悬架下控制臂前点(lca-front)，后点(lca-rear)，下控制臂球头销(lca-outer)，转向拉杆内点(tierod-inner)，外点（tierod-outer），弹簧下支点（spring-lwr-mount）等6个硬点的18个坐标值进行分析。设定每个值的变化范围在-5～5mm，选取5项前轮定位参数为优化目标，优化后的结果，如表1所示。进行128次迭代计算，并将优化的结果以交互式网页的形式输出。可以在此网页中修改硬点坐标值，同时观察定位参数的变化趋势，如图3所示。1车轮总成；2下摆臂；3转向齿轮；4转向横拉杆；5转向节总成；6减振器；7螺旋弹簧；8车身图2麦弗逊式前悬架模型表1麦弗逊悬架优化前后硬点坐标34│天津汽车TIANJINAUTO│2008年第8期3优化结果的评价指标前轮定位参数使得汽车在车轮正常跳动范围内拥有较好的行驶特性，汽车前轮定位参数主要包括车轮外倾角、主销内倾角、主销后倾角及前轮前束。车轮外倾角可以避免前轴承载变形使车轮变为内倾而加速轮胎磨损。如果外倾角过大，将造成轮胎外侧偏磨；如果外倾角过小或负外倾，将使转向沉重，造成轮胎内侧偏磨。主销内倾会使车轮自动回正，此外还使转向操纵轻便，从而减少了从前轮传递到方向盘的冲击力。如果主销内倾角过大，将使转向沉重，同时加速轮胎的磨损；主销内倾角过小，将使转向沉重，汽车稳定直线行驶的能力变差，驾驶员不得不因此而时刻注意掌握方向盘，使其精神过于紧张。由于有了后倾角，当汽车直线行驶受到外力作用，车轮稍有偏转时，可使车轮回正,保证汽车直线行驶的稳定性。但如果主销后倾角过大，将会使转向沉重；主销后倾角过小，将使行驶不稳,在高速行驶时，车轮还会摆振。前轮前束主要是补偿由于车轮外倾角带来的不良影响，这样可使车轮在每一瞬时滚动方向接近于向着正前方，从而在很大程度上减轻并消除了由于车轮外倾而产生的不良后果。4麦弗逊式悬架参数优化结果验证与分析4.1车轮外倾角车轮外倾角优化前后对比，如图4所示。0.570.510.450.390.330.270.210.150.090.030.0-0.03车轮跳动高度/mm车轮外倾角/（°）-50.0-40.0-30.0-20.0-10.00.010.020.030.040.050.0图4车轮外倾角优化前后对比图原始修改为防止车轮出现过大的不足转向或过度转向趋势，一般希望车轮从满载位置起上下跳动50mm的范围内，车轮外倾角变化在1º左右。从图4中可以看出，优化前麦弗逊式悬架前轮外倾角在车轮跳动过程中变化范围是0.565～0°；优化后前轮外倾角的变化范围是0.402～0°。这符合车轮跳动时对外倾角的变化要求,其变化趋势也有了明显的改善。4.2主销后倾角一般要求主销后倾角在4～6º之间。如图5所示，优化前麦弗逊式悬架主销后倾角在车轮跳动过程中从4.682°增加到5.487°；悬架优化后主销后倾角从4.335°增加到5.107°。这符合设计要求，其初始值适当减小，变化趋势也比较平缓，但没有显著变化。4.3主销内倾角从图6中可以看出，优化前麦弗逊式悬架的主销内倾角的值在车轮跳动过程中从10.92°变为12.577°；优化后的主销内倾角由10.366°变为12.272°，初始值有所减小，但变化幅度没有得到显著的改善。主销后倾角变化约为46.32′/10mm。4.4主销偏距汽车转向时，转向轮绕主销转动，地面对转向的阻力力矩与主销偏距的大小成正比。主销偏距越小，转向阻力矩也越小，所以一般希望主销偏距小一些，以减少转向操纵力以及地面对12.812.5512.312.0311.811.5511.311.0510.810.5510.3主销内倾角/（°）车轮跳动高度/mm-50.0-40.0-30.0-20.0-10.00.010.020.030.040.050.0图6主销内倾角优化前后对比图5.555.4255.35.1755.054.9254.84.6754.554.4254.3主销后倾角/(°)车轮跳动高度/mm-50.0-40.0-30.0-20.0-10.00.010.020.030.040.050.0图5主销后倾角优化前后对比图原始修改原始修改图3网页形式输出结果35│天津汽车TIANJINAUTO│2008年第8期-50.0-40.0-30.0-20.0-10.00.010.020.030.040.050.0转向系统的冲击。主销偏距与主销内倾是密切相关的，通过调整主销内倾角可以得到不同的主销偏距。图7中可以看出麦弗逊式悬架优化前主销偏距从-33.5mm增加到-22.1mm；优化后主销偏距从-26mm增加到-15.1mm，有了显著改善。但是其主销偏距值仍较大，这会使转向接地面的摩擦力大，转向较重，不利于操控。4.5前轮前束对于汽车前轮，前束值大多设计成零至负前束变化，前束角的设计原则是在车轮跳动时，变化量越小越好。如图8中所示，优化前车轮前束角在车轮跳动过程中从-0.005°增加到-0.248°,在车轮跳动位置为-22mm时达到最大的0.026°；优化后前轮前束角从-0.136°增加到0.825°，优化后变化幅度则改善不大，主要是为了改善其他几种参数而牺牲了前束的优化，但是其变化范围仍符合设计要求。综上所述，通过对麦弗逊悬架6个硬点的18个坐标值进行优化，使车轮定位参数得到优化，有效地改善了其操纵稳定性。5结论文章利用ADAMS/Car建立了麦弗逊式悬架模型，并进行了双轮平行跳动仿真试验。仿真结束后，以前轮定位参数为主要优化目标，运用ADAMS/Insight模块，通过对麦弗逊式悬架的硬点坐标多次修改和迭代计算，使车轮定位参数得到优化。但由于汽车悬架空间布置的限制，只能在局限的小范围内对悬架硬点坐标进行修改，所以得到的优化结果只是相对的，并不是绝对的最优结果。参考文献1汽车工程手册编委会.汽车工程手册-基础篇,北京:人民交通出版社,20002郑建荣.ADAMS-虚拟样机技术入门与提高,北京:机械工业出版社,20023李军,邢俊文,覃文洁,等.ADAMS实例教程,北京:北京理工大学出版社,20024郑凯,胡仁喜,陈鹿民.ADAMS2005机械设计高级应用实例.北京:机械工业出版社,2006(收稿日期：2008-06-23)图7主销偏距优化前后对比图车轮跳动高度/mm-14.0-16.0-18.0-20.0-22.0-24.0-26.0-28.0-30.0-32.0-34.0主销偏距/mm-50.0-40.0-30.0-20.0-10.00.010.020.030.040.050.0原始修改图8前轮前束优化前后对比图0.10.0650.030.0-0.04-0.075-0.1