基于ADAMS的雙橫臂懸架優(yōu)化設計＊

李勝琴 趙 立 楊春博

（東北林業(yè)大學交通學院 哈爾濱 150040）

基于多體動力學理論的虛擬樣機技術(shù)可在各種虛擬環(huán)境中模擬產(chǎn)品整體的運動及受力情況等，對多種設計方案進行快速分析，ADAMS軟件就是虛擬樣機技術(shù)的典型代表，其Car模塊是一種基于模板建模和仿真的工具．由于集成了專家們在汽車設計、開發(fā)等方面的經(jīng)驗，故利用它可在很大程度上簡化建模的步驟、加快建模速度并且提高仿真分析效率［1］．本文將運用 ADAMS／Car模塊建立某汽車雙橫臂前懸架模型并進行仿真分析，根據(jù)相應參數(shù)的變化范圍和趨勢，通過修改硬點坐標，使該懸架的各定位參數(shù)的變化達到要求，進而改善懸架的性能．

1 懸架模型分析及建立

ADAMS／Car模塊采用的建模順序是先根據(jù)硬點坐標建立模板，不同的模板組成子系統(tǒng)，最后由子系統(tǒng)生成模型．在利用ADAMS／Car進行建模時，首先將物理模型簡化，即根據(jù)物理模型中各零件之間的相對運動關系，定義出各零件的拓撲結(jié)構(gòu)，之后只需建立左邊或右邊的1／2懸架模型，另一半將會根據(jù)對稱性自動生成［2］，雙橫臂前懸架初始硬點坐標見表1．

表1 雙橫臂懸架初始硬點坐標

雙橫臂前懸架主要由上橫臂、下橫臂、主銷、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向橫拉桿和減振器等組成．上橫臂與主銷之間通過旋轉(zhuǎn)副連接，在運用ADAMS／Car建立模板時，將上橫臂定義為一個部件，使其成為一個整體（實際上在建模過程中部件的幾何形體并不影響仿真結(jié)果，但在實際的分析中部件的幾何形體的形狀卻能引發(fā)運動干涉）；把主銷與轉(zhuǎn)向節(jié)定義為一個整體，使其具有相同的運動形式；上控制臂和下控制臂與副車架（在建立模板時，將副車架視為固定的）之間通過旋轉(zhuǎn)副進行連接，主銷與下橫臂之間通過萬向副進行連接［3］．根據(jù)初始硬點坐標建立的模型圖見圖1．

圖1 雙橫臂前懸架模型

2 雙橫臂懸架的仿真分析

在對所建好的懸架模型進行仿真分析前，應先對該懸架輪胎自由半徑、輪胎垂向剛度、質(zhì)心高度、簧上質(zhì)量和軸距等相關仿真參數(shù)進行設定，具體設定參數(shù)見圖2．

圖2 懸架參數(shù)參數(shù)設定對話框

在ADAMS／Car模塊中，系統(tǒng)提供了很多的仿真類型以供用戶的選擇，對于懸架而言，其典型的分析工況有雙輪同向激振仿真試驗（parallel wheel travel）、雙輪反向激振仿真試驗（opposite wheel travel）、單輪激振仿真試驗（single wheel travel）等．本文擬取外傾角、前束角、后傾角的變化范圍和變化趨勢，選擇雙輪同向激振仿真試驗和雙輪反向激振仿真試驗進行分析和優(yōu)化［4］．

1）外傾角 外傾角是重要的定位參數(shù)之一．外傾角過小，將不足以抵消當汽車滿載時輪胎的內(nèi)傾角度，從而無法最大的發(fā)揮外傾角的作用，輪胎將會產(chǎn)生不同程度的偏磨損；外傾角過大，輪胎也會產(chǎn)生偏磨損．一般認為外傾角變化范圍在－2°～0．5°較為適宜［5］．圖3為外傾角變化曲線．由圖3可知，車輪同向跳動時，懸架外傾角曲線變化范圍為－1．9°～1．1°，不符合要求；車輪反向跳動時，外傾角變化范圍為－1．80°～1．1°，基本符合上述要求，但應需進一步予以優(yōu)化．

圖3 外傾角在2種工況下仿真曲線

2）前束角 前束角的主要作用是抵消外傾角帶來的副作用，若前束角變化過大將會使輪胎的磨損加劇，故希望前束角變化應盡可能小，較適宜的前束角變化幅度為0°～0．5°．圖4為前束角變化曲線．車輪同向跳動時的變化范圍為－2．25°～1．36°，變化幅度較大，不符合要求，需要進行優(yōu)化；車輪反向跳動時，前束角變化范圍為－3．78°～3．42°，幅度為0．36°，基本符合要求，但需進一步優(yōu)化［6］．

圖4 前束角在2種工況下仿真曲線

3）后傾角 后傾角過小將不能產(chǎn)生合適的穩(wěn)定力矩，過大又會使駕駛員施加的力增大，一般認為合理的主銷后傾角為2°～3°．由圖5可知該雙橫臂懸架主銷后傾角的變化范圍在同向車輪跳動時為2．45°～3．72°；在車輪反向跳動時為2．30°～3．55°，角度均偏大，不符合要求．

圖5 后傾角在兩種工況下仿真曲線

3 雙橫臂前懸架優(yōu)化設計

硬點坐標的變化會改變懸架中各個零件之間的相對位置，繼而影響懸架的性能，故將對各硬點坐標進行反復的修改，再對修改后的模型進行仿真分析，以得出修改后各定位參數(shù)的變化范圍和變化趨勢，如不符合要求，則繼續(xù)對硬點參數(shù)進行修改，再次進行分析．經(jīng)反復修改后，從中選出使得定位參數(shù)最符合要求的一組硬點標．

在ADAMS／Insight模塊中，選取麥弗遜式懸架系統(tǒng)的9個關鍵點作為設計變量，對包括下控制臂前支點（lca＿innr＿fr），下控制臂外支點（lca＿otr），轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)支點（tierod＿innr），轉(zhuǎn)向橫拉桿外支點（tierod＿otr）等4個硬點的12個坐標值進行優(yōu)化分析［7］．優(yōu)化前后雙橫臂懸架系統(tǒng)各主要硬點的空間坐標參數(shù)對比見表2．

表2 雙橫臂懸架硬點坐標優(yōu)化前后對比

優(yōu)化前后的定位參數(shù)變化總結(jié)對比如下．

1）外傾角優(yōu)化結(jié)果對比 外傾角優(yōu)化前后對比見圖6．由圖6可知，經(jīng)優(yōu)化后，在車輪同向跳動時，外傾角的變化范圍由原來的－1．9°～1．1°變?yōu)楝F(xiàn)在的－0．55°～0°；在車輪反向跳動時，其變化范圍由原來的－1．80°～1．1°變?yōu)榱耍?．55°～0°，均符合了要求，達到了優(yōu)化的目的．

圖6 外傾角優(yōu)化前后對比曲線

2）前束角優(yōu)化結(jié)果對比 前束角優(yōu)化前后對比見圖7．由圖7可知，車輪同向跳動時，前束角變化范圍由原來－2．25°～1．36°變?yōu)楝F(xiàn)在的更接近0°；車輪反向跳動時，前束角變化范圍由原來的－2．3°～1．5°，變?yōu)楝F(xiàn)在的－1．6°～0．6°，符合設計要求，達到了優(yōu)化的目的．

圖7 前束角優(yōu)化前后對比曲線

3）后傾角優(yōu)化結(jié)果對比 后傾角優(yōu)化前后對比見圖8．由圖8可知，經(jīng)優(yōu)化后，在車輪同向跳動工況下，后傾角的變化范圍由原來的2．30°～3．55°變?yōu)?．9°～3．05°；在車輪反向跳動工況下，后傾角的變化范圍由原來的3．4°～3．8°變?yōu)榱爽F(xiàn)在的2．9°～3．05°，變化更為平緩，達到了優(yōu)化的目的．

圖8 后傾角優(yōu)化前后對比曲線

4 結(jié)束語

本文運用ADAMS／Car模塊對雙橫臂前懸架進行建模，模型正確建立后，對該懸架進行仿真分析，以得出車輪定位參數(shù)隨車輪跳動時的變化范圍和趨勢，從而對該雙橫臂懸架的性能進行分析和評價，評價結(jié)束后，以優(yōu)化懸架性能為目標，通過改變相應硬點坐標的數(shù)值，經(jīng)多次仿真分析，找出使相應定位參數(shù)的變化范圍和趨勢最佳的一組硬點坐標數(shù)值，完成優(yōu)化．優(yōu)化結(jié)果表明，各個定位參數(shù)的變化范圍更為合理，使得該懸架的性能得到了改善．需說明的是，本論文只進行了仿真分析，并沒有對優(yōu)化結(jié)果進行試驗驗證，在后續(xù)的研究中需結(jié)合試驗做進一步優(yōu)化．

［1］陳家瑞．汽車構(gòu)造［M］．下冊．北京：人民交通出版社，2001．

［2］鄭 凱，胡仁喜，陳鹿民．ADAMS2005機械設計高級應用實例［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2006．

［3］李 軍．ADAMS實例教程［M］．北京：北京理工大學出版社，2002．

［4］MOTOVAMA K，YAMANAKA T．A study of suspension design using optimization and DOE［D］．Mechanical Dynamics，Ine．International ADAMS User Conference，2000．

［5］余志生．汽車理論．北京：機械工業(yè)出版社，2009．

［6］吳 鎮(zhèn)，吳慶鳴，孫國正．運用虛擬樣機技術(shù)對四連桿組合臂架變幅軌跡的仿真研究［J］．武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2004（2）：226－228．

［7］ HARGCRTT D，KOERNER S．ADAMS／Insight and Rapid Simulation Technology．The Power of Virtual Prototyping［C］∥ Mechanical DynamicsIne，2000．