基于ADAMS/Car的麥弗遜前懸架性能分析與優(yōu)化

江 錚，尹榮棟，趙振東 Jiang Zheng，Yin Rongdong，Zhao Zhendong

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基于ADAMS/Car的麥弗遜前懸架性能分析與優(yōu)化

江 錚，尹榮棟，趙振東 Jiang Zheng，Yin Rongdong，Zhao Zhendong

（南京工程學(xué)院 汽車(chē)與軌道交通學(xué)院，江蘇 南京 211167）

針對(duì)某國(guó)產(chǎn)車(chē)型前懸架設(shè)計(jì)不合理問(wèn)題，建立該懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析前輪定位參數(shù)隨前輪垂向運(yùn)動(dòng)的變化情況；通過(guò)靈敏度分析，找出了對(duì)懸架各性能參數(shù)影響較大的硬點(diǎn)變量；通過(guò)對(duì)關(guān)鍵硬點(diǎn)坐標(biāo)的調(diào)整，選出最優(yōu)方案，使該懸架各參數(shù)均得到優(yōu)化，同時(shí)也使前束變化規(guī)律趨于合理；結(jié)論表明，懸架性能得到明顯提升，對(duì)懸架的改進(jìn)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

麥弗遜懸架；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引 言

麥弗遜懸架是目前最為常見(jiàn)的懸架類(lèi)型，麥弗遜懸架具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布局緊湊、懸架質(zhì)量輕、占用空間小和制造成本低等特點(diǎn)[1]。隨著車(chē)輛速度的不斷提升，懸架對(duì)汽車(chē)操縱穩(wěn)定性影響顯著提升，對(duì)汽車(chē)懸架性能提出更高的要求。懸架的好壞主要取決于車(chē)輪跳動(dòng)時(shí)車(chē)輪定位參數(shù)的變化，車(chē)輪定位參數(shù)對(duì)汽車(chē)行駛的穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向特性以及輪胎磨損都有很大的影響，一般希望車(chē)輪定位參數(shù)隨車(chē)輪垂向跳動(dòng)變化越小越好[2]。目前對(duì)于麥弗遜懸架的分析主要采用基于空間運(yùn)動(dòng)學(xué)的數(shù)值分析方法[3]和基于多體力學(xué)軟件的仿真分析方法[4-6]。運(yùn)用多體力學(xué)軟件ADAMS/Car建立麥弗遜式前懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析懸架性能，找出懸架設(shè)計(jì)的不足；運(yùn)用ADAMS/Insight模塊，對(duì)懸架前輪定位參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析；根據(jù)分析結(jié)果，調(diào)整對(duì)目標(biāo)參數(shù)影響較大的硬點(diǎn)坐標(biāo)，優(yōu)化前輪定位參數(shù)。

1 模型的建立[7-8]

建立懸架模型前，需要先對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，該懸架主要部件包括減振器、減振彈簧、轉(zhuǎn)向節(jié)、下控制臂和轉(zhuǎn)向橫拉桿，再根據(jù)懸架各部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，通過(guò)添加運(yùn)動(dòng)副來(lái)模擬各部件間的連接方式，懸架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[9]。實(shí)車(chē)測(cè)量懸架關(guān)鍵硬點(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 麥弗遜前懸架（左）硬點(diǎn)坐標(biāo)

X坐標(biāo)Y坐標(biāo)Z坐標(biāo) 減振器上安裝點(diǎn) 54.15-562.3657.4 彈簧下安裝點(diǎn) 5.65-586.4150.2 減振器下安裝點(diǎn)-15.65-736.4 50.2 前輪中心-16.54-989.06 45.77 轉(zhuǎn)向橫拉桿外點(diǎn)124.44-678.01 77.81 轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)點(diǎn)169.53-333.04 62.92

續(xù)表1

在ADAMS/Car模塊中，采取自下而上的建模方式建立多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，如圖2所示。

2 麥弗遜懸架的性能分析[10]

2.1 麥弗遜懸架仿真試驗(yàn)

模型建立完畢后，進(jìn)行仿真步數(shù)為100、車(chē)輪跳動(dòng)范圍為上下50 mm的雙輪同跳試驗(yàn)，提取各前輪定位參數(shù)隨車(chē)輪垂向跳動(dòng)變化的曲線(xiàn)，如圖3～6所示。

2.2 前輪外傾角

車(chē)輪內(nèi)傾會(huì)加劇輪胎磨損，還會(huì)加大車(chē)輪各部件所受載荷；因此設(shè)計(jì)安裝懸架時(shí)通常留有一個(gè)向外的傾斜角度即外傾角，但外傾角的存在會(huì)使車(chē)輪有向兩側(cè)滾開(kāi)的趨勢(shì)，行駛過(guò)程中輪胎在地面邊滑邊滾，同樣會(huì)加劇輪胎磨損；因此外傾角預(yù)留不宜過(guò)大，通常不大于1°。

如圖3所示，在車(chē)輪垂向位移為0時(shí)外傾角為0.75°。車(chē)輪上下跳動(dòng)50 mm過(guò)程中，前輪外傾角由1.7°減小到0°，變化幅度為1.7°，變化較大。

2.3 主銷(xiāo)后傾角

主銷(xiāo)后傾角是汽車(chē)側(cè)視時(shí)，主銷(xiāo)軸線(xiàn)相對(duì)于地面垂直線(xiàn)的傾角。主銷(xiāo)后傾角能夠使車(chē)輪形成回正力矩，保證車(chē)輪穩(wěn)定直線(xiàn)行駛，但主銷(xiāo)后傾角設(shè)計(jì)過(guò)大會(huì)使轉(zhuǎn)向盤(pán)沉重、輪胎磨損加速等。

如圖4所示，主銷(xiāo)后傾角設(shè)計(jì)較大，后傾角隨輪跳的變化范圍較為合理。

2.4 主銷(xiāo)內(nèi)傾角

主銷(xiāo)內(nèi)傾角是汽車(chē)前視時(shí)，前輪的主銷(xiāo)軸線(xiàn)相對(duì)于地面垂直線(xiàn)的傾角。主銷(xiāo)內(nèi)傾角能夠產(chǎn)生自動(dòng)回正力矩，使轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)更為省力，還能緩解路面給轉(zhuǎn)向盤(pán)帶來(lái)的沖擊，可以改善汽車(chē)的操縱性。但主銷(xiāo)內(nèi)傾角設(shè)計(jì)過(guò)大也會(huì)帶來(lái)轉(zhuǎn)向盤(pán)沉重、輪胎磨損加速等問(wèn)題。

如圖5所示，主銷(xiāo)內(nèi)傾角設(shè)計(jì)偏大，隨輪跳的變化范圍較大。

2.5 前輪前束角

前束角是汽車(chē)俯視時(shí)，車(chē)輪中心線(xiàn)與汽車(chē)縱向?qū)ΨQ(chēng)軸線(xiàn)的夾角。前束角的存在，會(huì)使車(chē)輪有向內(nèi)滾進(jìn)的趨勢(shì)，車(chē)輪在地面也會(huì)發(fā)生邊滑邊滾的現(xiàn)象，會(huì)加劇輪胎的磨損。但合理的前束角可與預(yù)留的外傾角相互補(bǔ)償，減少輪胎磨損。前束角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致車(chē)胎磨損加劇，前束角隨輪跳變化趨勢(shì)不合理會(huì)出現(xiàn)過(guò)度轉(zhuǎn)向等問(wèn)題[11]，合理的前束設(shè)計(jì)是車(chē)輪上跳時(shí)前束角朝負(fù)前束變化，車(chē)輪下跳時(shí)前束角朝正前束變化。

如圖6所示，車(chē)輪垂向位移為0時(shí)，前束角為0.15°。車(chē)輪上下跳動(dòng)50 mm過(guò)程中前束角變化范圍較為合理。但車(chē)輪上跳時(shí)前束角曲線(xiàn)朝正前束變化，車(chē)輪下跳時(shí)前束角曲線(xiàn)朝負(fù)前束變化，變化趨勢(shì)不合理。

3 麥弗遜懸架優(yōu)化

3.1 靈敏度分析

利用ADAMS/Insight模塊，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取下控制臂前后點(diǎn)、下控制臂外點(diǎn)、減振器上下安裝點(diǎn)和轉(zhuǎn)向橫向拉桿內(nèi)外點(diǎn)7個(gè)關(guān)鍵硬點(diǎn)，以關(guān)鍵硬點(diǎn)的、、方向坐標(biāo)為變量（共21個(gè)變量），進(jìn)行128次迭代，得到每個(gè)變量對(duì)目標(biāo)參數(shù)的靈敏度，分析結(jié)果如圖7所示。

3.2 敏感硬點(diǎn)優(yōu)化

從圖7中分別找出對(duì)各前輪定位參數(shù)影響最大的變量；其中，對(duì)前束角影響大的變量較多，選取2個(gè)；最終，選取減振器下安裝點(diǎn)向、減振器上安裝點(diǎn)向、下控制臂外點(diǎn)向、橫向拉桿外點(diǎn)向及橫向拉桿內(nèi)點(diǎn)向作為優(yōu)化變量。為了擬合的準(zhǔn)確性，設(shè)置減振器下安裝點(diǎn)向與減振器上安裝點(diǎn)向的變動(dòng)范圍為（-70，70），下控制臂外點(diǎn)向變動(dòng)范圍為（-15，15），橫向拉桿外點(diǎn)向與橫向拉桿內(nèi)點(diǎn)向的變動(dòng)范圍為（-5，5），利用ADAMS/Insight模塊，對(duì)前輪各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后，得到減振器下安裝點(diǎn)坐標(biāo)為（-15.65，-676.4，50.2），減振器上安裝點(diǎn)坐標(biāo)為（54.15，-562.3，677.4），下擺臂外點(diǎn)坐標(biāo)為（-12.02，-682.56，-20.15），轉(zhuǎn)向橫拉桿外點(diǎn)坐標(biāo)為(124.44，-678.01，82.81），轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)點(diǎn)坐標(biāo)為（169.53，-333.04，57.92）。

3.3 優(yōu)化前、后對(duì)比

優(yōu)化后，再次對(duì)懸架進(jìn)行雙輪同向跳動(dòng)仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8～11所示。

相比優(yōu)化前，優(yōu)化后的前輪外傾角隨車(chē)輪跳動(dòng)的變化范圍由1.7°到0.97°，外傾角絕對(duì)變化幅度有較大的減小。前束角變化趨勢(shì)合理，避免了前輪前束惡化的問(wèn)題，雖然車(chē)輪跳動(dòng)過(guò)程中前束角的絕對(duì)變化幅度有略微增大，但仍在合理范圍內(nèi)。同時(shí)，主銷(xiāo)后傾角與主銷(xiāo)內(nèi)傾角也有不同程度的減小。

4 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)量某款國(guó)產(chǎn)車(chē)型的前麥弗遜懸架硬點(diǎn)參數(shù)，在ADAMS/Car模塊中搭建了該懸架的動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)雙輪同跳仿真試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該車(chē)存在車(chē)輪跳動(dòng)過(guò)程中前輪外傾角變動(dòng)范圍較大，前束角變化規(guī)律不合理以及主銷(xiāo)后傾角和主銷(xiāo)內(nèi)傾角偏大等問(wèn)題。

基于ADAMS/Insight模塊，找出對(duì)各前輪定位參數(shù)最敏感的變量。對(duì)敏感點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整以?xún)?yōu)化各前輪定位參數(shù)。

優(yōu)化分析結(jié)果表明，車(chē)輪跳動(dòng)過(guò)程中前輪外傾角變動(dòng)絕對(duì)范圍有較大的減小，前束角變化規(guī)律趨于合理，同時(shí)主銷(xiāo)外傾角及主銷(xiāo)內(nèi)傾角都有不同程度的減小，這些變化對(duì)懸架性能的提升都是有利的。

其他類(lèi)型的懸架也可使用該方法進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)懸架性能的提升具有指導(dǎo)意義。

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2017-04-06

1002-4581（2017）04-0027-04

U463.33

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.04.008