基于ADAMS的麥弗遜式獨立懸架運(yùn)動仿真分析

(吉利汽車研究院(寧波)有限公司 浙江 寧波 315336)

一、引言

汽車懸架是車架(或承載式車身)與車橋(或車輪)之間的一切傳力連接裝置的總稱。它的功用是把路面作用于車輪上的垂直反力(支承力)、縱向反力(牽引力和制動力)和側(cè)向反力以及這些反力所造成的力矩傳遞到車架(或承載式車身)上，以保證汽車的正常行駛。

汽車懸架與整車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性有著密切關(guān)系。隨著現(xiàn)代汽車速度的不斷提高，人們對整車性能的要求也越來越高。懸架是保證乘坐舒適性的重要部件，又是保證汽車行駛安全的重要部件。因此，汽車懸架往往列為重要部件編入轎車的技術(shù)規(guī)格表，作為衡量轎車質(zhì)量的指標(biāo)之一。懸架系統(tǒng)性能越來越受到關(guān)注。

目前轎車使用最多的是麥弗遜式獨立懸架。麥弗遜懸架是絞結(jié)式滑柱與下橫臂組成的懸架形式，減振器可兼做轉(zhuǎn)向主銷，轉(zhuǎn)向節(jié)可以繞它轉(zhuǎn)動。其特點是主銷位置和前輪定位角隨車輪的上下跳動而變化，構(gòu)造簡單，布置緊湊；前輪定位參數(shù)：前輪外傾角、前輪前束、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角的變化小，具有良好的行駛穩(wěn)定性。

對懸架性能的研究常采用仿真分析方法以及試驗方法來進(jìn)行。仿真分析是在計算機(jī)上建立機(jī)構(gòu)的模型，導(dǎo)入專業(yè)工具軟件，輸入激勵信號，計算擬定的目標(biāo)值。相對于試驗方法，仿真分析成本低，周期更短，并可反復(fù)修改有關(guān)參數(shù)重復(fù)計算，對各種方案進(jìn)行快速對比，甚至能夠?qū)嶋H條件下無法實現(xiàn)的工況進(jìn)行模擬計算。仿真分析軟件及方法在行業(yè)內(nèi)日益受到重視。

本文以某車型為例，利用Catia V5建立該車型麥弗遜懸架子件數(shù)模，采用機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)/動力學(xué)仿真分析軟件ADAMS來建立懸架機(jī)構(gòu)仿真模型，對車輪施加垂直方向上(Z軸)的跳動激勵，分析懸架各主要參數(shù)的變化情況。

二、仿真模型的建立

將該麥弗遜獨立懸架各子件3D數(shù)模在CatiaV5軟件中，按整車懸架初始條件進(jìn)行模擬裝配。懸掛裝配條件如下表1所示。

表1 懸掛參數(shù)

將在Catia V5中裝配好的懸架總成數(shù)模，利用CATIA與ADAMS接口軟件SimDesigner進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后，導(dǎo)入到MSC.ADAMS軟件中。如下圖1所示。本例以左前半懸掛為對象，進(jìn)行分析。在模型中相應(yīng)部位生成標(biāo)記特征點，并在總成機(jī)構(gòu)中各相對運(yùn)動部件間添加相應(yīng)的運(yùn)動副，并調(diào)試機(jī)構(gòu)運(yùn)動。

三、計算結(jié)果分析

首先對機(jī)構(gòu)添加驅(qū)動：賦予車輪一個垂直方向上(Z向)的±50mm的跳動。以計算在車輪上下跳動過程中的懸掛特性參數(shù)。由于本文是分析懸掛機(jī)構(gòu)的有關(guān)運(yùn)動特性，在此僅輸出與懸掛運(yùn)動有關(guān)的幾個參數(shù)：車輪外傾角、前束、輪距、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角，在輸入激勵后的變化趨勢及范圍。

(一)車輪外傾角

車輪外傾角是車輪中心平面與地面垂線的夾角，當(dāng)車輪頂端向車身外側(cè)傾斜時取正值。

通常認(rèn)為外傾角應(yīng)使車輪經(jīng)常處于與地面垂直的狀態(tài)。為防止車輪出現(xiàn)過大的不足轉(zhuǎn)向或過度轉(zhuǎn)向趨勢，一般希望盡量減小車輪相對車身跳動時的外傾角變化，在常見的車輪跳動±40mm的范圍內(nèi)，車輪外傾角變化量控制在±1 °以內(nèi)為宜。若車輪外傾變化不合理，如車輪在由下向上跳動時外傾角向負(fù)值方向變化過大，在車輛滿載工況下，有可能出現(xiàn)外傾角負(fù)值過大而導(dǎo)致輪胎產(chǎn)生熱量過大甚至嚴(yán)重磨損輪胎。

圖2是車輪外傾角隨車輪上下跳動時的變化曲線。從圖中可以看出當(dāng)車輪在跳動量為±40mm的范圍內(nèi)，車輪外傾角約在1 °內(nèi)變化，變化范圍較為合理。該變化對車輛操縱穩(wěn)定性有良好的貢獻(xiàn)。

圖1 懸掛模型

圖2 前輪外傾角隨車輪跳動的變化曲線

(二)前輪前束

前束隨車輪跳動的合理變化，可獲得希望的不足轉(zhuǎn)向和行駛特性。前橋車輪上跳時，前束向負(fù)值方向變化，或者后橋車輪上跳時，前束向正值方向變化，均可使汽車在曲線行駛時增加不足轉(zhuǎn)向趨勢。同時，當(dāng)車輛行駛時，前束的變化過大，將會影響車輛的直線行駛穩(wěn)定性，同時增大輪胎與地面間的滾動阻力，加劇輪胎的磨損，所以前束角的設(shè)計原則是在車輪跳動時，變化量越小越好。

從圖3前輪前束隨車輪跳動的變化曲線可以看出，當(dāng)車輪在跳動量為±50mm的范圍內(nèi)變化時，前束在-5到0的范圍變化，其波動范圍較小，可在一定程度內(nèi)提升車輛直線行駛的穩(wěn)定性。

(三)前輪距

在獨立懸架的設(shè)計中，對輪距變化的要求是應(yīng)盡量小，一是減小輪胎磨損，二是輪距變化時使輪胎產(chǎn)生側(cè)偏角，從而產(chǎn)生側(cè)向力輸入，使操縱穩(wěn)定性發(fā)生變化。尤其是在汽車側(cè)傾時，兩側(cè)車輪的橫向滑移方向有可能一致而使輪距變化帶來的側(cè)向力不能相互抵消，導(dǎo)致操縱穩(wěn)定性變差。一般要求，車輪在±50mm內(nèi)跳動時，輪距變化在-10mm～+10mm以內(nèi)。

圖4為前輪距隨車輪跳動變化曲線，從圖中可以看出，輪距變化在一般要求范圍內(nèi)，但是變化量略有偏大，對輪胎壽命有一定程度的影響。

圖3 前輪前束隨車輪跳動的變化曲線

圖4 前輪距隨車輪跳動的變化曲線

(四)主銷內(nèi)傾角

在汽車橫向平面內(nèi)，主銷上部向內(nèi)傾斜的角度稱為主銷內(nèi)傾角。有使車輪自動回正的作用。主銷內(nèi)傾使得主銷軸線與路面交點到車輪中心平面與地面交線的距離，即主銷橫向偏移距的減小，從而減小轉(zhuǎn)向時駕駛員加在方向盤上的力，使轉(zhuǎn)向操縱輕便，同時也減小從轉(zhuǎn)向輪傳到方向盤上的沖擊。內(nèi)傾角也不宜過大，否則轉(zhuǎn)向時，在車輪繞主銷轉(zhuǎn)動的過程中，輪胎與路面之間將產(chǎn)生較大的滑動，增加輪胎與路面間的摩擦阻力，使轉(zhuǎn)向承重的同時，對輪胎造成磨損。

一般認(rèn)為當(dāng)車輪上跳時，主銷內(nèi)傾角的增加應(yīng)盡量減小。從圖5主銷內(nèi)傾角隨車輪跳動的變化曲線，可以看出，在車輪由下向上跳動的過程中，主銷內(nèi)傾角呈增長趨勢，但變化幅度不大。車輪在±50mm內(nèi)跳動時，主銷內(nèi)傾角變化范圍為10°～12.3°其變化范圍小，較為合理。

圖5 主銷內(nèi)傾角隨車輪跳動的變化曲線

圖6 主銷內(nèi)傾角隨車輪跳動的變化曲線

(五)主銷后傾角

主銷后傾角在汽車縱向平面內(nèi)，主銷上部向后傾斜的角度即為主銷后傾角。主銷后傾角與主銷相對輪心的偏置距一起，保證足夠的側(cè)向力回正力矩。主銷后傾角越大，其回正力矩也越大。但是若過大，則會造成高速時轉(zhuǎn)向沉盤。傳統(tǒng)采用2°～3°，但此處DPCA結(jié)合自身懸掛設(shè)計特點，采用5.1°±0.5°。其隨車輪跳動的變化曲線如圖6所示。

從圖6中可以看出，當(dāng)車輪在±50mm內(nèi)跳動過程中，主銷后傾角變化范圍約從4.97°～5.78°，其變化范圍較為合理。

四、結(jié)論

本文以MSC.ADAMS為運(yùn)動仿真平臺，對某車型麥弗遜懸架進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真分析，獲得了車輪各定位參數(shù)隨車輪跳動的變化曲線，綜合各參數(shù)的曲線變化情況，可以看出，車輪外傾角變化范圍較為合理，有利于車輛操縱穩(wěn)定性；前束值變化量較小，可在一定程度內(nèi)提升車輛直線行駛能力；前輪距變化在一定程度上有所偏大，對輪胎壽命有一定影響；主銷內(nèi)傾角與主銷后傾角均合理地在較小的范圍內(nèi)變化，有助于懸架性能提升。該懸架總體設(shè)計在考慮車輛自身風(fēng)格及性能特性后，各項參數(shù)性能指標(biāo)均較為合理。