基于ADAMS的麥弗遜前懸架優(yōu)化研究

耿強(qiáng)

摘要：近些年來(lái)，汽車行業(yè)的迅速發(fā)展推動(dòng)了汽車技術(shù)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(duì)于汽車性能的要求。而懸架的可靠性對(duì)汽車的操穩(wěn)性和乘坐舒適性有著決定性的影響，因而對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行分析及優(yōu)化來(lái)提高其可靠性至關(guān)重要。麥弗遜式獨(dú)立懸架具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便等眾多優(yōu)點(diǎn)，但是由于主銷軸線位于減震器上支點(diǎn)和下擺臂外支點(diǎn)的連線上，因此當(dāng)懸架變形時(shí)，主銷軸線也隨之改變，車輪定位參數(shù)和輪距也都會(huì)相應(yīng)改變，且變化量可能很大，從而會(huì)導(dǎo)致車輪嚴(yán)重的磨損。基于此，本文主要對(duì)基于ADAMS的麥弗遜前懸架優(yōu)化進(jìn)行分析探討。

關(guān)鍵詞：基于ADAMS；麥弗遜；前懸架；優(yōu)化研究

前言

機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)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(shè)計(jì)軟件包整合了他們?cè)谄囋O(shè)計(jì)開發(fā)方面的經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驇椭こ處熆焖俳ㄔ旄呔鹊陌ㄜ嚿響壹芟到y(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)引擎轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)制動(dòng)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(kuò)展模塊是ADAMS基于網(wǎng)頁(yè)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析模塊能對(duì)仿真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使用戶可以更精確地對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行量化研究應(yīng)用ADAMS/Insight我們可以很方便地進(jìn)行一系列的仿真試驗(yàn)從而精確地預(yù)測(cè)所設(shè)計(jì)的復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)在各種工作條件下的性能并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果提供專業(yè)化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

1、建立模型

1.1模型分析

根據(jù)實(shí)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(duì)稱。由于Car建立模型只需要輸入單側(cè)模型的參數(shù)會(huì)自動(dòng)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(shí)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(yùn)動(dòng)學(xué)仿真系統(tǒng)模型。

麥弗遜獨(dú)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(dòng)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(gè)剛體組成。減振器上體用萬(wàn)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(duì)減振器上半部分可以進(jìn)行軸向移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)；下擺臂一端通過轉(zhuǎn)動(dòng)鉸F，G與車身相連（其中一個(gè)為虛約束），可相對(duì)車身上下擺動(dòng)，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(wàn)向節(jié)鉸H與轉(zhuǎn)向齒條相連；轉(zhuǎn)向齒條通過移動(dòng)鉸I與車身相連，可相對(duì)車身左右移動(dòng)；車輪總成和轉(zhuǎn)向節(jié)總成通過轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈D相連，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)，車身與地面是固定在一起的。

1.2模型關(guān)鍵點(diǎn)的獲取

模型關(guān)鍵點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)和相關(guān)參數(shù)是建立ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的關(guān)鍵，由于廠家未能提供零部件裝配圖，因此我們使用三坐標(biāo)儀進(jìn)行測(cè)繪。在測(cè)量該皮卡車前懸架零部件的空間位和參數(shù)時(shí)，我們采用ISO坐標(biāo)制，以地面為XY平面，汽車中心對(duì)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(jìn)方向的反方向?yàn)閄軸正向。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(zhǔn)車輪定位儀測(cè)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(guān)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(shí)車的有關(guān)參數(shù)，我們可以計(jì)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(duì)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(shè)計(jì)為：車輪由下向上跳動(dòng)時(shí)，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(shí)，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(duì)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(huì)向負(fù)方向變化。因此，當(dāng)前輪主銷后傾角較大時(shí)，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(shí)，車輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，輪胎與路面將產(chǎn)生較大的滑動(dòng)，進(jìn)而增加了輪胎與路面的摩擦阻力，這不僅會(huì)使汽車轉(zhuǎn)向發(fā)沉，還會(huì)加速輪胎的磨損。車輪跳動(dòng)時(shí)的前束變化對(duì)車輛的直線穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性有很大的影響，是汽車懸架的重要參數(shù)之一。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意車輪跳動(dòng)時(shí)前束應(yīng)不變或變化幅度較小。

+3、麥弗遜前懸架的仿真分析

對(duì)模型進(jìn)行了兩次仿真，前綴kin為運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，前綴com為順應(yīng)態(tài)仿真。順應(yīng)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)副后，車輪作上、下跳時(shí)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(duì)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(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)時(shí)，為0至負(fù)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(jìn)一步加大，這會(huì)對(duì)汽車的操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)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(biāo)

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(dòng)回正，保持直線行駛的能力，對(duì)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(biāo)，同時(shí)使其他三個(gè)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(gè)硬點(diǎn)arm_out在X，Y，Z三個(gè)方向上共有3個(gè)坐標(biāo)，在ADAMS/Insight選擇這3個(gè)坐標(biāo)為優(yōu)化變量，確定優(yōu)化目標(biāo)。接著創(chuàng)建工作矩陣，然后創(chuàng)建工作空間（CreateWorkSpace），最后點(diǎn)擊RunSimulations按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)迭代運(yùn)算512次。主銷內(nèi)傾角的目標(biāo)函數(shù)是主銷的最大內(nèi)傾角變化范圍盡可能小，由運(yùn)算結(jié)果選擇第30次迭代運(yùn)算結(jié)果為硬點(diǎn)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(biāo)，優(yōu)化前平衡位置時(shí)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(duì)汽車運(yùn)動(dòng)學(xué)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(yùn)動(dòng)學(xué)特征。故此優(yōu)化結(jié)果是合理的。

5、結(jié)語(yǔ)

本文利用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)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(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算機(jī)仿真模型，使用ADAMS/Insight模塊將下擺臂布置對(duì)懸架的定位參數(shù)和側(cè)滑量的影響進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(yán)重的問題。

參考文獻(xiàn)：

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