基于ADAMS/View的双横臂独立悬架的运动学仿真分析

王 南，郝莉红，张莉婷，张 俊

（河北工程大学机电学院，河北邯郸 056038）

基于ADAMS/View的双横臂独立悬架的运动学仿真分析

王 南，郝莉红，张莉婷，张 俊

（河北工程大学机电学院，河北邯郸 056038）

采用虚拟样机技术，借助于ADAMS/View软件这个操作平台，针对某轿车的双横臂独立悬架建立了多体动力学模型并对其进行运动学仿真分析，获得了前轮定位参数（前轮外倾角、前轮前束值、主销内倾角及主销后倾角）随车轮上下跳动的变化规律，为汽车悬架系统的优化提供了良好的理论依据。

双横臂独立悬架；建模；仿真；ADAMS/View

随着人们生活水平的提高，汽车已经成为人们的代步工具之一，为此人们对汽车行驶的平顺性、操作稳定性和安全性提出了更高的要求。悬架是汽车的主要组成部分，它对汽车的平顺性、稳定性有着重要的影响。由于在实际中对悬架的设计、试验、定型等耗费周期长且成本高，所以可以运用ADAMS虚拟样机技术解决此问题，并且能够获得最优化和创新的设计产品。笔者运用ADAMS/View模块，根据汽车设计理论，建立某车型的前轮双横臂独立悬架运动学模型，并进行仿真分析，为汽车悬架系统虚拟设计提供一种方法。

1 ADAMS软件概述

ADAMS软件是以虚拟设计思想、复杂系统运动学和动力学基本理论方法和拓扑技术为基础，在计算机数字技术环境下进行的多体系统运动学和动力学的仿真分析。目前在这一领域，由美国 MSC公司研发的 MSC.ADAMS软件受到了大家的青睐，该软件可用于汽车、工程机械、铁道、船舶、航空航天等。

2 双横臂独立悬架模型的建立

在建立该模型之前，先对前悬架双横臂独立模型作一些简单必要的简化和假设［1］：

1）汽车悬架的双横臂简化为一个多刚体系统，系统各个构件均为刚体，忽略零部件的弹性；

2）所有构件之间的连接都简化为铰接，内部间隙忽略不计；

3）各运动副间的摩擦力忽略不计；

4）减震器与螺旋弹簧分别简化为线性阻尼和弹簧；

5）轮胎简化为刚性体。

根据以上假设，以表1提供的悬架导向机构空间的主要位置点坐标，建立了双横臂独立悬架模型，如图1所示。

表1 悬架导向机构空间主要位置点坐标值Tab.1 Coordinates of main position points of suspension steering mechanism space mm

图1 双横臂独立悬架仿真模型Fig.1 Simulation model of doublewishbone suspension

因汽车基本上为纵向对称结构，所以只需建立悬架的1/2模型。其中创建的模型包括主销、拉臂、上/下横臂、转向节、转向拉杆、车轮及测试平台。该模型共包括8个活动构件、2个旋转副（分别用于上、下横臂和车身的约束）、4个球副（分别用于上、下横臂和主销的约束、转向拉杆和拉臂的约束、转向拉杆和车身的约束）、3个固定副（分别用于拉臂和主销的约束、转向节和主销的约束，以及车轮和转向节的约束）、1个移动副（为测试平台与地面的约束）和1个点－面约束副（为车轮与测试平台的约束）。

3 双横臂悬架模型的仿真分析

把悬架在跳动过程中转向轮定位参数所发生变化的规律称之为悬架运动学特性［2］。转向轮的定位参数有前轮外倾角、前轮前束值、主销内倾角、主销后倾角。

笔者将在ADAMS/View模块里建好的前悬架模型与测试平台进行装配，选择测试平台和大地的移动副约束添加直线驱动，该驱动表示车轮受到的地面激励作用，驱动函数为D＝100sin（360t），经仿真分析得到图2所示的运动结果。

图2 主销内倾角随车轮跳动的变化曲线Fig.2 Value of kingpin inclination angle with shaking wheel

主销轴线与地面垂直线在汽车横向平面内的夹角被称为主销内倾角［2］。它的作用如下：1）使车轮自动回正；2）可以减少转向时加在转向盘上的力，使转向操纵轻便。由图2可知主销内倾角的变化范围是9.90°～11.75°。

主销轴线和地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角叫主销后倾角［3］。主销后倾角的主要作用是当转向轮受到外力而发生偏转时，它可以产生稳定力矩，使车轮自动回正，提高转向操纵的稳定性。主销后倾角随车轮跳动的变化曲线见图3。由图3可知后倾角的变化范围是2.536 5°～2.552 5°。

通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线和地面垂线之间的夹角叫前轮外倾角［3］。其主要作用如下：1）使车轮磨损均匀，减轻轮毂外轴承的负荷；2）可与拱形路面相适应。前轮外倾角随车轮跳动的变化曲线见图4。由图4得前轮外倾角的变化范围是－0.74°～1.05°。

汽车2个前轮安装后，在通过车轮轴线而与地面平行的平面内，2个车轮前段略向内束的现象称为前轮前束；左右2个车轮前边缘距离与后边缘距离之差称为前轮前束值［3］。前轮前束作用：抵消外倾引起的滑动，保证2个前轮无滑动地向前运动。前轮前束值相对于车轮跳动的变化曲线见图5。由图5可知前轮前束值的变化范围是－0.5～0.2。

对以上各性能曲线进行分析，在车轮上下跳动量为100 mm的行程内，前轮的4个定位参数均较为合理，其变化趋势符合理论要求，悬架性能好，可以保证汽车具有良好的操作稳定性与行驶平顺性［4－10］。

图5 前轮前束值相对于车轮跳动的变化曲线Fig.5 Value of toe－in angle with shaking wheel

4 结 语

应用多体系统动力学理论，借助于ADAMS软件中ADAMS/View模块对某型轿车的双横臂独立悬架进行了建模，并进行运动学仿真分析，运动直观，仿真效果良好，提高了设计精度和设计效率，为今后的相关研究提供了参考。

［1］李瑜婷，赵治国，章 铜.基于ADAMS的双横臂独立悬架性能多指标优化研究［J］.中国制造业信息化，2009，38（17）：30－34.

［2］张洪欣.汽车设计［M］.北京：机械工业出版社，1988.

［3］臧 杰.汽车构造（下册）［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［4］石博强，申焱华，宁晓斌，等.ADAMS基础与工程范例教程［M］.北京：中国铁道出版社，2007.

［5］刘 虹，王其东，汤传玲.基于ADAMS双横臂独立悬架的运动学仿真分析［J］.机械与电子，2006（9）：61－62.

［6］张亮亮，裴永生，吴丹丹.基于ADAMS的双横臂独立悬架的仿真分析及优化设计［J］.现代机械，2010（4）：27－40.

［7］郑建荣.ADAMS——虚拟样机技术入门与提高［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［8］李 军，刑俊文，覃文浩.ADAMS实例教程［M］.北京：北京理工大学出版社，2002.

［9］余志生.汽车理论［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［10］王 南，王 晶，平恩顺.基于ADAMS/Car的双横臂悬架的运动学建模与仿真［J］.河北工程大学学报（自然科学版），2010，27（4）：55－58.

Kinematics simulation of double－wishbone suspension based on ADAMS/View

WANG Nan，HAO Li－hong，ZHANG Li－ting，ZHANG Jun
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Hebei University of Engineering，Handan Hebei 056038，China）

The multi－body model of double－wishbone independent suspension is built by use of virtual prototyping technology and the mechanical system dynamics analysis software ADAMS/View.Through kinematics simulation，analysis of the alignment（camber，toe－in angle，kingpin inclination and caster）and its change rule with the up and down of the wheel is obtained，which provides a theoretical basis for sptimizction of vehicle suspension system.

double－wishbone suspension；modeling；simulation；ADAMS/View

TH113.2

A

1008－1534（2012）04－214－03

2011－11－25；

2012－04－20

冯 民

王 南（1957－），男，河北昌黎人，教授，博士，主要从事机械设计及理论方面的研究。