车辆麦弗逊悬架运动仿真研究

岳峰丽，蔡 玲

(沈阳理工大学汽车与交通学院，辽宁沈阳 110159)

悬架是汽车的主要总成之一，由弹性元件、导向机构、减振器及横向稳定装置等部件组成。它将车架与车轮弹性地连接起来，其主要任务是传递作用在车轮与车架之间的力和力矩，并缓和由路面传给车架的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车平顺行驶［1］。汽车悬架系统的性能是影响汽车行驶平顺性、操纵稳定性和安全性的重要因素。

随着对汽车轻量化的要求和前轮驱动汽车的流行，大多数乘用车采用麦弗逊式前悬架。这种悬架不需要上摆臂，因而结构上更加紧凑，几乎不占用横向空间，有利于车身前部地板的构造和发动机布置，另外，当车轮跳动时，其轮距、前束及车轮外倾角等均改变不大，减轻轮胎的磨损，使汽车具有良好的行驶稳定性［2］。麦弗逊悬架是一种经久耐用的独立悬架，具有很强的道路适应能力，应用极其广泛。过去多用简化条件下的图解法和分析计算法对汽车悬架性能进行分析计算，用多自由度的质量–阻尼刚体数学模型对汽车行驶状况进行仿真，结果误差较大，且费时费力。基于ADAMS的虚拟样机技术，可把悬架视为是由多个相互连接、彼此能相对运动的多体运动系统，其运动学及动力学仿真比以往的数学模型计算更真实反映悬架特性。近年国内外有很多关于麦弗逊悬架仿真的研究，这些研究大都应用ADAMS软件进行仿真模拟，模型建立在ADAMS软件平台上，简化很多［3－5］。而在实际设计中，多应用三维建模软件CATIA建立悬架模型，然后应用ADAMS软件进行仿真;在将CATIA文件导入ADAMS过程中，需借助第三方软件，易造成零件信息丢失。本文将CATIA与MSC SimDesiger相集成，对某车型参数的麦弗逊悬架进行建模仿真分析，研究车轮跳动对轮距、主销角度的影响。

1 建模与仿真

车轮定位(包括前轮和后轮定位)参数包括车轮外倾角、主销内倾角、主销偏移距、主销后倾角、前束角。前轮定位参数对汽车的操纵稳定性、转向性能和轮胎的寿命有影响［6］。本文应用Sim-Designer软件对车轮跳动过程的轮距变化、主销内倾角和主销后倾角等参数的变化进行分析。

采用CATIA软件对弹簧、减震器、横向稳定杆、转向节、轮毂、下横臂、副车架等进行三维建模，如图1所示。

仿真过程中，下横臂转动铰链处与车架间施加转动副;下横臂球铰链处与转向节间施加球副;减振器缸、转向节、车轮、制动器等处固定成一个整体;减振器活塞与减振器缸间施加移动副，沿其轴线运动;上弹簧座与车架固定;减振器活塞杆与上弹簧座间施加球副;托板与地面间施加移动副，沿Z轴运动;车轮与托板间施加平面副，车轮在托板平面上平动;在托板与地面间的移动副上直线施加驱动，驱动函数为

式中，d为车轮直径，t为时间。

图1 悬架三维建模图

车轮的实际跳动过程是一个非常复杂的过程，近似为一余弦曲线。一般对车轮跳动过程中轮距及定位参数的分析常用±40mm的路面不平度做为激励。

1.1 车轮跳动行程

取车轮与托板间一接触点，测量该点在车轮跳动过程中的位移量，得到该点在车轮跳动方向上的位移曲线，如图2所示。

图2 车轮跳动行程曲线

由图2可知，曲线最大值319.429mm，最小值239.851mm，平均值279.64mm。

分析曲线结果可知，在驱动方程(1)下，车轮上跳量为:Max-Avq≈40mm，车轮下跳量为:Avq-Min≈40mm，车轮跳动行程近似于±40mm，满足仿真试验要求。

1.2 轮距分析

车轮跳动过程中会出现主销摆动，此时轮距会发生变化。轮距变化量的大小直接关系轮胎的磨损，也是评价悬架结构合理性的重要指标。

取车轮与托板间的接触点为监测对象，沿车体横向上的一点为参考对象。当车轮跳动时，两点在Y轴方向相对移动，该移动量即为单侧轮距变化量。图3为轮距变化曲线。

图3 轮距变化曲线

由图3可知，车轮跳动过程中单侧轮距的变化量为:上跳增加量 1.907mm，下跳减小量2.363mm，总变化量4.27mm。

按车轮跳动时轮距的合理变化特性要求，当路面不平度为±40mm时，半轮距变化量应小于4～8mm。

(1)车轮上跳时，轮距应适当增加，但增加量不宜过大，车轮跳动为+40mm时，轮距增加量控制在2.5mm左右。

(2)车轮下跳时，轮距应适当减小，减小量可适当大些;车轮跳动为－40mm时，轮距减小量不应超过5mm。

按主轮距合理变化趋势的要求，轮距变化量合格。

1.3 主销内倾角分析

通过监测内倾角的补角值间接测量内倾角的变化量。平衡位置内倾角补角值近似为101.351。

车轮跳动过程中，内倾角的补角值变化曲线如图4所示。

图4 主销内倾角曲线

由图4可知，主销内倾角补角值变化量为

内倾角变化量同其补角值变化量，只是符号相反，即增大量0.5139°，减小量 0.6646°，总变化量 1.2036°。

主销内倾角的变化不宜过大，否则转向过于沉重，在现代汽车中，主销内倾角的范围在5°～14°之间。因此，车轮跳动过程中，主销内倾角的的变化极限值应在5°～14°范围内。

从试验结果中可知，车轮上跳时内倾角值最大为 12.012°;车轮下跳时内倾角最小值为11.012°，满足设计要求。

1.4 主销后倾角分析

通过监测主销后倾角余角值分析主销后倾角变化量。

车轮跳动过程中，主销后倾角的余角值变化曲线如图5所示。

图5 主销后倾角曲线

由图5可知，主销后倾角余角值变化量为

同理，主销后倾角变化量为:上跳时增大量0.1738°，下 跳 时 减 小 量 0.163°，总 变 化 量0.3368°。

后倾角选取合适，可使汽车具有良好行驶稳定性的同时转向轻便，独立悬架的后倾角一般为2°～3°。

车轮跳动时，后倾角变化不宜太大，以免载荷变化时，出现回正力矩过大或过小的现象，使操纵稳定性恶化，后倾角变化应小于1°。

因此，按主销后倾角合理变化趋势的要求，后倾角值选择合适，变化特性合理。

2 结论

(1)车轮跳动时，轮距的变化合理，车轮上跳时，轮距应适当增加，车轮下跳时，轮距应适当减小，当路面不平度为±40mm时，半轮距变化量应小于4～8mm。

(2)主销内倾角的变化不宜过大，否则转向会过于沉重，主销内倾角的范围在5°～14°之间。

(3)车轮上跳时，后倾角应增大;车轮下落时，后倾角应减小，以抵消汽车制动过程中的后倾角减小趋势。

［1］李明喜，柳江.基于麦弗逊式悬架侧载弹簧的应用分析［J］.汽车科技，2005(4):7－10.

［2］艾维全，高世杰，王承.麦弗逊式前悬架的设计改进及分析［J］.上海汽车，2004(5):26－28.

［3］魏道高.汽车前轮定位参数研究与展望［J］.合肥工业大学学报(自然科学版)，2004，27(2):47 －51.

［4］曾俊夫.舒适乘坐的基石——汽车悬挂系统之麦弗逊式独立悬架［J］.当代汽车，2007(7):90－91.

［5］孙建民，孙风英.汽车悬架系统的发展及控制技术研究现状［J］.黑龙江工程学院学报，2001，15(1):57－60.

［6］谷惠雨，张光德，雷春青.麦弗逊悬架系统仿真分析应用研究［J］.汽车科技，2010(5):28－30.