基于ADAMS的麦弗逊前悬架优化研究

耿强

摘要：近些年来，汽车行业的迅速发展推动了汽车技术的不断完善，促使汽车的舒适性和操稳性能也在不断提高，不断满足人们对于汽车性能的要求。而悬架的可靠性对汽车的操稳性和乘坐舒适性有着决定性的影响，因而对悬架系统进行分析及优化来提高其可靠性至关重要。麦弗逊式独立悬架具有结构简单、维修方便等众多优点，但是由于主销轴线位于减震器上支点和下摆臂外支点的连线上，因此当悬架变形时，主销轴线也随之改变，车轮定位参数和轮距也都会相应改变，且变化量可能很大，从而会导致车轮严重的磨损。基于此，本文主要对基于ADAMS的麦弗逊前悬架优化进行分析探讨。

关键词：基于ADAMS；麦弗逊；前悬架；优化研究

前言

机械系统动力学仿真分析软件ADAMSAutomatic Dynamic Analysisof Mechanical System中的Car专业模块是MSC与AudiBMWRenault和Volvo等公司合作开发的整车设计软件包整合了他们在汽车设计开发方面的经验能够帮助工程师快速建造高精度的包括车身悬架系统传动系统引擎转向机构制动系统等子系统在内的参数化虚拟汽车模型ADAMS/Insight功能扩展模块是ADAMS基于网页的试验设计与分析模块能对仿真进行实验设计使用户可以更精确地对设计进行量化研究应用ADAMS/Insight我们可以很方便地进行一系列的仿真试验从而精确地预测所设计的复杂的机械系统在各种工作条件下的性能并对试验结果提供专业化的统计结果。

1、建立模型

1.1模型分析

根据实际悬架系统结构抽象出如图1所示的前左悬架系统分析模型，悬架右侧和左侧对称。由于Car建立模型只需要输入单侧模型的参数会自动地建立另一边的模型。因此，这里建模过程只涉及到左边悬架。根据实际悬架及转向系统的结构。可以抽象出如图1所示的运动学仿真系统模型。

麦弗逊独立悬架左悬架部分由下摆臂、转向节总成（包括减振器下体、轮毂轴、制动底板等）、转向横拉杆、减振器上体、转向器齿条、车轮总成、车身共7个刚体组成。减振器上体用万向节铰A与车身相连，转向节总成与减振器上体用圆柱铰B约束，相对减振器上半部分可以进行轴向移动和转动；下摆臂一端通过转动铰F，G与车身相连（其中一个为虚约束），可相对车身上下摆动，另一端通过球铰E与转向节总成相接；转向横拉杆一端通过球铰C与转向节总成相连，另一端通过万向节铰H与转向齿条相连；转向齿条通过移动铰I与车身相连，可相对车身左右移动；车轮总成和转向节总成通过转动铰链D相连，进行运动学分析时，车身与地面是固定在一起的。

1.2模型关键点的获取

模型关键点的空间位置坐标和相关参数是建立ADAMS运动学模型的关键，由于厂家未能提供零部件装配图，因此我们使用三坐标仪进行测绘。在测量该皮卡车前悬架零部件的空间位和参数时，我们采用ISO坐标制，以地面为XY平面，汽车中心对称面为XZ平面，通过前轮轮心连线，垂直另外两平面的面为YZ平面，取竖直向上为Z轴正向，车身右侧为Y轴正向，以车前进方向的反方向为X轴正向。於是我们得到如表1所示的左侧悬架空间参数表。其中，使用GCD-I型光束水准车轮定位仪测量前轮定位参数，车轮外倾为1.5度，主销后倾角为3度，主销内倾角为8.5度。

1.3建立仿真模型

调用ADAMS/Car中自带的模板，输入相关参数建立悬架子系统，调用该悬架子系统则可以建立前悬架模型系统。由于该车轮胎为165/R13，根据参考书目中的公式：以及实车的有关参数，我们可以计算得到理想角为0.286°，在ADAMS/Car中输入悬架参数车轮外倾角1.5度，前束角0.286°，则可以完成麦弗逊悬架的建模。

2、前轮定位参数的影响

汽车前轮定位参数主要包括车轮外倾角、主销内倾角、主销后倾角和前轮前束。此外，轮距的变化对汽车的操纵稳定性和轮胎的磨损度也有较大的影响。车轮外倾角的理想设计为：车轮由下向上跳动时，外倾角向减小方向变化，以确保汽车在行驶过程中侧倾时，外倾车轮接近于垂直地面的狀态，从而提高轮胎的侧偏特性。对于主销后倾角而言，如果主销后倾角的角度过大，则外倾转向轮的外倾角会向负方向变化。因此，当前轮主销后倾角较大时，需增加前轮转向所必需的横向力，以抵消外倾推力。主销内倾角不宜过大，否则在转向时，车轮绕主销转动的过程中，轮胎与路面将产生较大的滑动，进而增加了轮胎与路面的摩擦阻力，这不仅会使汽车转向发沉，还会加速轮胎的磨损。车轮跳动时的前束变化对车辆的直线稳定性、稳态响应特性有很大的影响，是汽车悬架的重要参数之一。设计人员在设计时，应注意车轮跳动时前束应不变或变化幅度较小。

+3、麦弗逊前悬架的仿真分析

对模型进行了两次仿真，前缀kin为运动学仿真，前缀com为顺应态仿真。顺应态仿真中采用的是ADAMS自带的4种线性衬套。橡胶衬套1的刚度特点是：径向x和y的刚度相等，轴向z的刚度较小，弯曲刚度相等，扭转刚度基本为0.车轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角、前轮前束曲线如图2所示。

红—kin_parallel_travel_left，绿—com_parallel_travel_eft.左、右曲线重合。观察图2中的（a）（b）（c）发现，用橡胶衬套代替运动副后，车轮作上、下跳时车轮外倾角、主销内倾角、主销后倾角的变化范围均有所缩小，这有利于转向轻便度和车轮回正性的提升，对汽车操纵稳定性的提升有积极作用。然而，主销内倾角的设计要求为：主销内倾角随车轮上跳而减小，随车轮下跳而增大。这是为了保证汽车直线行驶时的稳定性，并使转向轻便。

前轮前束变化的理想值为：车轮跳动时，为0至负前束（-0.5）。在图2的（d）中，前轮前束的变化范围过大，采用橡胶衬套后变化范围进一步加大，这会对汽车的操纵稳定性产生负面影响。

4、麦弗逊式悬架的优化分析

4.1确定优化目标

根据仿真结果综合分析，主销内倾角影响着汽车转向自动回正，保持直线行驶的能力，对整车影响特别大，因此选择主销内倾角为主要优化目标，同时使其他三个车轮定位参数变化范围尽可能小。

4.2确定优化变量

选择1个硬点arm_out在X，Y，Z三个方向上共有3个坐标，在ADAMS/Insight选择这3个坐标为优化变量，确定优化目标。接着创建工作矩阵，然后创建工作空间（CreateWorkSpace），最后点击RunSimulations按钮，系统自动迭代运算512次。主销内倾角的目标函数是主销的最大内倾角变化范围尽可能小，由运算结果选择第30次迭代运算结果为硬点优化值。

4.3优化结果分析

选择主销内倾角为优化目标，优化前平衡位置时为9.57°，变化范围为8.73°～9.98°，优化后平衡位置值为8.94°，变化范围为8.14°～9.27°；由此可见优化后主销内倾角对汽车运动学特性得到很好的改善。主销后倾角，前轮前束角，车轮外倾角都在合理的变化内，满足悬架运动学特征。故此优化结果是合理的。

5、结语

本文利用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS的Car模块建立了某皮卡车麦克弗逊式悬架运动学计算机仿真模型，使用ADAMS/Insight模块将下摆臂布置对悬架的定位参数和侧滑量的影响进行了分析，并进一步进行优化设计，较好地解决了悬架上跳过程中定位参数变化过大，轮胎磨损严重的问题。

参考文献：

[1]徐成荫.基于ADAMS的汽车前悬架仿真分析与优化.沈阳工业大学硕士学位论文，2012，12.

[2]周兵兵，李惠林，刘清.基于Adams/Car的汽车前悬架仿真分析及优化设计.计算机辅助工程，2013，22，118-123.