基于ADAMS的汽车前独立悬架优化设计

王 琳 业红玲 韦 鹏 王鹏飞 梁玉瑶

(蚌埠学院机械与车辆工程学院， 安徽 蚌埠 233030)

悬架是车架与车桥之间的传力装置，其运动学性能对汽车的操纵稳定性和平顺性起着决定性作用[1-2]。悬架质量对汽车性能的影响多为复杂的非线性关系[3]，在关于悬架系统对汽车性能影响的理论研究中，以动力学建模和仿真的方法为主。Zhang等人基于ADAMSCar针对麦弗逊前悬架主销外倾角和前轮前束角进行仿真优化，较好地改善了汽车行驶中操纵的稳定性[4]。Yi等人利用ADAMS建立麦弗逊前悬架模型，设定目标函数，利用遗传算法求解目标函数，但未就不同悬架定位参数变化对汽车性能的影响作出分析[5]。冯金枝等人运用NSGA-Ⅱ算法，考虑前轮前束角和外倾角的关联性，减少了目标函数的数量，对悬架进行多目标优化，提高了最优值的收敛性[6]。但其运算过程较为复杂，运算工作量较大。王若平等人利用ADAMS软件对麦弗逊前悬架进行了车轮同向跳动仿真试验，并对车轮定位参数进行了优化。在实际行车中，车轮既有同向跳动又有异向跳动，而目前悬架仿真研究大多仅通过车轮同向跳动来进行试验，并不全面；因此，某些车辆按照原厂车轮定位参数进行调整后，轮胎仍然会出现一定程度上的异常磨损[7]。魏天将等人在建立十四自由度整车动力学模型的基础上，采用模糊灰色关联法分析悬架特性对整车操纵稳定性的影响，此方法需要建立复杂的数学模型[3]。

在实际应用中，悬架的定位参数变化量较大，不同悬架对汽车性能的影响各异。本次研究以某型号乘用车为例，利用ADAMSCar模块分别建立麦弗逊独立前悬架和双横臂独立前悬架模型，并设计双轮平行跳动和异向跳动试验，结合前轮前束角、前轮外倾角、主销后倾角和主销内倾角等随轮跳行程的变化曲线，利用ADAMSInsight模块对悬架硬点坐标进行调整，从而达到优化前轮定位参数的目的。

1 悬架模型的建立

建立汽车悬架模型时，既要保证各运动系统的精确性，又要对影响双轮上下跳动的因素进行适当简化。在此，根据麦弗逊独立悬架和双横臂独立悬架的平面图计算各硬点坐标，在ADAMSCar模块中修改硬点坐标，分别建立悬架模型。

1.1 麦弗逊独立前悬架模型

图1所示为麦弗逊独立悬架装配系统。图中，车体1和减震器3上体通过球副A约束；转向节总成4与减震器3下体、转向横拉杆5、下摆臂7分别通过移动副B、球副C、球副E约束；下摆臂7又通过两个旋转副G、F与车体1约束；转向节总成4和车轮总成8通过旋转副D约束；转向横拉杆和转向器通过万向节H约束；转向节齿条6通过固定副与车体1连接。

运用ADAMS软件对悬架进行建模时，只需创建悬架左半边或右半边模型，另半边模型会根据对称性自动生成。在ADAMSCar建模器中，根据已知硬点坐标、部件以及部件之间的连接关系建立车辆麦弗逊悬架的仿真模型，如图2所示。

1 — 车体； 2 — 螺旋弹簧； 3 — 减震器； 4 — 转向节总成；5 — 转向横拉杆； 6 — 转向器； 7 — 下摆臂； 8 — 车轮总成；A、C、E — 球副； B — 移动副； D、F、G — 旋转副

图2 麦弗逊独立悬架装配仿真模型

1.2 双横臂独立前悬架模型

图3所示为双横臂悬架的结构示意图。图中：A点为下摆臂前安装点；B点为下摆臂后安装点；C点为下摆臂外点；D点为上摆臂前安装点；E点为上摆臂后安装点；F点为上摆臂外点；G点为车轮中心；H点为车轮旋转轴线上某一点；L点为转向节臂外点；S点为转向梯形断开点；M点为车轮接地点。根据选定车辆悬架硬点数据，通过ADAMSCar模块建立双横臂前悬架子系统和转向子系统，然后将所建子系统与仿真试验台装配到一起，得到建模结果，如图4所示。

2 悬架模型运动学仿真

2.1 仿真试验设计

图3 双横臂独立悬架系统结构示意图

图4 双横臂独立悬架仿真模型

2.2 前轮各定位参数分析

当车轮跳动时，前轮定位角变化对车辆的稳态响应特性及车辆的性能有很大的影响。前轮前束角的主要作用是消除车轮外倾角造成的外滚趋势，保持车辆正常行驶。其理想变化范围一般为-0.5°～0.5°。适合的前轮外倾角可以使车辆转向更轻便，又能保持轮胎与拱桥路沿垂直，减少轮胎磨损。理想外倾角的变化范围一般为-2°～2°。主销后倾角可以增加汽车直线行驶时的稳定性，使前轮转向后自动回正，其理想变化范围一般为1°～7°。选择适合的主销内倾角可以使车辆具有自动回正的能力，转向轻便，其理想变化范围一般为5°～15°[8-9]。仿真试验结束后，计算出各定位参数随轮跳的变化量。

3 悬架模型的优化设计

3.1 优化目标的确定

悬架系统仿真中，部分参数远超出了理想变化范围。理论上只需对超出范围的参数进行优化设计，但考虑到各定位参数之间的相互影响，仍需对前束角、前轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角等参数进行优化设计，使各参数在理想范围内变动。

带状疱疹为皮肤科急性感染性疾病，其发作后表面呈现神经发炎皮肤症，实际该疾病是由于病毒入侵，形成病毒血症，引起水痘等症状，加上该疾病具有潜伏性特点，所以对患者神经的侵袭才是后遗症神经痛的关键，让患者的颅内感觉神经受到影响，一旦患者过于劳累、出现重症疾病、身体免疫能力下降等现象时，该病毒被激活，从而损伤患者神经，引起神经痛[1-2]。因此，带状疱疹后遗症神经痛是目前治疗的关键所在，为了改善患者的生活质量、缓解神经痛症状，本研究以收治的病例作为分析对象，给予患者复方倍他米松注射液（得宝松）与套管针联合治疗，取得显著的成效，现将报道进行如下汇报。

3.2 优化试验变量的选择

(1) 麦弗逊独立悬架参数变量的选择。根据仿真结果，选取下摆臂前安装点z坐标(Lca_front.z)，下摆臂后安装点的z坐标(Lca_rear.z)，下摆臂外点的yz坐标(Lca_outer.yz)，车轮中心点的z坐标(Wheel_center.z)，转向拉杆外点的z坐标(Tierod_outer.z)，转向拉杆内点的z坐标(Tierod_inner.z)，减震器下安装点的y坐标(Strut_lwr_mount.y)，减震器上安装点的xy坐标(Top_mount.xy)，共计10个试验变量来进行后续的优化设计。

(2) 双横臂独立悬架参数变量的选择。在保证相关定位参数在理想范围的前提下，对所建模型的改动越少越好，选取下摆臂前安装点z坐标(Lca_front.z)，下摆臂后安装点的z坐标(Lca_rear.z)，转向拉杆内点的z坐标(Tierod_inner.z)，转向拉杆外点的z坐标(Tierod_outer.z)，上摆臂前安装点yz坐标(Uca_front.yz)，上摆臂外点的xz坐标(Lca_outer.xz)，上摆臂后安装点z坐标(Uca_rear.z)，共计9个坐标值为试验变量。

3.3 悬架系统优化设计方法的确定

表1 拟合可靠程度指标值

3.4 悬架系统优化设计

表2 麦弗逊独立悬架优化前后硬点坐标值

表3 双横臂独立悬架优化前后硬点坐标值

4 优化设计结果分析

4.1 麦弗逊独立悬架优化设计结果分析

(1) 优化前后的前轮前束角变化。当车轮平行跳动时，前轮前束角变化量由1.796°优化至 0.865°，降低了51.54%；当车轮异向跳动时，前轮前束角变化量由1.687°优化至0.738°，降低了56.25%。 优化后的前轮前束角在-0.5°～0.5°的理想变化范围内变化，变化量大幅降低，从而保证了汽车行驶过程中的稳定性，可减少轮胎磨损，延长轮胎使用寿命。

表4 麦弗逊独立悬架定位角变化

(2) 优化前后的主销后倾角变化。当车轮平行跳动时，主销后倾角的变化量由2.489°优化至2.448°，降低了1.65%；当车轮异向跳动时，主销后倾角的变化量由2.485°优化至2.443°，降低了1.69%。 主销后倾角变化量很小，但仍然在合理变化范围内，主销后倾角满足悬架设计的基本要求，可保证汽车的转向能力和转向回正能力。

(3) 优化前后的主销内倾角变化。当车轮平行跳动时，主销内倾角变化量由1.901°优化至1.524°，减少了19.83%；当车轮异向跳动时，主销内倾角变化量由1.911°优化至1.531°，降低了19.88%。优化后的主销内倾角变化量在理想范围内，可以满足悬架设计的基本要求。

(4) 优化前后的前轮外倾角变化。 当车轮平行跳动时，前轮外倾角变化量由1.296°优化至0.972°，降低了25.00%；当车轮异向跳动时，前轮外倾角变化量由1.321°优化至0.993°，降低了24.83%。前轮外倾角的变化范围进一步缩小，可以减少轮胎磨损，改善汽车行驶过程中的操纵稳定性。

4.2 双横臂独立悬架优化设计结果分析

对双横臂独立前悬架各定位角优化前后随轮跳行程变化范围进行整理。表5所示为双横臂独立悬架优化前后前轮定位角变化。

表5 双横臂独立悬架前轮定位角变化

(1) 优化前后的前轮前束角变化。当车轮平行跳动和异向跳动时，前轮前束角变化范围均明显缩小。当车轮平等跳动时，前轮前束角变化量由 2.09°优化至0.65°，减少了68.90%；当车轮异向跳动时，前轮前束角变化量由2.07°优化至0.63°，减少了69.50%。优化后的前轮前束角变化范围处于-0.5°～0.5°的理想变化范围，满足优化要求。

(2) 优化前后的前轮外倾角变化。在满足理想变化范围-2°～2°的前提下，对跳动量为0时的外倾角进行了优化，达到了预期效果。同时，在平行跳动和异向跳动中，外倾角变化量均由1.67°优化至0.72°，减少了56.80%。

(3) 优化前后的主销后倾角变化。主销后倾角变化量随轮跳行程变化而减少的效果最为显著。在平行跳动试验和异向跳动试验中，主销后倾角变化量均减少了83%，提高了汽车直线行驶的稳定性。

(4) 优化前后的主销内倾角变化。主销内倾角的优化效果不显著，优化后跳动量降低了22.46%。在优化时，为了兼顾其他几项参数的效果而忽略了该参数，但是主销内倾角变化量仍处于5°～15°的理想变化范围内。

根据上述分析，针对麦弗逊独立悬架和双横臂独立悬架，采用ADAMS仿真软件对前轮前束角、前轮外倾角、主销后倾角和主销内倾角等参数进行优化，4个前轮定位角均在理想变化范围之内。从优化结果来看，针对麦弗逊独立悬架双轮异向跳动和双轮平行跳动定位的参数优化较明显。其中，麦弗逊独立悬架双轮异向跳动优化效果更显著。双横臂独立悬架双轮平行跳动和异向跳动定位参数变化范围及变化量显著，但区分度不高。双横臂独立悬架优化效果较麦弗逊悬架更显著，可以通过调整硬点坐标达到最优前轮定位参数，使整车性能更佳。

麦弗逊悬架结构紧凑，车轮跳动时前轮定位参数变化较小，操纵稳定性良好，目前应用较为广泛。双横臂独立悬架只要选择适当，合理优化上下摆臂长度，也能达到良好的操纵稳定性。在车辆设计中，对平顺性和操纵稳定性要求较高的汽车，其前悬架和后悬架均可以采用双横臂独立悬架。

5 结 语

应用ADAMS仿真软件对车辆悬架系统进行优化设计，可以创建复杂机械系统的虚拟样机，模拟其运动过程，大幅度缩短产品开发周期，降低设计成本。应用ADAMSCar模块先后进行平行跳动试验和异向跳动试验，其结果符合汽车的实际运行工况，仿真可靠性更高。