基于ADAMS 的前麦弗逊独立悬架仿真优化与后处理

摘要：应用多体动力学软件，对麦弗逊独立悬架进行仿真分析，分析了平衡轮跳对定位参数的影响，对主要影响的硬点进行优化及后处理，得出最佳参数指标，结合实践分析参数的优劣，用于指导生产，有效改善了悬架系统的运动学特性。

关键词：Adams/Car;Adams/Insight;Adams/PstPocessor;硬点;优化

由于麦弗逊独立悬架结构简单，维护保养方便，四轮定位参数调整容易，路试状态明显，在许多追求高速行驶、机动性好故障少的车辆布置中优势明显，前悬架采用麦弗逊独立悬架的车辆操控也比较好。悬架性能是决定一辆车性能的一个重要标志，悬架系统设计的优劣决定整车设计水平的关键因素之一。本文应用多体动力学分析软件ADAMS /car建立了前麦弗逊独立悬架动力学仿真模型，根据实践数据对麦弗逊独立悬架进行（Adams/Insigh）优化分析和后处理，进行参数指标的比较分析。

一、软件介绍

ADAMS，即机械系统动力学自动分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），是美国机械动力公司（Mechanical Dynamics Inc.）开发的虚拟样机分析软件。

ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。

Adams/Car的功能上有所加强，易用性方面进一步提高，支持常规激励的分析（General Actuation Analysis），新的用于分析的路面生成工具（Road Builder）以及悬架试验台的合并。加强Adams/SmartDriver的应用，可以进行车辆路径的再规划，支持路径平滑处理，减少路径曲率峰值。同时采用新的非连续常规状态方程（GSE，General State Equations），保证了在大输出步长情况下的解算精度，并且增加了反方向行驶的功能。在Adams/Car Ride 中定量的平顺性指标测试，方便车辆平顺性能的定量化以及评估振动对乘员的冲击。Hiller-Anantharaman STIFF 积分器（HASTIFF）的 SI1 和SI2方法，迭代过程需要更少的函数估值，同时提高了极小时间步长的收敛稳定性。在Adams/Solver（C++）中新增延迟时变函数（DELAY run-time function），可用于控制模型中信号或驱动的延迟。Adams/Tire 3D 轮胎模拟技术，可适用表面崎岖不平的道路。一个新的命令MNFXFORM，可用于弹性体MNF文件的镜像，或变换/旋转弹性体坐标系。新增有关插件的帮助文档，并加强了帮助文档的易用性。

ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。应用MD Adams/Car，技术团队可以快速建立和测试整车和子系统的功能化虚拟样车。MD Adams/Car包含许多的功能模块用于多学科仿真。Adams/Insight包含许多的功能模块用于多学科仿真后的优化，Adams/PstPocessor用于对优化结果进行后处理，展示效果。

二、麦弗逊独立悬架优缺点分析

麦弗逊式独立悬架是汽车悬挂系统中的一种特殊结构，它以零件结构简单、连接简单方便，成本便宜、舒适性高，耐用性好的优点赢得了广泛的市场应用。麦弗逊式独立悬架耐用且具有较高的路面适应能力，路感强，路况反馈和操控稳定性都很优秀，同时价格低布置空间不大。

麦弗逊悬挂拥有良好的响应性和操控性，而且结构简单，占用空间小，成本低，重量轻，适合布置大型发动机以及装配在小型车身上。作用在车身连接点处的力较小;弹簧行程大;易于构造前部车底板形状。

麦弗逊悬架对整车操纵稳定性、抗纵倾能力也起着决定性的作用。因而在设计悬架时必须考虑以下几个方面的要求：

A.通过合理设计悬架的弹性特性及阻尼特性确保汽车具有良好的行驶平顺性，具有较低的振动频率、较小的振动加速度值和合适的减振性能，并能避免在悬架的压缩伸张行程极限点发生硬冲击，同时还要保证轮胎具有足够的接地能力;

B.合理设计导向机构，以确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩的可靠传递，保证车轮跳动时车轮定位参数的变化不会过大，并且能满足汽车具有良好的操纵稳定性要求;

C.导向机构的运动应与转向杆系的运动相协调，避免发生运动干涉，否则可引起转向轮摆振;

D.侧倾中心及纵倾中心位置恰当，汽车转向时具有抗侧倾能力，汽车制动和加速时能保持车身的稳定，避免发生汽车在制动和加速时的车身纵倾即“点头”和“后仰”;

E.悬架构件的质量要小尤其是其非悬挂部分的质量要尽量小;

F.便于布置，在轿车设计中特别要考虑给发动机及行李箱留出足够的空间;

G.所有零部件应具有足够的强度和使用寿命;

H.成本要低;要便于维护保养。

悬架设计要考虑连接点及连接方式，在Adams中采用硬点来定位连接点及连接方式。

麦弗逊悬架左右对称于汽车纵向平面，由下摆臂、转向节总成（包括减震器下体、轮毂轴、制动底板等）、转向横拉杆、减震器上体、转向器齿条、车轮总成及车身组成。各刚体之间的连接关系如下：减震器上端与车身的连接因为只3有个自由度，故简化为球铰，转向节总成与减震器上体用圆柱铰约束，只能沿轴线移动和转动，下摆臂一端通过转动铰等车身相连（其中一个为虚约束），另一端通过球铰与转向节总成相连，转向横拉杆一端通过球铰与转向节总成相连，另一端通过球铰与转向齿条相连，运动分析时，转向齿条通过固I定副与车身相连，车轮总成和转向节总成也通过固定副相连，车身相对地面不动。由于运动学无需考虑受力问题，因此不考虑减震器的阻尼和弹簧的剛度。

三、麦弗逊独立悬架模型的建立

利用（Template Builder）模式下建立通过测量各主要关键点坐标，形成上下控制臂、横拉杆等硬点坐标，在硬点坐标的基础上建立构件、三维几何形体、衬套、弹簧等连接件添加通讯器完成麦弗逊前悬架模板建模，与平台、转向系统（steering）形成麦弗逊前悬架子系统。

四、性能参数的仿真优化与分析

悬架性能是由定位参数和悬架的特性决定的，悬架性能一定则定位参数会在一定范围内变化，从而影响悬架的特性，为了模拟悬架特性采用最简单的前轮平衡跳动来观察模拟情况，在车轮上下同步跳动过程中，变化范围最小是最好的，这样操纵稳定性，舒适性、平顺性最佳。为了与实际情况匹配要对装配形成的前麦弗逊独立悬架总成进行参数修改，修改质量特性、重要硬点上下控制臂、tierod等硬点，修改弹簧特性，阻尼器特性不变，设定参数，进行仿真，以tog_angle、camber_angle和caster_angle为优化目标，以下控制臂硬点、横拉杆内外硬点为优化变量。

（二）分析处理

进行参数更改后，点更新，点击优化，进行修改硬点后的重新仿真。完成后进入后处理程序，出现如下表所示结果，

在车轮平衡跳动的过程中，最理想的效果是前束角变化幅度小，震动小，易于操控，前束的设计目的是为了与外倾匹配，抵消向外的作用力，使汽车行驶变为纯滚动。所以前束角的设计是防止车轮向外运动摆动，减少轮胎偏磨，有好的保持直线行驶的能力。相反过大的前束角变化幅度，是摆震加剧，轮胎偏磨，降低了舒适性、操控性和稳定性。可以明确的发现优化后变化幅度比优化前降低了1.3°左右，灵敏度变好震动变小，舒适性、操控性和稳定性增加。

图2车辆外倾角特性优化前后对比太明显，车辆外倾角特性优化前变化幅度大，变化幅度能改变轮胎与地面的接触点及作用力点，直接影响轮胎的附着力及磨损状况。车辆外倾角的设计改变了车重在车轴上的受力分布，避免轴承产生异常磨损。此外，外倾角的存在可用来抵消一部分车身荷重后及悬架系统机件变形及活动面间隙所产生的角度变化。过大的外倾角不利于自动回正，也降低了转弯的稳定性，在车辆向上跳动的过程中车轮上端朝内运动，下落过程中车轮绕着中心上端朝外下端朝内运动，保证了跳动过程中的行驶稳定性。这也满足了汽车行驶和转弯的要求，在转弯的过程中车轮随车身一起倾斜，车身外侧车轮相对地面向正的外倾角方向变化，从而降低了承载较高一侧的车轮的侧偏性能，利用跳动过程中，轮胎的外倾角特性使上下端面的运动对它进行了补偿，增加了稳定性平顺性，所以要求有较小的外倾角变化幅度，优化后幅度变为（-0.3192，2.5256）比优化前的（2.2634，5.1508）小，而且区间段值小了，便于后期维护保养。

主销后倾的作用是保持汽车直线行驶的稳定性，使前轮具有回正能力。在中高速行驶中保持汽车直线行驶的稳定性，适当的加大主销后倾角可以帮助转向轮自动回正，可有效扼制转向器的摆振，可使转向变轻，从图中可知主销后倾角优化后变大满足中高速行驶要求。

五、结语

运用虚拟样机技术在虚拟环境中真实地模拟机构的运动状况，对多种设计方案进行快速分析，直至获得最优化设计方案。本文建立了麦弗逊前悬架模型，进行了平行轮跳仿真，分析了轮跳对悬架参数的影响。对悬架部分硬点进行优化，使汽车行驶时轮跳对车轮定位参数的影响最小，较好地解决了悬架系统存在的不合理性，提高了悬架系统的运动学特性。Adams/Car、Adams/Insight、Adams/PstPocessor综合分析可以快速、高效地对悬架进行运动学仿真分析和优化设计，有利于生产指导。

参考文献：

[1] 陈焕江 汽车检测与诊断（第三版）[M]北京：机械工业出版社，2017

[2] 魏道高 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（12）：1595～1597

[3] 廖抒华  Adams/Car与Insight 在汽车前悬架仿真与优化中的联合应用[J]机械设计与制造，2010

[4] 苏建成 基于ADAMS 的双横臂独立悬架仿真与优化[J]机械设计与制造，2009

[5] 陈军 MSC.ADAMS 技术与工程分析实例[M]北京：中国水利水电出版社，2008

[6] 陈文化 ADMAS2007 机构设计与分析范例[M]北京：机械工业出版社，2013

[7] 姜立勇 凯越轿车底盘动力学建模与仿真[D].吉林大学学报，2007

[8] 范成建 虚拟样机软件MSC.ADAMS 应用与提高[M]北京：机械工业出版社，2006

作者简介：

苏清茂（1980-），男，四川南充，讲师，硕士，主要研究领域：车辆工程

（作者单位：四川工商学院电子學院）