基于ADAMS的汽车底盘仿真及悬架系统性能优化

王宏磊 张立革

摘 要：用ADAMS进行汽车系统仿真和优化，通过优化汽车前悬架部分参数，结合ADAMS底盘动力模型，使汽车的侧倾中心得到较大的提高，同时也增加了汽车的侧倾角刚度，汽车的侧倾稳定性得到了较好的改善。

关键词：汽车底盘;仿真;前悬架;性能优化

0 引言

SUV相对轿车而言，由于通常采用非承载式车身结构，底盘有坚固的车架，使得SUV在碰撞或者翻车时对乘员有良好的保护作用;同时它的底盘比较高，SUV还具有的良好通过性，所以很受大家的欢迎。但是重心高等特点使得SUV的侧倾稳定性比较差，在避让或转弯时侧翻的事故率很高，这已经成为生产厂家和交通安全部门一个十分头疼的问题。据资料统计，在美国，2004年SUV翻车造成的悲剧在SUV的各类车祸中占到61%，是一般轿车翻车事故死亡率的三倍，所以SUV的安全问题越来越受到人们的关注。这就需要我们采取切实可行的办法来提高SUV的抗侧翻性能。采用传统的设计方法，就必须分析侧翻相关的原因，通常与汽车的侧倾角刚度、侧倾中心高度、簧载质量重心高度、簧载质量有关，但是如果改变悬架的角刚度和侧倾中心，就得改变弹簧刚度和摆臂的控制点位置，而这些改变会引起汽车前轮定位参数的变化，从而影响汽车的操纵稳定性和乘坐的舒适性：这些位置的改变使得汽车侧倾中心高度和对汽车操纵稳定性起着重要作用的汽车前轮定位参数存在着相互制约的因素;汽车的侧倾角刚度又和汽車的平顺性相互制约。所以就要经过大量的计算并对各组计算结果进行比较，不仅工作量大，还很难得到最优解。这就需要一个仿真软件来分析悬架参数的改变对汽车各方面性能的影响，寻求解决问题的办法，优化悬架系统性能，然后再根据仿真数据进行样车制作，以减少试验次数，缩短开发周期，降低开发成本。

ADAMS就是目前国际上使用最为普遍的一种汽车动力学仿真软件，它可以对汽车进行静力学、运动学和动力学分析。借助此软件，可以建立复杂机械系统的“虚拟样机”模型，模拟现实工作条件下所有运动情况，并且快速分析比较多种设计方案，直至获得最优设计，从而明显减少昂贵的物理样机的制造数量，提高产品设计水平，大幅度缩短产品开发周期和降低开发成本。所以在这里主要讨论ADAMS的基本理论、悬架的数学模型并用该软件优化汽车悬架的实例等。

1 ADAMS仿真软件介绍

不同的系统仿真模型，需要采用不同求解器求得数值解。ADAMS软件的常用求解器有多个，可以针对模型的不同，选择相应的求解器。在概念设计阶段，研究设计人员通过多体分析软件能够迅速建立整个研究对象的虚拟样机。在ADAMS软件中，使用ADAMS/View软件提供的部件库与布尔运算器，研究设计人员可以方便地在ADAMS/View界面产生各种形状的零部件。在模型的物体之间，通过联接件库、运动发生器以及广义力和力矩施加约束，建立系统的动力学研究模型。同时可以为研究人员提供各种动力学分析专用模块。对于汽车研究人员来说，众多的专用模块，如ADAMS/Car～供轿车动力学分析模块，ADAMS/Android提供人体模型，ADAMS/Tire提供轮胎模型，ADAMS/Vehicle提供悬架模型，ADAMS/Engine提供发动机建模模块，ADAMS/Hydraulic提供液压传动系统建模模块等等，极大地方便了汽车设计阶段的建模与汽车动态仿真分析。

2 建立车辆的ADAMS模型

建立车辆的ADAMS模型一般遵循以下几个典型的基本步骤：

2.1 前悬架模型

前悬架为双横臂螺旋弹簧独立悬架结构：由下摆臂、上摆臂、转向节、减振器构成，各部件质量、惯量信息由CATIA模型给出，上下摆臂与车架之间由两个弹性衬套相连（转动副），上下摆臂与转向节由球副相连，减振器上端与车架由圆柱副相连，减振器下端与下摆臂由弹性衬套相连（为转动副）。

2.2 转向系统模型

各部件质量、惯量信息由CATIA模型给出，该车转向系统为齿轮—齿条式转向系统，由方向盘、转向柱、转向传动轴、转向齿条、转向横拉杆构成。方向盘与转向柱之间为固定副，转向柱与车身间为转动副，转向柱与转向传动轴之间为万向节副，转向传动轴与转向齿条之间为复合副，转向传动轴与车身问为转动副，齿条与转向横拉杆之间为万向节副，转向横拉杆与转向节之间为球副，齿条与车身之间为移动副。

2.3 轮胎模型

轮胎与转向节之间为转动副，在轮胎与地面之间作用六个分力来描述轮胎力学特性。仿真采用了基于轮胎侧偏特性试验数据、考虑侧滑、纵滑联合工况的轮胎侧偏特性理论模型—UA轮胎模型。

3 结论

用ADAMS进行汽车系统仿真和优化，在设计初级阶段有很重要的指导意义，在样车试验阶段又可以很方便的寻找汽车悬架系统参数存在的问题及优化的方向。本文通过优化汽车前悬架的部分参数，结合ADAMS底盘动力学模型，使汽车的侧倾中心得到较大的提高，同时也增加了汽车的侧倾角刚度，汽车的侧倾稳定性得到了较好的改善。通过实车试验验证了仿真的准确性，大大降低了开发周期，减少了开发成本。