基于某SUV车型汽车悬架系统结构优化设计仿真

刘勇进　张雅哲

摘 要：根据某SUV车型悬架结构提取硬点坐标，运用 ADAMS/Car 建立了汽车的麦弗逊前悬架运动学模型，进行K特性仿真分析，通过ADAMS/Processor查看相应的变化曲线，分析了其定位参数主销后倾角、主销内倾角的变化范围。对于仿真结果中出现的变化范围过大的问题，采用 ADAMS/Insight 进行硬点的优化设计。优化后，由车轮跳动所引起的车轮外倾角和主销内倾角的变化范围得到减小，且其它悬架参数变化均在允许范围内，使整车性能得到提升。

关键词：悬架系统;ADAMS/Car;K特性分析;优化设计;定位参数;ADAMS/Insight

1 引言

悬架系统是指车身、车架和车轮之间的一个连接结构系统，而这个结构系统包含了减震器、悬架弹簧、防倾杆、悬吊副梁、下控制臂、纵向杆、转向节臂、橡皮衬套和连杆等部件。当汽车行驶在路面上时因地面的变化而受到震动及冲击，这些冲击的力量其中一部分会由轮胎吸收，但绝大部分是依靠轮胎与车身间的悬架装置来吸收的。麦弗逊悬架作为其中的一种，其具有结构简单、悬挂重量轻、占用空间小、响应速度和回弹速度快等优点，所以悬挂的减震能力也就较强，而且悬挂质量减轻也意味着簧下质量减轻，那么在车身重量一定的情况下，动力性和舒适性也越好。

本文以某SUV车型汽车麦弗逊前悬架作为研究对象，通过提取三维模型中的硬点坐标在ADAMS/Car中建立动力学仿真模型，并进行双轮同步跳动仿真分析，通过ADAMS/Processor模块查看相应的变化曲线，分析了其定位参数外倾角、主销内倾角的变化范围，然后在 ADAMS/Insight模块中对该悬架车轮定位参数进行优化设计，以摆臂的前点、后点、外点以及减振器上顶点的坐标作为设计变量，进行悬架硬点优化设计，将优化后的硬点坐标输入模型中重新进行动力学仿真，分析优化前后悬架定位参数的变化。

2 麦弗逊悬架动力学仿真模型的建立

根据某SUV车型悬架的设计硬点数据，在三维模型中提取硬点具体坐标，进入 ADAMS/Car 中的Template Builder 模块，通过定义悬架系统的硬点坐标、部件、几何结构 、各部件之间的连接点与运动副和减振元件的参数等，完成麦弗逊悬架系统建模。减振器和弹簧参数都由试验测得，如图1所示。

然后在 ADAMS/Car 中的 Standard Interface 模块下建立 Subsystem 子模块，将其装配成Assembly 模型，使其包括轮胎以及转向系统，如图2所示。

3 麦弗逊悬架 K特性仿真分析

进入ADAMS/Car模块，根据设计参数及其相关数据，设置好Wheel Mass（轮质量）、Spring Mass （簧上质量）、CG Hight（重心高度）、Wheelbase（轮距）、Drive Ratio（驱动方式）、Brake Ratio（制动比）等参数后，进行双轮同向跳动（Parallel Travel）试验，步数设为 100，根据汽车本身设计特性及其路况，将车轮跳动量设置为150mm 和-100mm，仿真完成后，观察仿真动画，确认无误后进入 ADAMS/Post Processor 模块，调入双轮同向跳动绘图配置文件（mdi_suspension_parallel_travel），查看caster_angle（主销后倾角）、kingpin_inclination_angle（主销内倾角）随车轮跳动的变化曲线。如图3、图4所示。

由主销后倾角、主销内倾角随车轮在-100-150mm范围内跳动的变化曲线可知，主销后倾角、主销内倾角的变化范围是不符合要求的。

4 麦弗逊悬架优化设计

4.1 优化设计

主销后倾角：主销轴线与通过前轮中心的垂线之间形成的夹角。主销后倾角的作用是增加汽车直线行驶时的稳定性和在转向后使前轮自动回正，根据仿真分析可知，该主销后倾角需要通过仿真优化将其变化范围减小，根据汽车理论可知，麦弗逊悬架下摆臂的外点坐标和减震器的下支点对于主销后倾角的变化范围影响较大，本文以hpl_lca_outer点为设计变量进行优化设计，在Adams/Car模块建立好优化目标后进入Adams/Insight优化设计模块，在Factors中找到想要优化的hpl_lca_outer点的坐标值promote，在Responses中将优化目标被包含，然后生成工作空间，由图可知，此次优化将进行八次优化设计，构建运行负载 ，直到优化设计完成，得到优化设计曲线，如图5所示，在八次优化设计目标中第七次的值是最优的，进入ADAMS/Post Processor 模块提取第七次优化所对应的坐标值，在Adams/Car模块进行hpl_lca_outer点坐标值的更改，然后再次进行仿真运行。

主销内倾角：铅垂线在垂直于车辆纵向对称平面的平面上的投影锐角。主销内倾角的主要作用是使转向轮自动回正，而影响注销内倾角变化的主要因素为麦弗逊悬架下摆臂的外点和减震器的支点，本文以hpl_strut_lwr_mount为设计变量进行优化设计，在Adams/Car模块建立好优化目标后进入Adams/Insight优化设计模块，在Factors中找到想要优化的hpl_strut_lwr_mount点的坐标值promote，在Responses中将优化目标被包含，然后生成工作空间，构建运行负载 ，直到优化设计完成，得到优化设计曲线，如图6所示，在八次优化设计目标中第四次的值是最优的，进入ADAMS/Post Processor 模块提取第四次优化所对应的坐标值，在Adams/Car模块进行hpl_strut_lwr_mount点坐标值的更改，然后再次进行仿真运行。

4.2 对比分析

进入ADAMS/Post Processor模块，分别将主销后倾角、主销内倾角优化后的结果再次调入绘图配置文件，观察优化前后变化的范围，如图7、图8所示，通过仿真前后的曲线变化可知，通过Adams/Insight模块对硬点的优化设计，仿真后的主销后倾角、主销内倾角变化范围均大幅度减小，满足车辆的基本要求，且其它悬架参数变化均在允许范围内，使整车性能得到提升。

5 結语

本文依据某SUV车型提供的麦弗逊式独立悬架的基本参数，然后通过 ADAMS/Car建立动力学仿真模型，进行双轮同向跳动仿真分析实验，对影响汽车舒适性和操纵稳定性的悬架定位参数进行了仿真分析，得到了主销后倾角、主销内倾角仿真分析变化曲线，针对其变化范围过大的情况，通过 ADAMS/Insight 模块进行设计变量的优化仿真，将优化后的坐标值进行更改后再次进行仿真分析，通过对比分析，可知麦弗逊式独立悬架的性能得到较大改善，从而使得汽车的操纵稳定性和舒适性得到了极大提高。

参考文献：

[1]蔡晓枫，代宣军.基于ADAMS 的麦弗逊汽车悬架仿真分析与优化[J].大众科技，2019.2.

[2]黄文涛，高群.麦弗逊前悬架优化设计[J]. 机械设计与制造，2016.4.

[3]刘惟信，汽车设计（第四版）[M].北京，清华大学出版社，2004.2.