基于ADAMS的麦弗逊悬架减振器侧向力优化研究

王健　薛少科　孙晓帮　冯广权

摘 要：针对某样车的麦弗逊悬架减振器侧向力问题，采用将普通螺旋弹簧替换为C形螺旋弹簧的方法，并结合ADAMS多体动力学仿真软件进行普通螺旋弹簧以及C形螺旋弹簧的1/2车的上下同跳100mm工况下减振器侧向力对比仿真实验，结果显示C形弹簧减振器侧向力为206N，普通螺旋弹簧减振器侧向力为654N，验证了C形螺旋弹簧可以有效降低麦弗逊悬架减振器受到的侧向力，具有一定的工程实际意义。关键词：麦弗逊悬架;侧向力;C形弹簧;ADAMS中图分类号：U463  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）11-70-03

Abstract： For the lateral force of the McPherson suspension damper of a certain car， the method of replacing the ordinary coil spring with a C-shaped coil spring， combined with ADAMS multi-body dynamics simulation software， is used The simulation experiment of the lateral force comparison of the shock absorber under the condition that the 1/2 spring of the coil spring jumps up and down 100mm.The results show that the lateral force of the C-shaped spring shock absorber is 206N and the lateral force of the ordinary coil spring shock absorber is 654N. It is verified that the C-shaped coil spring can effectively reduce the lateral force on the McPherson suspension shock absorber. Certain engineering practical significance.Keywords： McPherson suspension; Lateral force; C-shaped spring; ADAMSCLC NO.： U463  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）11-70-03

前言

麥弗逊悬架由减振器、螺旋弹簧以及下摆臂组成，其中减振器兼做主销[1]，由于特殊的几何结构，其不可避免地受到侧向力作用。悬架减振器在长期往复侧向力的作用下，会引起减振器漏油、活塞杆弯曲、油封与导向套弯曲等失效形式的发生[2]，因此减振器成为了悬架结构中容易损坏的零件。如何减小麦弗逊悬架减振器侧向力从而提高减振器寿命并改善悬架性能已然成为汽车减振器行业的研究重点。目前国内外各大汽车厂商主要通过优化麦弗逊悬架几何结构来改善减振器侧向力。例如：倾斜普通螺旋弹簧[3];偏置普通螺旋弹簧缩小圈;倾斜弹簧座支撑面;采用侧载弹簧代替普通螺旋弹簧等。减小甚至消除麦弗逊减振器侧向力对于提高减振器使用寿命、改善悬架性能，提升驾驶员乘坐舒适性具有重要意义。本文以某样车麦弗逊悬架为研究对象，利用ADAMS/ VIEW多体动力学仿真模块，采用刚柔耦合的方法将线性普通螺旋弹簧替换为等刚度的C形螺旋弹簧，并进行1/2车的上下同跳100mm的减振器侧向力对比仿真实验，对比实验结果并分析C形弹簧对麦弗逊悬架减振器的影响。

1 麦弗逊悬架减振器侧向力分析与悬架结构优化

1.1 麦弗逊悬架减振器的侧向力分析

如图1所示，为麦弗逊悬架受力分析图。将麦弗逊悬架、车轮、车身看做一个整体并以此为研究对象，图1（a），减振器受到W、FC、FA这三个力的作用[4]。其中W为地面给车轮的作用力，方向垂直地面向上;Fc为下摆臂对减振器的作用力，方向由减振器下支点C指向下摆臂后支点D;FA为车身对减振器的作用力。图1（b），根据三力平衡原理，已知W与Fc的大小与方向，可以求得FA的大小与方向。图1（a），由于车身对减振器的作用力FA的方向与减振器轴线方向不共线，存在一定夹角，所以将车身对减振器上支点的作用力FA分解为垂直于减振器轴线方向的FAX以及平行于减振器轴线方向的FAY，图1（c），FAX便是减振器受到的侧向力，FAX可分解为FAX1与FAX2，FAX1为减振器油封与导向套处侧向力，FAX2为活塞处侧向力。减小FAX即为改善麦弗逊悬架减振器侧向力的关键。

1.2 麦弗逊悬架结构优化

将麦弗逊悬架结构中普通螺旋弹簧替换为C形螺旋弹簧（侧载弹簧）可以显著的降低减振器侧向力，侧载弹簧[5]是20世纪90年代由德国人和美国人发明，现已应用在一些车型中。如图2所示，图（a）为C形弹簧自由状态下的形态，可以明显的看出，自由状态下的C形弹簧中心曲线是一段二次曲线，类似英文字母中的字母C，图（b）为工作状态下的C形弹簧的形态，此时C形弹簧由于受到上下弹簧支座的压缩，形状与普通螺旋弹簧无异，但工作状态下的C形弹簧力作用线会与中心线有一个夹角[6]，正是这个夹角的存在使得减振器受C形弹簧给的一个力矩MO，相应的减振器给C形弹簧一个反方向的力矩MU，C形弹簧作用于减振器的力矩MO可以抵抗上文减振器受到的侧向力FAX，当力矩MO在合适的大小时，便可以减小甚至完全抵消减振器受到的侧向力FAX，MO的大小与C形弹簧的中心曲率、弹簧刚度、钢丝直径、自由高度等C形弹簧参数有关，但是由于安装空间的限制以及各种约束，使减振器侧向力FAX降低为0只是理想状态。

2 C形弹簧与普通弹簧1/2车多体动力学建模仿真

2.1 C形弹簧与普通弹簧1/2车多体动力学建模

本文采用ADAMS/VIEW建立1/2车模型，首先简化物理模型，然后根据某样车的硬点坐标以及弹簧的参数来进行创建几何体、建立约束、定义参数等操作，最终建立普通弹簧麦弗逊悬架模型，如图3（a）所示。接着建立要与其对比的C形弹簧麦弗逊悬架模型。首先利用CATIA建立的C形弹簧三维模型，然后将其导入Hyperwork有限元软件中生成C形弹簧的中性体MNF文件，接着将C形弹簧的中性体MNF文件导入到建立好的麦弗逊悬架中，最终得到C形弹簧麦弗逊悬架模型，如图3（b）所示。

2.2 C形弹簧与普通弹簧1/2车多体动力学仿真

仿真结果对比图

在车轮与测试平台的之间的移动副建立驱动来研究车轮的上下跳动[7]，驱动方程为F=100sin（360d.time），此驱动函数模拟车轮在不平路面时的运动状况，且车轮的上下最大跳动量均为100mm。在保证C形弹簧与普通弹簧的刚度一致的前提下，进行普通弹簧与C形弹簧的麦弗逊悬架减振器侧向力对比仿真实验。仿真结果如图4所示。

由图2.2所示，普通弹簧与形弹簧麦弗逊悬架减振器侧向力仿真结果对比图，可以明显地看出，C形弹簧悬架减振器侧向力无论在哪个位置都要比普通弹簧悬架减振器侧向力小，在图中两曲线的转折处，C形弹簧侧向力为209N，而普通弹簧悬架减振器的侧向力为654N。可以证明，相比于普通螺旋弹簧C形弹簧能够有效降低麦弗逊悬架减振器受到的侧向力。

3 总结

通过研究分析麦弗逊悬架减振器结构特点以及侧向力分析，明确麦弗逊悬架减振器侧向力优化方法。借鉴国外汽车专家于20世纪90年代的发明专利，并简明地分析了C形弹簧的工作原理。基于ADAMS多体动力学仿真平台，建立了普通螺旋弹簧麦弗逊悬架模型以及C形螺旋弹簧麦弗逊悬架

模型，在保证C形螺旋弹簧与普通螺旋弹簧刚度一致的基础之上，进行车轮上下100mm同跳仿真，仿真结果显示：相较于普通弹簧麦弗逊悬架减振器侧向力的654N，C形弹簧麦弗逊悬架减振器侧向力为209N，侧向力得到了显著的减小，有助于提高减振器的使用寿命，提高悬架的性能以及驾驶员的乘坐舒适性，具有一定的工程实用价值。

参考文献

[1] 陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2] 周长城.车辆悬架设计及理论[M].北京：北京大学出版社，2011.

[3] 景立新，郭孔辉，芦荡.麦弗逊悬架减震器侧向力优化[J]科学技术与工程.2011.

[4] 薛少科，孙晓帮等.麦弗逊悬架减振器侧向力优化研究综述[J].汽车实用技术，2019，（08）： 56-58.

[5] 柳江，喻凡，楼乐明.麦弗逊悬架侧载螺旋弹簧优化设计[J].汽车工程，2006（08）.

[6] 刘瑶瑶.麦弗逊悬架侧载螺旋弹簧的设计与研究[D].秦皇岛：燕山大学， 2017.

[7] 罗卫平，姜小箐，陈曼华，王珺.基于ADAMS/VIEW汽车前悬架

的建模及仿真[J].汽車实用技术， 2011.06.09.