基于ADAMS的麦弗逊式悬架运动学分析

摘 要：汽车悬架看似结构简单实则内部包含着许多种力的作用，会影响着汽车的稳定和安全。本文主要用ADAMS中的Car模块对麦弗逊悬架系统进行运动学分析，从而降低了设计人员的研发周期，有效降低了生产成本。

关键词：悬架;稳定性;运动学

1 引言

从汽车的操作稳定性、乘坐和驾驶舒适性和安全性来说，改善汽车的悬架是做简单有效的方法。利用虚拟样机技术软件ADAMS中的Car模块对麦弗逊悬架系统进行运动学分析，从而降低了设计人员的研发周期，有效降低了生产成本，节约了人力资源，加快了汽车工业的发展，因此，基于ADAMS麦弗逊悬架的运动学分析是十分有现实意义的。

2 麦弗逊式悬架的研究概况

到目前为止，国外对于麦弗逊悬架的研究已经到了非常成熟的阶段。在《汽车悬架》一书中就详细的介绍了麦弗逊悬架的结构特点和一些主要参数和汽车使用性能与各个定位参数之间的关系。

3麦弗逊式悬架模型的建立

3.1 ADAMS簡介

ADAMS/CAR，ADAMS/CHASIS，ADAMS/DIRVELINE主要是与汽车某个零部件设计相关的专业模块。对于ADAMS来说，ADAMS/CAR和ADAMS/POSTPROCESSOR两个模块就足够我们应对运动学分析了，而其中ADAMS/POSTPROCESSOR这个后处理模块用起来相对比较简单，所以我们的主要精力应该是在ADAMS/CAR上，当然本文的麦弗逊悬架也主要在ADAMS/CAR上建立。

3.2模型的建立

本课题运用ADAMS/Car并结合相关试验检测出的数据进行建模，具体如下：

1）通过试验检测等，得到参数。

2）根据设计车的前悬架的各个部件的相对位置关系。

3）初步选定重要零部件。

4）定义初始状态外倾角与前束角。

5）建立悬架等模块。

4运动学仿真分析

4.1模型简化

在进行模型运动学分析之前为了分析方便，我们先对模型进行简化和假设，简化结果如图1所示。

在分析麦弗逊悬架时我们要把它分为左右两个部分，因为前面我们说麦弗逊悬架是属于独立悬架，它的左右两边悬架结构特性是不一样的，这里本文就简化分析右边悬架，悬架刚体部件之间的运动副涉及到：球铰（转向节总成-下三角控制臂、转向节总成-转向横拉杆）;旋转副（下三角控制臂-车架、转向节总成-车轮）;圆柱副（转向节总成-减震器上体）;万向节副（减震器上体-车身、转向横拉杆-转向齿条）;移动副（）;固定副（转向齿条-车身）;固定副（车架-车身）。

由上式可知，麦弗逊一边悬架有三个自由度所有可以在三个方向上运动，车轮的z轴方向的跳动、车轮绕主销轴线的转动和车轮绕着车轴的转动。

本文采用ADAMS软件库中已经建立好的标准悬架虚拟实验台对悬架的右边车轮定位参数随右侧车轮上下跳动量的变化进行分析并得出关系曲线图。

4.2 双轮同向跳动时车轮前束角分析

首先，给定虚拟实验台一个假设值，虚拟实验台施加一个驱动约束，使车轮同向上下跳动正负为50mm。通过前面数值设置进入完成仿真之后，在软件的 ADAMS/PostProcessor中得到前束角随轮跳变化Toe Change如下图2中a图，wheel travel的上下跳动值在横坐标上表示单位mm，angle大小在纵坐标表示单位deg。

对上图进行分析可知，选择合适的前束角可以减缓由于车轮外倾角引起的向外运动特性，使车辆在直线行驶方向上得到补偿，使车轮明显减少因行驶过程中发生较大外倾而产生的磨耗量。在设计四轮定位参数时，一般要求设计满足在轮跳工况发生时车轮前束角的其变化范围最小原则。正常来说，在车轮100mm的跳动范围之内时，前束角的变化量在0.02°～0.16°左右，由分析知该悬架前束角变化范围为-0.282°～0.219°，不符合设计要求。

4.3 双轮同向跳动时车轮外倾角分析

与上节相同步骤得出车轮外倾角随轮跳变化如图b所示。分析可知，外倾现象是驾驶汽车在转弯时，汽车由于在较大的离心力作用下发生的车轮侧偏现象，这样对汽车的行驶稳定性有很大的影响，而影响车轮使用寿命，我们可以用更加合理的外倾角设计来最大限度的平衡它。

在设计四轮定位参数时，正常情况下要求汽车在工作中车轮的跳动时车轮外倾角应该满足变化范围最小原则。上图的外倾角变化量范围为-0.821°～0.655°，0.01476°/mm为外倾角的特性值变化幅度，设计时应在（0.003°～0.015°）/mm的设计要求范围内。

4.4双轮同向跳动时车轮主销后倾角分析

主销后倾角随轮跳变化如图c所示。分析可知，在车辆行驶的过程中受到凹凸不平的路面载荷冲击产生转向时，主销后倾角应能够引起与车辆转向相反的力矩来满足车辆直线行驶的需求。所以，为了让车辆在运动过程中能有比较好的操作稳定性，在设计应该尽量满足主销后倾角的最小变动原则。

4.5 双轮同向跳动时车轮主销内倾角分析

主销内倾角随轮跳变化kingpin inclination Change如图d所示。分析可知，通过主销内倾角的设计可以使车辆在慢速行驶是有较大的回正能力，然后内倾角越大，在车辆行驶时车轮的自动回正能力越好，但是对于驾驶员来说转向也更加困难，同时转向对车辆轮胎的磨损也会增大。在车辆快速行驶时对于前轮起回正作用的主要是主销后倾，而当车辆在慢速则主要是主销内倾起回正作用。正常情况下为防止转向的沉重增加驾驶疲劳感，在设计主销内倾角是一般满足7°～ 13°的要求。

参考文献

[1] 伊鸿慧.许沧粟. 车辆操纵稳定性评价方法及其在车辆基本结构参数设计中的应用[J]. 机械设计与制造.2006.11：12-17.

[2] 贾长建.基于ADAMS的麦弗逊式悬架运动学仿真分析与优化设计[D].西宁：长安大学.2015：211-235.

作者简介：王圣斌（1986.06-），男，汉族，安徽濉溪人，讲师，硕士，主要研究方向为机械工程。

基金项目：本文系安徽文达信息工程学院自然科学研究项目“基于ADAMS的麦弗逊式悬架系统运动学仿真分析与优化设计”（项目编号：XZR2018B02）