基于ADAMS的客车独立前悬架仿真及优化

路 斌，杜胜凯，胡化增，邓 建，李一鸣

(1.中通客车股份有限公司，山东 聊城 252000；2.山东理工大学，山东 淄博 255049)

悬架是客车的重要组成部分，悬架系统的设计直接影响着客车操纵稳定性和轮胎的使用寿命等。因此，改善悬架系统性能对提高客车的品质有重要意义。本文以某款12 m客车的双横臂独立前悬架为例，采用双轮平行跳动工况进行仿真，利用Insight模块对悬架硬点坐标进行灵敏度分析及优化，为改善悬架系统性能提供参考依据。

1 前悬架的仿真分析

1.1 建立独立前悬架仿真模型

该前悬架主要由空气弹簧、上下控制臂、减振器和横向稳定杆组成。本文分析的车辆为满载状态，基本参数如下：前束角0.15°，外倾角0.22°，主销后倾角2.3°，主销内倾角7.5°，轮距2 130 mm，轴距6 200 mm，轮胎自由半径515 mm，轮胎垂向刚度1 059 N/mm，满载前轴荷6 317 kg。所采用的空气弹簧及减振器的特性曲线分别如图1和图2所示。根据以上基本参数及悬架硬点坐标、部件的质量、部件之间的连接关系等，通过ADAMS/Car建立该款车型的双横臂独立前悬架的仿真分析模型如图3所示。

图1 空气弹簧特性曲线

图2 减振器特性曲线

图3 独立前悬架仿真分析模型

1.2 仿真分析

采用双轮平行轮跳工况对模型进行仿真，设定仿真步数为100，车轮上、下跳动量均为50 mm(分别记为±50 mm)，左右车轮运动方向相同。仿真结束后，在后处理模块查看前轮各参数随轮跳行程的变化曲线，整理得到各参数随轮跳的变化范围，见表1。

表1 双轮平行轮跳仿真结果

车轮跳动时，前轮定位参数的变化影响着车辆的稳态响应及操纵性能。参照文献[5-8]和设计经验，车轮在-50 mm～50 mm范围内跳动时，前轮前束角、外倾角、主销后倾角和主销内倾角的推荐范围分别为(-0.5～0.5)°、(-2～0.5)°、(0～3)°和(7～13)°。表1的仿真结果显示，前束角和外倾角变化范围偏大，超出推荐范围，对客车行驶的操纵稳定性和轮胎磨损都有负面影响。因此，需要对该前悬架进行优化设计。

2 独立前悬架的优化设计

2.1 确定设计变量和优化方法

根据上述分析，确定前束角和外倾角为优化目标。首先采用全因子设计算法对相关参数进行灵敏度分析，然后在相关参数的理想范围内，根据影响程度的大小确定设计变量。

结合设计要求，经多次仿真分析及悬架布置确定下摆臂外安装点的坐标、下摆臂前安装点的坐标、上摆臂前安装点的坐标、上摆臂前安装点的坐标、上摆臂后安装点的坐标、上摆臂外安装点的坐标6个参数(以下分别称为A～F)作为设计变量，设计变量的变化范围均为±10 mm。

仿真优化策略采用DOE响应面分析法，仿真结束后查看该模型拟合精度指标值(见表2)。表中R2代表回归模型的平方和与原始数据的平方和之比，R2在0～1之间取值，取值越高代表拟合效果越好；R2adj表示回归模型预测值的均方值与原始数据均方值之比，R2adj一般小于R2，如果R2很高而R2adj很低，表明模型有多余的项，应当去掉；P表示拟合模型中无用的表达式项数，P=0意味着所有项均与响应相关，拟合函数中变量的相关响应度很好；R/V表示模型计算值与原始数据点之间的关系，该值越大越好，大于10即可表明模型的预测结果较好。

表2 拟合精度指标

从表2中可看出R2与R2adj的值均大于0.9,R/V的值均大于10，表明该模型的拟合精度高，符合要求。

2.2 灵敏度分析

各设计变量(参数A～F)对优化目标的影响灵敏度见表3。表3中的正、负值分别代表响应与因子成正比和反比，绝对值越大，表明该参数对于响应的灵敏度越大。

表3 设计变量对优化目标的影响灵敏度 %

在Insight优化界面中，根据设计变量对优化目标灵敏度的大小调节设计变量值，得到优化目标的变化在推荐范围内时的硬点坐标。表4为优化前后设计变量变化对比。

表4 设计变量优化前后对比

2.3 优化结果仿真对比分析

根据表4优化后的各硬点坐标，在ADAMS/Car中对模型进行相应调整，再次进行上、下各50 mm的平行跳动工况仿真，结果如表5、图4至图7所示。

表5 双轮平行轮跳优化后仿真结果

图4 前束角对比图5 外倾角对比

图6 内倾角对比图7 后倾角对比

对比表1、表5和图4至图7可知：

1) 理想设计要求：前束角随车轮上跳行程的增加应逐渐减小至负值(微弱变化)，随车轮下跳行程的增加应逐渐增大，这将有利于转向稳定。优化后的曲线变化趋势更加合理，前束角的变化范围也减小了0.58°，提升了汽车的直线行驶性能，并能够降低汽车行驶中轮胎的磨损程度。

2) 一般希望外倾角随车轮上跳行程的增加向负方向变化，随车轮下跳行程的增加向正方向变化，以提升汽车的直线行驶能力。优化后的外倾角曲线变化趋势更为合理，且变化范围减小了0.7°，能够提升汽车直线行驶的稳定性。

3) 一般希望主销内倾角和后倾角随车轮上跳行程的增加都有增大趋势，随车轮下跳行程的增加都有减小趋势，且变化范围越小越好，以有利于汽车转向回正。优化后的两者曲线变化趋势更为合理，主销内倾角变化范围减小了0.21°，能够改善汽车的低速回正性能；后倾角变化范围减小了0.24°，能够提升汽车高速行驶的转弯回正性能。

综上所述，优化后的各参数变化范围均满足设计推荐要求，且变化趋势更加合理，有利于改善悬架性能。

3 结束语

本文利用ADAMS/Car模块建立了某款12 m大客车双横臂独立前悬架模型，并对其进行了双轮平行跳动工况仿真；采用ADAMS/Insight模块，对悬架硬点坐标进行了灵敏度分析和优化设计，为之后的悬架设计提供参考。