基于ADAMS/Insight的汽车双横臂前悬架仿真与优化研究

康学忠

（重庆工业职业技术学院 车辆工程学院，重庆 401120）

双横臂独立悬架在乘用车上有广泛应用，其导向机构设计的合理与否，直接影响着悬架的性能好坏以及轮胎磨损严重与否[1-2]。

本文以某乘用车双横臂前悬架为研究对象，在ADAMS/Car模块中建立其多体动力学虚拟样机模型，进行双轮平行跳动试验，在ADAMS/Postprocessor中对前轮定位参数随轮跳的响应进行研究，针对不合理的车轮定位参数，在ADAMS/Insight模块中优化设计。

1 悬架虚拟样机模型的建立

本文调用ADAMS/Car提供的子系统标准模板库中的双横臂悬架模板，根据已有的硬点参数对模型进行修改[3-4]，得到虚拟样机仿真模型，如图1所示。建模涉及的整车参数、悬架硬点参数值见表1、表2。

图1 双横臂悬架虚拟样机模型

表1 某汽车整车参数

表2 前悬架左侧关键硬点坐标值

2 仿真结果

ADAMS/Car中双轮平行跳动试验可以获得悬架定位参数随轮跳变化规律，试验步数100，仿真模式为交互式（interactive），车轮向上跳动量50 mm，向下跳动量设置为-50 mm，完成仿真后，在ADAMS/Postprocessor模块中得到悬架定位参数随轮跳变化的曲线[3]。主要从车轮前束角、车轮外倾角、主销后倾角以及主销内倾角4个参数进行分析。前悬架理想的性能参数变化范围[5-6]要求如下。

前束角随轮跳有过大变化，会降低汽车行驶稳定性、增大轮胎滚动阻力、增大轮胎磨损，因此，前束要求变化率-0.5°/50 mm轮跳以内。

外倾角应保持在最小的变化范围内变化，一般理想的外倾角的变化范围为（-2°～2°）/±50 mm轮跳，最好是在（-1°～0.5°）/50 mm上跳。

主销后倾角，对于前置前驱车辆，其合理变化范围为（1°～7°）/±50 mm轮跳。

主销内倾角，合理的变化范围为（7°～13°）/±50 mm轮跳。

由表4可知，前束角变化范围-0.53°～1.81°，变化量是 2.34°，超出理想范围，需要优化。车轮外倾角的变化范围-1.02°～0.33°，变化量是1.35°。满足设计要求，变化量还是较大，需要优化。

主销后倾角的变化范围为5.29°～5.58°，变化量小，符合设计要求。主销内倾角的变化范围为9.52°～11.08°，变化量为1.56°，变化量偏大，需要优化。

由上述分析可知，部分悬架定位参数随轮跳的变化规律不理想，需对该悬架进行优化设计。

3 双横臂前悬架优化

3.1 双横臂悬架优化

ADAMS/Insight模块中有若干优化策略（Investigation Strategy, IS）及优化算法（DOE design type），优化策略本文选择二阶响应面法，优化算法选择D-optimal算法[6]。

在ADAMS/Insght中进行优化设计：主销偏移距、主销内倾角、车轮外倾角、前束和主销后倾角这5个悬架定位参数作为优化目标，选择对双横臂前悬架定位参数影响较大的12个硬点坐标值[5]作为设计变量（坐标见表4），每个变量的扰动范围在-10 mm～10 mm，共进行256次仿真。

12个因子对5个优化目标的影响如图2—图6所示，选出对优化目标影响很小的3变量（hpl_lca_front.y；hpl_lca_rear.y；hpl_uca_front.y），在ADAMS/Insght优化界面对这三个因子固定，根据灵敏度分析和重点优化对象，选择合适的优化目标权重进行优化，结果如表3所示。

图2 12个因子对外倾角的灵敏度的影响程度

图3 12个因子对后倾角的灵敏度的影响程度

图4 12个因子对主销内倾角的影响程度

图5 12个因子对主销偏移距的影响程度

图6 12个因子对前束角的影响程度

表3 重要硬点优化结果

3.2 优化前后的结果分析

双横臂前悬架为左右对称结构，在平行轮跳试验中左、右车轮定位参数相同，下文将仅讨论左前轮的仿真结果。

优化前、后悬架定位参数变化范围如表4所示，下文具体分析。考虑悬架各定位参数之间相互影响，一个参数得到优化的同时，其他某几个参数可能会出现不如优化之前好的情况。

3.2.1 外倾角

图7为外倾角仿真结果，结合表4，分析可知，优化结果满足设计要求（见上文），优化后外倾角变化量的减少量为0.38°，占优化前外倾角变化量的28%，优化效果明显。

表4 优化前后悬架定位参数变化范围表

3.2.2 主销后倾角

主销后倾角仿真结果如图8所示，结合表4，分析可知，优化结果满足设计要求（见上文），且优化后后倾角变化量的减少量为0.17°，占优化前后倾角变化量的59%，得到了良好的优化效果。

图7 车轮外倾角仿真结果

图8 主销后倾角仿真结果

3.2.3 车轮拖距

车轮拖距仿真结果如图9所示，优化后拖距变化量减少了2.01 mm，占优化前拖距变化量的74%，取得了理想的优化效果。

图9 车轮拖距仿真结果

3.2.4 主销内倾角

主销内倾角仿真结果如图10所示，结合表4，分析可知，优化结果满足设计要求（见上文），且优化后内倾角变化量的减少量为0.58°，占优化前内倾角变化量的37%，对主销内倾角的优化取得了良好效果。

图10 主销内倾角仿真结果

3.2.5 车轮前束角

前束角仿真结果如图11所示，结合表4，分析可知，优化结果满足设计要求（见上文），且优化后车轮前束角变化量的减少量为1.42°，占优化前的前束角变化量的61%，对前轮前束角的优化取得了良好效果，有益于提升车辆操稳性能。

图11 车轮前束角仿真结果

3.2.6 主销偏移距

乘用车主销偏距设计要求为（-18,79）mm，且主销偏距选用负值可减小制动跑偏。

主销偏移距仿真结果如图12所示，优化后主销偏移距变化量增加了0.02 mm，占优化前主销偏移距变化量的1.6%，主销偏距优化前后的变化量几乎不变，优化后主销偏距为负值，在合理范围内，符合设计要求。

图12 主销偏移距仿真结果

3.2.7 轮距变化量

轮胎拖距仿真结果如图13所示，优化后轮距变化量减少了0.8 mm，占优化前轮距变化量的7.9%，有一定的优化效果，提升了车辆操稳性能且降低了轮胎磨损。

图13 轮距仿真结果

3.2.8 转向角

车轮转向角仿真结果如图14所示，结合表4，分析可知，优化后车轮转向角变化量的减少量为1.42°，占优化前的转向角变化量的61%，优化效果显著。

图14 转向角仿真结果

小结：上述优化过程表明，优化后，预定的悬架优化目标（前束角、外倾角、主销内倾角、主销偏移距和主销后倾角）取得优化的同时，其他悬架定位参数（车轮拖距、轮距变化量和转向角）也得到了优化，悬架性能得到改善。

4 结语

在ADAMS/Car模块中，通过修改标准模板中相关参数，建立某乘用车双横臂前独立悬架虚拟样机模型，进行车轮平行轮跳试验，在ADAMS/Postprocessor中得到悬架定位参数随轮跳的变化规律。在ADAMS/Insight模块中，进行优化设计，仿真结果显示，经过优化，改善了悬架定位参数，提升了悬架性能表现。本文研究对双横臂悬架的优化设计工作具有一定的参考意义。