王 南，郝莉紅，張莉婷，張 俊

（河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，河北邯鄲 056038）

基于ADAMS/View的雙橫臂獨(dú)立懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

王 南，郝莉紅，張莉婷，張 俊

（河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，河北邯鄲 056038）

采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，借助于ADAMS/View軟件這個(gè)操作平臺(tái)，針對(duì)某轎車(chē)的雙橫臂獨(dú)立懸架建立了多體動(dòng)力學(xué)模型并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，獲得了前輪定位參數(shù)（前輪外傾角、前輪前束值、主銷(xiāo)內(nèi)傾角及主銷(xiāo)后傾角）隨車(chē)輪上下跳動(dòng)的變化規(guī)律，為汽車(chē)懸架系統(tǒng)的優(yōu)化提供了良好的理論依據(jù)。

雙橫臂獨(dú)立懸架；建模；仿真；ADAMS/View

隨著人們生活水平的提高，汽車(chē)已經(jīng)成為人們的代步工具之一，為此人們對(duì)汽車(chē)行駛的平順性、操作穩(wěn)定性和安全性提出了更高的要求。懸架是汽車(chē)的主要組成部分，它對(duì)汽車(chē)的平順性、穩(wěn)定性有著重要的影響。由于在實(shí)際中對(duì)懸架的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、定型等耗費(fèi)周期長(zhǎng)且成本高，所以可以運(yùn)用ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)解決此問(wèn)題，并且能夠獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。筆者運(yùn)用ADAMS/View模塊，根據(jù)汽車(chē)設(shè)計(jì)理論，建立某車(chē)型的前輪雙橫臂獨(dú)立懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并進(jìn)行仿真分析，為汽車(chē)懸架系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)提供一種方法。

1 ADAMS軟件概述

ADAMS軟件是以虛擬設(shè)計(jì)思想、復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)基本理論方法和拓?fù)浼夹g(shù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)環(huán)境下進(jìn)行的多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的仿真分析。目前在這一領(lǐng)域，由美國(guó) MSC公司研發(fā)的 MSC.ADAMS軟件受到了大家的青睞，該軟件可用于汽車(chē)、工程機(jī)械、鐵道、船舶、航空航天等。

2 雙橫臂獨(dú)立懸架模型的建立

在建立該模型之前，先對(duì)前懸架雙橫臂獨(dú)立模型作一些簡(jiǎn)單必要的簡(jiǎn)化和假設(shè)［1］：

1）汽車(chē)懸架的雙橫臂簡(jiǎn)化為一個(gè)多剛體系統(tǒng)，系統(tǒng)各個(gè)構(gòu)件均為剛體，忽略零部件的彈性；

2）所有構(gòu)件之間的連接都簡(jiǎn)化為鉸接，內(nèi)部間隙忽略不計(jì)；

3）各運(yùn)動(dòng)副間的摩擦力忽略不計(jì)；

4）減震器與螺旋彈簧分別簡(jiǎn)化為線性阻尼和彈簧；

5）輪胎簡(jiǎn)化為剛性體。

根據(jù)以上假設(shè)，以表1提供的懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)空間的主要位置點(diǎn)坐標(biāo)，建立了雙橫臂獨(dú)立懸架模型，如圖1所示。

表1 懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)空間主要位置點(diǎn)坐標(biāo)值Tab.1 Coordinates of main position points of suspension steering mechanism space mm

圖1 雙橫臂獨(dú)立懸架仿真模型Fig.1 Simulation model of doublewishbone suspension

因汽車(chē)基本上為縱向?qū)ΨQ(chēng)結(jié)構(gòu)，所以只需建立懸架的1/2模型。其中創(chuàng)建的模型包括主銷(xiāo)、拉臂、上/下橫臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向拉桿、車(chē)輪及測(cè)試平臺(tái)。該模型共包括8個(gè)活動(dòng)構(gòu)件、2個(gè)旋轉(zhuǎn)副（分別用于上、下橫臂和車(chē)身的約束）、4個(gè)球副（分別用于上、下橫臂和主銷(xiāo)的約束、轉(zhuǎn)向拉桿和拉臂的約束、轉(zhuǎn)向拉桿和車(chē)身的約束）、3個(gè)固定副（分別用于拉臂和主銷(xiāo)的約束、轉(zhuǎn)向節(jié)和主銷(xiāo)的約束，以及車(chē)輪和轉(zhuǎn)向節(jié)的約束）、1個(gè)移動(dòng)副（為測(cè)試平臺(tái)與地面的約束）和1個(gè)點(diǎn)－面約束副（為車(chē)輪與測(cè)試平臺(tái)的約束）。

3 雙橫臂懸架模型的仿真分析

把懸架在跳動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)向輪定位參數(shù)所發(fā)生變化的規(guī)律稱(chēng)之為懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)特性［2］。轉(zhuǎn)向輪的定位參數(shù)有前輪外傾角、前輪前束值、主銷(xiāo)內(nèi)傾角、主銷(xiāo)后傾角。

筆者將在ADAMS/View模塊里建好的前懸架模型與測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行裝配，選擇測(cè)試平臺(tái)和大地的移動(dòng)副約束添加直線驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)表示車(chē)輪受到的地面激勵(lì)作用，驅(qū)動(dòng)函數(shù)為D＝100sin（360t），經(jīng)仿真分析得到圖2所示的運(yùn)動(dòng)結(jié)果。

圖2 主銷(xiāo)內(nèi)傾角隨車(chē)輪跳動(dòng)的變化曲線Fig.2 Value of kingpin inclination angle with shaking wheel

主銷(xiāo)軸線與地面垂直線在汽車(chē)橫向平面內(nèi)的夾角被稱(chēng)為主銷(xiāo)內(nèi)傾角［2］。它的作用如下：1）使車(chē)輪自動(dòng)回正；2）可以減少轉(zhuǎn)向時(shí)加在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力，使轉(zhuǎn)向操縱輕便。由圖2可知主銷(xiāo)內(nèi)傾角的變化范圍是9.90°～11.75°。

主銷(xiāo)軸線和地面垂直線在汽車(chē)縱向平面內(nèi)的夾角叫主銷(xiāo)后傾角［3］。主銷(xiāo)后傾角的主要作用是當(dāng)轉(zhuǎn)向輪受到外力而發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，它可以產(chǎn)生穩(wěn)定力矩，使車(chē)輪自動(dòng)回正，提高轉(zhuǎn)向操縱的穩(wěn)定性。主銷(xiāo)后傾角隨車(chē)輪跳動(dòng)的變化曲線見(jiàn)圖3。由圖3可知后傾角的變化范圍是2.536 5°～2.552 5°。

通過(guò)車(chē)輪中心的汽車(chē)橫向平面與車(chē)輪平面的交線和地面垂線之間的夾角叫前輪外傾角［3］。其主要作用如下：1）使車(chē)輪磨損均勻，減輕輪轂外軸承的負(fù)荷；2）可與拱形路面相適應(yīng)。前輪外傾角隨車(chē)輪跳動(dòng)的變化曲線見(jiàn)圖4。由圖4得前輪外傾角的變化范圍是－0.74°～1.05°。

汽車(chē)2個(gè)前輪安裝后，在通過(guò)車(chē)輪軸線而與地面平行的平面內(nèi)，2個(gè)車(chē)輪前段略向內(nèi)束的現(xiàn)象稱(chēng)為前輪前束；左右2個(gè)車(chē)輪前邊緣距離與后邊緣距離之差稱(chēng)為前輪前束值［3］。前輪前束作用：抵消外傾引起的滑動(dòng)，保證2個(gè)前輪無(wú)滑動(dòng)地向前運(yùn)動(dòng)。前輪前束值相對(duì)于車(chē)輪跳動(dòng)的變化曲線見(jiàn)圖5。由圖5可知前輪前束值的變化范圍是－0.5～0.2。

對(duì)以上各性能曲線進(jìn)行分析，在車(chē)輪上下跳動(dòng)量為100 mm的行程內(nèi)，前輪的4個(gè)定位參數(shù)均較為合理，其變化趨勢(shì)符合理論要求，懸架性能好，可以保證汽車(chē)具有良好的操作穩(wěn)定性與行駛平順性［4－10］。

圖5 前輪前束值相對(duì)于車(chē)輪跳動(dòng)的變化曲線Fig.5 Value of toe－in angle with shaking wheel

4 結(jié) 語(yǔ)

應(yīng)用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，借助于ADAMS軟件中ADAMS/View模塊對(duì)某型轎車(chē)的雙橫臂獨(dú)立懸架進(jìn)行了建模，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，運(yùn)動(dòng)直觀，仿真效果良好，提高了設(shè)計(jì)精度和設(shè)計(jì)效率，為今后的相關(guān)研究提供了參考。

［1］李瑜婷，趙治國(guó)，章 銅.基于ADAMS的雙橫臂獨(dú)立懸架性能多指標(biāo)優(yōu)化研究［J］.中國(guó)制造業(yè)信息化，2009，38（17）：30－34.

［2］張洪欣.汽車(chē)設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

［3］臧 杰.汽車(chē)構(gòu)造（下冊(cè)）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［4］石博強(qiáng)，申焱華，寧曉斌，等.ADAMS基礎(chǔ)與工程范例教程［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

［5］劉 虹，王其東，湯傳玲.基于ADAMS雙橫臂獨(dú)立懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析［J］.機(jī)械與電子，2006（9）：61－62.

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［7］鄭建榮.ADAMS——虛擬樣機(jī)技術(shù)入門(mén)與提高［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［8］李 軍，刑俊文，覃文浩.ADAMS實(shí)例教程［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

［9］余志生.汽車(chē)?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

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Kinematics simulation of double－wishbone suspension based on ADAMS/View

WANG Nan，HAO Li－h(huán)ong，ZHANG Li－ting，ZHANG Jun
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Hebei University of Engineering，Handan Hebei 056038，China）

The multi－body model of double－wishbone independent suspension is built by use of virtual prototyping technology and the mechanical system dynamics analysis software ADAMS/View.Through kinematics simulation，analysis of the alignment（camber，toe－in angle，kingpin inclination and caster）and its change rule with the up and down of the wheel is obtained，which provides a theoretical basis for sptimizction of vehicle suspension system.

double－wishbone suspension；modeling；simulation；ADAMS/View

TH113.2

A

1008－1534（2012）04－214－03

2011－11－25；

2012－04－20

馮 民

王 南（1957－），男，河北昌黎人，教授，博士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論方面的研究。