王宇星，涂俊波，徐光忠，于海東，曹從杰，李昊軒

（遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧錦州　121001）

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針對懸架運(yùn)動特性的汽車前懸架優(yōu)化設(shè)計(jì)

王宇星，涂俊波，徐光忠，于海東，曹從杰，李昊軒

（遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧錦州121001）

摘要：以某汽車麥弗遜式前懸架作為優(yōu)化對象，針對懸架運(yùn)動特性主要需要考慮的車輪定位參數(shù)變化情況，運(yùn)用多體動力學(xué)軟件ADAMS的多個(gè)模塊對其進(jìn)行了分析以及優(yōu)化處理。對比優(yōu)化前后曲線能發(fā)現(xiàn)，各個(gè)車輪定位參數(shù)已滿足設(shè)計(jì)要求，使其運(yùn)動特性得到一定程度改善。該優(yōu)化方法對同類型懸架有著一定借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：汽車前懸架；運(yùn)動特性；車輪定位參數(shù)

懸架運(yùn)動學(xué)的研究包括運(yùn)動過程中及受力或者是力矩時(shí)所表現(xiàn)出的特性，這種特性具體指的是懸架的評價(jià)參數(shù)在車輪發(fā)生上下跳動時(shí)以及進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)的變化關(guān)系，這種變化關(guān)系稱為懸架的運(yùn)動學(xué)特性或者幾何學(xué)特性，即K特性。由于麥弗遜式懸架主要的兩個(gè)結(jié)構(gòu)部件是滑動立柱和橫擺臂，因此也被稱作是滑柱連桿式懸架，它突出的優(yōu)點(diǎn)是相較于其他類型懸架更為節(jié)省空間，便于發(fā)動機(jī)和其他一些部件的布置，缺點(diǎn)則是滑動立柱摩擦和磨損較大。該類型懸架也是目前在前置前驅(qū)轎車和某些輕型客車上應(yīng)用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式。

1　動力學(xué)模型的建立

ADAMS/Car提供了若干示范模板以供用戶直接調(diào)用，但是由于由于具體結(jié)構(gòu)的不同，所以自建模型是很有必要的。由于麥弗遜式懸架在結(jié)構(gòu)上較為簡單，因此在簡化模型時(shí)，主要將模型按照彈性元件、阻尼元件、導(dǎo)向元件這三大部分進(jìn)行簡化。模型簡化完成以后，就需要對各個(gè)連接處硬點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行測量，在這里選擇的硬點(diǎn)包括：下擺臂和車架相連的前后軸套中心點(diǎn)，轉(zhuǎn)向節(jié)相連的球鉸中心點(diǎn)；減振器上下安裝點(diǎn)，螺旋彈簧由于和減振器共用一個(gè)上安裝點(diǎn)，因此建模時(shí)只需要一個(gè)下安裝點(diǎn)；轉(zhuǎn)向橫拉桿的內(nèi)、外連接中心點(diǎn)以及車輪中心點(diǎn)一共九個(gè)硬點(diǎn)參數(shù)作為建模所需坐標(biāo)參數(shù)，具體數(shù)值如表1所示。

表1　前懸架動力學(xué)模型硬點(diǎn)參數(shù)

各個(gè)硬點(diǎn)坐標(biāo)準(zhǔn)備完畢之后，在ADAMS中Car模塊的建模器界面完成懸架模板文件的建立，之后通過標(biāo)準(zhǔn)界面創(chuàng)建子系統(tǒng)文件以及總裝配文件，此時(shí)系統(tǒng)會添加輪胎部件以及MDI_SUSPENSION_TESTRIG仿真試驗(yàn)臺。

2　仿真試驗(yàn)分析

建立完成的麥弗遜式前懸架執(zhí)行雙輪同向激勵仿真，仿真步數(shù)設(shè)定為20，車輪上下跳動行程為-50mm～50mm，試驗(yàn)結(jié)束后調(diào)用Postprocessor模塊觀察各個(gè)運(yùn)動特性變化曲線。

（1）前輪外傾角。為了使輪胎磨損均勻和減輕輪轂外軸承的負(fù)荷，安裝車輪時(shí)應(yīng)預(yù)先使車輪有一定的外傾角，以防止車輪內(nèi)傾，同時(shí)車輪也可以與拱形路面相適應(yīng)。但角度太大也將導(dǎo)致輪胎加速磨損，通常不超過1°。由圖1曲線可以觀察到，前輪外傾角由0.19°減小到-1.86°，角度數(shù)值滿足設(shè)計(jì)要求，而且外傾角隨著車輪向上運(yùn)動而減為負(fù)值，整體趨勢較為合理。

圖1　前輪外傾角變化曲線

（2）主銷后傾角。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向橋時(shí)，使主銷在汽車的縱向平面內(nèi)有向后的一個(gè)傾角，即主銷軸線和地面垂直線在汽車縱向平面內(nèi)的夾角。它能形成回正的穩(wěn)定力矩，但是該角度也不應(yīng)過大，否則會造成轉(zhuǎn)向沉重，車輛通常設(shè)計(jì)的數(shù)值要小于2°～3°。由圖2曲線可以觀察到，主銷后傾角由-0.29°增大到0.70°，雖然角度隨著車輪向上運(yùn)動而增大，整體趨勢符合設(shè)計(jì)要求，但角度數(shù)值偏小，導(dǎo)致回正力矩作用不明顯，因此需要進(jìn)行優(yōu)化處理。

圖2　主銷后傾角變化曲線

（3）主銷內(nèi)傾角。主銷內(nèi)傾角有使車輪自動回正的作用，還能減少轉(zhuǎn)向時(shí)駕駛員加在轉(zhuǎn)向盤上的力，使轉(zhuǎn)向操縱輕便，同時(shí)也可減少從轉(zhuǎn)向輪傳到轉(zhuǎn)向盤上的沖擊力。采用的角度通常在7°～13°之間。由圖3曲線可以觀察到，主銷內(nèi)傾角隨著車輪上跳從8.23°增大到10.47°，角度數(shù)值滿足設(shè)計(jì)要求，整體變化趨勢也較為合理，因此不需要進(jìn)行優(yōu)化處理。

圖3　主銷內(nèi)傾角變化曲線

（4）車輪前束角。車輪有了外傾角后，滾動時(shí)會導(dǎo)致兩側(cè)車輪向外滾開，而由于轉(zhuǎn)向橫拉桿以及車橋的約束使車輪不可能向外滾開，而出現(xiàn)邊滾邊滑的現(xiàn)象，加劇輪胎的磨損。前束角就能最大程度減弱甚至消除這種影響。由圖4曲線可以觀察到，角度由1.57°減小到-1.34°，雖然隨著車輪上跳，角度變?yōu)樨?fù)值符合設(shè)計(jì)要求，但是變化范圍過大，應(yīng)當(dāng)通過優(yōu)化處理適當(dāng)縮小角度數(shù)值。

圖4　車輪前束角變化曲線

3　運(yùn)動特性優(yōu)化處理

對前懸架針對運(yùn)動特性優(yōu)化，主要需要優(yōu)化的包括主銷后傾角以及車輪前束角。由于主銷軸線是減振器上、下安裝點(diǎn)的連線，因此選擇strut_upper、strut_lower兩個(gè)硬點(diǎn)的三個(gè)方向坐標(biāo)作為優(yōu)化變量，而車輪前束由于可以通過轉(zhuǎn)向橫拉桿來調(diào)整，所以還需要選擇tierod_inner、tierod_outer的三個(gè)方向坐標(biāo)也作為優(yōu)化變量。

運(yùn)用Insight模塊，對所選擇的12個(gè)坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，變化范圍設(shè)置為-10mm～10mm，迭代解算次數(shù)設(shè)為256次，在保證解算的精度同時(shí)減少運(yùn)算耗時(shí)。根據(jù)靈敏度的不同選擇硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前后坐標(biāo)對比如表2所示。

表2　硬點(diǎn)坐標(biāo)優(yōu)化前后對比

優(yōu)化之后車輪外傾角并未發(fā)生較大變化，而從圖5可以看到，主銷后傾角在優(yōu)化后變化范圍為1.20°～1.74°，角度值變大但是整體變化趨勢與優(yōu)化前保持一致，已滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5　主銷后傾角對比曲線

圖6　車輪前束角對比曲線

由于調(diào)整了主銷軸線的位置，使得主銷

內(nèi)傾角的角度數(shù)值也發(fā)生了改變，由7.33°增大到9.46°，但是依然處于合理范圍內(nèi)。

最后，由圖6可以觀察到，車輪前束角在優(yōu)化后由0.43°減小到-0.33°，整體趨勢沒有發(fā)生改變，但是變化區(qū)間得到了較大優(yōu)化，已經(jīng)符合設(shè)計(jì)要求數(shù)值。

4　結(jié)語

通過在ADAMS中的Car模塊完成麥弗遜式前懸架動力學(xué)模型的建立，進(jìn)行其系統(tǒng)與仿真試驗(yàn)臺裝配，針對懸架運(yùn)動特性運(yùn)用Postprocessor模塊觀察了各個(gè)車輪定位參數(shù)的變化情況，分析得出主要有主銷后傾角以及車輪前束角需要進(jìn)行優(yōu)化處理，將影響這兩個(gè)車輪定位參數(shù)的硬點(diǎn)坐標(biāo)作為優(yōu)化變量，運(yùn)用Insight模塊對其進(jìn)行靈敏度分析，對影響較大的幾個(gè)坐標(biāo)進(jìn)行修改，最后得到各個(gè)角度變化的對比情況。通過整個(gè)優(yōu)化處理流程，可以看到懸架運(yùn)動特性更加符合設(shè)計(jì)要求，從而將得到更加優(yōu)異的整車性能。

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The Optimal Design of Automobile Front Suspension Aimed at Suspension Movement Characteristics

WANG Yu-xing，TU Jun-bo，XU Guang-zhong，YU Hai-dong，CAO Cong-jie，LI Hao-xuan
（Liaoning University of Technology，Jinzhou，Liaoning 121001，China）

Abstract:By taking a McPherson suspension as optimization object，in view of the changes of wheel alignment parameters that suspension movement characteristics mainly need to consider，using several modules of multibody dynamics software ADAMS on the analysis and optimization.Compared curves before and after optimization，it can be found that each wheel alignment parameters meet the design requirements，its movement characteristics have been improved to a certain extent，the optimization method also has certain reference value for the same type suspension.

Key words:automobile front suspension；movement characteristics；wheel location parameter

作者簡介：王宇星，主要研究方向：汽車仿真設(shè)計(jì)。

基金項(xiàng)目：汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（20111117）；遼寧工業(yè)大學(xué)基金項(xiàng)目（X201206）；遼寧工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。

收稿日期：2015-12-10

中圖分類號：U46

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）01-0052-02