江 錚，尹榮棟，趙振東 Jiang Zheng，Yin Rongdong，Zhao Zhendong

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基于ADAMS/Car的麥弗遜前懸架性能分析與優(yōu)化

江 錚，尹榮棟，趙振東 Jiang Zheng，Yin Rongdong，Zhao Zhendong

（南京工程學(xué)院 汽車與軌道交通學(xué)院，江蘇 南京 211167）

針對某國產(chǎn)車型前懸架設(shè)計不合理問題，建立該懸架運(yùn)動學(xué)模型，分析前輪定位參數(shù)隨前輪垂向運(yùn)動的變化情況；通過靈敏度分析，找出了對懸架各性能參數(shù)影響較大的硬點(diǎn)變量；通過對關(guān)鍵硬點(diǎn)坐標(biāo)的調(diào)整，選出最優(yōu)方案，使該懸架各參數(shù)均得到優(yōu)化，同時也使前束變化規(guī)律趨于合理；結(jié)論表明，懸架性能得到明顯提升，對懸架的改進(jìn)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

麥弗遜懸架；運(yùn)動學(xué)分析；優(yōu)化設(shè)計

0 引 言

麥弗遜懸架是目前最為常見的懸架類型，麥弗遜懸架具有結(jié)構(gòu)簡單、布局緊湊、懸架質(zhì)量輕、占用空間小和制造成本低等特點(diǎn)[1]。隨著車輛速度的不斷提升，懸架對汽車操縱穩(wěn)定性影響顯著提升，對汽車懸架性能提出更高的要求。懸架的好壞主要取決于車輪跳動時車輪定位參數(shù)的變化，車輪定位參數(shù)對汽車行駛的穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向特性以及輪胎磨損都有很大的影響，一般希望車輪定位參數(shù)隨車輪垂向跳動變化越小越好[2]。目前對于麥弗遜懸架的分析主要采用基于空間運(yùn)動學(xué)的數(shù)值分析方法[3]和基于多體力學(xué)軟件的仿真分析方法[4-6]。運(yùn)用多體力學(xué)軟件ADAMS/Car建立麥弗遜式前懸架運(yùn)動學(xué)模型，分析懸架性能，找出懸架設(shè)計的不足；運(yùn)用ADAMS/Insight模塊，對懸架前輪定位參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析；根據(jù)分析結(jié)果，調(diào)整對目標(biāo)參數(shù)影響較大的硬點(diǎn)坐標(biāo)，優(yōu)化前輪定位參數(shù)。

1 模型的建立[7-8]

建立懸架模型前，需要先對懸架系統(tǒng)進(jìn)行合理簡化，該懸架主要部件包括減振器、減振彈簧、轉(zhuǎn)向節(jié)、下控制臂和轉(zhuǎn)向橫拉桿，再根據(jù)懸架各部件之間的運(yùn)動關(guān)系，通過添加運(yùn)動副來模擬各部件間的連接方式，懸架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[9]。實(shí)車測量懸架關(guān)鍵硬點(diǎn)坐標(biāo)見表1。

表1 麥弗遜前懸架（左）硬點(diǎn)坐標(biāo)

X坐標(biāo)Y坐標(biāo)Z坐標(biāo) 減振器上安裝點(diǎn) 54.15-562.3657.4 彈簧下安裝點(diǎn) 5.65-586.4150.2 減振器下安裝點(diǎn)-15.65-736.4 50.2 前輪中心-16.54-989.06 45.77 轉(zhuǎn)向橫拉桿外點(diǎn)124.44-678.01 77.81 轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)點(diǎn)169.53-333.04 62.92

續(xù)表1

在ADAMS/Car模塊中，采取自下而上的建模方式建立多剛體運(yùn)動學(xué)模型，如圖2所示。

2 麥弗遜懸架的性能分析[10]

2.1 麥弗遜懸架仿真試驗(yàn)

模型建立完畢后，進(jìn)行仿真步數(shù)為100、車輪跳動范圍為上下50 mm的雙輪同跳試驗(yàn)，提取各前輪定位參數(shù)隨車輪垂向跳動變化的曲線，如圖3～6所示。

2.2 前輪外傾角

車輪內(nèi)傾會加劇輪胎磨損，還會加大車輪各部件所受載荷；因此設(shè)計安裝懸架時通常留有一個向外的傾斜角度即外傾角，但外傾角的存在會使車輪有向兩側(cè)滾開的趨勢，行駛過程中輪胎在地面邊滑邊滾，同樣會加劇輪胎磨損；因此外傾角預(yù)留不宜過大，通常不大于1°。

如圖3所示，在車輪垂向位移為0時外傾角為0.75°。車輪上下跳動50 mm過程中，前輪外傾角由1.7°減小到0°，變化幅度為1.7°，變化較大。

2.3 主銷后傾角

主銷后傾角是汽車側(cè)視時，主銷軸線相對于地面垂直線的傾角。主銷后傾角能夠使車輪形成回正力矩，保證車輪穩(wěn)定直線行駛，但主銷后傾角設(shè)計過大會使轉(zhuǎn)向盤沉重、輪胎磨損加速等。

如圖4所示，主銷后傾角設(shè)計較大，后傾角隨輪跳的變化范圍較為合理。

2.4 主銷內(nèi)傾角

主銷內(nèi)傾角是汽車前視時，前輪的主銷軸線相對于地面垂直線的傾角。主銷內(nèi)傾角能夠產(chǎn)生自動回正力矩，使轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動更為省力，還能緩解路面給轉(zhuǎn)向盤帶來的沖擊，可以改善汽車的操縱性。但主銷內(nèi)傾角設(shè)計過大也會帶來轉(zhuǎn)向盤沉重、輪胎磨損加速等問題。

如圖5所示，主銷內(nèi)傾角設(shè)計偏大，隨輪跳的變化范圍較大。

2.5 前輪前束角

前束角是汽車俯視時，車輪中心線與汽車縱向?qū)ΨQ軸線的夾角。前束角的存在，會使車輪有向內(nèi)滾進(jìn)的趨勢，車輪在地面也會發(fā)生邊滑邊滾的現(xiàn)象，會加劇輪胎的磨損。但合理的前束角可與預(yù)留的外傾角相互補(bǔ)償，減少輪胎磨損。前束角過大會導(dǎo)致車胎磨損加劇，前束角隨輪跳變化趨勢不合理會出現(xiàn)過度轉(zhuǎn)向等問題[11]，合理的前束設(shè)計是車輪上跳時前束角朝負(fù)前束變化，車輪下跳時前束角朝正前束變化。

如圖6所示，車輪垂向位移為0時，前束角為0.15°。車輪上下跳動50 mm過程中前束角變化范圍較為合理。但車輪上跳時前束角曲線朝正前束變化，車輪下跳時前束角曲線朝負(fù)前束變化，變化趨勢不合理。

3 麥弗遜懸架優(yōu)化

3.1 靈敏度分析

利用ADAMS/Insight模塊，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取下控制臂前后點(diǎn)、下控制臂外點(diǎn)、減振器上下安裝點(diǎn)和轉(zhuǎn)向橫向拉桿內(nèi)外點(diǎn)7個關(guān)鍵硬點(diǎn)，以關(guān)鍵硬點(diǎn)的、、方向坐標(biāo)為變量（共21個變量），進(jìn)行128次迭代，得到每個變量對目標(biāo)參數(shù)的靈敏度，分析結(jié)果如圖7所示。

3.2 敏感硬點(diǎn)優(yōu)化

從圖7中分別找出對各前輪定位參數(shù)影響最大的變量；其中，對前束角影響大的變量較多，選取2個；最終，選取減振器下安裝點(diǎn)向、減振器上安裝點(diǎn)向、下控制臂外點(diǎn)向、橫向拉桿外點(diǎn)向及橫向拉桿內(nèi)點(diǎn)向作為優(yōu)化變量。為了擬合的準(zhǔn)確性，設(shè)置減振器下安裝點(diǎn)向與減振器上安裝點(diǎn)向的變動范圍為（-70，70），下控制臂外點(diǎn)向變動范圍為（-15，15），橫向拉桿外點(diǎn)向與橫向拉桿內(nèi)點(diǎn)向的變動范圍為（-5，5），利用ADAMS/Insight模塊，對前輪各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后，得到減振器下安裝點(diǎn)坐標(biāo)為（-15.65，-676.4，50.2），減振器上安裝點(diǎn)坐標(biāo)為（54.15，-562.3，677.4），下擺臂外點(diǎn)坐標(biāo)為（-12.02，-682.56，-20.15），轉(zhuǎn)向橫拉桿外點(diǎn)坐標(biāo)為(124.44，-678.01，82.81），轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)點(diǎn)坐標(biāo)為（169.53，-333.04，57.92）。

3.3 優(yōu)化前、后對比

優(yōu)化后，再次對懸架進(jìn)行雙輪同向跳動仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8～11所示。

相比優(yōu)化前，優(yōu)化后的前輪外傾角隨車輪跳動的變化范圍由1.7°到0.97°，外傾角絕對變化幅度有較大的減小。前束角變化趨勢合理，避免了前輪前束惡化的問題，雖然車輪跳動過程中前束角的絕對變化幅度有略微增大，但仍在合理范圍內(nèi)。同時，主銷后傾角與主銷內(nèi)傾角也有不同程度的減小。

4 結(jié) 論

通過實(shí)車測量某款國產(chǎn)車型的前麥弗遜懸架硬點(diǎn)參數(shù)，在ADAMS/Car模塊中搭建了該懸架的動力學(xué)模型。通過雙輪同跳仿真試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該車存在車輪跳動過程中前輪外傾角變動范圍較大，前束角變化規(guī)律不合理以及主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角偏大等問題。

基于ADAMS/Insight模塊，找出對各前輪定位參數(shù)最敏感的變量。對敏感點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整以優(yōu)化各前輪定位參數(shù)。

優(yōu)化分析結(jié)果表明，車輪跳動過程中前輪外傾角變動絕對范圍有較大的減小，前束角變化規(guī)律趨于合理，同時主銷外傾角及主銷內(nèi)傾角都有不同程度的減小，這些變化對懸架性能的提升都是有利的。

其他類型的懸架也可使用該方法進(jìn)行優(yōu)化，對懸架性能的提升具有指導(dǎo)意義。

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2017-04-06

1002-4581（2017）04-0027-04

U463.33

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.04.008