徐少雄 彭杰 丁華鋒 金志成 鐘展飛

摘 要：根據(jù)某車(chē)型麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)提取硬點(diǎn)坐標(biāo)，運(yùn)用 ADAMS/Car 建立了汽車(chē)的麥弗遜前懸架虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)行K特性仿真分析，通過(guò)ADAMS/Processor查看相應(yīng)的變化曲線，分析了其定位參數(shù)主銷(xiāo)后傾角、主銷(xiāo)內(nèi)傾角的變化范圍。對(duì)于仿真結(jié)果中出現(xiàn)的變化范圍過(guò)大的問(wèn)題，采用 ADAMS/Insight 進(jìn)行硬點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后，由車(chē)輪跳動(dòng)所引起的主銷(xiāo)后傾角和主銷(xiāo)內(nèi)傾角的變化量都得到明顯減小，且變化范圍都在理想范圍內(nèi)，使整車(chē)性能得到提升。

關(guān)鍵詞：懸架系統(tǒng);ADAMS/Car;K特性分析;優(yōu)化設(shè)計(jì);定位參數(shù);ADAMS/Insight

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.33 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）21-84-05

Abstract： According to the structure of Macpherson suspension， the hard point coordinates are extracted， and the virtual prototype model of Macpherson front suspension is established by using ADAMS/car. The K-characteristic simulation analysis is carried out. The corresponding change curve is checked by ADAMS/processor， and the change range of the positioning parameters caster angle and kingpin_inclination_angle is analyzed. Adams/insight is used to optimize the hard point design for the problem that the change range of simulation results is too large. After optimization， the change of caster angle and kingpin_inclination_angle caused by wheel runout is obviously reduced， and the change range is in the ideal range， so that the performance of the whole vehicle is improved.

Keywords：?Suspension?system; ADAMS/Car; K?characteristic?analysis; Optimized?design; Positioning parameters; ADAMS/Insight

CLC NO.： U463.33 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-84-05

前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車(chē)已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚慕煌üぞ?。而隨著汽車(chē)的在社會(huì)中的普及，人們除了要求汽車(chē)具有良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，還要求汽車(chē)具有良好的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。懸架系統(tǒng)作為汽車(chē)的重要組成，是車(chē)架與車(chē)橋之間一切傳遞力連接裝置的總稱(chēng)。路面的不平坦、空氣動(dòng)力的作用、牽引力和制動(dòng)力的作用，使懸架會(huì)受到垂直反力，縱向反力和側(cè)向反力及其力矩的作用。這些力和力矩都將通過(guò)懸架系統(tǒng)傳遞到車(chē)身上，從而起到減震緩沖、導(dǎo)向作用，防止車(chē)身發(fā)生過(guò)大的側(cè)向傾斜，以保證汽車(chē)的正常行駛。影響汽車(chē)行駛的平順性主要有車(chē)速、路面狀況、裝載量、和懸架參數(shù)四個(gè)影響因素。因此在確定了懸架形式之后，可以采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法選擇適當(dāng)?shù)膽壹軈?shù)，從而提升懸架性能，直接提高汽車(chē)的行駛平順性[1]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車(chē)操穩(wěn)性能問(wèn)題研究的文獻(xiàn)很多，但一般都集中在整車(chē)操穩(wěn)理論、實(shí)驗(yàn)方法研究。如：郜文等[2]對(duì)操作系統(tǒng)在汽車(chē)穩(wěn)定性控制器中應(yīng)用的研究。黃鎮(zhèn)財(cái)?shù)萚3]懸架電控減震的研究。景立新等[4]針對(duì)輪胎側(cè)偏剛度對(duì)整車(chē)操穩(wěn)性能影響的分析。李潔等[5]通過(guò)MATLAB對(duì)懸架穩(wěn)定性的分析。而基于懸架K&C特性的分析進(jìn)而優(yōu)化并改進(jìn)整車(chē)操穩(wěn)性能的分析方法研究較少。如：高晉等[6]針對(duì)懸架襯套安裝角度對(duì)汽車(chē)操穩(wěn)性影響的分析。孟杰等[7]通過(guò)ADAMS對(duì)懸架進(jìn)行優(yōu)化和仿真分析。尹榮慧等通過(guò)KC特性對(duì)懸架進(jìn)行優(yōu)化和仿真分析。

在汽車(chē)概念設(shè)計(jì)階段，通過(guò)懸架在各種工況下的K&C性能分析，可計(jì)算分析整車(chē)的基本動(dòng)力學(xué)特性，來(lái)協(xié)助完成目標(biāo)設(shè)定、性能改進(jìn)和整車(chē)操穩(wěn)性能優(yōu)化提升等工作[8]。針對(duì)現(xiàn)在流行的小型轎車(chē)多采用的麥弗遜式懸架，所以本文以某車(chē)型汽車(chē)麥弗遜前懸架作為研究對(duì)象，在ADAMS/Car中對(duì)該麥弗遜懸架建立虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行雙輪同步跳動(dòng)仿真分析，通過(guò)ADAMS/Processor模塊查看主銷(xiāo)外傾角和主銷(xiāo)內(nèi)傾角的變化曲線，分析其變動(dòng)量和變化范圍，然后在ADAMS/Insight模塊中對(duì)該懸架車(chē)輪定位參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，對(duì)模型中影響較大的懸架硬點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將優(yōu)化后的硬點(diǎn)坐標(biāo)輸入模型中重新進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，分析優(yōu)化前后主銷(xiāo)外傾角和主銷(xiāo)內(nèi)傾角曲線的變化。

1 麥弗遜前懸架虛擬樣機(jī)模型的建立

1.1 麥弗遜前獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

其中A代表轉(zhuǎn)向節(jié)與三角形下擺臂鉸接處中心點(diǎn);D代表減震器與車(chē)架的連接點(diǎn);B、C分別代表車(chē)輪和車(chē)輪軸的內(nèi)端點(diǎn)與外端點(diǎn);E代表右下擺臂后點(diǎn);F代表右下擺臂前點(diǎn);AD為主銷(xiāo)軸線。

1.2 ADAMS建立模型

1.2.1 數(shù)據(jù)收集

建立此模型所需要的硬點(diǎn)坐標(biāo)在CATIA中提取，所需要的質(zhì)量參數(shù)由產(chǎn)商提供。關(guān)鍵硬點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示。

1.2.2 在ADAMS/CAR中生成硬點(diǎn)和構(gòu)造坐標(biāo)系

硬點(diǎn)和構(gòu)造坐標(biāo)系為ADAMS/CAR中的模型元件，用于定義模型中的一些關(guān)鍵位置和方向。

1.2.3 生成部件

通過(guò)之前定義的硬點(diǎn)和構(gòu)造坐標(biāo)系，生成相關(guān)的部件（如控制臂、支柱、彈簧等）。

（1）建立控制臂：點(diǎn)擊Build下拉菜單，選擇Part>General Part>New，將已經(jīng)定義好的硬點(diǎn)hpl_lca_front，hpl_lca_outer，hpl_lca_rear建立為普通部件，再定義其幾何實(shí)體為臂。

（2）建立轉(zhuǎn)向節(jié)總成：將wheel_center建立為普通構(gòu)件，也定義為臂。在硬點(diǎn)hpl_tierod_outer和hpl_strut_lwr_mount之間建立carrier_link，定義為連桿。

（3）創(chuàng)建輪轂：在Parameter Variable>New中建立前束角參變量和外傾角參變量。點(diǎn)擊Apply完成驅(qū)動(dòng)軸的激活變量（Activate/Deactivate），再點(diǎn)擊Apply建立確定Kinematics和Compliance之間相互切換的參變量，最后建立subframe_ acitive參變量。創(chuàng)建完參數(shù)變量后創(chuàng)建輪心處的Construction Frame，將wheel_center建立為普通構(gòu)件，再在Geometry> Cylinder>new中創(chuàng)建輪轂的幾何體。

（4）彈簧：在Forces>Spring>New中在硬點(diǎn)hpl_top_ mount、hpl_sping_lwr_seat建立彈簧。

（5）建立轉(zhuǎn)向橫拉桿：將hpl_tierod_inner和hpl_tierod_ outer定義為普通構(gòu)件，再在兩者中間建立連桿。

（6） 建立支柱：將hpl_top_mount和hpl_strut_lwr_mount定義為普通構(gòu)件，再在兩者之間建立支柱和阻尼。

1.2.4 添加部件間約束，設(shè)置彈簧、阻尼系數(shù)

表2、表3分別為單側(cè)獨(dú)立懸架中各剛體之間的運(yùn)動(dòng)副及其約束類(lèi)型和數(shù)量。

設(shè)置彈簧屬性，彈簧屬性以曲線的形式表示，如圖2。

設(shè)置阻尼屬性，阻尼屬性以曲線的形式表示，如圖3。

1.2.5 創(chuàng)建通訊器

通訊器是Adams/Car中的關(guān)鍵元件，使各個(gè)子系統(tǒng)（包括試驗(yàn)臺(tái)）之間在組裝成裝配時(shí)可以相互交換信息。Adams/Car提供兩種類(lèi)型的通訊器，即輸入通訊器和輸出通訊器，前者需要來(lái)自其他子系統(tǒng)或試驗(yàn)臺(tái)的信息，后者向其他子系統(tǒng)或試驗(yàn)臺(tái)提供信息。建立mount后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生輸入通訊器。

1.2.6 創(chuàng)建懸架參數(shù)

懸架參數(shù)如表4所示：

至此整個(gè)前懸架模板已經(jīng)全部完成，如圖4所示：

2 麥弗遜懸架 K特性仿真分析

2.1 懸架動(dòng)態(tài)變化時(shí)后傾角和內(nèi)傾角的變化

通過(guò)懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)分析空間解析法，討論懸架動(dòng)態(tài)變化時(shí)后傾角和內(nèi)傾角的變化[9][10]。

設(shè)三角形下擺臂前點(diǎn)F點(diǎn)坐標(biāo)（FX，F(xiàn)Y，F(xiàn)Z），三角形下擺臂后點(diǎn)E點(diǎn)坐標(biāo)（EX，EY，EZ），則下擺臂軸線EF方程為：

已知G點(diǎn)坐標(biāo)后便可求得懸架跳動(dòng)過(guò)程中A的運(yùn)動(dòng)軌跡，A的軌跡是以d為半徑的球面與過(guò)A點(diǎn)垂直與EF的平面方程的截交線。

由（3）（4）可得雙輪平行跳動(dòng)中A的動(dòng)態(tài)軌跡坐標(biāo)，令Z=ZAi，通過(guò)（3）（4）兩式可得相應(yīng)的A的坐標(biāo)X=XAi，Y=YAi，（i =1，2，3……），D點(diǎn)連接車(chē)身，坐標(biāo)不變，已知跳動(dòng)時(shí)的A的坐標(biāo)（XAi，YAi，ZAi）后便可根據(jù)α=arc（XD-XA）/（ZA-ZE），β=arc（YD-YA）/（ZA-ZE）兩式算出后傾角和內(nèi)傾角。

2.2 通過(guò)Adams軟件對(duì)懸架模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

進(jìn)入ADAMS/Car模塊，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及其相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行雙輪同向跳動(dòng)試驗(yàn)，步數(shù)設(shè)為 100，輪跳量設(shè)置為150mm 和-100mm，仿真完成后，觀察仿真動(dòng)畫(huà)，確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)入 ADAMS/ Postprocess 模塊，調(diào)入雙輪同向跳動(dòng)繪圖配置文件，查看主銷(xiāo)后傾角和主銷(xiāo)內(nèi)傾角隨車(chē)輪跳動(dòng)的變化曲線。如圖5、圖6所示。

2.2.1 主銷(xiāo)后傾角

從汽車(chē)的側(cè)面看主銷(xiāo)軸線（或車(chē)輪轉(zhuǎn)向軸線）從垂直方向向后傾斜一個(gè)角度稱(chēng)為主銷(xiāo)后傾。為了保證汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性，在車(chē)輪的上下跳動(dòng)過(guò)程中通常要求主銷(xiāo)后傾角變化范圍在一定的區(qū)間內(nèi)。在設(shè)計(jì)主銷(xiāo)后傾角的大小及變化范圍時(shí)要根據(jù)車(chē)輛的實(shí)際情況而定，一般情況下，前置前驅(qū)動(dòng)車(chē)是主銷(xiāo)后傾角為0°～3°，前置后驅(qū)動(dòng)車(chē)的主銷(xiāo)后傾角為3°～10°。后傾角的另一設(shè)計(jì)要求是能夠隨著車(chē)輪的上跳而增加，在消除汽車(chē)制動(dòng)點(diǎn)頭的不良現(xiàn)象的同時(shí)提高汽車(chē)的制動(dòng)穩(wěn)定性[11]。如圖三知主銷(xiāo)后傾角變化范圍為（6.3012°～15.0143°）/250mm，變動(dòng)量為8.7131°，變化范圍太大，且超過(guò)理想變化范圍，需進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.2 主銷(xiāo)內(nèi)傾角

主銷(xiāo)內(nèi)傾角是指車(chē)身前視圖主銷(xiāo)軸與垂直軸的夾角。由于主銷(xiāo)內(nèi)傾角的存在，在汽車(chē)自重的作用下，轉(zhuǎn)向車(chē)輪會(huì)產(chǎn)生回正的傾向，從而保證車(chē)輛的直線行駛穩(wěn)定性。主銷(xiāo)內(nèi)傾角的存在會(huì)使橫向偏移距減小，使轉(zhuǎn)向更輕便，還可以減小由路面反饋的沖擊力。內(nèi)傾角過(guò)大，轉(zhuǎn)向時(shí)車(chē)輪與路面的摩擦力會(huì)增大，造成轉(zhuǎn)向費(fèi)力，輪胎磨損加劇不良現(xiàn)象。內(nèi)傾角過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向的力矩的增加，使轉(zhuǎn)向沉重，而且導(dǎo)致汽車(chē)直線行駛的穩(wěn)定性變差，導(dǎo)致駕駛員駕駛時(shí)精神更加緊張更容易疲勞。通常在設(shè)計(jì)上要求，在車(chē)輪上跳動(dòng)時(shí)，主銷(xiāo)內(nèi)傾角的增量應(yīng)控制在較小的范圍內(nèi)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，主銷(xiāo)內(nèi)傾角大致推薦取值范圍是7～13°[12][13]。如圖四知主銷(xiāo)內(nèi)傾角變化范圍為（6.0451°～10.3245°）/250mm，變動(dòng)量為4.2794°，變化范圍太大，且變動(dòng)范圍超出了推薦取值范圍，需要進(jìn)行優(yōu)化。

3 麥弗遜懸架優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 靈敏度分析

根據(jù)汽車(chē)?yán)碚揫14]可知，麥弗遜懸架下擺臂外點(diǎn)和減震器的下支點(diǎn)對(duì)于主銷(xiāo)內(nèi)傾角和主銷(xiāo)后傾角的變化范圍影響較大，所以將hpl_lca_outer點(diǎn)x，y，z軸的坐標(biāo)和hpl_strut_ lwr_mount點(diǎn)x，y，z軸的坐標(biāo)共6個(gè)因子設(shè)置為設(shè)計(jì)變量，用于進(jìn)行敏感度分析。靈敏度分析是通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法找出對(duì)懸架特性影響較大的硬點(diǎn)。靈敏度的計(jì)算采用相同坐標(biāo)變量（5mm）情況下，變化前懸架特性與變化后懸架特性做差，計(jì)算差值的均方根值，通過(guò)變量如caster變化的差值均方根大小來(lái)確定關(guān)鍵點(diǎn)。靈敏度計(jì)算公式（以caster angle為例）：

上式中：Sensitivityhd_lca_x：hd_lca_x點(diǎn)相對(duì)于變量caster的靈敏度;

Casteri：硬點(diǎn)坐標(biāo)變化后caster角的值;

Castero：硬點(diǎn)坐標(biāo)變化前caster角的值。

假如有減震器上安裝點(diǎn)、減震器下安裝點(diǎn)、下控制臂前支點(diǎn)、下控制臂外支點(diǎn)、下控制臂后支點(diǎn)五個(gè)硬點(diǎn)，考察這五個(gè)硬點(diǎn)對(duì)變量x的靈敏度，采用靈敏度分析的方法。首先改變減震器上安裝點(diǎn)的坐標(biāo)，做微量的調(diào)整，其他坐標(biāo)保持不變，比如變化5mm，考察其對(duì)變量x的影響，通過(guò)兩次仿真得到其與x變化曲線的差值均方根值，得到表5：

通過(guò)相同的方法可以得到減震器下安裝點(diǎn)、下控制臂前支點(diǎn)、下控制臂外支點(diǎn)、下控制臂后支點(diǎn)變化后的差值均方根值，對(duì)比不同硬點(diǎn)對(duì)應(yīng)的差值均方根值xi的大小，xi越大說(shuō)明相同的變化量下該硬點(diǎn)對(duì)變量x的影響越大，其靈敏度也就越高[15]。

下表是由Adams/Insight靈敏度分析得到的下擺臂外點(diǎn)和減震器的下支點(diǎn)對(duì)于主銷(xiāo)內(nèi)傾角和主銷(xiāo)后傾角的靈敏度表：

3.2 優(yōu)化結(jié)果及對(duì)比分析

在Adams/Car模塊進(jìn)行下擺臂外點(diǎn)和減震器的下支點(diǎn)坐標(biāo)值的更改，如表7所示。

進(jìn)入ADAMS/Post Processor模塊，分別將主銷(xiāo)后傾角、主銷(xiāo)內(nèi)傾角優(yōu)化后的結(jié)果再次調(diào)入繪圖配置文件，觀察優(yōu)化前后變化的范圍。

如圖7、圖8所示，通過(guò)仿真前后的曲線變化可知，仿真后的主銷(xiāo)后傾角的變化量由8.7131°減小到 3.9237°，且均在理想范圍內(nèi)變動(dòng)。主銷(xiāo)后傾角在車(chē)輪上跳過(guò)程中逐漸增大，且變化范圍減小到值，這表明了該麥弗遜懸架在車(chē)輪上跳過(guò)程中的轉(zhuǎn)向輕便性、高速直線行駛穩(wěn)定性都了較好的協(xié)調(diào)。

當(dāng)車(chē)輪的主銷(xiāo)內(nèi)傾角變動(dòng)范圍由（6.0451°～10.3245°）/250mm改變?yōu)榱耍?.2451°～10.2917°）/250mm，符合在7°～13°范圍內(nèi)希望取較小值的設(shè)計(jì)要求。變化范圍由4.2794°減小到3.0446°，比優(yōu)化前減小了1.2328°。從而提高了汽車(chē)直線行駛的穩(wěn)定性，減小了汽車(chē)車(chē)輪側(cè)的磨損，在具有良好回正力矩的同時(shí)有效的降低了轉(zhuǎn)向的主力矩。而在車(chē)輪向上跳動(dòng)過(guò)程中，主銷(xiāo)內(nèi)傾角呈增大的趨勢(shì)，這一變化使汽車(chē)在承受的載荷增加時(shí)自動(dòng)回正能力能夠得到相應(yīng)得提高，而且在車(chē)輪向上跳動(dòng)時(shí)，內(nèi)傾角的增大能夠彌補(bǔ)外傾角的減小，從而使轉(zhuǎn)向操作更加輕便。

4 ?結(jié)論

本文依據(jù)某車(chē)型提供的麥弗遜式獨(dú)立懸架的基本參數(shù)，通過(guò)ADAMS/Car建立麥弗遜虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)行雙輪同向跳動(dòng)仿真分析實(shí)驗(yàn)，分析了主銷(xiāo)后傾角和主銷(xiāo)內(nèi)傾角仿真分析變化曲線，針對(duì)其變動(dòng)量過(guò)大，變化范圍超出理想范圍的情況，通過(guò) Adams/Insight 模塊對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行靈敏度分析，后將優(yōu)化后的坐標(biāo)值進(jìn)行更改后再次進(jìn)行仿真分析，通過(guò)對(duì)比分析，可知麥弗遜式獨(dú)立懸架的性能得到較大改善，從而使得汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性和舒適性得到了極大提高。

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