基于剛?cè)狁詈夏Ｐ偷碾p橫臂獨立懸架仿真分析及優(yōu)化

薛 亮，李志高

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

基于剛?cè)狁詈夏Ｐ偷碾p橫臂獨立懸架仿真分析及優(yōu)化

薛 亮，李志高

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

在機械系統(tǒng)動力學軟件ADAMS中建立了某轎車雙橫臂獨立懸架的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，并對其進行了雙輪同向激振仿真分析。利用ADAMS/Insight模塊對懸架參數(shù)進行優(yōu)化，使懸架系統(tǒng)的性能得到了改善。

剛?cè)狁詈希籄DAMS；雙橫臂獨立懸架；優(yōu)化

懸架系統(tǒng)是汽車重要的組成部分，其性能是影響汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和安全性的重要因素。在汽車行駛中由于路面不平或車輪垂直載荷變化會引起懸架導向桿系的運動和變形以及各種橡膠襯套的變形，車輪定位參數(shù)隨之也會發(fā)生變化，從而影響到汽車的操縱穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)的多剛體動力學分析中，系統(tǒng)的各構(gòu)件為剛體，各運動副為剛性連接，因此用多剛體動力學方法無法準確分析懸架系統(tǒng)的運動特性。柔性多體動力學的發(fā)展及多體動力學分析軟件的出現(xiàn)，為復(fù)雜機械系統(tǒng)動力學分析提供了可靠的手段，使分析結(jié)果更加符合實際［1］。

以某轎車雙橫臂獨立懸架為研究對象，考慮到雙橫臂獨立懸架的下擺臂在運動中受力較大而變形以及橡膠襯套的變形，在ADAMS中建立了雙橫臂獨立懸架的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，并對懸架進行了運動學特性仿真分析以及優(yōu)化。

1 懸架剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/h2>

1.1 雙橫臂獨立懸架結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)樣車雙橫臂獨立懸架的空間結(jié)構(gòu)，建立了雙橫臂獨立懸架的空間拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。雙橫臂獨立懸架是由多節(jié)點聯(lián)結(jié)的RSSR（R表示旋轉(zhuǎn)副，S表示球面副）結(jié)構(gòu)組成。上、下擺臂均通過旋轉(zhuǎn)副與車架相連，通過球面副與轉(zhuǎn)向節(jié)相連。點A、B為上擺臂前后支點，點C、D為下擺臂前后支點，點F、E為轉(zhuǎn)向節(jié)上下球鉸點，點I為轉(zhuǎn)向節(jié)臂球鉸點，點J為轉(zhuǎn)向節(jié)梯形斷開點，點K、L為減震器上下安裝點，點H為車輪中心。

圖1 雙橫臂獨立懸架空間拓撲結(jié)構(gòu)圖

1.2 建立懸架下擺臂柔體模型

從圖1中可知，上擺臂作為導向臂，其受力相對較小；而下擺臂作為承載臂，作用于車輪上各方向力和力矩大部分都是通過下擺臂傳遞到車身，其彈性變形是不能忽略的。因此，在模型中將下擺臂作為柔性體處理。首先根據(jù)樣車下擺臂設(shè)計圖紙，應(yīng)用三維設(shè)計軟件CATIA建立其實體模型。然后將三維模型導入到有限元分析軟件ANSYS中，進行幾何模型的離散化、材料特性定義等有限元模型處理和計算分析，最后借助于ANSYS軟件提供的ADAMS數(shù)據(jù)接口生成ADAMS/Flex可接受的中性文件（MNF文件）［2］。圖2為該車懸架下擺臂的有限元模型。

圖2 懸架下橫擺臂的有限元模型

1.3 建立剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ?/h3>

首先根據(jù)樣車雙橫臂獨立懸架中各硬點坐標，在ADAMS/Car模塊中建立由懸架子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系子系統(tǒng)組成的雙橫臂獨立懸架系統(tǒng)剛體模型［3］。在建模過程中做了如下簡化和假設(shè)：懸架中所有零件都剛性體；零件之間的所有連接都簡化為鉸接，內(nèi)部間隙不計；各運動副內(nèi)的摩擦力忽略不計。然后將懸架下擺臂柔性體模型導入到雙橫臂獨立懸架系統(tǒng)剛體模型中替代剛體下擺臂。同時考慮到橡膠襯套的變形對懸架運動影響很大，因而在上、下擺臂與車身連接處以及減震器的兩端連接處添加橡膠襯套。根據(jù)實際情況設(shè)置了減震器的剛度、阻尼以及預(yù)加載荷，最終得到雙橫臂獨立懸架剛?cè)狁詈夏Ｐ?，如圖3所示。

圖3 雙橫臂獨立懸架剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

2 懸架運動學仿真分析

在ADAMS/Car中對懸架模型進行雙輪同向激振仿真分析，根據(jù)轎車車輪實際跳動情況，設(shè)置車輪跳動的范圍為±50 mm。然后根據(jù)仿真結(jié)果分析前輪外傾角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪前束的變化規(guī)律。此外車輪的側(cè)滑量也是影響汽車操縱穩(wěn)定性和輪胎磨損的重要因素。為了反映下擺臂的變形以及橡膠襯套的變形對前輪定位參數(shù)和車輪側(cè)滑量的影響，對懸架剛體模型也進行了同樣的仿真。仿真結(jié)果對比如圖4所示。虛線為剛體模型仿真結(jié)果，實線為剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡娼Y(jié)果。

車輪外傾角：為了使汽車具有較好的操縱穩(wěn)定性以及減少輪胎的偏磨損，一般來說，希望在車輪向上運動時前輪外傾角往減小的方向變化，而車輪向下運動時朝正值方向變化，并且在車輪跳動過程中外傾角的變動盡量小。從圖4a中可以看出，在剛?cè)狁詈夏Ｐ椭熊囕喭鈨A角的變化趨勢滿足設(shè)計要求，其變化范圍為-1.54°～0.91°，稍微偏大。剛體模型中車輪外傾角仿真結(jié)果相比剛?cè)狁詈夏Ｐ驮龃蟆?/p>

主銷后傾角：主銷后傾能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的力矩使車輪自動回正，從而可保證汽車直線行駛的穩(wěn)定性。一般不希望后傾角在車輪上下運動過程中出現(xiàn)大的變化，以免在載荷變化時出現(xiàn)回正力矩過大或過小的現(xiàn)象，使操縱性能惡化。另外，要求后傾角具有隨車輪上跳而增加的趨勢，下跳過程中逐漸減小。從圖4b中可以看出，剛?cè)狁詈夏Ｐ椭兄麂N后傾角的變化范圍為3.06°～3.27°，滿足設(shè)計要求。剛體模型主銷后傾角仿真結(jié)果相比剛?cè)狁詈夏Ｐ蜏p小。

主銷內(nèi)傾角：主銷內(nèi)傾角是在汽車低速行駛時起到對輪胎回正的作用。同時，主銷內(nèi)傾角產(chǎn)生的主銷偏移距會減小轉(zhuǎn)向時駕駛員加在方向盤上的力，使轉(zhuǎn)向操縱輕便，所以應(yīng)保證主銷內(nèi)傾角不能太小。另一方面主銷內(nèi)傾角度太大時，不僅會增大輪胎磨損，而且會產(chǎn)生轉(zhuǎn)向時反而費力的不良后果。從圖4c中可以看出，剛?cè)狁詈夏Ｐ椭兄麂N內(nèi)傾角的變化范圍為8.58°～11.20°，偏大。剛體模型主銷內(nèi)傾角仿真結(jié)果相比剛?cè)狁詈夏Ｐ蜏p小。

前輪前束角：前輪前束的作用是為了避免由車輪外傾角產(chǎn)生的圓錐滾動效應(yīng)帶來的不良后果。理想的前輪前束變化是前輪上跳時呈弱負前束變化，同時車輪下落過程中，前輪前束角變化盡量?。?］。從圖4d中可以看出，剛?cè)狁詈夏Ｐ椭星拜喦笆堑淖兓秶鸀?1.35°～1.96°，偏大。剛體模型中前輪前束角仿真結(jié)果相比剛?cè)狁詈夏Ｐ蜕晕⒃龃蟆?/p>

圖4 各參數(shù)隨車輪跳動變化曲線圖

車輪側(cè)滑量：車輪的側(cè)滑量一方面影響汽車的操縱穩(wěn)定性，另一方面由于輪胎的橫向滑移，導致輪胎的磨損而降低了輪胎的使用壽命。所以要求在輪跳過程中輪距的變化盡量小。從圖4e中可以看出，剛?cè)狁詈夏Ｐ椭熊囕喸谏咸^程中最大側(cè)移量為-0.88 mm，在下跳過程中最大側(cè)移量為8.31 mm，側(cè)滑量過大將導致行駛時輪胎磨損嚴重。剛體模型前輪側(cè)移量仿真結(jié)果和剛?cè)狁詈夏Ｐ突鞠嗤?/p>

3 優(yōu)化設(shè)計

在ADAMS/Insight模塊中，將雙橫臂懸架的下擺臂前支點（lca_front）、后支點（lca_rear）、下擺臂球頭銷 （lca_outer）、轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)支點（tierod_inner）、外支點 （tierod_outer）、上擺臂前支點（uca_front）、后支點 （uca_rear）、上擺臂球頭銷（uca_outer）等8個硬點的24個坐標值作為設(shè)計變量，并設(shè)置每個坐標值的變動范圍在-5～5 mm之間。將車輪外傾角、前輪前束角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角及輪胎側(cè)滑量作為優(yōu)化目標。然后對設(shè)計變量進行靈敏度分析，得到上述8個硬點的坐標在前輪跳動過程中對車輪外傾角、前輪前束角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角和輪胎滑移量的影響情況。［5］

為了避免對懸架結(jié)構(gòu)進行過大的改動，通過對硬點坐標對定位參數(shù)和輪胎滑移量的影響程度以及懸架運動學仿真分析結(jié)果進行綜合分析，最終只選取 lca_front.z、lca_rear.z、lca_outer.x、lca_outer.z、tierod_inner.z、tierod_outer.z、uca_front.z、uca_rear.z、uca_outer.x、uca_outer.z這10個坐標值作為優(yōu)化變量對優(yōu)化目標進行優(yōu)化。表1為優(yōu)化前后懸架的硬點坐標。

表1 懸架優(yōu)化前后硬點坐標

調(diào)整硬點坐標后，再進行仿真分析，可得到優(yōu)化前后車輪外傾角、前輪前束角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角和輪胎滑移量的仿真曲線對比圖，如圖5所示。虛線為優(yōu)化前的曲線，實線為優(yōu)化后的曲線。

通過懸架優(yōu)化前后仿真結(jié)果對比分析可知：在車輪上下跳動50 mm過程中，車輪外傾角的變化范圍優(yōu)化后由-1.54°～0.91°減小到了-1.25°～0.62°，變化范圍縮小了23.7%；主銷后傾角優(yōu)化后變小了，其變化范圍仍然保持在較小的范圍內(nèi)；主銷內(nèi)傾角的變化范圍優(yōu)化后由8.58°～11.20°減小到了9.03°～10.95°，變化范圍縮小了26.7%；前輪前束角的變化范圍優(yōu)化后由-1.35°～1.96°減小到了-0.48°～0.99°，變化范圍縮小了55.6%；車輪側(cè)滑量也由原來的9.19 mm減小到8.23 mm，減少了10.5%。優(yōu)化后懸架的運動學特性更加合理，同時輪胎的磨損情況也得到了一定的改善。

圖5 優(yōu)化前后仿真曲線對比圖

4 結(jié) 語

通過運用ADAMS軟件，結(jié)合有限元分析軟件ANSYS建立了雙橫臂獨立懸架剛?cè)狁詈夏Ｐ?，使仿真結(jié)果更加接近于實際情況。然后使用ADAMS/ Insight模塊對懸架的車輪外傾角、前輪前束角、主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角及輪胎側(cè)滑量進行優(yōu)化，讓懸架的運動學性能得到了改善，為生產(chǎn)設(shè)計中懸架性能的改進提供了參考。

［1］何通俊，紀玉國.基于剛-柔耦合多柔體動力學的懸架系統(tǒng)分析及優(yōu)化 ［J］.拖拉機與農(nóng)用運輸車，2009（6）：45-47.

［2］陳曉霞.ANSYS 7.0高級分析［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［3］陳 軍.MSC.ADAMS技術(shù)與工程分析實例［M］.北京：中國水利水電出版社，2008.

［4］于海峰，于學兵.基于ADAMS的雙橫臂獨立懸架優(yōu)化仿真分析［J］.機械設(shè)計與制造，2007（10）：56-58.

［5］高 晉.基于虛擬樣機技術(shù)的懸架K&C特性及其對整車影響的研究［D］.長春：吉林大學，2010.

Simulation Analysis and Optimization of Double Wishbone Independent Suspension Based on Rigid-flexible Coupling Model

Xue Liang，Li Zhigao
(School of Automobile Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

Using simulation software ADAMS，a rigid-flexible coupling model for the doublewishbone independent suspension was set up.And the simulation of Parallel Wheel Travel was carried out.Through optimizing the parameters of the suspension in ADAMS/Insight module，the performance of the suspension system was improved.

rigid-flexible coupling；ADAMS；double-wishbone independent suspension；optimization

U461.1

A

1008-5483（2010）04-0009-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2010.04.003

2010-09-29

薛 亮（1985-），男，湖北宜昌人，碩士生，從事汽車動力學方面的研究。