基于ADAMS的某重型車輛雙前橋懸架系統(tǒng)建模與仿真分析

胡艷連，喬　潔，付興元，田　豪，劉常青

（陜西重型汽車有限公司，陜西　西安　710200）

Hu Yanlian，Qiao Jie，F(xiàn)u Xingyuan，Tian Hao，Liu Changqing

基于ADAMS的某重型車輛雙前橋懸架系統(tǒng)建模與仿真分析

胡艷連，喬潔，付興元，田豪，劉常青

（陜西重型汽車有限公司，陜西西安710200）

Hu Yanlian，Qiao Jie，F(xiàn)u Xingyuan，Tian Hao，Liu Changqing

摘要：為了優(yōu)化懸架相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，提升其工作品質(zhì)，文中依據(jù)懸架設(shè)計(jì)參數(shù)初始值，在ADAMS中建立前一橋1/2獨(dú)立懸架系統(tǒng)仿真模型，借助Matlab/View軟件，得到了硬點(diǎn)坐標(biāo)值與輪距變化量和主銷內(nèi)傾角變化量的關(guān)系曲線，分析優(yōu)化了部分硬點(diǎn)坐標(biāo)值。同時(shí)，在虛擬激振臺(tái)上模擬仿真了車輪上、下跳動(dòng)過程中前輪定位參數(shù)的變化規(guī)律，通過分析各定位參數(shù)與車輪跳動(dòng)行程的變化關(guān)系曲線圖，優(yōu)化了前輪各定位參數(shù)。試驗(yàn)表明，該優(yōu)化設(shè)計(jì)是有效的，并且改良了該獨(dú)立懸掛的整體運(yùn)動(dòng)性能。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化；仿真模型；硬點(diǎn)；前輪定位參數(shù)；ADAMS

0　引　言

隨著社會(huì)基礎(chǔ)建設(shè)和交通運(yùn)輸量的不斷增大及人們對(duì)車輛舒適性等性能要求的不斷提高，重型汽車懸架系統(tǒng)逐漸成為研究熱點(diǎn)[1]。作為連接車橋和車身的彈性部件，懸架系統(tǒng)的性能好壞直接影響著車輛平順性、操縱穩(wěn)定性和道路友好性，所以懸架各部件的品質(zhì)及參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作顯得尤為重要[2-4]。文中采用ADAMS動(dòng)力學(xué)分析軟件，建立了懸架系統(tǒng)仿真模型，通過對(duì)懸架系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化分析得到的各種性能曲線，可以優(yōu)化轉(zhuǎn)向節(jié)臂上的部分硬點(diǎn)坐標(biāo)值及前輪定位參數(shù)值，從而達(dá)到優(yōu)化懸架系統(tǒng)的目的，提升懸架整體性能[5-7]。

1　前一橋1/2懸架系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)仿真模型的建立

由表1可知，某重型車雙前橋基本是等軸荷分配，考慮到零件的通用性和互換性，同時(shí)結(jié)合車輛本身技術(shù)要求，雙前橋懸架系統(tǒng)各定位參數(shù)保持一致。此外，鑒于懸架系統(tǒng)為獨(dú)立懸掛，同一橋其左右兩邊懸架系統(tǒng)具有對(duì)稱性，因此，建立雙前橋懸架系統(tǒng)仿真模型時(shí)取前一橋1/2懸架系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)仿真模型作為研究對(duì)象。

1.1模型相關(guān)參數(shù)的確定

1）前輪定位參數(shù)

前輪定位參數(shù)包括主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角及前輪前束等參數(shù)[8]。主銷后傾角，其主要作用在于產(chǎn)生后傾拖距，保證汽車直線行駛穩(wěn)定性。但采用超低壓子午線輪胎高速行駛時(shí)，輪胎變形量較大，導(dǎo)致高速回正力矩過大引起回正過猛，造成前輪擺振，并伴隨轉(zhuǎn)向沉重，所以主銷后傾角不宜過大，一般取1°～3°。

主銷內(nèi)傾角在車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)使車身有抬高的傾向，從而產(chǎn)生回正力矩，而且主銷內(nèi)傾還會(huì)減小主銷偏移距，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)向輕便性，但是主銷內(nèi)傾角不宜過大，過大會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向時(shí)輪胎與地面間產(chǎn)生較大滑動(dòng)，加劇輪胎磨損，所以主銷內(nèi)傾角一般保持在6°～15°之間。

采用子午線輪胎，前束值設(shè)為0，車輪外傾角也為0°，主銷內(nèi)傾角為8°，主銷后傾角為2°。

2）上、下橫臂擺動(dòng)軸線布置形式的確定

上、下橫臂擺動(dòng)軸線在車身上的布置方式，對(duì)車輛行駛過程中制動(dòng)和加速時(shí)車身的俯仰角影響較大，所以考慮到抗俯仰的能力，擺動(dòng)軸線一般要和地面有一定的角度?？紤]到下橫臂需要配合驅(qū)動(dòng)橋安裝從而增大懸架系統(tǒng)剛度，并且上橫臂若與水平面成一定傾角會(huì)導(dǎo)致上跳極限位置上橫臂軸向力過大，從而需要增加軸向止推軸承而使軸向機(jī)構(gòu)變得更為復(fù)雜等，通過綜合分析比較，上、下橫臂擺動(dòng)軸線選取與地面平行的方式。

3）硬點(diǎn)坐標(biāo)的確定

在確定上、下橫臂的硬點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，綜合考慮了驅(qū)動(dòng)橋中段結(jié)構(gòu)、輪邊傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)、輪輞結(jié)構(gòu)、制動(dòng)器結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)等相關(guān)結(jié)構(gòu)的同步設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，確保懸架上、下橫臂的布置空間的合理性。如在確定上、下橫臂的橫向布置空間時(shí)，應(yīng)考慮整車的寬度、輪輞的結(jié)構(gòu)、制動(dòng)器結(jié)構(gòu)、輪邊傳動(dòng)軸的長度和驅(qū)動(dòng)橋中段的寬度等；在確定上、下橫臂的垂向的位置時(shí)，應(yīng)考慮車輛最小離地間隙、輪邊傳動(dòng)軸最大直徑和車架上翼面離地高度等。

1.2基于ADAMS/View的1/2懸架系統(tǒng)仿真模型

綜合以上重型車的相關(guān)參數(shù)，在ADAMS中建立的懸架系統(tǒng)1/2仿真模型如圖1所示。

2　懸架系統(tǒng)參數(shù)的仿真優(yōu)化分析

2.1硬點(diǎn)坐標(biāo)優(yōu)化分析

在建模時(shí)對(duì)懸架系統(tǒng)硬點(diǎn)位置的布置只是在各方面約束條件下初步給定的，部分硬點(diǎn)坐標(biāo)值在一定范圍內(nèi)是可以變動(dòng)達(dá)到最優(yōu)值，而對(duì)于一些硬點(diǎn)坐標(biāo)值由于其他因素影響而不能做任何優(yōu)化。因此，確定的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量為上橫臂與車身鉸接點(diǎn)F在y方向的值、z方向的值，下橫臂與車身鉸接點(diǎn)E在y方向的值。經(jīng)過綜合分析，硬點(diǎn)坐標(biāo)值的最終優(yōu)化目標(biāo)確定為輪距變化量及車輪外傾角。

結(jié)合上述的3個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，并且根據(jù)實(shí)際情況確定的設(shè)計(jì)變量的變化范圍，借助Matlab/View軟件對(duì)前一橋1/2懸架系統(tǒng)仿真模型做了優(yōu)化分析。根據(jù)ADAMS的優(yōu)化分析報(bào)告，將前懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)值輸入到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，進(jìn)行轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化分析，這樣反復(fù)的聯(lián)合優(yōu)化分析后，最終可以得出前懸架系統(tǒng)硬點(diǎn)坐標(biāo)的最優(yōu)值。表2為3個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量相關(guān)參數(shù)優(yōu)化前、后的坐標(biāo)值。

表2　懸架系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)優(yōu)化前、后坐標(biāo)值對(duì)比mm

2.2前輪定位參數(shù)的仿真優(yōu)化分析

在虛擬激振臺(tái)上對(duì)前一橋1/2懸架進(jìn)行左側(cè)車輪垂直上下跳動(dòng)的模擬仿真，車輪從靜平衡位置開始，上下跳動(dòng)范圍為[-180mm，220mm]。仿真分析圖的橫向坐標(biāo)為車輪中心跳動(dòng)行程，縱向坐標(biāo)為車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷偏移距、主銷后傾角、側(cè)傾中心高度和輪距等變量，通過分析得到車輪相關(guān)定位參數(shù)和輪距隨車輪跳動(dòng)行程的變化關(guān)系。具體結(jié)果如圖2～圖7所示。

由上述曲線圖看出，車輪上下跳動(dòng)時(shí)，前輪定位參數(shù)也隨之發(fā)生相應(yīng)變化。在綜合考慮整車轉(zhuǎn)向性能和直線穩(wěn)定性的前提下，應(yīng)盡量減少外傾角相對(duì)車輪跳動(dòng)的變化。一般要求車輪上跳時(shí)，外傾角的變化量為-2°～0.5°/50mm，圖2可以看出車輪上下跳動(dòng)時(shí)車輪外傾角變化量為0.5°/50mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

由圖3、圖4看出，懸架仿真模型處于靜平衡位置時(shí)，主銷內(nèi)傾角初始值為8°，車輪整個(gè)跳動(dòng)范圍內(nèi)，主銷內(nèi)傾角在7.65°～10.65°內(nèi)變化，相對(duì)靜平衡位置的變化量為0.35°～2.65°，主銷偏移距和主銷內(nèi)傾角在車輪經(jīng)常跳動(dòng)范圍（-100～100mm）內(nèi)變化幅度小且低于汽車設(shè)計(jì)推薦值（0.5°/50mm），滿足要求。

圖5可以看出，主銷后傾角隨車輪跳動(dòng)幾乎沒有變化，這種變化趨勢(shì)有利于汽車高速直線行駛穩(wěn)定性，從而保證車輪跳動(dòng)過程中主銷在小范圍內(nèi)變化，利于車輛行駛穩(wěn)定性。

輪距的變化量對(duì)輪胎的磨損影響非常大，由圖7可以看出，車輪在正常使用±100mm的跳動(dòng)范圍內(nèi)，下跳單邊輪距變化量18mm，上跳變化量為5mm，由于下跳時(shí)輪胎正壓力較小且出現(xiàn)概率低，因此在有限空間范圍內(nèi)，雖然分配的輪距變化量較大，但完全可以滿足使用要求。而輪胎上跳時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)動(dòng)載，輪胎正壓力較大，但輪距單邊變化量為5mm，僅靠輪胎側(cè)偏即可得到補(bǔ)償，因此對(duì)輪胎磨損影響較小。

3　結(jié)束語

依據(jù)滿載時(shí)整車部分參數(shù)表，在ADAMS中建立了1/2前一橋獨(dú)立懸架系統(tǒng)仿真模型，并且根據(jù)汽車設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)，確定了前輪定位參數(shù)及硬點(diǎn)坐標(biāo)值等的初始值。通過綜合分析，確定上、下橫臂擺動(dòng)軸線與地面平行。在Matlab/View里，以輪距變化量和車輪外傾角為優(yōu)化目標(biāo)，仿真分析了硬點(diǎn)坐標(biāo)，經(jīng)過與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化分析后，得出了最優(yōu)的硬點(diǎn)坐標(biāo)值。在虛擬激振臺(tái)上，模擬仿真了車輪跳動(dòng)行程對(duì)前輪定位參數(shù)的影響，得出了各參數(shù)隨車輪跳動(dòng)行程的關(guān)系變化曲線圖，優(yōu)化了車輪外傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷外傾角等參數(shù)，從而有效改善了懸架系統(tǒng)的整體運(yùn)動(dòng)性能。

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收稿日期：2015-06-03

文章編號(hào)：1002-4581（2015）05-0020-04

中圖分類號(hào)：U463.33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2015.05.006