基于某SUV車型汽車懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真

劉勇進(jìn)　張雅哲

摘 要：根據(jù)某SUV車型懸架結(jié)構(gòu)提取硬點(diǎn)坐標(biāo)，運(yùn)用 ADAMS/Car 建立了汽車的麥弗遜前懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，進(jìn)行K特性仿真分析，通過ADAMS/Processor查看相應(yīng)的變化曲線，分析了其定位參數(shù)主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角的變化范圍。對于仿真結(jié)果中出現(xiàn)的變化范圍過大的問題，采用 ADAMS/Insight 進(jìn)行硬點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后，由車輪跳動(dòng)所引起的車輪外傾角和主銷內(nèi)傾角的變化范圍得到減小，且其它懸架參數(shù)變化均在允許范圍內(nèi)，使整車性能得到提升。

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

1 引言

懸架系統(tǒng)是指車身、車架和車輪之間的一個(gè)連接結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，而這個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包含了減震器、懸架彈簧、防傾桿、懸吊副梁、下控制臂、縱向桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、橡皮襯套和連桿等部件。當(dāng)汽車行駛在路面上時(shí)因地面的變化而受到震動(dòng)及沖擊，這些沖擊的力量其中一部分會(huì)由輪胎吸收，但絕大部分是依靠輪胎與車身間的懸架裝置來吸收的。麥弗遜懸架作為其中的一種，其具有結(jié)構(gòu)簡單、懸掛重量輕、占用空間小、響應(yīng)速度和回彈速度快等優(yōu)點(diǎn)，所以懸掛的減震能力也就較強(qiáng)，而且懸掛質(zhì)量減輕也意味著簧下質(zhì)量減輕，那么在車身重量一定的情況下，動(dòng)力性和舒適性也越好。

本文以某SUV車型汽車麥弗遜前懸架作為研究對象，通過提取三維模型中的硬點(diǎn)坐標(biāo)在ADAMS/Car中建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，并進(jìn)行雙輪同步跳動(dòng)仿真分析，通過ADAMS/Processor模塊查看相應(yīng)的變化曲線，分析了其定位參數(shù)外傾角、主銷內(nèi)傾角的變化范圍，然后在 ADAMS/Insight模塊中對該懸架車輪定位參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以擺臂的前點(diǎn)、后點(diǎn)、外點(diǎn)以及減振器上頂點(diǎn)的坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行懸架硬點(diǎn)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)化前后懸架定位參數(shù)的變化。

2 麥弗遜懸架動(dòng)力學(xué)仿真模型的建立

根據(jù)某SUV車型懸架的設(shè)計(jì)硬點(diǎn)數(shù)據(jù)，在三維模型中提取硬點(diǎn)具體坐標(biāo)，進(jìn)入 ADAMS/Car 中的Template Builder 模塊，通過定義懸架系統(tǒng)的硬點(diǎn)坐標(biāo)、部件、幾何結(jié)構(gòu) 、各部件之間的連接點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)副和減振元件的參數(shù)等，完成麥弗遜懸架系統(tǒng)建模。減振器和彈簧參數(shù)都由試驗(yàn)測得，如圖1所示。

然后在 ADAMS/Car 中的 Standard Interface 模塊下建立 Subsystem 子模塊，將其裝配成Assembly 模型，使其包括輪胎以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，如圖2所示。

3 麥弗遜懸架 K特性仿真分析

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)，設(shè)置好Wheel Mass（輪質(zhì)量）、Spring Mass （簧上質(zhì)量）、CG Hight（重心高度）、Wheelbase（輪距）、Drive Ratio（驅(qū)動(dòng)方式）、Brake Ratio（制動(dòng)比）等參數(shù)后，進(jìn)行雙輪同向跳動(dòng)（Parallel Travel）試驗(yàn)，步數(shù)設(shè)為 100，根據(jù)汽車本身設(shè)計(jì)特性及其路況，將車輪跳動(dòng)量設(shè)置為150mm 和-100mm，仿真完成后，觀察仿真動(dòng)畫，確認(rèn)無誤后進(jìn)入 ADAMS/Post Processor 模塊，調(diào)入雙輪同向跳動(dòng)繪圖配置文件（mdi_suspension_parallel_travel），查看caster_angle（主銷后傾角）、kingpin_inclination_angle（主銷內(nèi)傾角）隨車輪跳動(dòng)的變化曲線。如圖3、圖4所示。

由主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角隨車輪在-100-150mm范圍內(nèi)跳動(dòng)的變化曲線可知，主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角的變化范圍是不符合要求的。

4 麥弗遜懸架優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

主銷后傾角：主銷軸線與通過前輪中心的垂線之間形成的夾角。主銷后傾角的作用是增加汽車直線行駛時(shí)的穩(wěn)定性和在轉(zhuǎn)向后使前輪自動(dòng)回正，根據(jù)仿真分析可知，該主銷后傾角需要通過仿真優(yōu)化將其變化范圍減小，根據(jù)汽車?yán)碚摽芍湼ミd懸架下擺臂的外點(diǎn)坐標(biāo)和減震器的下支點(diǎn)對于主銷后傾角的變化范圍影響較大，本文以hpl_lca_outer點(diǎn)為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在Adams/Car模塊建立好優(yōu)化目標(biāo)后進(jìn)入Adams/Insight優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，在Factors中找到想要優(yōu)化的hpl_lca_outer點(diǎn)的坐標(biāo)值promote，在Responses中將優(yōu)化目標(biāo)被包含，然后生成工作空間，由圖可知，此次優(yōu)化將進(jìn)行八次優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建運(yùn)行負(fù)載 ，直到優(yōu)化設(shè)計(jì)完成，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)曲線，如圖5所示，在八次優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)中第七次的值是最優(yōu)的，進(jìn)入ADAMS/Post Processor 模塊提取第七次優(yōu)化所對應(yīng)的坐標(biāo)值，在Adams/Car模塊進(jìn)行hpl_lca_outer點(diǎn)坐標(biāo)值的更改，然后再次進(jìn)行仿真運(yùn)行。

主銷內(nèi)傾角：鉛垂線在垂直于車輛縱向?qū)ΨQ平面的平面上的投影銳角。主銷內(nèi)傾角的主要作用是使轉(zhuǎn)向輪自動(dòng)回正，而影響注銷內(nèi)傾角變化的主要因素為麥弗遜懸架下擺臂的外點(diǎn)和減震器的支點(diǎn)，本文以hpl_strut_lwr_mount為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在Adams/Car模塊建立好優(yōu)化目標(biāo)后進(jìn)入Adams/Insight優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，在Factors中找到想要優(yōu)化的hpl_strut_lwr_mount點(diǎn)的坐標(biāo)值promote，在Responses中將優(yōu)化目標(biāo)被包含，然后生成工作空間，構(gòu)建運(yùn)行負(fù)載 ，直到優(yōu)化設(shè)計(jì)完成，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)曲線，如圖6所示，在八次優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)中第四次的值是最優(yōu)的，進(jìn)入ADAMS/Post Processor 模塊提取第四次優(yōu)化所對應(yīng)的坐標(biāo)值，在Adams/Car模塊進(jìn)行hpl_strut_lwr_mount點(diǎn)坐標(biāo)值的更改，然后再次進(jìn)行仿真運(yùn)行。

4.2 對比分析

進(jìn)入ADAMS/Post Processor模塊，分別將主銷后傾角、主銷內(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，通過仿真前后的曲線變化可知，通過Adams/Insight模塊對硬點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真后的主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角變化范圍均大幅度減小，滿足車輛的基本要求，且其它懸架參數(shù)變化均在允許范圍內(nèi)，使整車性能得到提升。

5 結(jié)語

本文依據(jù)某SUV車型提供的麥弗遜式獨(dú)立懸架的基本參數(shù)，然后通過 ADAMS/Car建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，進(jìn)行雙輪同向跳動(dòng)仿真分析實(shí)驗(yàn)，對影響汽車舒適性和操縱穩(wěn)定性的懸架定位參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，得到了主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角仿真分析變化曲線，針對其變化范圍過大的情況，通過 ADAMS/Insight 模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化仿真，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，通過對比分析，可知麥弗遜式獨(dú)立懸架的性能得到較大改善，從而使得汽車的操縱穩(wěn)定性和舒適性得到了極大提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡曉楓，代宣軍.基于ADAMS 的麥弗遜汽車懸架仿真分析與優(yōu)化[J].大眾科技，2019.2.

[2]黃文濤，高群.麥弗遜前懸架優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016.4.

[3]劉惟信，汽車設(shè)計(jì)（第四版）[M].北京，清華大學(xué)出版社，2004.2.