麥弗遜前懸架系統(tǒng)結構優(yōu)化設計

徐少雄 彭杰 丁華鋒 金志成 鐘展飛

摘 要：根據(jù)某車型麥弗遜懸架結構提取硬點坐標，運用 ADAMS/Car 建立了汽車的麥弗遜前懸架虛擬樣機模型，進行K特性仿真分析，通過ADAMS/Processor查看相應的變化曲線，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。對于仿真結果中出現(xiàn)的變化范圍過大的問題，采用 ADAMS/Insight 進行硬點的優(yōu)化設計。優(yōu)化后，由車輪跳動所引起的主銷后傾角和主銷內(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)，使整車性能得到提升。

關鍵詞：懸架系統(tǒng);ADAMS/Car;K特性分析;優(yōu)化設計;定位參數(shù);ADAMS/Insight

中圖分類號：U463.33 ?文獻標識碼：A ?文章編號：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

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

目前國內(nèi)外對汽車操穩(wěn)性能問題研究的文獻很多，但一般都集中在整車操穩(wěn)理論、實驗方法研究。如：郜文等[2]對操作系統(tǒng)在汽車穩(wěn)定性控制器中應用的研究。黃鎮(zhèn)財?shù)萚3]懸架電控減震的研究。景立新等[4]針對輪胎側偏剛度對整車操穩(wěn)性能影響的分析。李潔等[5]通過MATLAB對懸架穩(wěn)定性的分析。而基于懸架K&C特性的分析進而優(yōu)化并改進整車操穩(wěn)性能的分析方法研究較少。如：高晉等[6]針對懸架襯套安裝角度對汽車操穩(wěn)性影響的分析。孟杰等[7]通過ADAMS對懸架進行優(yōu)化和仿真分析。尹榮慧等通過KC特性對懸架進行優(yōu)化和仿真分析。

在汽車概念設計階段，通過懸架在各種工況下的K&C性能分析，可計算分析整車的基本動力學特性，來協(xié)助完成目標設定、性能改進和整車操穩(wěn)性能優(yōu)化提升等工作[8]。針對現(xiàn)在流行的小型轎車多采用的麥弗遜式懸架，所以本文以某車型汽車麥弗遜前懸架作為研究對象，在ADAMS/Car中對該麥弗遜懸架建立虛擬樣機模型，并進行雙輪同步跳動仿真分析，通過ADAMS/Processor模塊查看主銷外傾角和主銷內(nèi)傾角的變化曲線，分析其變動量和變化范圍，然后在ADAMS/Insight模塊中對該懸架車輪定位參數(shù)進行靈敏度分析，對模型中影響較大的懸架硬點進行優(yōu)化設計，將優(yōu)化后的硬點坐標輸入模型中重新進行動力學仿真，分析優(yōu)化前后主銷外傾角和主銷內(nèi)傾角曲線的變化。

1 麥弗遜前懸架虛擬樣機模型的建立

1.1 麥弗遜前獨立懸架結構簡圖

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

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坐標在CATIA中提取，所需要的質(zhì)量參數(shù)由產(chǎn)商提供。關鍵硬點坐標如表1所示。

1.2.2 在ADAMS/CAR中生成硬點和構造坐標系

硬點和構造坐標系為ADAMS/CAR中的模型元件，用于定義模型中的一些關鍵位置和方向。

1.2.3 生成部件

通過之前定義的硬點和構造坐標系，生成相關的部件（如控制臂、支柱、彈簧等）。

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

（2）建立轉向節(jié)總成：將wheel_center建立為普通構件，也定義為臂。在硬點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。點擊Apply完成驅(qū)動軸的激活變量（Activate/Deactivate），再點擊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hpl_top_ mount、hpl_sping_lwr_seat建立彈簧。

（5）建立轉向橫拉桿：將hpl_tierod_inner和hpl_tierod_ outer定義為普通構件，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，設置彈簧、阻尼系數(shù)

表2、表3分別為單側獨立懸架中各剛體之間的運動副及其約束類型和數(shù)量。

設置彈簧屬性，彈簧屬性以曲線的形式表示，如圖2。

設置阻尼屬性，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中的關鍵元件，使各個子系統(tǒng)（包括試驗臺）之間在組裝成裝配時可以相互交換信息。Adams/Car提供兩種類型的通訊器，即輸入通訊器和輸出通訊器，前者需要來自其他子系統(tǒng)或試驗臺的信息，后者向其他子系統(tǒng)或試驗臺提供信息。建立mount后，系統(tǒng)會自動產(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 懸架動態(tài)變化時后傾角和內(nèi)傾角的變化

通過懸架運動學分析空間解析法，討論懸架動態(tài)變化時后傾角和內(nèi)傾角的變化[9][10]。

設三角形下擺臂前點F點坐標（FX，F(xiàn)Y，F(xiàn)Z），三角形下擺臂后點E點坐標（EX，EY，EZ），則下擺臂軸線EF方程為：

已知G點坐標后便可求得懸架跳動過程中A的運動軌跡，A的軌跡是以d為半徑的球面與過A點垂直與EF的平面方程的截交線。

由（3）（4）可得雙輪平行跳動中A的動態(tài)軌跡坐標，令Z=ZAi，通過（3）（4）兩式可得相應的A的坐標X=XAi，Y=YAi，（i =1，2，3……），D點連接車身，坐標不變，已知跳動時的A的坐標（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Adams軟件對懸架模型進行運動學仿真

進入ADAMS/Car模塊，根據(jù)設計參數(shù)及其相關數(shù)據(jù)，進行雙輪同向跳動試驗，步數(shù)設為 100，輪跳量設置為150mm 和-100mm，仿真完成后，觀察仿真動畫，確認無誤后進入 ADAMS/ Postprocess 模塊，調(diào)入雙輪同向跳動繪圖配置文件，查看主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角隨車輪跳動的變化曲線。如圖5、圖6所示。

2.2.1 主銷后傾角

從汽車的側面看主銷軸線（或車輪轉向軸線）從垂直方向向后傾斜一個角度稱為主銷后傾。為了保證汽車的操縱穩(wěn)定性，在車輪的上下跳動過程中通常要求主銷后傾角變化范圍在一定的區(qū)間內(nèi)。在設計主銷后傾角的大小及變化范圍時要根據(jù)車輛的實際情況而定，一般情況下，前置前驅(qū)動車是主銷后傾角為0°～3°，前置后驅(qū)動車的主銷后傾角為3°～10°。后傾角的另一設計要求是能夠隨著車輪的上跳而增加，在消除汽車制動點頭的不良現(xiàn)象的同時提高汽車的制動穩(wěn)定性[11]。如圖三知主銷后傾角變化范圍為（6.3012°～15.0143°）/250mm，變動量為8.7131°，變化范圍太大，且超過理想變化范圍，需進行優(yōu)化。

2.2.2 主銷內(nèi)傾角

主銷內(nèi)傾角是指車身前視圖主銷軸與垂直軸的夾角。由于主銷內(nèi)傾角的存在，在汽車自重的作用下，轉向車輪會產(chǎn)生回正的傾向，從而保證車輛的直線行駛穩(wěn)定性。主銷內(nèi)傾角的存在會使橫向偏移距減小，使轉向更輕便，還可以減小由路面反饋的沖擊力。內(nèi)傾角過大，轉向時車輪與路面的摩擦力會增大，造成轉向費力，輪胎磨損加劇不良現(xiàn)象。內(nèi)傾角過小，會導致轉向的力矩的增加，使轉向沉重，而且導致汽車直線行駛的穩(wěn)定性變差，導致駕駛員駕駛時精神更加緊張更容易疲勞。通常在設計上要求，在車輪上跳動時，主銷內(nèi)傾角的增量應控制在較小的范圍內(nèi)。在實際設計中，主銷內(nèi)傾角大致推薦取值范圍是7～13°[12][13]。如圖四知主銷內(nèi)傾角變化范圍為（6.0451°～10.3245°）/250mm，變動量為4.2794°，變化范圍太大，且變動范圍超出了推薦取值范圍，需要進行優(yōu)化。

3 麥弗遜懸架優(yōu)化設計

3.1 靈敏度分析

根據(jù)汽車理論[14]可知，麥弗遜懸架下擺臂外點和減震器的下支點對于主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角的變化范圍影響較大，所以將hpl_lca_outer點x，y，z軸的坐標和hpl_strut_ lwr_mount點x，y，z軸的坐標共6個因子設置為設計變量，用于進行敏感度分析。靈敏度分析是通過試驗設計的方法找出對懸架特性影響較大的硬點。靈敏度的計算采用相同坐標變量（5mm）情況下，變化前懸架特性與變化后懸架特性做差，計算差值的均方根值，通過變量如caster變化的差值均方根大小來確定關鍵點。靈敏度計算公式（以caster angle為例）：

上式中：Sensitivityhd_lca_x：hd_lca_x點相對于變量caster的靈敏度;

Casteri：硬點坐標變化后caster角的值;

Castero：硬點坐標變化前caster角的值。

假如有減震器上安裝點、減震器下安裝點、下控制臂前支點、下控制臂外支點、下控制臂后支點五個硬點，考察這五個硬點對變量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的坐標，做微量的調(diào)整，其他坐標保持不變，比如變化5mm，考察其對變量x的影響，通過兩次仿真得到其與x變化曲線的差值均方根值，得到表5：

通過相同的方法可以得到減震器下安裝點、下控制臂前支點、下控制臂外支點、下控制臂后支點變化后的差值均方根值，對比不同硬點對應的差值均方根值xi的大小，xi越大說明相同的變化量下該硬點對變量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和減震器的下支點對于主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角的靈敏度表：

3.2 優(yōu)化結果及對比分析

在Adams/Car模塊進行下擺臂外點和減震器的下支點坐標值的更改，如表7所示。

進入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，仿真后的主銷后傾角的變化量由8.7131°減小到 3.9237°，且均在理想范圍內(nèi)變動。主銷后傾角在車輪上跳過程中逐漸增大，且變化范圍減小到值，這表明了該麥弗遜懸架在車輪上跳過程中的轉向輕便性、高速直線行駛穩(wěn)定性都了較好的協(xié)調(diào)。

當車輪的主銷內(nèi)傾角變動范圍由（6.0451°～10.3245°）/250mm改變?yōu)榱耍?.2451°～10.2917°）/250mm，符合在7°～13°范圍內(nèi)希望取較小值的設計要求。變化范圍由4.2794°減小到3.0446°，比優(yōu)化前減小了1.2328°。從而提高了汽車直線行駛的穩(wěn)定性，減小了汽車車輪側的磨損，在具有良好回正力矩的同時有效的降低了轉向的主力矩。而在車輪向上跳動過程中，主銷內(nèi)傾角呈增大的趨勢，這一變化使汽車在承受的載荷增加時自動回正能力能夠得到相應得提高，而且在車輪向上跳動時，內(nèi)傾角的增大能夠彌補外傾角的減小，從而使轉向操作更加輕便。

4 ?結論

本文依據(jù)某車型提供的麥弗遜式獨立懸架的基本參數(shù)，通過ADAMS/Car建立麥弗遜虛擬樣機模型，進行雙輪同向跳動仿真分析實驗，分析了主銷后傾角和主銷內(nèi)傾角仿真分析變化曲線，針對其變動量過大，變化范圍超出理想范圍的情況，通過 Adams/Insight 模塊對設計變量進行靈敏度分析，后將優(yōu)化后的坐標值進行更改后再次進行仿真分析，通過對比分析，可知麥弗遜式獨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

[1] 姜鵬.汽車操縱穩(wěn)定性主觀評價試驗臺的開發(fā)[D].西安：長安大學， 2015.

[2] 郜文，李繼來，梁華為.OSEK/VDX嵌入式實時操作系統(tǒng)在汽車穩(wěn)定性控制器中的應用[J].計算機系統(tǒng)應用，2010，19（04）：148-151 +161.

[3] 黃鎮(zhèn)財.汽車懸架系統(tǒng)電控減振技術應用探析[J].中國設備工程，2019（22）：85-86.

[4] 景立新，吳利廣，李廣，曹嬌嬌.輪胎側偏剛度對整車操穩(wěn)性能的影響[J].汽車實用技術，2018（21）：82-85.

[5] 李潔，劉耿碩.基于MATLAB的汽車懸架系統(tǒng)仿真研究[J].河北工程大學學報（自然科學版），2019，36（02）：97-100.

[6] 高晉，楊秀建，牛子孺，楊路，陳蜀喬.扭轉梁懸架性能影響因素分析[J].江蘇大學學報（自然科學版），2014，35（06）：627-634+643.

[7] 孟杰，張凱，楊保成.基于ADAMS/car的汽車操作穩(wěn)定性建模與仿真[J].常熟理工學院學報，2013，27（04）：61-64.

[8] 柳楊.懸架的KC特性對整車操縱穩(wěn)定性影響的初步研究[J].機械設計與制造，2010（09）：118-119.

[9] 陸丹，湯靖，王國林.基于ADAMS的麥弗遜前懸架優(yōu)化設計[J].中國制造業(yè)信息化，2004（08）：106-109.

[10] 夏長高，邵躍華，丁華.麥弗遜懸架運動學分析與結構參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2005（12）：25-28.

[11] 徐成蔭.基于ADAMS的汽車前懸架仿真分析與優(yōu)化[D].沈陽工業(yè)大學，2013.

[12] 曹觀波.汽車前懸架系統(tǒng)建模仿真與分析[D].吉林大學，2012.

[13] 郭猛.汽車前輪定位參數(shù)分析與優(yōu)化設計[D].吉林大學，2006.

[14] 劉惟信，汽車設計（第四版）[M].北京，清華大學出版社，2004.2.

[15] 劉偉忠.基于虛擬樣機技術的某車懸架K&C特性仿真分析及硬點優(yōu)化[D].吉林大學，2009.