某車型麥弗遜前懸架運(yùn)動(dòng)特性優(yōu)化

摘 要：為了研究前期懸架硬點(diǎn)的布置是否具有較好的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能，以某車型為例，運(yùn)用adams/car軟件建立該車型麥弗遜前懸架的精確動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行平行輪跳仿真分析，得出懸架的定位參數(shù)及輪距隨輪跳的變化關(guān)系。選擇分析中變化較大的前束角、外傾角和輪距為優(yōu)化目標(biāo)，運(yùn)用adams/isight進(jìn)行硬點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)定位參數(shù)的敏感度分析，確定優(yōu)化變量。設(shè)定優(yōu)化變量的合理范圍，通過多次迭代計(jì)算，得到優(yōu)化結(jié)果。發(fā)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)的變化范圍都明顯減小，提高了懸架的運(yùn)動(dòng)特性，達(dá)到硬點(diǎn)優(yōu)化效果。

關(guān)鍵詞：麥弗遜懸架 定位參數(shù) 輪距 優(yōu)化 adams/car adams/isight

懸架系統(tǒng)是組成汽車關(guān)鍵部件之一，由導(dǎo)向元件、彈性元件和減振器和穩(wěn)定桿組成，主要功能是把輪胎受到地面的沖擊力和力矩能可靠地傳遞到車身[1]；緩和地面?zhèn)鹘o車身的沖擊；減小振動(dòng)；控制車輪定位參數(shù)在合理范圍內(nèi)變化。其性能的好壞直接影響整車操作穩(wěn)定性和平順性。

在汽車懸架開發(fā)前期，懸架硬點(diǎn)的布置是底盤開發(fā)的關(guān)鍵，與懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能和底盤耐久有直接的關(guān)系，直接影響整車的操作穩(wěn)定性、平順性和安全性。本文以某車型前麥弗遜懸架為例，采用動(dòng)力學(xué)軟件adams/car建立前懸架的精確動(dòng)力學(xué)模型，并分析出懸架定位參數(shù)與輪跳的關(guān)系，并通過adams/insight分析各硬點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)懸架定位參數(shù)的敏感度分析，為定位參數(shù)的優(yōu)化選擇合理設(shè)計(jì)變量提供理論依據(jù)，最后通過adams/insight對(duì)懸架的硬點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 麥弗遜前懸架動(dòng)力學(xué)模型的建立

根據(jù)底盤布置的硬點(diǎn)，利用adams/car建立構(gòu)建麥弗遜前懸架裝配總成的3個(gè)子系統(tǒng)：麥弗遜獨(dú)立懸架、齒輪齒條式轉(zhuǎn)向傳動(dòng)系統(tǒng)和穩(wěn)定桿組件系統(tǒng)。

1.1 麥弗遜懸架子系統(tǒng)

麥弗遜懸架是[2]由彈簧、減振器、緩沖塊、轉(zhuǎn)向節(jié)、輪胎、下控制臂、轉(zhuǎn)向拉桿、球銷和橡膠襯套構(gòu)成，下控制臂的外端通過球銷與轉(zhuǎn)向節(jié)連接，下控制臂的內(nèi)端通過轉(zhuǎn)動(dòng)副和前后襯套與車身（副車架）連接，減振器上部通過胡克副和襯套與車身連接，減振器下部與轉(zhuǎn)向節(jié)固連，減振器上部與減振器下部通過柱面副連接，轉(zhuǎn)向拉桿外端與轉(zhuǎn)向節(jié)通過球銷連接，轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)端與轉(zhuǎn)向連接軸通過胡克副連接，前彈簧連接在減振器上部與轉(zhuǎn)向節(jié)部件之間，減振器、彈簧、襯套的屬性文件都來源于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2 齒輪齒條式轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)

齒輪齒條式轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)是由方向盤、轉(zhuǎn)向管柱、中間軸、轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向齒條組成，方向盤與轉(zhuǎn)向管柱通過固定副連接，并與車身通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，轉(zhuǎn)向管柱與車身通過柱面副連接，中間軸與轉(zhuǎn)向管柱和轉(zhuǎn)向軸通過胡克副連接，轉(zhuǎn)向軸與轉(zhuǎn)向齒條通過齒輪副連接。

1.3 穩(wěn)定桿組件系統(tǒng)

穩(wěn)定桿組件系統(tǒng)是由穩(wěn)定桿、穩(wěn)定桿襯套、穩(wěn)定桿拉桿和球銷組成，穩(wěn)定桿通過穩(wěn)定桿襯套連接車身（副車架），穩(wěn)定桿拉桿兩端通過球銷分別與穩(wěn)定桿和減振器支柱總成（下控制臂）連接，本文采用的穩(wěn)定桿是柔性件[3]，柔性體與外界連接需要通過啞物體連接。

根據(jù)上述三個(gè)子系統(tǒng)中零部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和約束類型，分別創(chuàng)建3個(gè)子系統(tǒng)，各系統(tǒng)間通過通訊器建立連接關(guān)系，最后和一個(gè)懸架實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝配在一起，得到麥弗遜前懸架動(dòng)力學(xué)模型，如圖1。

2 麥弗遜前懸架運(yùn)動(dòng)特性仿真分析

為了得到精確懸架模型，使分析的結(jié)果更能反映實(shí)際情況，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性仿真分析之前，首選要對(duì)懸架進(jìn)行靜載調(diào)平衡，具體如下：根據(jù)預(yù)估的簧下質(zhì)量調(diào)整懸架的簧下質(zhì)量，然后通過空載載荷調(diào)整彈簧的預(yù)載和襯套的預(yù)載，使懸架處在平衡狀態(tài)[4]，即空載狀態(tài)。然后通過平行輪跳仿真，設(shè)置上下輪跳的位移為50mm，仿真結(jié)束后，通過后處理獲得前束角、外傾角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角和輪距隨輪跳的變化曲線。

2.1 前束角

前束角的變化對(duì)車輛直線行駛穩(wěn)定性有很大影響，前束角的設(shè)計(jì)是為了匹配外傾角的變化，減少直線行駛輪胎所受的側(cè)向力，減少輪胎的過度磨損，對(duì)于前驅(qū)車的前輪[5]，取一定的負(fù)前束，以使汽車在行駛時(shí)保持車輪直線運(yùn)動(dòng)，減少輪胎磨損和滾動(dòng)阻力。為了滿足車輛在轉(zhuǎn)彎行駛時(shí)不足轉(zhuǎn)向特性的需要，前束常設(shè)計(jì)成車輪上跳成零至弱負(fù)前束變化，一般來說變化量越小越好，圖2為前束角隨輪跳的變化曲線，前束變化范圍為0.39°～-0.47°，變化較大，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

車輪外傾角多車輛彎道行駛特性有很大影響，當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，車輪隨車身發(fā)生側(cè)傾，外側(cè)車輪相對(duì)于地面向正的外傾角變化，從而減少外側(cè)輪胎與路面的接觸面積，不利于提供轉(zhuǎn)彎時(shí)所需的側(cè)向力，為了消除這一影響，一般希望車輪上跳時(shí)，外側(cè)車輪有一定的負(fù)外傾變化，以保證車輪與地面充分接觸。在上下跳動(dòng)±50mm范圍內(nèi)[6]，外傾角的變化在2°以內(nèi)，圖3為外傾角隨輪跳的變化曲線，外傾角變化范圍為1.87°～-0.31°，變化略高，需要優(yōu)化。

主銷后傾角和后傾拖距的設(shè)計(jì)是保證汽車具有合適的回正力矩，當(dāng)車輛直線行駛時(shí)，車輪受到外界沖擊力的作用而使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)，車輪接地點(diǎn)的力與到主銷的力臂形成與車輪偏轉(zhuǎn)的相反力矩，使車輪自動(dòng)的回正，保證汽車直線行駛的穩(wěn)定性，同時(shí)為了保證制動(dòng)時(shí)后傾角不過小，希望后傾角隨輪跳上跳而增加，但是也不能出現(xiàn)車輪在上下跳動(dòng)過程中后傾角變化過大，這樣會(huì)造成回正力矩過大或是過小，使操作穩(wěn)定性變差，對(duì)于無助力轉(zhuǎn)向懸架[7]，主銷后傾角一般為3°～10°，圖4后傾角隨輪跳的變化曲線，后傾角變化范圍為4.34°～5.07°，滿足設(shè)計(jì)要求。

主銷內(nèi)傾角與主銷偏移距所產(chǎn)生的回正力矩與側(cè)偏力成正比，側(cè)偏力與車速有關(guān)，車速越大，側(cè)偏力也大，產(chǎn)生的回正力矩也大，相反車速低幾乎不產(chǎn)生回正作用，為了保證低速的回正力矩，就要設(shè)置主銷內(nèi)傾角，主銷內(nèi)傾角的增大使回正力矩也成倍增大，為了減少縱向力對(duì)回正的影響，一般將主銷偏移距設(shè)計(jì)比較小或是負(fù)值，同時(shí)主銷內(nèi)傾角有一個(gè)較大的值，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，主銷內(nèi)傾角變化范圍為7°～15°，圖5內(nèi)傾角隨輪跳的變化曲線，后傾角變化范圍為11.4°～14°，滿足設(shè)計(jì)要求。

輪距的變化對(duì)輪胎的磨損和整車操作穩(wěn)定性有重要影響，轉(zhuǎn)彎時(shí)由于離心力的作用，外側(cè)懸架將壓縮，相當(dāng)于車輪相對(duì)車身上跳，如果此時(shí)輪距減小，造成重心偏移，又加劇了懸架的壓縮，使車輪相對(duì)車身再次上跳，結(jié)果造成車身側(cè)傾角加大，嚴(yán)重時(shí)使汽車失去穩(wěn)定性。所以，車輪上跳時(shí)，輪距不宜減小，應(yīng)適當(dāng)增加，而下跳時(shí)，輪距適當(dāng)減小起到轉(zhuǎn)彎時(shí)減小車身側(cè)傾角的作用，有利于保持汽車的穩(wěn)定性。為了減小輪胎與地面的側(cè)向滑移，減小輪胎磨損[8]，希望輪距變化量要小，一般輪距變-5mm/50mm～5mm/50mm的范圍內(nèi)，圖6輪距隨輪跳的變化曲線，輪距變化范圍為1396mm～1425mm，變化量達(dá)到29mm，不滿足設(shè)計(jì)要求。

3 硬點(diǎn)對(duì)定位參數(shù)的敏感度分析

由上述仿真結(jié)果可以看出，前束角、外傾角、輪距變化較大，需要進(jìn)一步對(duì)這個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如果通過人工調(diào)整硬點(diǎn)的位置來獲得定位參數(shù)的合理范圍，任務(wù)量太大，而且得到的結(jié)果也不一定很好，adams/insight與adams/car無縫連接，使得任務(wù)量大大減少，它可以量化各個(gè)硬點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)定位參數(shù)的影響程度[9]，從而為選擇優(yōu)化變量提供理論指導(dǎo)，通過對(duì)麥弗遜式獨(dú)立懸架的下控制臂外、前、后點(diǎn)以及轉(zhuǎn)向的內(nèi)、外點(diǎn)和減振器上點(diǎn)6個(gè)硬點(diǎn)18個(gè)坐標(biāo)值e7SFAz1uuX5Gnzhggl25V8W3zTX7veAXl7R1unV/vUA=進(jìn)行敏感度分析[10]，假設(shè)每個(gè)坐標(biāo)變化范圍為-5～+5，在adams/insight進(jìn)行128次迭代，得到各變量對(duì)前束角、外傾角、輪距的敏感度，表1為主要影響坐標(biāo)對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的靈敏度。

4 定位參數(shù)的優(yōu)化

根據(jù)靈敏度的分析，確定合適的優(yōu)化變量，在這里選擇下擺臂的前點(diǎn)Z坐標(biāo)和外點(diǎn)X坐標(biāo)、轉(zhuǎn)向拉桿的內(nèi)點(diǎn)Z坐標(biāo)和減振器上點(diǎn)Y坐標(biāo)作為變量[11]，然后根據(jù)硬點(diǎn)空間位置的限制，選擇各坐標(biāo)的變化范圍為±10，設(shè)置仿真過程中前束角、外傾角和輪距的絕對(duì)值最大值為優(yōu)化目標(biāo)，采用兩水平實(shí)驗(yàn)方法，采用全因子設(shè)計(jì)方法經(jīng)過多次反復(fù)迭代，得到優(yōu)化的結(jié)果，表為優(yōu)化前后硬點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)以上的優(yōu)化結(jié)果，調(diào)整相應(yīng)的硬點(diǎn)坐標(biāo)，得到優(yōu)化后的懸架模型，再進(jìn)行一次平行輪跳仿真，與原硬點(diǎn)方案結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化前與優(yōu)化后的K&C特性曲線如圖7～圖9所示。

由圖7～圖9可知，通過硬點(diǎn)的調(diào)整，前束角的由優(yōu)化前的0.39°～-0.47°縮小到優(yōu)化后的0.44°～-0.27°，變化量從0.86縮小到0.71，改善了懸架的性能，外傾角的由優(yōu)化前的1.87°～-0.31°縮小到優(yōu)化后的1.64°～-0.11°，變化量從2.18縮小到1.75，而且優(yōu)化的結(jié)果滿足外傾角的變化要求，輪距的由優(yōu)化前的1396°～1425°縮小到優(yōu)化后的1410～1420°，變化量從29mm縮小到10mm，優(yōu)化的結(jié)果滿足輪距的變化要求，由此證明達(dá)到優(yōu)化的目的。

5 結(jié)論

本文通過adams/car建立該車的前麥弗遜懸架精確的動(dòng)力學(xué)模型，通過平行輪跳獲得懸架的定位參數(shù)和輪距與輪跳的關(guān)系，從中得到前束角、外傾角、和輪距變化較大的問題，并通過adams/isight對(duì)硬點(diǎn)進(jìn)行靈敏度分析，確定優(yōu)化變量，以變化較大的前束角、外傾角和輪距作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，經(jīng)過多次反復(fù)迭代得到最終的硬點(diǎn)優(yōu)化結(jié)果，仿真結(jié)果證明，優(yōu)化的結(jié)果較好解決前束角、外傾角和輪距變化較大的問題，由于硬點(diǎn)布置空間受限的問題，所得到的優(yōu)化結(jié)果是相對(duì)的，不是絕對(duì)的。

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