基于ADAMS的小型森林越野車前懸架仿真研究與優(yōu)化

摘 要：隨著小型森林越野車在復(fù)雜地形中應(yīng)用的廣泛性，其前懸架系統(tǒng)的性能對車輛的通過性和穩(wěn)定性起著決定性作用。文章以動力學(xué)仿真軟件ADAMS為工具，對小型森林越野車的前懸架系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究與優(yōu)化。首先，通過UG軟件實體建模，確定小型森林越野車前懸架各個硬點參數(shù)，然后Adamas-car構(gòu)建了前懸架系統(tǒng)的虛擬樣機模型，仿真分析車輪上下跳動參數(shù)與外傾角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前束角變化曲線關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，采用ADAMS-Insight進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，外傾角的變化量減小了1.22°，主銷內(nèi)傾角的變化量減小了0.7°，主銷后傾角的變化量減小了8.04°，其性能均得到了一定的優(yōu)化改善；前束角的變化量略有增加，增加了0.03°，通過優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比，優(yōu)化后的每項參數(shù)值都得到了一定的改善，提升了小型森林越野車的穩(wěn)定性和操控性。文章的研究成果不僅提升了小型森林越野車的性能，也為類似車輛的懸架系統(tǒng)設(shè)計提供了理論參考和工程指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：小型森林越野車 前懸架系統(tǒng) 曲線關(guān)系 優(yōu)化設(shè)計

0 引言

隨著戶外探險和越野運動的興起，小型森林越野車因其良好的機動性和適應(yīng)性而受到廣泛關(guān)注。前懸架系統(tǒng)作為越野車的重要組成部分，直接關(guān)系到車輛的穩(wěn)定性、舒適性以及越野能力。傳統(tǒng)的懸架設(shè)計多依賴于經(jīng)驗公式和試驗修正，耗時耗力且難以達(dá)到最優(yōu)設(shè)計。因此，利用現(xiàn)代仿真技術(shù)對小型森林越野車前懸架系統(tǒng)進(jìn)行研究，具有重要的理論價值和實際應(yīng)用意義。

1 ADAMS軟件介紹及應(yīng)用

1.1 ADAMS軟件概述

Adams-car 是一款高效的運動學(xué)仿真軟件，可以調(diào)用前期在軟件中預(yù)先設(shè)置好的模型與模板進(jìn)行仿真[1]。該軟件的核心功能包括建模、分析和優(yōu)化，支持用戶創(chuàng)建復(fù)雜的多體動力學(xué)模型，并對模型進(jìn)行詳細(xì)的性能測試。ADAMS擁有豐富的庫資源和強大的求解器，可以準(zhǔn)確模擬真實世界的物理行為。

1.2 ADAMS在汽車工程中的應(yīng)用

在汽車工程領(lǐng)域，ADAMS被用于各種類型的車輛系統(tǒng)的設(shè)計與分析。例如，它可以用來模擬車輛懸掛系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等，預(yù)測各組件在實際操作中的動態(tài)行為。此外，ADAMS還能幫助工程師評估不同設(shè)計方案的性能，從而在生產(chǎn)之前做出更加明智的決策。

1.3 ADAMS在小型森林越野車前懸架仿真中的適用性分析

對于小型森林越野車前懸架系統(tǒng)而言，由于其工作環(huán)境的復(fù)雜多變，傳統(tǒng)的設(shè)計方法往往難以滿足性能要求。ADAMS提供的高精度仿真能力使其成為理想的分析工具。通過建立準(zhǔn)確的前懸架模型，可以模擬不同的駕駛條件，如顛簸路面、陡坡等，進(jìn)而評估懸架系統(tǒng)的性能。利用ADAMS進(jìn)行參數(shù)研究和優(yōu)化設(shè)計，可以有效地指導(dǎo)實際的懸架系統(tǒng)開發(fā)，減少試錯成本，縮短研發(fā)周期。

2 小型森林越野車前懸架結(jié)構(gòu)的設(shè)計

2.1 前懸架系統(tǒng)的組成與工作原理

小型森林越野車前懸架系統(tǒng)主要由彈簧、減震器、連桿機構(gòu)、輪轂和輪胎等部件構(gòu)成。它連接車身與輪胎，起到減振、緩沖和防側(cè)傾的作用[2]。其主要工作原理是通過這些部件的相互作用來吸收來自不平路面的沖擊和振動，保證車輪與地面的有效接觸，從而確保車輛的行駛穩(wěn)定性和平順性。

2.2 前懸架類型及其特點

常見的前懸架類型包括麥弗遜式、雙橫臂式、多連桿式等。麥弗遜式懸架結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但抗側(cè)傾能力較弱；雙橫臂式懸架能提供較好的操控穩(wěn)定性，但占用空間較大；多連桿式懸架則在操控性和舒適性之間取得了較好的平衡，適用于高性能越野車。

2.3 小型森林越野車前懸架設(shè)計要求

小型森林越野車前懸架的設(shè)計需滿足以下基本要求：足夠的強度和剛度以承受惡劣路況下的載荷沖擊；良好的振動吸收能力以提高乘坐舒適性；合理的空間布局以適應(yīng)緊湊型車身結(jié)構(gòu)；以及優(yōu)異的可靠性和維護性以保證長期穩(wěn)定工作。此外，考慮到小型森林越野車的特殊使用環(huán)境，前懸架還應(yīng)具備良好的通過性和適應(yīng)復(fù)雜地形的能力。綜合分析，本論文小型森林越野車設(shè)計為雙橫臂式的獨立懸架，這樣的設(shè)計可以使懸架的側(cè)傾高度降低[3]。懸架的基本參數(shù)設(shè)定如表1所示。

3 前懸架仿真模型的建立

3.1 UG12.0三維建模

根據(jù)整車基本參數(shù)和前懸架基本參數(shù)值，利用UG12.0對前懸架模型進(jìn)行建立[3]。前懸架建模如圖1、2、3所示。

3.2 ADAMS建立仿真模型

UG前懸架三維模型建立以后，提取前懸架的硬點參數(shù)。在懸架仿真中，硬點參數(shù)可以影響車輛的穩(wěn)定性和行駛性能。硬點參數(shù)還可以影響懸架系統(tǒng)的自然頻率，即懸架系統(tǒng)固有的振動頻率。通過調(diào)整硬點參數(shù)，可以控制懸架系統(tǒng)的自然頻率，從而降低車輛的震動和顛簸感[4]。利用ADAMS懸架實驗測試臺對前懸架左右車輪同向跳動進(jìn)行仿真分析實驗，使車輪在上跳行程+120mm和下跳行程-80mm的范圍內(nèi)進(jìn)行前懸架運動仿真分析。提取硬件參數(shù)如表２所示，ADAMS建立前懸架仿真模型如圖4所示。

3.3 外傾角對前懸架性能的影響

外傾角是指車輪頂端向外傾斜的角度，使得兩個車輪頂端間的距離大于兩個車輪接地點之間的距離。外傾角作為車輛懸架系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，對前懸架的性能有著直接的影響。它不僅關(guān)系到車輛的行駛穩(wěn)定性和輪胎的磨損，還與駕駛安全息息相關(guān)。

外傾角可以有效減少駕駛員在轉(zhuǎn)向時所需的力，因為外傾角的設(shè)計使得輪胎與地面的接觸更加穩(wěn)定，減少了側(cè)向摩擦力，從而降低了轉(zhuǎn)動方向盤所需的力量；如果外傾角沒有在合理范圍內(nèi)，車輪將會有磨損；外傾角使得車輛的垂直載荷對軸承產(chǎn)生向內(nèi)的分力，有助于防止車輪甩脫，提高行車安全性；外傾角設(shè)計誤差太大，直接導(dǎo)致前輪胎在行駛時的磨損情況變嚴(yán)重，同時使得軸承之間的磨損加重[5]；外傾角設(shè)置不正確，可能會減少車輛在直線行駛時的穩(wěn)定力矩，導(dǎo)致車輛容易偏離直線行駛軌跡；外傾角設(shè)計不當(dāng)，可能會導(dǎo)致制動時車輛出現(xiàn)跑偏的現(xiàn)象，增加行車風(fēng)險。ADAMS仿真分析得到上下跳行程與外傾角曲線變化圖5-７所示。

通過圖5可知，車輪在上跳行程+120mm和下跳行程-80mm的范圍內(nèi)上下跳動時，前懸架外傾角變化范圍為-5.3°～1.8°，變化量為7.1°。正確地調(diào)整外傾角，對于確保車輛的行駛性能和延長懸架系統(tǒng)的使用壽命至關(guān)重要。

3.4 主銷后傾角對前懸架性能的影響

主銷后傾角是指前懸架中，主銷（即轉(zhuǎn)向軸）相對于垂直線向后傾斜的角度。后傾角能使車輪在轉(zhuǎn)彎后自動回正，減少駕駛員修正方向盤的頻率；適當(dāng)?shù)暮髢A角使車輛在轉(zhuǎn)彎時更穩(wěn)定，提升操控精度；正確的后傾角有助于輪胎均勻磨損，延長輪胎壽命；后傾角過大或過小都會增加懸掛系統(tǒng)部件的異常磨損。ADAMS仿真分析得到上下跳行程與主銷后傾角曲線變化圖６所示。

通過圖６可知，車輪在上跳行程+120mm和下跳行程-80mm的范圍內(nèi)上下跳動時，主銷后傾角變化范圍為2.1°～10.2°，變化量為8.1°。主銷后傾角是前懸架設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)，對車輛的直線穩(wěn)定性、操控性、輪胎和懸掛系統(tǒng)的健康都有顯著影響。

3.5 主銷內(nèi)傾角對前懸架性能的影響

主銷內(nèi)傾角是指前懸架中，主銷（即轉(zhuǎn)向軸）相對于垂直線向內(nèi)傾斜的角度。內(nèi)傾角有助于保證輪胎的均勻磨損，延長輪胎使用壽命；適當(dāng)?shù)膬?nèi)傾角使車輛在轉(zhuǎn)彎時更穩(wěn)定，提升操控性能；內(nèi)傾角會影響懸掛系統(tǒng)各部件的受力分布，不當(dāng)?shù)脑O(shè)置可能導(dǎo)致加速磨損；內(nèi)傾角有助于提高車輛的直線行駛穩(wěn)定性和減少方向盤的調(diào)整頻率。ADAMS仿真分析得到上下跳行程與主銷內(nèi)傾角曲線變化圖7所示。

通過圖7可知，車輪在上跳行程+120mm和下跳行程-80mm的范圍內(nèi)上下跳動時，主銷內(nèi)傾角變化范圍為4.6°～11.7°，變化量為7.1°。主銷內(nèi)傾角是前懸架設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)，對車輛的穩(wěn)定性、操控性和懸掛系統(tǒng)的健康都有顯著影響。

3.6 前束角對前懸架性能的影響

前束角，也稱為前束量，是車輛前懸架系統(tǒng)的一個重要參數(shù)。是指當(dāng)從車輛正上方俯視時，車輪軸線與車輛縱向中心線的夾角。正前束有助于提高車輛的直線行駛穩(wěn)定性。當(dāng)前束設(shè)置正確時，車輛在直線行駛時輪胎之間互不干涉，減少了側(cè)向滑動的可能性，從而提高了高速行駛的穩(wěn)定性；過大或過小的前束都會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向特性變差，如過度轉(zhuǎn)向或不足轉(zhuǎn)向，影響駕駛的安全性和舒適性；負(fù)前束雖然能增加車輛在濕滑路面的操控性，但會加速輪胎內(nèi)側(cè)的磨損，要根據(jù)車輛的具體行駛環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；不適當(dāng)?shù)那笆O(shè)置會增加懸掛系統(tǒng)和輪胎的不正常磨損，導(dǎo)致懸掛系統(tǒng)部件如球頭、連桿等提前老化，增加維修成本；當(dāng)前束設(shè)置不當(dāng)時，可能會導(dǎo)致制動時輪胎的異常磨損，影響制動效果和安全性；不合理的前束設(shè)置可能導(dǎo)致行駛中車輛抖動，尤其在高速行駛時更為明顯，影響駕駛體驗和乘坐舒適度。ADAMS仿真分析得到上下跳行程與前束角曲線變化圖8所示。

通過圖8可知，車輪在上跳行程+120mm和下跳行程-80mm的范圍內(nèi)上下跳動時，主銷內(nèi)傾角變化范圍為0.37°～0.95°，變化量為0.58°。前束角作為前懸架系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵參數(shù)，其設(shè)置直接影響到車輛的行駛穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向特性、輪胎磨損、懸掛系統(tǒng)耐久性、制動性能以及駕駛舒適性。因此，在車輛維護和調(diào)整時，應(yīng)給予前束角足夠的關(guān)注，并在必要時進(jìn)行精確的測量和調(diào)整，以保證車輛的最佳性能和安全性。

4 ADAMS-Insight優(yōu)化設(shè)計

ADAMS-Insight提供了一個強大的工具平臺，使得工程技術(shù)人員能夠通過參數(shù)化設(shè)計和多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化來精細(xì)化前懸架的設(shè)計。以車輪定位參數(shù)為設(shè)計目標(biāo)，選擇前懸架硬點坐標(biāo)作為設(shè)計變量，根據(jù)敏感度大小進(jìn)行優(yōu)化，確保設(shè)計目標(biāo)在合理的范圍內(nèi)變化，以提高車輛的行駛穩(wěn)定性和減少輪胎磨損。對選定的設(shè)計變量進(jìn)行多次迭代試驗，每次迭代都根據(jù)設(shè)定的變化值范圍進(jìn)行調(diào)整。通過ADAMS/Insight模塊的回歸分析方法，估計一個響應(yīng)對另一個的影響，并細(xì)化改進(jìn)模型。優(yōu)化前后對比參數(shù)變化量如表3所示。

通過迭代優(yōu)化后，外傾角的變化量減小了1.22°，主銷內(nèi)傾角的變化量減小了0.7°，主銷后傾角的變化量減小了8.04°，其性能均得到了一定的優(yōu)化改善；前束角的變化量略有增加，增加了0.03°，對前懸架系統(tǒng)的影響較小。總之，優(yōu)化后的每項參數(shù)值都得到了一定的改善，提升了小型森林越野車的穩(wěn)定性和操控性。

5 結(jié)論

本文利用ADAMS軟件建立了小型森林越野車前懸架的仿真模型，并通過一系列仿真實驗對其性能進(jìn)行了分析和優(yōu)化。實驗結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化的前懸架系統(tǒng)在提高行駛穩(wěn)定性和平順性方面取得了顯著成效。雖然存在一些局限，如模型未能完全考慮溫度變化對材料特性的影響，以及長期負(fù)載下懸架組件疲勞損傷的累積效應(yīng)。未來的研究可以在這些方面進(jìn)行深入探討，進(jìn)一步完善模型的逼真度和預(yù)測能力。但本文提供的方法和技術(shù)路線為小型森林越野車的前懸架系統(tǒng)設(shè)計提供了有效的參考和指導(dǎo)。未來研究將繼續(xù)在這一基礎(chǔ)上深化，以期達(dá)到更高的設(shè)計優(yōu)化水平。

基金項目：2021年廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級課題：基于小型森林越野車的前懸架仿真研究與優(yōu)化（2021KY06）；2022年廣西教育廳中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目：基于ANSYS動力電池的水冷散熱器仿真分析與優(yōu)化（2022KY1229）；2023年廣西教育廳中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目：新能源汽車動力電池檢查與維修關(guān)鍵技術(shù)與工藝研究（2023KY1268）；2023年廣西職業(yè)教育教學(xué)改革研究項目：“標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)、監(jiān)測追蹤、協(xié)同創(chuàng)新”的高職計算機類人才培養(yǎng)質(zhì)量評價體系構(gòu)建的研究與實踐（GXGZJG2023B105）。

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