毕业设计（论文）-基于ADAMS的汽车悬架系统仿真分析与优化.docx

毕业设计说明书基于ADAMS的汽车悬架系统仿真分析与优化机械与动力工程学院学生姓名： 学号： 车辆工程学 院： 专 业： 指导教师： 2017年6月中北大学2017届毕业设计说明书基于ADAMS的汽车悬架系统仿真分析与优化摘要汽车悬挂结构的设计能够直接对车轮定位参数造成影响，同时其对汽车行驶的平顺性，操稳性以及安全性都具有非常重要的作用。若车轮定位参数设计不够理想，那么不仅会加剧汽车轮胎的磨损，更会威胁汽车行驶的安全。全套图纸加扣3012250582 本文以虚拟样机软件MSC.ADAMS 2014的CAR模块为依托，针对某小型轿车的前麦弗逊式独立悬挂结构并不能使该型车具有良好的车轮定位参数的问题，通过对悬挂机构零部件进行简化分析，计算分析出了前麦弗逊独立悬架零部件之间的约束以及其空间自由度。同时根据该车型的关键硬点数据在ADAMS/CAR中建立了带有测试台的前悬挂总成虚拟样机模型。通过对样机模型的仿真分析我们得出该车型主销内倾角在车轮振动的过程中并不能在理想的范围内变化。通过对影响车轮定位参数的主要七个硬点坐标的X、Y、Z三个方向的21个因子进行各个因子对各个定位参数的灵敏度分析，得出对主销内倾角影响较大而对其他定位参数影响较小的两个设计变量。之后经过修正这两个硬点坐标，并对比分析优化前后车轮定位参数随轮跳的变化曲线发现车轮定位参数得到了优化。本文以虚拟样机软件为依托对悬挂结构进行了优化分析，较相比于传统的建立汽车物理样机实体模型而言节省了巨大的人力和物力，因而本文解决的问题具有十分重要的现实意义。关键词：麦弗逊式悬架，虚拟样机，ADAMS/CAR，车轮定位参数，优化仿真Simulation Analysis and Optimization of Vehicle Suspension System Based on ADAMSAbstractThe design of the car suspension structure can directly affect the wheel alignment parameters, and as a result can affect car ride comfort, stability and safety . If the design of the wheel alignment parameters is not ideal, then not only will aggravate the wear of car tires, but also threaten the safety of car driving.In this paper, based on the CAR module of the virtual prototyping software MSC.ADAMS 2014, the pre-McPherson independent suspension structure for a small car does not make the vehicle have a good wheel alignment parameter, and by moving the suspension parts and the analysis of the constraints between the former McPherson independent suspension components and their spatial degrees of freedom are analyzed. At the same time, a virtual prototype model of the front suspension assembly with test bench was established in ADAMS / CAR according to the key hard point of the vehicle. Through the simulation analysis of the prototype model, we can conclude that the kingpin inclination of the model can not change in the ideal range.By analyzing the sensitivity of each locating parameter of each factor in the three factors of X, Y, and Z in three directions, which affect the wheel alignment parameters, the influence of the inclination angle on the main pin is large. Alignment parameters affect the two smaller design variables. After the correction of these two hard points coordinates, and compare the analysis before and after optimization of alignment positioning parameters with the wheel jump of the curve found that the alignment positioning parameters have been optimized.In this paper, the virtual prototyping software is based on the optimization of the suspension structure, compared with the traditional physical model of the physical model to build a huge human and material resources, so this paper to solve the problem has a very important practical significance.Key words: McPherson suspension, virtual prototyping, ADAMS / CAR, wheel alignment parameters, optimized simulation中北大学2017届毕业设计说明书目录1 绪论11.1 论文研究的背景及意义11.2 研究现状11.2.1 国外研究现状11.2.2 国内研究现状21.3 本课题的主要任务22 多体系统动力学及虚拟样机技术42.1 多体系统动力学研究方法42.2 虚拟样机技术与ADAMS软件53 前悬架虚拟样机模型的建立63.1 麦弗逊式悬架结构分析63.2 ADAMS/CAR建模原理63.2.1 ADAMS/CAR中模型的拓扑结构63.2.2 建模步骤73.3 麦弗逊式独立悬架建模83.4本章小结134 前悬架仿真分析144.1 设置仿真参数144.2 双轮同向跳动仿真与分析164.3 双轮反向跳动仿真与分析204.4 单轮跳动工况分析224.5 本章小结255 麦弗逊式悬架优化设计265.1 参数化分析方法介绍265.2 麦弗逊式悬架试验设计265.3 车轮定位参数优化设计325.4 本章小结346 结论与展望36参考文献37致谢39II中北大学2017届毕业设计说明书1 绪论1.1 论文研究的背景及意义随着人们生活程度的提升和科技的进步，人们购车需求也由以往的能买的起车就行转变到了如今的不仅能买到车，更要买到动力出色、节能环保、舒适安全的好车。而汽车悬架系统直接影响汽车行驶纵稳定性和乘车的舒适性。悬架分为前悬架与后悬架，而前悬架对车辆操纵稳定性的影响非常重要,悬架的性能直接决定了当汽车振动时车轮的定位参数的变化是否理想12。为了能够使生产出来的车辆拥有优秀的操纵稳定性以及舒适型，需要在设计阶段对样车进行评价，而评价汽车悬架性能的好坏并不是一项简单的工作，传统汽车悬架系统评估常采纳试验的措施，经过重复物理样机试制与试验，花费大量人力、物力和财力。使用ADAMS软件，用户能够创建并测试包含汽车子系统以及整车模型。同时利用该软件也可以模拟前悬架总成在不同工况下的定位参数变化曲线，从而做到对前悬架进行性能分析3。本次毕业设计题目的应用意义在于通过ADAMS软件自带的CAR模块对麦弗逊式前悬架总成进行仿真分析。通过利用虚拟样机技术辅助设计悬架的方法，能够实现快速而又经济设计的新的车辆。更重要的，可以使汽车领有良好的操稳性，以达到生产出既安全舒适的好车的目的。1.2 研究现状利用计算机仿真软件对悬架的动力学性能仿真模拟的研究在国内外已经很普遍，基础理论也相对较多。随着多刚体系统动力学理论的发展，它已经普遍的应用于悬架系统仿真。1.2.1 国外研究现状国外多个国家在汽车悬挂系统机构运动学一家动力特性的方面研究的非常深入。上世界50年代Segel等人最开始创立了多自由度模型的悬挂结构数学模型。在之后随着对汽车操稳性理论探讨的不断加深，德国首先在六十年代创建了比较完备的汽车悬挂多自由度模型。如D.J.Segal创建的16自由度汽车模型，Michael Sayers的十七度汽车模型和德国高校研究的十七度汽车自由度模型。在世界著名的车辆动力学这本书中，作者利用了坐标变换的理论将车轮坐标系转变为车身坐标系，进而基于此研究了车轮定位参数变动，取得了很好的成效。到之后的几十年里国外的汽车工业不断的发展壮大，于此同时也促进了许多新生的动力学软件诞生，而其中设计汽车或者有汽车模块的软件也逐渐增加，因而国外基于仿真软件的分析的也越来越多的用于汽车公司或者国外学者对于汽车动力学理论的分析当中45。1.2.2 国内研究现状吉林大学的动态模型实验室曾针对某车的主动以及被动安全应用虚拟样机技术进行了仿真，仿真面涉及悬挂系统，视景模拟等，并且该系统能够比较精确的模拟驾驶员的一些行为，取得了很好的效果6。2011年湖南大学汽车车身先进制造国家重点实验室与长春孔辉汽车科技有限公司针对某国产汽车轮胎磨损问题，用用虚拟样机仿真软件ADAMS/CAR建立了该车型前悬架模型，并以车轮定位参数随轮跳的变化特性曲线的斜率为目的，在优化模块对前悬架硬点进行了灵敏度分析，经过选取较少的坐标因子作为优化参数，使该车的K&C特性曲线达到了理性的变化范围之内7。2016年东莞中山大学研究院同样利用虚拟样机软件以某电动汽车前悬架为研究目标，建立了其动力学模型，并进行了双轮反向跳动试验，同样达到了对悬架结构进行优化的目的8。综上所述，在以往对车辆动力学系统理论的研究，特别是汽车悬挂机构理论的研究中。国内外学者对悬挂的自由度的分析越来深入，悬挂机构模型的机构自由度有刚开始的两个或者三个自由度逐步深入到十几个。模型也由稳态、线性系统研究变化到非线性、瞬时状态研究。1.3 本课题的主要任务本课题主要任务是针对某轿车麦弗逊式前独立悬挂系统结构设计对转向轮定位参数有较大影响，进而对车辆操纵稳定性以及车辆舒适性有影响的情况，对该车型的悬挂结构进行优化设计。具体步骤是首先对该形式悬挂系统进行机构简化并计算分析出该悬挂模型的空间自由度。之后对虚拟样机软件ADAMS/CAR模块的建模原理进行分析，介绍建立悬挂模型的步骤以及注意事项，并在该模块下建立前悬挂虚拟样机动力学模型。之后对虚拟样机模型进行仿真以及车轮定位参数的变化曲线分析，最后结合ADAMS/Insight模块并经过修改前悬架的关键硬点对该悬挂模型进行优化设计从而研究悬架结构参数对车辆操纵稳定性的影响。2 多体系统动力学及虚拟样机技术作为研究多重约束机械运动规律和部件受力环境的基础理论，多体系统动力学是以经典力学为基础，是现代设计理论中虚拟样机的重要核心技术。其内容主要涵盖多柔体系统动力学和多刚体系统动力学9。ADAMS软件是基于多刚体系统动力学原理所研究出来的机械系统动力学软件，它不仅代表了虚拟样机发展的发展方向，并且在世界机械系统动力学软件中占有重要的份额。本章重点介绍多体系统动力学的基本理论，重点阐述了运动学仿真计算基本理论和使用ADAMS 软件建立虚拟样机模型的的基本方法步骤。2.1 多体系统动力学研究方法我们把多个机械构件经过运动副多重约束而形成的复杂机械构件系统称之为多刚体系统，它的基本功能是经过计算机CAD、CAE技术对复杂的机械构件系统进行运动学或者动力学方面的研究与模拟仿真。多体系统动力学是经典理论力学、以及材料力学的新学科分支，它的发展经过了多刚体系统动力学和计算多体系统动力学两个阶段，现在以基本成熟。上个世纪六十年代，由于机械工程领域的大量应用，各国学者以及工程人员对多体动力学方法展开研究，其中主要研究成果是建立了不同的分析理论。其中有Newton.Euler方程法、Langrage方程法、图论法、Kane.Houston方法以及变分方法和旋量方法等多种研究方法10。在使用多体系统动力学基本理论研究具体问题时，一般要经过下面的步骤：首先对实体机械抽象简化，需要注意的是在具体机构进行抽象简化时一定要对机构有十分清晰的了解，不能够丢失任何连接部件，在确保抽象模型的准确性之后在分析机构中各个部件之间的连接方式以及他们之间的约束，之后对该机械系统进行机构分析，确定出其自由度以及机构原动件，输出构件。然后建立该机构运动的多体系动力学方程数学模型而后在计算机软件中建立其三维CAD模型或者CAE模型，最后在分析软件中对机构动力学性能进行分析。经过简化实际机构，建立模型极大地提高了仿真分析的效率。2.2 虚拟样机技术与ADAMS软件虚拟样机技术是与实体的物理样机技术相区别的一门新型的工程与研究技术。在传统的机械批量生产之前，工程师一般会先建立一个产品的实体物理样机模型，通过对该具体的物理样机的试验分析，以确定改产品是否符合公司的生产要求。但是在产品投产之前往往需要经过多次的物理样机的试制分析，因而对物理样机的试验分析需要耗费巨大的时间、人力以及财力，工程上迫切需要新型的计算机技术来帮助工程师。在这样一种工程实际需求之下，虚拟样机技术诞生了。利用这用技术，工程师可以在计算机上实现对样机的仿真分析，只不过作为仿真对象的不再是具体的物理样机而是虚拟的计算机模型。这种基于计算机的虚拟模型涉及多交叉学科，包括多体系动力学，数学和软件工程等。计算机虚拟模型在基本的动力学属性方面与实体的物理样机模型具有极高的相似度，因而工程师可以在设计阶段多次对所建立的机械机构进行仿真分析。在得出比较理想的仿真分析结构之后在建立真是的物理样机进行试验分析11。 ADAMS/CAR模块为汽车专用模块,它能够方便的建立子系统以及整车模型3。工程师可以利用该软件仿真汽车或子系统在不同的行驶条件下所对应的汽车在满载、半载和空载时的相对应的不同性能。而利用该软件的后处理分析模块可以对仿真出来的数据图形进行分析研究，十分方便高效。ADAMS/CAR模块的模式之一是模板建模器模式，该模式对用户的理论水平有更高的要求，需要用户懂得基本的机械原理基础知识，即对零部件，装配组件以及约束，机构运动自由度等等有深刻的了解。同时对动力学以及理论力学，材料力学等方面的要求也较高。相应来讲，该模式下用户自然也有更多的主动权，可以充分发挥自己的想象力，自己建立硬点数据，创建一半部件，几何模型，定义约束，进行仿真以及后处理等。区别与模板建模器模式是标准模式，这两种模式之间可以切换，当切换到标准模式下之后面对的只是子系统模板，此时只能对子系统文件进行有限的修改，若是用户理论知识功底不够，那么很可能会使得修改后的模型出现错误。3 前悬架虚拟样机模型的建立3.1 麦弗逊式悬架结构分析麦弗逊式独立悬挂应用广泛。其结构简单，由转向节、转向杆、螺旋弹簧、减震器、三角形下控制臂组成，通常还会加上横向稳定杆。其中螺旋弹簧吸收车轮振动时产生的能量从而达到缩小振动幅度的问题。而减震器具有阻尼特性，利用这种阻尼特性可以是悬挂的振动在最短的时间内停止12。模型机构简图如图3.1 所示。图3.1 麦弗逊式前悬架结构图1.下摆臂 2.转向节 3.轮轴 4.车轮 5.减振器 6.螺旋弹簧 7.车架 8.转向横拉杆 9.转向器齿条3.2 ADAMS/CAR建模原理3.2.1 ADAMS/CAR中模型的拓扑结构ADAMS/CAR中有4类文件，属性文件、模板、子系统文件和装配组件，图3.2所示是使用文件体系建立的一个基于模板的产品，用户建立新子系统时既可以使用模板中默认的属性文件，也可以调用其他数据库中的属性文件3。图3.2 属性文件、模板、子系统、装配总成和测试台之间的结构关系3.2.2 建模步骤 总的来说，建立麦弗逊式前悬架模型的步骤有两种。其一是在标准用户模式下对ADAMS/CAR系统自带的麦弗逊悬架模板进行修改，这种方法操作简单，但是对于用户所掌握的数据的要求比较高，用户必须提供不少于系统模板文件的数据才能对模板进项修改。其二是在模板建模器模式下通过建立硬点，一半部件，定义约束，建立通讯器的方式一步步的建立虚拟样机，该方法操作相对费时且容易出错，但在对理论基础掌握牢固的情况下可以采用这种方法建立精确的模型。在本文采用上述的第二种方法。建立麦弗逊式前悬架总成的过程中，先使用模板建模器模式建立了样车模板，之后再转换到标准模式下对样机模型进行了仿真14。具体流程如下：（1） 对悬架结构进行简化；（2） 创建硬点坐标；（3） 创建一般部件；（4） 创建几何模型；（5） 定义约束；（6） 创建通讯器；（7） 完成前悬架几何模型的创建，转换到标准模式下简历前悬架子系统文件；（8） 利用上一步创建的子系统文件与测试台一起创建前悬架总成模型。3.3 麦弗逊式独立悬架建模（1）建模数据准备建模前的数据准备是一项十分重要的工作，数据的准确与否直接影响所建立虚拟样机模型的准确性，进而影响整个的仿真以及后续的优化工作。由于本文着重研究麦弗逊悬架结构参数变化对车轮定位参数的影响，只进行了悬架运动学分析，没有进行力学分析，仿真时的输入量为车轮上下跳动数值，减震器与弹簧对数据结果无影响，故可不予考虑。本文建模以某小型轿车为依托，所用数据来源于文献13。未注明的均为满载状态参数。需要注意的是本文所使用的数据来源中并没有车轮定位参数的初始值，下列数据中的车轮定位参数均为在定位参数轮跳关系曲线中读取到的静平衡状态下的车轮定位参数的初始值。表3.1 整车部分参数名称参数值单位整车外形尺寸468017001423mm轴距2656mm前轮距1393mm整车整备质量1140kg满载质量1560kg簧上质量1404kg前轮外倾角-0.6。车轮前束-0.05。表3.2 前悬架系轮胎参数名称参数值单位轮胎195/60SR14-自由半径294.8mm垂直刚度292.280KN/m车轮质量17.7Kg表3.3 硬点参数列表硬点XYZ驱动轴内支点0-10310下控制臂前支点-160.8-332.5-77下控制臂外支点-0.8-668.007-77.561下控制臂后支点259.2-332.5-77螺旋弹簧下支座点2.46-565.14306.325减震器下安装点-0.279-569.7497.1612副车架前支点-65-322-20副车架后支点65-322-20转向横拉杆内支点-9.3-45238.5转向横拉杆外支点-144.117-579.131267.502减震器上安装点4.4-527.7518.3车轮中心0.1101-693.52628.8762（2）创建几何模型有了硬点坐标，就可以建立所需零件模型。本文通过上节创建的硬点参数坐标，依次建立了控制臂、转向节、转向横拉杆、轮毂等一般部件以及几何实体；弹簧、减震器等弹性部件。最后也创建了轴套连接件，安装件等部件。本文中所建立的麦弗逊悬架模型零件如下表3.4所示。表3.4 麦弗逊前悬架零件中英文对照零件名称Parts控制臂Control arm转向节总成Wheel carrier滑柱strut弹簧spring减震器damper转向横拉杆tierod轴套bushing轮毂hub零部件几何模型建立完成后的前麦弗逊式悬架样机模型如下图所示：图3.3 麦弗逊式独立悬架虚拟样机模型（3）添加约束零件模型需要根据实际情况连接起来才能组成系统模型，这就需要定义零件模型之间的约束关系，而在建立零件模型约束关系之前需要先对麦弗逊式前独立悬架进行系统空间自由度分析，确定出该系统，以及系统自由度。因为本文所建前悬架模型是独立悬架，悬架沿汽车纵行中心面左右对称，所以只需建立1/2 前悬架模型即可。首先建立1/2 前悬架约束简图。图3.4 1/2麦弗逊式悬挂机构约束简图1/2麦弗逊式悬架简化后共有六个刚体，别是控制臂、转向节总成、轮毂（与车轮固定连接）、转向横拉杆、减震器内筒、减震器外筒。需要注意的是大部分文献认为减震器内外筒之间为圆柱副，这其实是错误的，减震器内外筒之间不应该有转动，因而用棱柱副定义更为准确。悬挂部件之间的约束关系如表4.5所示。表3.5 悬架总成约束副类型与数目约束副类型约束副数目约束自由度数目球形副33万向副24棱柱副15旋转副25平面副13左侧前悬架约束方程数目为：。左侧前悬架自由度为：。即一侧悬架只有一个空间自由度，即车轮的上下跳动。本文所建悬架系统各零件之间的约束如下表 3.6所示。表3.6 刚体部件约束方式连接件I连接件J类型控制臂车架旋转副控制臂转向节球副转向节车轮旋转副转向节转向横拉杆球副转向节减震器内筒球副减震器外筒减震器内筒棱柱副减震器外筒车身万向副转向横拉杆转向齿条万向副车架车身固定副 （4）建立通讯器在建模界面建立子系统模型时，某些部件或单元作用除了定义改模型的内部拓扑结构外还用于与其他子系统的连接。如本文所需要建立的前麦弗逊式独立悬架试验台，建立悬架模型的目的是为了仿真研究，而建立通讯器的目的是为了能把悬架仿真的数据输出给其他子系统或试验台3。本文定义了两个输出安装通讯器和一个位置输出通讯器。（5）前悬架总成的建立通过以上步骤就建立了麦弗逊悬架模板，现在转换到标准模式下，创建悬挂子系统，并利用这个子系统文件建立一个拥有试验前台前悬架试验总成模型。至此，仿真之前所需完成的工作已经结束。图3.5 前悬挂总成试验台3.4本章小结本章介绍了在ADAMS/CAR中建立悬架模型的具体过程。相比于本科阶段所学的二维以及三维CAD软件，虚拟动力学CAE软件难度要大很多，难度主要体现在理论基础的深厚性，复杂性，以及多体系动力学模型建立过程的复杂性。总的来说，本章对麦弗逊式悬架基本结构进行了简化分析，确定了刚体数目以及他们之间的连接方式，确定了悬架空间自由度。在此基础上确定了悬架关键硬点数据。之后，采用 MSC.Adams2014 软件CAR模块作为工具,建立了悬架零部件几何实体，对刚体之间添加了约束，并在悬架与转向系统，悬架与试验台之间建立了必要的通讯器，最后基于在Template模板建模器模式下创建的悬挂模板建立了悬挂子系统，最后用该子系统建立了拥有前悬架系统与试验台前悬架总成系统，为后续章节的仿真以及优化处理做好了准备。4 前悬架仿真分析打开建立的麦弗逊式前悬架总成。本文只针对前悬架车轮定位参数方面的运动学分析，不建立转向子系统。模型具体仿真步骤如下：图4.1 悬架仿真分析过程示意图4.1 设置仿真参数在提交仿真前，必须设定悬挂模型未能提供的有关参数来供ADAMS/CAR计算悬挂特性时使用。具体参数为：由于该车型为前轮驱动，前轴驱动力系数为100%；根据表 3.1以及表3.2的数据确定其他参数如下图4.2所示。图4.2 挂参数设置界面由于得到的是运动学特性的变化曲线，还需要设置运动分析模式 图4.3 运动学分析模式设置参数设置完成，在进行仿真前可以先对悬挂总成进行静载荷分析，用以检验模型的准确性。本文多研究车型前后轴荷比为45%:55%，确定轮跳在最大值即50mm时的弹簧受力为3288.2N,而计算结果为空载状态下：弹簧受力 与仿真结果3287.3N相近，考虑到本文并没有对悬挂零部件的质量参数以及力学参数进行设置，而零部件的材料也全部采用了铁，因而零部件质量必然与实际值有误差，但仿真环境下总体大部分质量和力学参数均为准确值，所以，总的来说，仿真结果在可接受的范围之内15。因而，通过静载荷分析进一步验证了模型的准确性，在下面的章节中可以放心的对悬挂总成进行仿真。图4.4 载荷分析对于已经建立好的悬架总成实验模型，可以在 ADAMS/Car 中进行车轮激振仿真分析，即通过悬架试验台对车轮施加垂直方向位移来对车轮定位参数的变化规律进行仿真。软件中提供了三种不同类型的车轮激振仿真分析：双轮同向激振分析、双轮反向激振分析和单轮激振分析。综合考虑实际情况，在本文中只进行双轮同向，双轮反向以及单轮跳动三种激振方式的仿真分析。仿真分析结束后，在软件后处理界面ADAMS/PostProcessor界面可以方便的对仿真结果以及悬架的性能等进行分析。4.2 双轮同向跳动仿真与分析在此工况下的参数设置界面设置仿真步数设为100步，在仿真分析中需要根据悬架行程对车轮施加一定的跳动量，车轮上跳及回弹行程分别定为50mm 和-50mm。进入后处理界面后默认的绘图是以时间变量为横坐标的，所以在查看车轮定位参数前首先要把横轴坐标设置为以车轮跳动为变量，点击 Independent Axis 下面的data 选项，从弹出的窗口中选择 Wheel Travel 即可。然后依次添加车轮定位参数曲线，如图 4.5图 4.10 所示。（1）车轮外倾角仿真分析车轮外倾角变化过大，就会影响汽车的性能。车轮外倾角理想变化趋势是：外倾角随着车轮的上跳朝着负值方向变化，外倾角随着车轮的下落朝着正值方向变化16。在外倾角变化过程中，其变化范围不应该过大，一般情况下，车轮在50mm的范围上下跳动时，外倾角变化范围在12。有图5.5可以看出，随着车轮上下跳动，变化范围为-0.72 0.09 。变化量为0.81 ，在理想的变化范围之内。其中上调行程有-0.6 变为-0.72 ，外倾角朝着负值的方向变化。下调行程变化由-0.6 变为0.0872 ， 外倾角朝着正值的方向变化，符合理论情况。由以上分析可知，在后续过程中无需对车轮外倾角进行优化。图4.5 车轮外倾角变化曲线（2）主销后倾角仿真分析在进行四轮定位时，主销后倾角既不能过大也不能过小，一般来说，前轮驱动轿车主销后倾范围通常是 03。由主销后倾角随车轮跳动变化曲线可以看出，外倾角的变化范围为0.46 0.545，变化量小于0.1，符合理论要求，在后续不进行优化。图4.6 主销后倾角变化曲线（3）主销内倾角仿真分析汽车转弯时车轮绕主销旋转，主销内倾使得转向轮的转向力臂（转向主销偏移距）减小，让转向变的轻便，同时主销内倾使得车轮直行的稳定性增加，因为车轮受到冲击被迫转向时前轴会被抬高，且高度与主销后倾角正相关。但是主销内倾角过大会使得轮胎的磨损加剧。随着车轮的上下跳动，主销内倾角变化范围在 714之间比较合适。综合考虑，主销后倾角偏大，需要适当减小。变化范围11.9414.05，变化范围较大并且，超过了14，应该适当减小。综合分析，在后续过程中应该对主销内倾角进行优化。图4.7 主销内倾角变化曲线（4）主销偏移距仿真分析有图5.8可知，主销偏移距的变化范围为-25mm-13mm，变化量较小且在理想的变化范围之内，因而在后续过程中不做为优化目标处理。图4.8 主销偏移距变化曲线（5）车轮前束仿真分析在进行车轮前束设计时，一般比较理想的范围是车轮上跳 50mm 时，前束角变化范围应该在0 .0.5，车轮下跳 50mm 时，前束角理想变化范围在 0 0.5。这样，在设计前束角时，应该注意以下两个方面，当车轮上跳时，车轮前束角应该是为零或者成弱负角，而当车轮下落时，前轮前束应该朝正值变化。另外，为了减少轮胎的磨损，前束角要和外倾角相匹配，在车轮上跳的过程中，车轮外倾角减小，这就要求前轮前束也要相应减小，车轮下跳个趋势正好相反。而从前束变化曲线可以看出，其变化范围为-0.07 0.35 ，变化范围很小。综合分析，在下一章节的优化过程中不对车轮前束角进行优化处理。图4.9 车轮前束角变化曲线（6）轮距变化量仿真分析由轮距随车轮上下位移的图像可以看出，在车轮上下跳动50mm的过程中，轮距变化范围为1380mm1393mm,而前轮距为1393mm。轮距变化范围较小，在理论接受范围之内，在后续过程中不进行优化。图4.10 轮距变化量4.3 双轮反向跳动仿真与分析此仿真工况的参数设置与双轮同向跳动相同，轮跳范围依然设置为。双轮反向垂直跳动引起的悬架运动实际上是模拟车身因侧倾而引起的悬架运动。在 ADAMS/Car 中这种悬架仿真分析是通过分别给两侧车轮输入一个方向相反但大小相同的垂直激振，从而使悬架发生运动而进行仿真。最后得到所需悬架参数随车轮跳动的变化规律曲线，可以对悬架的运动学特性进行评价。图5.11图5.16分别为前轮定位参数与前轮轮距分别再双轮同向跳动与双轮反向跳动时随车轮跳动时的变化曲线，有图可知双轮反向跳动时车轮定位参数的变化趋势与两侧车轮同向跳动时的趋势基本相同。因而，在此章节不再对定位参数随车轮位移变化曲线进行分析。图4.11 车轮外倾角变化曲线图4.12 主销后倾角变化曲线图4.13 主销内倾角变化曲线 图4.14前轮前束变化曲线图4.15 主销偏移距变化曲图4.16 前轮轮距变化量4.4 单轮跳动工况分析此仿真工况的参数设置与双轮同向跳动相同，轮跳范围依然设置为。图5.17图5.22为在汽车右前轮高度固定的情况下车轮定位参数与左前轮轮距随车轮跳动时的变化曲线，由图可知单轮跳动时车轮定位参数的变化趋势与两侧车轮同向跳动时的趋势基本相同。因而，在此节不再具体的对定位参数随车轮位移变化曲线进行分析。需要注意的是在单轮激震工况下，当车轮向上或向下跳动量较大时轮距的变化量相比于车轮同向而言要更小一些，这与实际情况相吻合。 图4.17 车轮外倾角变化曲线图4.19 主销后倾角变化曲线图4.20 主销内倾角变化曲线图4.21 车轮前束变化曲线图4.22 主销偏移距变化曲线图4.23轮距变化曲线4.5 本章小结本章在双轮同向跳动，双轮反向跳动以及单轮跳动三种工况下，所建立的悬挂总成物理样机模型进行了仿真分析，同时针对所研究的五个车轮定位参数随车轮在测试台上上下跳动的变化规律进行了详细的分析介绍。通过分析得出如下结论：五个车轮定位参数中车轮外倾角、主销后倾角、主销偏移距和车轮前束的变化值在理想的变化范围之内，故在后续章节不对这个个参数进行优化分析。但是，主销内倾角存在问题。其中，主销内倾角的变化范围在理想的变化范围之外。在下一章的优化部分，需要把主销内倾角设置为目标函数，使定位参数达到理想的范围，保证汽车有良好的行驶稳定性。5 麦弗逊式悬架优化设计5.1 参数化分析方法介绍ADAMS提供了三种类型的参数化分析方法。（1） 设计研究（Design Study）设计研究通常是针对某一个特定的设计变量，观察其变化对系统性能的影响，比如，如果减震器上安装点Y方向坐标的坐标对各个参数的影响，就定义减震器上安装点Y方向坐标在某个范围内按照一定的规则取值，然后针对每一次取值，都对悬架模型进行一次仿真分析，在后处理模块可以分析各次仿真的结果。（2） 试验设计设计研究是研究一个变量对样机性能的影响，而试验设计讨论的是多个变量同时发生变化时，各个设计变量对于样机性能的影响17。Insight 模块是 ADAMS 专门用于试验设计的模块，功能更加健全，本文就是选用这个模块进行试验设计，最终能得到各个设计变量对目标函数的影响程度。（3） 优化分析优化分析的主要作用是获得最佳的目标函数值，既当设计变量满足规定的约束条件时，目标函数取最值，包括最大值或最小值。在优化分析过程中，必须要规定约束，如果没有这一步，目标函数可能会有无数个解，也可能无法排除不满足条件的设计方案18,19。一般试验设计和优化分析是结合起来运用的，一个系统的变量有很多个，如果全部作为设计变量，浪费时间和精力。在优化分析过程中，可以先通过试验设计，找出对样机性能影响较大的因素，然后，在进行优化分析时，把这些影响较大的因素作为设计变量，对这些变量进行优化。5.2 麦弗逊式悬架试验设计在对悬架硬点坐标进行优化的过程中，设计变量的选取十分重要，本文通过参考分析前人工作经验，直接去掉了对车轮定位参数影响较弱的车轮中心点，选取另外7个硬点的X、Y、Z三个方向共21个因子进行这些因子的变化对于车轮定位参数变化的灵敏度分析，其中每个设计点的扰动范围在-5mm至+5mm之间，。在设计变量对车轮定位参数的影响程度分析完成后，直接选取对悬挂定位参数影响较大的硬点坐标值进项优化处理。对各个车轮定位参数影响较大的因子示意图如图5.1至5.4所示。图5.1 21个因子对前轮外倾角的影响图5.2 21个因子对主销后倾角的影响图5.3 21个因子对主销内倾角的影响图5.4 21个因子对车轮前束角的影响通过图5.1至5.4分别得出21因子中对各个车轮定位参数影响较大的参数如表5.1-5.4所示。表5.1 前轮外倾角主要影响因素因子灵敏度%hpl_lca_outer.z-11.71hpl_strut_lwr_mount.y-7.49hpl_top_mount.y7.46hpl_lca_front.z7.38hpl_lca_rear.z4.58表5.2主销后倾角主要影响因素因子灵敏度%top_mount.x167.38lca_outer.x-167.23lca_rear.z8.53lca_front.z-8.4top_mount.z-1.82lca_outer.z1.79lca_rear.y1.57lca_front.y-1.5表5.3 主销内倾角主要影响因素因子灵敏度%lca_outer.y-7.11top_mount.y7.03top_mount.z-1.76lca_outer.z0.7lca_front.z0.65lca_rear.z0.4表5.4 车轮前束角主要影响因素因子灵敏度%tierod_inner.z-47.6tierod_outer.z37.86strut_lwr_mount.y23.55top_mount.y-22.73lca_outer.z-13.55lca_rear.z12.6由于本文优化优化目标为主销内倾角，所以确定设计变量时应该选取对主销内倾角影响较大的因子，同时，又由于车轮定位参数之间交叉影响，硬点坐标的变化会同时对多个车轮定位参数造成影响，所以为了避免出现改变某一个因子后其他定位出现大幅度变化的现象，需要选取对主销内倾角影响较大而对其他定位参数影响较小的因子。通过对比分析表5.1-5.4得出对主销内倾角灵敏度较高的6个因子对其他定位参数的灵敏度数值如下表5.5所示。表5.5 对主销内倾角灵敏度较高的6个因子对其他定位参数的灵敏度因子主销内倾角灵敏度%前轮外倾角灵敏度%主销后倾角灵敏度%车轮前束角灵敏度%lca_outer.y-7.11-0.43-0.01-1.85top_mount.y7.037.46-0.01-22.73top_mount.z-1.76-0.92-1.820.01lca_outer.z0.7-11.711.79-13.55lca_front.z0.657.38-8.42.83lca_rear.z0.44.588.5312.6由上表分析可知控制臂外点Y坐标与减震器上安装点的Z方向坐标对主销后倾角灵敏度较高而对其他定位参数灵敏度较低，因而可以选择这两个点对主主销后倾角进行优化。ADAMS/Insight优化界面如下图所示：图5.5 悬架优化界面需要注意的是在实际对控制臂外点Y坐标与减震器上安装点的Z方向坐标进行修正的时候发现减震器上安装点Z方向坐标的改变对于主销内倾角的影响左右十分有限，而控制臂外点Y坐标对主销内倾角的影响较大，因而为了不使其他定位参数因为主销内倾角的优化而发生大幅度的改变，本文决定只对控制臂外点Y坐标进行改变并观察相应的车轮定位参数的变化。优化前后控制臂外点Y坐标坐标值如下：表5.6 优化前后硬点坐标数值优化因子优化前优化后变化量lca_outer.y-668.007-663.11+0.7%优化前后车轮定位参数改变如下表5.7所示。表5.7优化前后车轮定位参数静态变化值定位参数优化后优化前变化camber0.7256680.727187-0.20%caster0.5928850.5929090.00%toe0.4468430.450976-0.90%kingpin_incl13.563514.0527-3.50%5.3 车轮定位参数优化设计通过前面的 DOE 试验设计，我们得到了对悬架性能影响比较大的硬点坐标，下面以这些坐标为设计变量来进行优化。对优化后的悬挂模型重新进行车轮定位参数在双轮同向跳动工况下对车轮上下振动的曲线图，并与原悬挂模型的车轮定位参数在双轮同向跳动工况下对车轮上下振动的曲线图进行比较后，得到如下结果： 表5.8优化前后车轮定位参数对比定位参数变化范围变化量优化前优化后优化前优化后车轮外倾角0.720.09-0.720.090.810.81主销后倾角0.460.550.460.550.090.09主销内倾角11.9414.0511.5213.562.112.04主销偏移距-25.23-13.57-18.55-7.1611.6611.39车轮前束-0.070.35-0.070.350.420.42（1）车轮外倾角优化结果分析车轮外倾角的变化范围与之前比较基本相同，因而本次优化对车轮外倾角基本没有影响。图5.3 优化前后双轮同向振动下车轮外倾角变化曲线（2）主销后倾角优化结果分析主销后倾角相对于之前同样基本没有变化,变化范围依然很小，因此本次优化对主销后倾角基本没有影响。图5.4 优化前后双轮同向振动下主销后倾角变化曲线（3）主销内倾角优化结果分析主销内倾角是此次优化的主要目标，相比之前的曲线数值，优化后的结果明显优于之前，优化后主销内倾角的变化范围在714这个范围之内，而优化前的变化最大值可达到14以上，另外，优化后主销内倾角的变化范围虽然相比优化前有所增加（优化前是变化范围是2.11，优化后是2.04），但是优化后的变化量在理想范围之内，故关键硬点的修改对于主销内倾角的优化是成功的。图5.5 优化前后双轮同向振动下主销内倾角变化曲线（4）主销偏移距优化结果分析主销偏移距优化前的变化范围为-25.23-13.57，变化量为11.66；优化后的变化范围为-18.55mm-7.16mm，变化量为11.39。故优化后主销偏移距的变化量有所减少，对于主销偏移距的优化也是成功的。图5.6 优化前后双轮同向振动下主销偏移距（5）车轮前束优化结果分析由车轮前束角优化前后在双轮同向跳动情况下随车轮跳动的变化曲线可以看出，车轮前束角在优化后的变化范围都很小，且优化后的车轮前束随轮跳的变化曲线 与优化前基本相同，因而，本次优化对车轮前束基本没有影响。 图5.7 优化前后双轮同向振动下车轮前束5.4 本章小结 本章节介绍了参数化优化方法的基本理论以及利用ADAMS软件Insight模块对悬架关键硬点参数进行优化的基本步骤。之后利用优