麦弗逊前悬架的虚拟设计及优化

1、 科研设计（）文章编号：（）麦弗逊前悬架的虚拟设计及优化张俊，何天明，（武汉理工大学汽车工程学院，武汉湖北）摘要：在模块中对某高尔夫球车的麦弗逊式独立悬架进行了虚拟设计建模和运动学仿真分析，研究分析了前轮定位参数随车轮上下跳动时的变化规律，评价了悬架数据的合理性，采用优化分析方法进行优化处理，缩短了开发周期。关键词：麦弗逊悬架；运动学分析；优化设计中图分类号：文献标识码：麦弗逊式独立悬架具有结构简单、维修方便等众多优点，但是由于主销轴线位于减震器上支点和下摆臂外支点的连线上，当悬架变形时，主销轴线也随之改变，车轮定位参数和轮距也都会相应发生改变，变化量可能会很大，直接影响到整车的操纵稳定性和对

2、轮胎的磨损。在与一家公司合作开发一款电动高尔夫球车的项目中，前悬架采用麦弗逊式独立悬架，并且厂家准备自制零部件。为了节约成本和缩短开发周期，在具体零件设计前首先做好悬架的虚拟设计及运动学分车身；弹簧；减震器上体；转向拉杆总成；转向齿条；下摆臂；转向节总成；车轮总成析。图 麦弗逊悬架简化运动分析模型图建立模型摆臂、转向节总成（包括减震器下体、轮毂轴）、转向横拉杆、减震器上体、转向器齿条、车轮总总体建模方案成及车身组成。各刚体之间的连接关系如下：减前悬架准备设计成转向器为齿轮齿条传动式震器上端与车身的球铰链接，下摆臂一端（简的麦弗逊式独立悬架。该高尔夫球车的一些设计化为一点）通过转动副与车身相连，

3、另一端通要求：该车采用轮胎，宽，直径是过球铰与转向节总成相连，的连线构成主，轮毂直径，相比一般的轿车宽销轴线。转向节总成与减震器上体用圆柱副约径比偏大；前轮距；负载较小，乘坐成束，只能沿轴线移动和转动。转向横拉杆一端通年人预计总质量为；车速较低，最高车速过球铰与转向节总成相连，另一端通过球铰。应用多体运动学分析方法，首先抽象与转向齿条相连。运动分析时，转向齿条与车身出如图所示的运动学仿真系统模型。固定，车轮总成和转向节总成也通过固定副相麦弗逊悬架左右对称于汽车纵向平面，由下连，车身相对地面不动。由于运动学无需考虑受北京汽车 科研设计（）力问题，因此不考虑减震器的阻尼和弹簧的刚度，假设车轮不转动

4、，车轮为刚性体。模型关键点的预定先确定设计的目标参数：主销内倾角°，主销后倾角°，车轮外倾角°。由前轮前束角和车轮外倾角的理想关系式和，根据设计参数计算出前轮前束角约为°。在虚拟设计阶段，这些参数不必完全准确，可以通过后续的优化设计来调整。用软件预设计一些关键点的空间坐标（由于悬架的对称性，只设计右半悬架的参数）。坐标系采取建模中默认的坐标系。参见表。表名称图麦弗逊悬架的运动分析模型（）关键空间点的坐标 模型的仿真分析进行双侧车轮平行跳动仿真来分析主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角、前轮前束角以及车轮侧滑量的变化规律。在中分别设置所需测量参数的测量函数。

5、以和测试平台之间的移动副为驱动副，创建驱动，驱动函数为：（）×减震器与车身的铰点下摆臂的球铰点下摆臂与车身的铰点车轮的外侧中心点转向拉杆和转向节的铰点转向拉杆和齿条的铰点建立仿真模型依据表点的位置，在模块（×），即测试车轮跳动的范围为±。以车轮的跳动量为轴绘制悬架特性曲线如图：由图中可以看出：主销内倾角的变化为到°，变化量为°，较为正常；°主销后倾角从°到°，随悬架压缩而轻微增加，状态比较理想；车轮外倾角从°变中建立该车麦弗逊前悬架系统的多刚体运动学分析模型，由于对称，只建立右半悬架模型。如图所示。图悬架

6、特性曲线（左边为角度刻度、右边为距离刻度）北京汽车 科研设计（）化到°，变化量为°，略微偏大；前轮态、适当减小主销内倾角和车轮外倾角的变化量前束角变化比较大，从°变化到°，变的前提下，改善前轮前束角的变化状态，控制车化量达到°；车轮滑移量从下跳的轮的滑移量。到上跳的，变化量较大，特别是轮胎下跳时的变化过大。由此得到的分析结果是：（）主销内倾角和优化设计主销后倾角的变化状态较为正常说明了模型的建分析上面提出来的问题和参考以前的研究，立是大致成功的；（）车轮的偏移量过大，行驶进一步缩小问题的范围，主要通过调节摆臂铰点时车轮轮距变化较大，将会导致轮胎

7、严重磨损；的高度和拉杆铰点的位置来解决问题。将这（）前束角变化的不合理，进一步加大轮胎的磨点的坐标参数化，设计相关的变量，使用损，以及影响到操纵性能。模块强大的分析能力，评价各因素提出优化目标：保证主销后倾角的理想状对车轮定位参数和车轮侧滑的影响程度，见表。表各参数的影响比较表（变量的变化范围为±左右）摆臂铰点的高度拉杆铰点（方向）主销内倾角较高，减小为优极低极低极低主销后倾角一般，减小为优极低极低极低车轮外倾角较高，减小为优一般，增大为优一般，减小为优极低前轮前束角较高，增大为优较高，增大为优较高，减小为优较小，增大为优车轮侧滑量较高，减小为优极低较小，减小为优极低由表可以看到，摆

8、臂铰点的高度很重所列的关键点的新坐标。要，并且需要减小，而且所引起的前轮前束角变再重新做车轮平行跳动仿真，得到如图的化增大可以通过调整拉杆铰点的坐标来优悬架特性图。由图中可以看到优化的结果都达到化。经过分析优化和一些相关的调整后，得到表了要求，证明了优化过程的正确性。由图中可以看出：（）主销后倾角继续保持理想的变化状表优化后的关键点坐标态，主销内倾角从°变化到°，变化量名称减小到了°；（）前轮前束角的变化状态改善明显，车轮的外倾角得到了优化，见图；减震器与车身的铰点（）车轮侧滑量明显减小了，从变化到下摆臂的球铰点，结合前轮前束角的优化，可以较好地下摆臂与车身的铰点

9、改善轮胎的磨损状况。车轮的外侧中心点结论转向拉杆和转向节的铰点通过的建模和运动学仿真分析，较转向拉杆和齿条的铰点好地完成了具体零部件设计前的虚拟设计和优化北京汽车 科研设计（）过程，缩短了高尔夫球车的开发周期，改善了悬架的性能，较好地控制了定位参数的变化范围和避免了轮胎的严重磨损。此虚拟设计的平台参数化以后，为后续相关产品的设计工作打下了基础。在悬架布置的优化分析过程中得出以下结论：（）摆臂和车身的链接铰点的高度对于各定位参数的影响都比较大，应重点考图 优化后的悬架特性图虑；（）转向拉杆的布置只对前轮前束有影响，对其他的参数影响不大。参考文献魏道高前轮定位参数的研究与展望合肥工业大学学报，王国林车轮跳动对定位参数影响的试验分析农业机械学报，（）收稿日期：图优化前后车轮外倾角和前轮前束角的对比（上接第页）!另外，国内柴油车的配件价格相对较高，并且维修点数量很少，维修费用高。随着汽车工业的高速发展，汽车柴油化已经是世界范围内的趋势，在我国，柴油车发展缓慢的僵局已经被打破，经济、耐用、环保的柴油车正在被越来越多的人所接受。参考文献张铁柱，霍炜汽车原理教程国防工业出版社王中亭，等汽车概论机械工业出版社国家信息中心，国家发展改