基于adams的麦弗逊式前悬架多体系统动力学仿真分析

基于adams的麦弗逊式前悬架多体系统动力学仿真分析

1悬架的优化设计,提高车轮使用性能独立悬挂式排气的优点是结构简单，非弹簧载质量小，便于配置，适合不同形状的弹簧，并能自动调整车身高度。但是,由于主销轴线位置在减振器与车身连接铰链中心和横摆臂与转向节连接铰链中心的连线上,因此当悬架在变形时,主销轴线也随之改变,前轮定位参数和轮距也都会相应改变,且变化量可能很大。因此,如果悬架结构设计不当,就会大大影响汽车产品的使用性能(如转向沉重、摆振、轮胎偏磨、影响轮胎使用寿命等)。某客货两用皮卡车的前悬采用的就是麦弗逊悬架,厂家反映该悬架轮胎磨损非常严重,为解决此问题,我们借助ADAMS/Car专业模块,构建该悬架的电子样机模型,使用ADAMS/insight试验设计与分析模块进行虚拟试验,进而进行优化设计。ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)软件是美国MDI(MechanicalDynamicsInc.)公司开发的机械系统动力学仿真分析软件,其Car专业模块是MSC与Audi、BMW、Renault和Volvo等公司合作开发的整车设计软件包,整合了他们在汽车设计、开发方面的经验,能够帮助工程师快速建造高精度的包括车身、悬架系统、传动系统、引擎、转向机构,制动系统等子系统在内的参数化虚拟汽车模型。ADAMS/Insight功能扩展模块是ADAMS基于网页的试验设计与分析模块,能对仿真进行实验设计,使用户可以更精确地对设计进行量化研究,应用ADAMS/Insight,我们可以很方便地进行一系列的仿真试验,从而精确地预测所设计的复杂机械系统在各种工作条件下的性能,并对试验结果提供专业化的统计结果。2模型的构建2.1运动学分析的特点实车的前悬架是结构左右对称的麦弗逊悬架,转向器为齿轮齿条式。由于ADAMS/Car模块建立悬架模型只需要输入悬架单侧的参数就会自动对称建立另一边的模型,因此,这里建模过程只涉及到左侧悬架。根据实际悬架及转向系统的结构。可以抽象出如图1所示运动学仿真系统模型:麦弗逊独立悬架左悬架部分由转向节总成、车轮、减振器上体、转向横拉杆、下摆臂、转向机齿条等刚体组成。减振器下体与转向节连为一体。下摆臂1个,转向节总成1个(包括减振器下体,轮毂轴,制动底板等),转向横拉杆1个,减振器上体1个,转向器齿条1个,车轮总成1个,车身1个,共7个刚体。减振器上体用万向节铰A与车身相连,转向节总成与减振器上体用圆柱铰B约束,相对减振器上半部分可以进行轴向移动和转动;下摆臂一端通过转动铰F和G与车身相连(其中一个为虚约束),可相对车身上下摆动,另一端通过球铰E与转向节总成相接,转向横拉杆一端通过球铰C与转向节总成相连,另一端通过万向节铰H与转向齿条相连,转向齿条通过移动铰I与车身相连,可相对车身左右移动;车轮总成和转向节总成通过转动铰链D相连,进行运动学分析时,车身与地面是固定在一起的。1/2前麦弗逊悬架约束方程数目为:m=6×1+5×3+4×3+3×2=391/2悬架自由度DOF=6×7-m=31/2悬架有3个自由度,分别是车轮绕着车轴的转动,车轮绕主销的转动和车轮的上下跳动。2.2汽车悬架性能测试模型关键点的空间位置坐标和相关参数是建立ADAMS运动学模型的关键,由于厂家未能提供零部件装配图,因此我们使用三坐标仪进行测绘。在测量该皮卡车前悬架零部件的空间位置和参数时,我们采用ISO坐标制,以地面为XY平面,汽车中心对称面为XZ平面,通过前轮轮心连线,垂直另外两平面的而为YZ平面,取垂直向上为Z轴正方向,车身右侧为Y轴正方向,以车前进方向的反方向为X轴正方向。于是我们得到以下左侧悬架空间参数:使用GCD-I型光束水准车轮定位仪测量前轮定位参数,车轮外倾角为1.5度,主销后倾角为3度,主销内倾角为8.5度。2.3麦弗逊悬架的建模调用ADAMS/Car中自带的模板,输入相关参数建立悬架子系统(subsystem),调用该悬架子系统建立前悬架模型系统(system)。由于该车轮胎为165/R13,根据参考书目中的公式ε≈C2Dε≈C2D和C=2DφLφr+4αLαC=2DφLφr+4αLα以及实车的有关参数,我们们可以计算得到理想前束角为0.286°,在ADAMS/Car中输入悬架参数车轮外倾角1.5度,前束角0.286°,完成麦弗逊悬架的建模。悬架运动学仿真模型如图2所示:3车轮定位参数分析进行双侧车轮平行跳动仿真来分析车轮外倾角、主销内倾角、主销后倾角的变化,由于前束是为了消除车轮外倾带来的边滚边滑的不良后果,这里我们直接分析前轮侧滑量的变化。由于该麦弗逊悬架左右结构对称,定位参数完全一样,故我们只分析左车轮定位参数。跳动的范围选择为皮卡车常用的±40mm,定位参数以及车轮侧滑量变化如图3～4所示:从上图我们注意到定位参数的初始值与我们使用GCD-I型光束水准车轮定位仪测量的参数一致,可以判断模型是合理的,同时从以上的图可知,该车定位参数存在以下问题:1.车轮的侧向滑移量过大,上跳-40mm处滑移值为12.4378mm,在+40mm处为-8.2429mm,该车行驶时轮胎将严重磨损;2.车轮定位参数在车轮上下跳动过程中变化过大,其中车轮外倾角变动量达到4.3547°,主销的内倾角变动量达到4.1609°皮卡车性能将变得很不稳定。4优化结果分析为了解决以上问题,我们考虑对前悬架进行结构调整。由于主销后倾角和主销内倾角的初始值的调整会影响车身高度、质心位置、轮距和轴距等基本参数,从而会极大的影响整车的各项性能,不能做较大范围的调整,而且以前的研究表明:细微的调整对其他定位参数的变化影响并不大,而下控制臂的侧倾角和俯仰角对侧滑量以及其他定位参数有显著影响。我们采用ADAMS/Insight进行进一步的分析下摆臂的布置对这些参数的具体影响。由于该车磨损问题非常严重,因此,这里我们将车轮的侧滑量作为优化目标函数。先将下控制臂的前后两支点的Y坐标值和Z坐标值作为影响因素,将其变动范围定为±100mm进行仿真试验来分析参数对目标函数的影响,经过16次仿真试验分析,我们得到如下的试验图5。如照图5并查询ADAMS/Insight中的WORKSPACE,经过我们分析得到:当后支点Y=-155,Z=225,前支点Z=237时,可以得较小的侧向滑移量,这也意味着这三个参数对我们的性能有较大的影响。固定这几点,然后单独分析前支点Y坐标对目标函数的影响,得到优化后的前支点Y值为-225。固定这点,然后进一步分析后支点的Y坐标和Z坐标以及前支点Z坐标对目标函数的影响。将后支点的Y基本值定为-155,Z定为225前支点Z基本值定为237,在ADAMS/Insight里面先进行±10mm,1000次的试验分析,然后进行自动优化。最后,我们得到以下的坐标值:前支点Y=-225,Z=227.5,后支点Y=-164.5,Z=215.5。在ADAMS/Car里面将关键点的坐标做相应的调整,再进行双侧车轮平行跳动±40mm仿真,得到了下列前轮定位参数和车轮侧向滑移量对比图:优化前后各个参数变化如下表:从图(6)～(9)以及表1中,我们可以看到:1.与原悬架相比,车轮跳动±40mm时,车轮外倾角和主销内倾角的变化范围明显减小。具体而言,车轮外倾角变化范围由原来的4.3547°减小到2.1439°,主销内倾角变化由原来的4.1609°变为1.4920°;2.与原悬架相比,车轮跳动±40mm时,车轮后倾角变化范围稍有减小。具体而言,原为1.4939°,现为1.428°。但在负行程处,后倾角绝对值有0.1861°的增大;3.与原悬架相比,车轮跳动±40mm时,车轮侧滑有显著的改善,具体而言,上跳-40mm处,左车轮侧滑值为12.4378mm变为1.6965mm,右车轮由原来的-12.4378mm变为-1.6965mm。在+40mm处,左车轮侧滑值由原来的-8.2429mm变为1.7236mm,右车轮由原来的-8.2429mm变为-1.7236mm。左右侧滑获得改善的同时,右轮侧滑也获得了改善。5优化设计的提出及实施本文利用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS的Car模块建立了某皮卡车麦克弗逊式悬架运动学计算机仿真模型,使用ADAMS/Insight模块将下摆臂布置对悬架的定位参数和侧滑的影响进行了详细分析,并进一步进行了优化设计,