基于ADAMS的麦弗逊前悬架优化研究.pdf

1、 _ 来稿日期：2003- 1 1 - 0 3 No.1 Mar.2004 计 算 机 辅 助 工 程 Computer Aided Engineering 基于 A D A M S 的麦弗逊前悬架优化研究 汤 靖 高 翔 陆 丹 ( 江苏大学汽车与交通工程学院， 镇江， 2 1 2 0 1 3 ) 作者简介 汤 靖: 硕士研究生，研究方向为汽车零部件设计及其理论。 提 要 针对厂家反映的汽车前轮磨损严重的问题，以多体系统动力学理论为基础, 应用机械 系统动力学仿真分析软件A D A M S 的C a r 专业模块建立该皮卡车麦弗逊式前悬架多体系 统模型，并采用 A D A M S / I n

2、 s i g h t 模块进行性能分析，找出磨损严重的原因，同时进一 步进行悬架布置优化设计，最终得出优化的悬架布置方案, 较好地解决了轮胎磨损的 问题。 关 键 词 汽车 C A D 、A D A M S 、 麦弗逊悬架、 多体动力学 0 引 言 麦弗逊独立悬架具有结构简单、非簧载质量小、发动机及转向系易于布置、适合于同多种 形式的弹簧相匹配以及能实现车身高度的自动调节等优点。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

3、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) 1 。某客货两用皮卡车的前悬采用的是麦弗逊悬架，厂家反映存在该悬架轮胎磨损非常 严重, 为解决此问题, 我们借助 A D A M S / C a r专业模块，构建该悬架的电子样机模型，使用 A D A M S / I n s i g h t 试验设计与分析模块进行虚拟试验, 并进行了优化设计。 机械系统动力学仿真分析软件 A D A M S （A u t o m a t i c D y n a m i c A n a l y s i s o f M e c h a n i c a l S y s t

4、e m ）中的 C a r 专业模块是 M S C 与 A u d i 、B M W 、R e n a u l t 和 V o l v o 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。 A D A M S / I n s i g h t 功能扩展模块是 A D A M S 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 A D A M S / I n s i g h t ，我们可以很方便地进行

5、一系列的仿真试验， 从而精确地预测所设计的复杂的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 。 1 建立模型 N o . 1 基于A D A M S 的麦弗逊前悬架优化研究 2 9 1 1 模型分析 根据实际悬架系统结构抽象出如图 1 所示的前左悬架系统分析模型，悬架右侧和左侧对 称。由于C a r 建立模型只需要输入单侧模型的参数会自动地建立另一边的模型。因此，这里建 模过程只涉及到左边悬架。 根据实际悬架及转向系统的结构。 可以抽象出如图 l 所示的运动学 仿真系统模型。 图 1 麦弗逊悬架结构示意图 图 2 悬架运动学仿真模型 麦弗逊独立悬架左悬架部分由下摆

6、臂、转向节总成（包括减振器下体、轮毂轴、制动底板 等）、转向横拉杆、减振器上体、转向器齿条、车轮总成、车身共 7 个刚体组成。 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 , 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

7、与 地面是固定在一起的 3 。 1 / 2 前麦弗逊悬架约束方程数目为：6 1 5 3 4 3 3 239m = + + + = 1 / 2 悬架自由度为：D O F6 73m= = 其中，1 / 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。 1 2 模型关键点的获取 模型关键点的空间位置坐标和相关参数是建立 A D A M S 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 表 1 左侧悬架空间参数表 和参数时，我们采用 I S O 坐标制，以地面为 X Y 平面，汽车 中心对称

8、面为 X Z 平面，通过前轮轮心连线，垂直另外两平 面的面为 Y Z 平面，取竖直向上为 Z 轴正向，车身右侧为 Y 轴正向，以车前进方向的反方向为 X轴正向。於是我们得 到如表 1所示的左侧悬架空间参数表。其中，使用 G C D - I 型光束水准车轮定位仪测量前轮定位参数, 车轮外倾为 1 . 5 度, 主销后倾角为 3 度，主销内倾角为 8 . 5 度 4 。 1 3 建立仿真模型 调用 A D A M S / C a r中自带的模板，输入相关参数建立 悬架子系统，调用该悬架子系统则可以建立前悬架模型系统。由于该车轮胎为 1 6 5 / R 1 3 , 根据 参考书目 5 中的公式： 2

9、 C D 和 2 4 DL C rL = + 以及实车的有关参数，我们可以计算得到理想角为 0 . 2 8 6 , 在 3 0 计算机辅助工程 2 0 0 4 A D A M S / C a r 中输入悬架参数车轮外倾角 1 . 5 度，前束角 0 . 2 8 6 ，则可以完成麦弗逊悬架的建 模。悬架运动学仿真模型如图 2 所示。 2 仿真分析 我们进行了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， 由于前题是为了消除外倾带来的边滚边滑的不良后果 6 ， 这里我们仅直接分析前轮侧滑量的变 化。由于左右车轮对称，定位参数完全一样，故我们仅分析左车轮定位参数。跳动的范围选择

10、 为皮卡车常用的4 0 m m , 定位参数以及车轮侧滑量变化如图 3 4 所示。 图 3 前轮定位参数变化图 图 4 前轮侧滑量变化 从图3 我们注意到定位参数的初始值与我们使用G C D - 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，同时从图 3 和图 4 可知, 该车定位参数存在以下问题： ? 车轮的侧向滑移量过大, 上跳4 0 m m 处滑移值为 1 2 . 4 3 7 8 m m ，在+ 4 0 m m 处为- 8 . 2 4 2 9 m m ， 该车行驶时轮胎将严重磨损； ? 车轮定位参数在车轮上下跳动过程中变化过大, 其中车轮外倾角变化达到 4 . 3 5

11、4 7 ， 主 销的内倾角变化达到 4 . 1 6 0 9 。这在加剧了轮胎磨损的同时也将导致皮卡车性能变得不稳定。 3 优化设计 为了解决以上问题, 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，故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，而下摆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 4 。这里采用 A D A M S / I n s i g h t 进行进一步分析。由于该车磨损问题非常严重，因此将车轮的侧滑量作为优化 目标函数。

12、先将下摆臂的前后两支点的 Y 坐标值和 Z 坐标值作为影响因素, 将其变动范围定为 1 0 0 m m 进行 D O E 来分析参数对目标函数的影响，经过 D O E ，我们得到如图 5 所示的仿真试验 图。 对照图 5 并查询 A D A M S / I n s i g h t 中的 W o r k s p a c e ， 经过我们分析得到： 当后支点 位置 Y = 1 5 5 , Z = 2 2 5 ， 前支点 Z = 2 3 7 时, 可 以得到较小的侧向滑移量, 这也意味着这 三个参数对我们的性能有较大的影响。 图 5 A D A M S / I n s i g h t 仿真试验图 固

13、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2 2 5 。 N o . 1 基于A D A M S 的麦弗逊前悬架优化研究 3 1 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1 5 5 , Z 定为 2 2 5 ，前支点 Z 基本值定为 2 3 7 ，在 A D A M S / I n s i g h t 里面 进行自动寻优。最后, 我们得到以下经过优化后的坐标值：前支点 Y 2 2 5 ，Z = 2 2 7 . 5 , 后支点 Y = 1 6 4 . 5 , Z = 2

14、1 5 . 5 。 在 A D A M S / C a r 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4 0 m m 仿真， 在后处理模块中将所得到的结果与原结果对比如图 6 9 所示。优化前后各参数变化如表 2 所 示。 图 6 车轮外倾角对比 图 7 主销后倾角对比 图 8 主销内倾角变化对比 图 9 前轮侧向滑移量对比 表 2 优化前后参数对比表 最大值 上跳行程 下跳行程 最大变动量 改善程度 改进前 改进后 改进前 改进后 改进前 改进后 改善值 改善率 车轮外倾（） - 0 . 5 4 7 9 0 . 6 7 6 4 3 . 8 0 6 8 2 . 8 2 0 3 4

15、 . 3 5 4 7 2 . 1 4 3 9 2 . 2 1 0 8 5 0 . 7 7 主销后倾（） 2 . 2 3 2 5 2 . 4 1 8 6 3 . 7 2 6 4 3 . 8 4 1 4 1 . 4 9 3 9 1 . 4 2 2 8 0 . 0 7 1 1 4 . 7 5 主销内倾（） 9 . 9 7 3 4 8 . 6 1 0 0 5 . 8 1 2 5 7 . 1 1 8 0 4 . 1 6 0 9 1 . 4 9 2 0 2 . 6 6 8 9 6 4 . 1 4 左轮侧滑 ( m m ) - 8 . 2 4 2 9 1 . 7 2 3 6 1 2 . 4 3 7 8 1

16、. 6 9 6 5 2 0 . 6 8 0 7 1 . 7 2 3 6 1 8 . 9 5 7 1 9 1 . 6 7 右轮侧滑 ( m m ) 8 . 2 4 2 9 - 1 . 7 2 3 6 - 1 2 . 4 3 7 8 - 1 . 6 9 6 5 2 0 . 6 8 0 7 1 . 7 2 3 6 1 8 . 9 5 7 1 9 1 . 6 7 从图 6 9 以及表 2 中，我们可以看到： 1 ） 与原悬架相比，车轮跳动4 0 m m 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 . 3 5 4 7 减小到 2 . 1 4 3 9 ，主销内

17、倾角变化由原来 的 4 . 1 6 0 9 变为 1 . 4 9 2 0 时； 2 ） 与原悬架相比，车轮跳动4 0 m m 时，车轮后倾角变化范围稍有减小，原为 1 . 4 9 3 9 ， 现为 1 . 4 2 8 但在负行程处后倾角绝对值有 0 . 1 8 6 1 的增大； 3 2 计算机辅助工程 2 0 0 4 3 ） 与原悬架相比，左车轮跳动4 0 m m 时，左车轮侧滑量有显著的改善，上跳4 0 m m 处 滑移值由 1 2 . 4 3 7 8 m m 变为 1 . 7 2 3 6 m m ， 在+ 4 0 m m 处由原来的- 8 . 2 4 2 9 m m 变为 1 . 7 2

18、3 6 m m ；右轮与左 轮对称，滑移也对称分布，左轮滑移获得改善的同时，右轮也获得了改善。 4 小 结 本文利用机械系统动力学仿真分析软件A D A M S 的C a r 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A D A M S / I n s i g h t 模块将下摆臂布置对悬架的定位参数和侧滑量的 影响进行了分析，并进一步进行优化设计，较好地解决了悬架上跳过程中定位参数变化过大， 轮胎磨损严重的问题。 对于其他的麦弗逊悬架， 将本文建立的计算机仿真模型所用的基本空间 参数进行调整，也可以快速准确地得到该悬架的基本性能曲线，通过 A D A M S / I n

19、s i g h t ，可以 针对悬架具体的性能目标要求对结构进行改进。总的来说, 将 A D A M S / C a r 和 A D A M S / I n s i g h t 的 结合使用可以快速高效地对悬架进行运动学分析和优化设计。 参 考 文 献 1 2 3 4 5 褚志刚。汽车前轮定位参数优化设计。重庆大学学报，2 0 0 3 ，2 王国强。虚拟样机技术及其在 A D A M S 上的应用。西安：西北工业大学出版社，2 0 0 2 赵亦同。悬架侧倾特性参数及动力学仿真。传动技术，2 0 0 1 ，1 丁 华。麦弗逊悬架系统性能研究。江苏大学学报，2 0 0 1 ，1 0 孔明树。解放牌 C A 1 0 B 型汽车前轮前束的改进。汽车技术，1 9 8 6 ，3 The Opti