基于ADAMS/CAR的麥弗遜懸架動力學的研究

摘要：為了深入研究麥弗遜懸架系統(tǒng)動力學性能，基于多體系統(tǒng)動力學理論，應用多體動力學軟件ADAMS/CAR構建麥弗遜懸架模型，本文利用Insight模塊對硬點參數(shù)做了優(yōu)化，對優(yōu)化前后分別進行平行輪跳仿真分析，對比優(yōu)化前后影響車輛操穩(wěn)性的特性參數(shù)。結果表明，在ADAMS/CAR中，通過懸架硬點坐標參數(shù)的優(yōu)化，懸架的整體性能得到大幅度提高，從而為麥弗遜懸架的設計和制造提供改進的理論依據(jù)。

一、前言

在汽車行業(yè)，傳統(tǒng)設計一般采用經(jīng)驗設計、數(shù)學推導法以及幾何作圖等方法，雖然滿足設計要求，但是精度和效率不高。隨著現(xiàn)代競爭的白熱化，人們逐漸意識到提高產(chǎn)品質量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期及降低產(chǎn)品開發(fā)成本，最有效的途徑是應用仿真工具進行系統(tǒng)水平的設計。隨著計算機等工具的普遍使用，虛擬樣機仿真技術得到了大的推廣。ADAMS/CAR多體系統(tǒng)動力學分析軟件是MDI公司與Audi、BMW、Volvo等公司合作開發(fā)的整車設計軟件包，集成了他們在汽車設計、開發(fā)方面的專家經(jīng)驗，能夠幫助工程師快速建造高精度的整車虛擬樣機。它具有豐富的建模功能和強大的運動學與動力學解算能力，可以建立規(guī)模龐大、機構復雜的系統(tǒng)級仿真模型，可對懸架和整車的性能進行仿真分析和綜合性能的評價。

應用最為廣泛的是麥弗遜懸架，與其他獨立懸架相比，麥弗遜懸架簡化了結構，減小了質量，還節(jié)省了空間，降低了制造成本，并且?guī)缀醪徽加脵M向空間，有利于車身前部地板的構造和發(fā)動機布置，在緊湊型轎車的前懸上是具有無可比擬的優(yōu)勢。另外，麥弗遜懸架鉸接點的數(shù)目較少;上下鉸點之間有較大的距離，下鉸點與車輪接地點之間的距離較小，這對減少鉸點處的受力有利;彈簧行程較大，當車輪跳動時，其輪距、前束角以及車輪外傾角等改變不大，減輕了輪胎的磨損，這些特點使整車具有良好的行駛穩(wěn)定性。利用ADAMS/CAR構建了麥弗遜懸架仿真模型，利用ADAMS/Insight優(yōu)化了影響懸架性能的關鍵硬點參數(shù)，分別對優(yōu)化前后的懸架進行仿真分析，對比了優(yōu)化前后的主銷偏距、前束角、車輪外傾角等懸架性能參數(shù)。研究結果表明優(yōu)化后的懸架操控性能有了大幅度的提升。

二、仿真模型建立

在建立麥弗遜懸架模型前，必須對懸架系統(tǒng)進行合理的數(shù)學模型簡化：整個麥弗遜懸架作為一個多剛體系統(tǒng)進行仿真，系統(tǒng)的各個剛體在各方向的慣性力均為零;某些鉸鏈在一些方向的力的約束真值比較小，對整車動力學的影響可以忽略不計，也假設其為零;減振器簡化為線性彈簧和阻尼，各運動副里的摩擦力忽略不計;本文的研究重點為懸架，輪胎簡化為剛性體。

在建立多體仿真模型時，麥弗遜懸架虛擬樣機的坐標原點為兩側車輪接地印跡中心點連線的中點。以地面為XY平面，汽車中心對稱面為XZ平面，通過前輪輪心連線，垂直XY、XZ兩平面的面為YZ平面，取豎直向上為Z軸正向，車身右側為Y軸正向，以車前進方向的反方向為X軸正向。硬點是各零件之間連接處的關鍵幾何定位點，確定硬點就是在子系統(tǒng)坐標系中給出零件之間連接點的幾何位置。模型關鍵硬點的空間位置坐標和相關系數(shù)是建立運動學模型的關鍵，從廠家提供的零部件裝配圖上可以得到硬點的坐標值。計算或者測量整合零件的質量、質心位置以及繞質心坐標系三個坐標軸的轉動慣量，將這些動力學參數(shù)填寫到相應的輸入中。以硬點為基礎創(chuàng)建幾何模型，定義各零件間的運動關系，確定約束類型將各零件連接起來，從而構成模板，然后將模板生成子系統(tǒng)，然后和試驗臺裝配成懸架測試系統(tǒng)模型，完成麥弗遜懸架在Adams/Car中的虛擬樣機仿真模型，如圖1所示。

三、系統(tǒng)動力學仿真分析

裝配好懸架模型和試驗臺后，對麥弗遜懸架進行同向平行輪跳動試驗。設置懸架上下跳動距離為100mm，以左右車輪同步上下跳動來計算懸架跳動過程中主要性能參數(shù)的變化規(guī)律。由于左、右輪主要性能參數(shù)在跳動過程中變化趨勢相同，所以只選擇左側車輪作為研究對象。在整車的運動過程中，由于路面存在一定的不平度，此時輪胎和車身之間的相對位置將發(fā)生變化，這也將造就車輪定位參數(shù)發(fā)生相對的變動，如果車輪定位參數(shù)的變動過大的話，將會加劇輪胎和轉向機件的磨損并降低整車操縱穩(wěn)定性和其他相關性能。所以，懸架系統(tǒng)與車輪定位參數(shù)相關的參數(shù)變化量不能太大。懸架的優(yōu)化利用ADAMS/Insight，對懸架的部分關鍵硬點進行優(yōu)化分析，由于懸架系統(tǒng)與車輪定位參數(shù)相關的參數(shù)變化量不能太大，硬點參數(shù)的優(yōu)化只能在小范圍內(nèi)進行，經(jīng)過多次修改迭代得到優(yōu)化參數(shù)。用優(yōu)化后的硬點坐標修正模型，再次進行平行輪跳仿真。圖2、圖3、圖4、圖5、圖6分別為優(yōu)化前后的車輪外傾角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷偏距以及前輪前束角的曲線圖。

在圖2～圖6中，紅色曲線為未優(yōu)化的麥弗遜懸架仿真試驗得出的，藍色為優(yōu)化硬點坐標后的麥弗遜懸架仿真試驗得到的。對比研究的結果表明，優(yōu)化后的性能參數(shù)大大優(yōu)于優(yōu)化前的。

(1)車輪外傾角(camber angle)

圖2 優(yōu)化前后車輪外傾角對比(紅色為未優(yōu)化，藍色優(yōu)化后)

為防止車輪出現(xiàn)過大的不足轉向或者過度轉向趨勢，一般希望車輪從滿載位置起上下跳動±50mm的范圍內(nèi)，車輪外傾角變化在-2～0.5之間。從圖2可以看出，未優(yōu)化的麥弗遜懸架車輪外傾角變化范圍為-0.75～1.25，在操縱穩(wěn)定性上未能達到設計標準，而優(yōu)化后麥弗遜懸架車輪外傾角變化范圍為0～0.47，變化幅度大為減小，而且最值也變小，使得參數(shù)符合設計的要求，還減少了不足轉向或者過大轉向的趨勢，增強了整車的行駛穩(wěn)定性。

(2)主銷后傾角(caster angle)

主銷后傾角為正值時有抑制制動時點頭的作用，保證車輪具有合適的回正力矩，使車輪復位以提高整車直線行駛的穩(wěn)定性。主銷后傾角在車輪上下運動過程中不會出現(xiàn)大的變化，以免在載荷變化時出現(xiàn)回正力矩過大或者過小的現(xiàn)象，使操縱穩(wěn)定性變差。但是如果太大會使車輪支撐處反力矩過大，造成車輪擺振或者轉向盤力的變化，一般要求主銷后傾角在4°～6°之間。圖3中所示的曲線表明，未優(yōu)化的懸架主銷后傾角在4.7～5.4之間，優(yōu)化后的在4.2～5.2之間，雖然均符合設計要求，但是優(yōu)化后主銷后傾角的幅值變小，有利于抑制制動點頭，同時提高了懸架系統(tǒng)的直線行駛穩(wěn)定性。