基于A(yíng)DAMS/CAR的麥弗遜懸架動(dòng)力學(xué)的研究

摘要：為了深入研究麥弗遜懸架系統動(dòng)力學(xué)性能，基于多體系統動(dòng)力學(xué)理論，應用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS/CAR構建麥弗遜懸架模型，本文利用Insight模塊對硬點(diǎn)參數做了優(yōu)化，對優(yōu)化前后分別進(jìn)行平行輪跳仿真分析，對比優(yōu)化前后影響車(chē)輛操穩性的特性參數。結果表明，在ADAMS/CAR中，通過(guò)懸架硬點(diǎn)坐標參數的優(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(jìn)的理論依據。

一、前言

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

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(jiǎn)化了結構，減小了質(zhì)量，還節省了空間，降低了制造成本，并且幾乎不占用橫向空間，有利于車(chē)身前部地板的構造和發(fā)動(dòng)機布置，在緊湊型轎車(chē)的前懸上是具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢。另外，麥弗遜懸架鉸接點(diǎn)的數目較少;上下鉸點(diǎn)之間有較大的距離，下鉸點(diǎn)與車(chē)輪接地點(diǎn)之間的距離較小，這對減少鉸點(diǎn)處的受力有利;彈簧行程較大，當車(chē)輪跳動(dòng)時(shí)，其輪距、前束角以及車(chē)輪外傾角等改變不大，減輕了輪胎的磨損，這些特點(diǎn)使整車(chē)具有良好的行駛穩定性。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(guān)鍵硬點(diǎn)參數，分別對優(yōu)化前后的懸架進(jìn)行仿真分析，對比了優(yōu)化前后的主銷(xiāo)偏距、前束角、車(chē)輪外傾角等懸架性能參數。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，必須對懸架系統進(jìn)行合理的數學(xué)模型簡(jiǎn)化：整個(gè)麥弗遜懸架作為一個(gè)多剛體系統進(jìn)行仿真，系統的各個(gè)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(chē)動(dòng)力學(xué)的影響可以忽略不計，也假設其為零;減振器簡(jiǎn)化為線(xiàn)性彈簧和阻尼，各運動(dòng)副里的摩擦力忽略不計;本文的研究重點(diǎn)為懸架，輪胎簡(jiǎn)化為剛性體。

在建立多體仿真模型時(shí)，麥弗遜懸架虛擬樣機的坐標原點(diǎn)為兩側車(chē)輪接地印跡中心點(diǎn)連線(xiàn)的中點(diǎn)。以地面為XY平面，汽車(chē)中心對稱(chēng)面為XZ平面，通過(guò)前輪輪心連線(xiàn)，垂直XY、XZ兩平面的面為YZ平面，取豎直向上為Z軸正向，車(chē)身右側為Y軸正向，以車(chē)前進(jìn)方向的反方向為X軸正向。硬點(diǎn)是各零件之間連接處的關(guān)鍵幾何定位點(diǎn)，確定硬點(diǎn)就是在子系統坐標系中給出零件之間連接點(diǎn)的幾何位置。模型關(guān)鍵硬點(diǎn)的空間位置坐標和相關(guān)系數是建立運動(dòng)學(xué)模型的關(guān)鍵，從廠(chǎng)家提供的零部件裝配圖上可以得到硬點(diǎn)的坐標值。計算或者測量整合零件的質(zhì)量、質(zhì)心位置以及繞質(zhì)心坐標系三個(gè)坐標軸的轉動(dòng)慣量，將這些動(dòng)力學(xué)參數填寫(xiě)到相應的輸入中。以硬點(diǎn)為基礎創(chuàng )建幾何模型，定義各零件間的運動(dòng)關(guān)系，確定約束類(lèi)型將各零件連接起來(lái)，從而構成模板，然后將模板生成子系統，然后和試驗臺裝配成懸架測試系統模型，完成麥弗遜懸架在A(yíng)dams/Car中的虛擬樣機仿真模型，如圖1所示。

三、系統動(dòng)力學(xué)仿真分析

裝配好懸架模型和試驗臺后，對麥弗遜懸架進(jìn)行同向平行輪跳動(dòng)試驗。設置懸架上下跳動(dòng)距離為100mm，以左右車(chē)輪同步上下跳動(dòng)來(lái)計算懸架跳動(dòng)過(guò)程中主要性能參數的變化規律。由于左、右輪主要性能參數在跳動(dòng)過(guò)程中變化趨勢相同，所以只選擇左側車(chē)輪作為研究對象。在整車(chē)的運動(dòng)過(guò)程中，由于路面存在一定的不平度，此時(shí)輪胎和車(chē)身之間的相對位置將發(fā)生變化，這也將造就車(chē)輪定位參數發(fā)生相對的變動(dòng)，如果車(chē)輪定位參數的變動(dòng)過(guò)大的話(huà)，將會(huì )加劇輪胎和轉向機件的磨損并降低整車(chē)操縱穩定性和其他相關(guān)性能。所以，懸架系統與車(chē)輪定位參數相關(guān)的參數變化量不能太大。懸架的優(yōu)化利用ADAMS/Insight，對懸架的部分關(guān)鍵硬點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化分析，由于懸架系統與車(chē)輪定位參數相關(guān)的參數變化量不能太大，硬點(diǎn)參數的優(yōu)化只能在小范圍內進(jìn)行，經(jīng)過(guò)多次修改迭代得到優(yōu)化參數。用優(yōu)化后的硬點(diǎn)坐標修正模型，再次進(jìn)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(chē)輪外傾角、主銷(xiāo)后傾角、主銷(xiāo)內傾角、主銷(xiāo)偏距以及前輪前束角的曲線(xiàn)圖。

在圖2～圖6中，紅色曲線(xiàn)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(diǎn)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)化后的性能參數大大優(yōu)于優(yōu)化前的。

(1)車(chē)輪外傾角(camber angle)

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

為防止車(chē)輪出現過(guò)大的不足轉向或者過(guò)度轉向趨勢，一般希望車(chē)輪從滿(mǎn)載位置起上下跳動(dòng)±50mm的范圍內，車(chē)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(chē)輪外傾角變化范圍為-0.75～1.25，在操縱穩定性上未能達到設計標準，而優(yōu)化后麥弗遜懸架車(chē)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，使得參數符合設計的要求，還減少了不足轉向或者過(guò)大轉向的趨勢，增強了整車(chē)的行駛穩定性。

(2)主銷(xiāo)后傾角(caster angle)

主銷(xiāo)后傾角為正值時(shí)有抑制制動(dòng)時(shí)點(diǎn)頭的作用，保證車(chē)輪具有合適的回正力矩，使車(chē)輪復位以提高整車(chē)直線(xiàn)行駛的穩定性。主銷(xiāo)后傾角在車(chē)輪上下運動(dòng)過(guò)程中不會(huì )出現大的變化，以免在載荷變化時(shí)出現回正力矩過(guò)大或者過(guò)小的現象，使操縱穩定性變差。但是如果太大會(huì )使車(chē)輪支撐處反力矩過(guò)大，造成車(chē)輪擺振或者轉向盤(pán)力的變化，一般要求主銷(xiāo)后傾角在4°～6°之間。圖3中所示的曲線(xiàn)表明，未優(yōu)化的懸架主銷(xiāo)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(xiāo)后傾角的幅值變小，有利于抑制制動(dòng)點(diǎn)頭，同時(shí)提高了懸架系統的直線(xiàn)行駛穩定性。