ADAMScar在懸架設計中的應用

1、ADAMS/car 在懸架設計中的應用1朱天軍 2鄭紅艷 3孫振軍 （河北工程學院機電學院車輛工程系 邯鄲 ）摘 要：在ADAMS/CAR中建立麥弗遜懸架的三維模型，分析懸架參數(shù)在汽車行駛中的變化。依據(jù)ADAMS /insight，對ADAMS/car建立的模型進行懸架系統(tǒng)的優(yōu)化求解，得到懸架系統(tǒng)的優(yōu)化解。關鍵詞：麥弗遜懸架； ADAMS /insight；ADAMS/car 懸架是汽車的主要總成之一，其對操縱穩(wěn)定性和平順性的影響至關重要。麥弗遜懸架的諸多優(yōu)點，使得該種懸架廣泛應用于轎車、輕型車等的前懸架。設計時導向機構在車輪的上下跳動過程中，應不使主銷的定位參數(shù)變化過大，車輪與導向機構應運動

2、協(xié)調(diào)。轉向機構組成的系統(tǒng)是空間桿機構，當轉向梯形斷開點位置選擇不當時，會造成橫拉桿與懸架導向機構運動不協(xié)調(diào)，汽車行駛時會出現(xiàn)前輪擺振現(xiàn)象，破壞操縱穩(wěn)定性,加劇輪胎磨損。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，雖然可以滿足設計要求，但精度和效率不高。傳統(tǒng)的方法已經(jīng)很難滿足日益加速的設計需求，為縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本，有必要采用新的設計方法。ADAMS/CAR模塊內(nèi)有懸架運動學動力學分析的專門模板，可以方便地建立各種結構形式的懸架，迅速得出懸架的多達三十多種參數(shù)的性能曲線。模型全部采用數(shù)字化設計，可方便地對設計參數(shù)進行修改和調(diào)整以發(fā)現(xiàn)其對各種性能參數(shù)的影響，優(yōu)化設計目標，最終為

3、企業(yè)提供產(chǎn)品開發(fā)的解決方案。1 懸架分析參數(shù) 懸架系統(tǒng)中各關鍵點的坐標由設計圖紙查得，減震器、扭桿彈簧參數(shù)由試驗得出，前輪定位參數(shù)由廠家提供。 (坐標系的規(guī)定：汽車縱向為 X 軸，后為正；汽車橫向為 Y 軸，右為正；汽車垂向為 Z 軸，上為正)2 仿真模型的建立和驗證2.1通過對某型 SUV 車進行硬點坐標測量以及懸架彈性件測試，將所得到前懸架的硬點參數(shù)及彈性件參數(shù)輸入MSC.ADAMS/Car 中，建立該車前懸架的仿真模型。如圖1圖1 麥弗遜式獨立懸架2.2建成懸架模型后，將懸架模型與測試平臺裝配，然后對懸架模型進行上下跳動量為-125100mm的左右輪平行跳動工況仿真。 圖2平行跳動工況設

4、置圖點擊apply后，懸架進行平行跳動工況，仿真步長為100步。2.3調(diào)用 MSC.ADAMS/Solver 進行解算后，系統(tǒng)能輸出幾十種有關懸架性能的參數(shù)。 前輪定位參數(shù)以下是該麥弗遜前懸架車輪定位參數(shù)仿真結果： 2.3.1車輪外傾角（Camber Angle）圖3車輪外傾角變化由上圖可以看出，前懸架模型的車輪外傾角變化范圍在 -3.2deg0.75deg 之間。2.3.2 主銷后傾角（Caster Angle） 圖4主銷后傾角變化由上圖可以看出，前懸架模型的主銷后傾角變化范圍在 5.3deg5.9deg 之間。 2.3.3 主銷內(nèi)傾角（Kingpin Inclination Angle）圖

5、5主銷內(nèi)傾角變化由上圖可看出，主銷內(nèi)傾角變化范圍在 8deg13deg 之間。2.3.4 主銷偏距（Scrub Radius） 圖6主銷偏距變化由上圖可看出，主銷偏距變化范圍在-6.2mm 0.6mm 左右。2.3.5 車輪前束角（Toe Angle） 圖7車輪前束角變化由上圖可看出，車輪前束角變化范圍在-1.9deg 7.8deg 左右。2.4 懸架性能參數(shù)的優(yōu)化 在整車運動過程中，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，這也將造成車輪定位參數(shù)發(fā)生相應的變動。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，所以原則上，

6、車輪定位參數(shù)的變化量不能太大。利用 MSC.ADAMS/Insight 模塊，用戶可以對車輪定位參數(shù)中的某項或是多項進行優(yōu)化，使定位參數(shù)達到一個理想值。本論文是通過對懸架的部分硬點坐標進行改變來達到優(yōu)化定位參數(shù)的目的。 在 Insight 模塊中，我們對麥弗遜懸架的下?lián)u臂前點（lca _front）、后點（lca_ rear），轉向拉桿內(nèi)點（tierod _inner）、外點（tierod _outer），下?lián)u臂球頭銷（lca_ outer）等五個坐標點的 15 個坐標值（每個點有 X、Y、Z 三個方向坐標）進行分析，設定每個坐標值的變動范圍在-5mm5mm 之間。對于 15個坐標值的分析，I

7、nsight 將進行 215 次迭代解算，計算量極其龐大，所以我們只進行 64 次的部分迭代。進行完迭代解算后，我們可以利用 Insight 自帶功能，將優(yōu)化的結果作為動態(tài)數(shù)據(jù)存在交互式網(wǎng)頁中。見圖8： 圖8 從該網(wǎng)頁上可以看出，F(xiàn)actor 項為 15 個硬點坐標值，而 Response 項為五項定位參數(shù)。Factor項的最大值和最小值與 Nominal 值都相差 5 個單位，這是因為先前我們設定坐標值的變動范圍在5mm 的緣故。 當在最大值和最小值范圍內(nèi)修改 Factor（即硬點參數(shù)）值時，Response 項（定位參數(shù)）的值都會產(chǎn)生變化。由于修改硬點參數(shù)后，五項定位參數(shù)的變化趨勢可能會出

8、現(xiàn)相反的情況，例如：修改lca_ front 點的 x 坐標值后，camber 值與原值相比變小，而 caster 值卻比原值大，此時雖然 camber 值滿足了我們的要求，但 caster 值卻背離了我們的設計原則。當出現(xiàn)這種情況時，為了兼顧平衡，我們?nèi)∫粋€折中值。下表為優(yōu)化前后懸架的部分硬點坐標 硬點坐標狀態(tài)X坐標Y坐標Z坐標Lca_front優(yōu)化前-290.9-437.16-88.37優(yōu)化后-290.98-432.16-83.37Lca_rear優(yōu)化前114.9-385.79-50.12優(yōu)化后109.9-390.79-55.12Lca_outer優(yōu)化前-3.16-724.04-91.05

9、優(yōu)化后1.84-719.04-96.05Tierod_inner優(yōu)化前330-220317.2優(yōu)化后325-215322.2Tierod_outer優(yōu)化前192-550.7399.8優(yōu)化后197-555.7394.8以下是優(yōu)化前與優(yōu)化后車輪定位參數(shù)的比較圖（實線為優(yōu)化后的曲線，虛線為優(yōu)化前的曲線：2.4.1 車輪外傾角（.Camber_Angle） 圖9車輪外傾角優(yōu)化前后對比為防止車輪出現(xiàn)過大的不足轉向或過度轉向趨勢，一般希望車輪從滿載位置起上下跳動 40mm的范圍內(nèi)，車輪外傾角變化在 1 度左右。從圖上可以看出，優(yōu)化后車輪外傾角變化范圍是0.03deg2 .37deg,比優(yōu)化前的范圍小了一點

10、，這是因為 Insight 為了兼顧其他四項定位參數(shù)的優(yōu)化而放棄了外傾角部分利益的緣故，但是在上下跳動 40mm 的范圍內(nèi)，優(yōu)化后外傾角變化基本在 1 度左右，滿足設計要求。 2.4.2 主銷后傾角（Caster_Angle） 圖10主銷后傾角優(yōu)化前后對比主銷后傾角為正值時有抑制制動時的點頭作用，但太大時會使車輪支撐處反力矩過大，易造成車輪擺振或轉向盤上力的變化。因此一般懸架每壓縮 10mm，后傾角變化范圍為 10 deg 40 deg。優(yōu)化后，主銷后傾角的變化范圍在 2.6deg5.5deg 之間，大大小于優(yōu)化前的變化范圍，而且此時懸架每壓縮10mm,后傾角變化范圍在 3.68 deg左右，

11、很好地符合了我們的設計要求。 2.4.3 主銷內(nèi)傾角（Kingpin_ Inclination_ Angle） 圖11主銷內(nèi)傾角優(yōu)化前后對比主銷內(nèi)傾角可以使汽車轉向回正、轉向操作輕便，在車輪跳動時，主銷內(nèi)傾角變化較大，將會使轉向沉重，加速輪胎磨損。優(yōu)化后，主銷內(nèi)傾角的變化范圍與優(yōu)化前相比變化不大，但是主銷內(nèi)傾角的初始值比原先小了 0.3deg 左右，這將減小轉向時車輪與地面的滑動，減緩輪胎磨損。2.4.4 主銷偏距（Scrub_Radius） 圖12主銷偏距優(yōu)化前后對比汽車轉向時，轉向輪圍繞主銷轉動，地面對轉向的阻力力矩與主銷偏距的大小成正比。主銷偏距越小，轉向阻力矩也越小，所以一般希望主銷偏

12、距小一些，以減少轉向操縱力以及地面對轉向系統(tǒng)的沖擊。主銷偏距與主銷內(nèi)傾是密切相關的，通過調(diào)整主銷內(nèi)傾角可以得到不同的主銷偏距。較理想的主銷偏距值為-10 30mm，優(yōu)化后，主銷偏距的變化范圍為-10.02 1.5 mm，比優(yōu)化前更接近設計值。 2.4.5 車輪前束角（Toe_Angle）圖13車輪前束角優(yōu)化前后對比對于汽車前輪，車輪上跳時的前束值多設計成零至負前束變化。當車輛行駛時，前束的變化過大，將會影響車輛的直線行駛穩(wěn)定性，同時增大輪胎與地面間的滾動阻力，加劇輪胎的磨損，所以前束角的設計原則是在車輪跳動時，變化量越小越好。從圖上看出，優(yōu)化后，前束角的變化量比之前大致相同，對車輛直線行駛的穩(wěn)

13、定性沒有提高。小結：運用 MSC.ADAMS/Insight，通過對模型的硬點坐標、彈性參數(shù)進行多次修改迭代，可以對模型的某項或是多項性能指標進行優(yōu)化，系統(tǒng)會自動找出一個最優(yōu)結果。本文介紹了通過對麥弗遜式前懸架的部分硬點坐標進行優(yōu)化，使車輪定位參數(shù)在輪跳時的變動量達到最優(yōu)化,從而改善了懸架的運動學性能。但是由于受到車身布置的限制，對硬點坐標的改變只能局限在一定的小范圍內(nèi)，所以得到的最優(yōu)值也只是一個相對值，而非絕對的最優(yōu)結果。 參考文獻：1 陳家瑞著.汽車結構M.人民交通出版社19942 林逸等.滑柱擺臂式懸架空間運動分析J.汽車技術1998.33 初亮等.滑柱擺臂式懸架轉向機構梯形斷開點位置的優(yōu)化及分析J汽車工程 1996.64 趙曉光.斷開式轉向梯