麥弗遜懸架的車輪定位角

1、 研究生課程論文 是否進修生？ 是 否 摘要：懸架是汽車底盤上重要的總成，對汽車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性有著決定性的影響。麥弗遜懸架結(jié)構(gòu)簡單、占用空間少、成本低同時又有比較好的操縱穩(wěn)定性，是目前應(yīng)用最為廣泛的懸架。本文擬使用ADAMS/CAR對懸架進行運動仿真分析，得到懸架車輪定位參數(shù)隨車輪上下跳動的變化特性，分析懸架系統(tǒng)中存在的問題。然后利用ADAMS/Insight對相關(guān)硬點參數(shù)進行靈敏度分析，找出對車輪定位參數(shù)影響較大的硬點，并據(jù)此對懸架硬點參數(shù)進行調(diào)整。再對調(diào)整后的懸架進行仿真分析，對結(jié)果進行對比分析。結(jié)果表明，調(diào)整后的懸架車輪外傾角、輪距變化以及主銷內(nèi)傾角都得到了改善，而主銷后傾角和

2、前束角的變化范圍較之前變化更大了，但仍然在理想范圍內(nèi)，可以認為懸架的性能得到了改善。關(guān)鍵詞：麥弗遜懸架，運動分析Abstract:Suspension is an important assembly of automobile chassis,it has decisive influence on drive ability ,stability performance and riding comfort.McPher- -son suspension has a simple structure ,take up less space cost less and has a good

3、drive ability,it is widely used so far .This paper intends to use the simulation software of ADAMS/CAR to get variation of wheel alignment parameters of suspension when wheels move up and down,with the result we can analysis the existing problems in the suspension system.Then use ADAMS/Insight to an

4、alyse the sensitivity of hard point parameters and find the point which has a bigger influence on the wheel alignment parameters,then adjust the point to make the wheels get a better performance.Do the simulation again to compare the result.The result shows that after adjusting of the hard point,the

5、 camber,wheel track changes and Kingpin inclination have been improved,but the caster and toe angle get a bigger variation range which still stay in ideal range,and we deem the performance of suspension becomes better.Key words:McPherson suspension,analysis of movement1. 引言麥弗遜懸架由于結(jié)構(gòu)簡單、占用空間少、成本低同時又有比

6、較好的操縱穩(wěn)定性，因而應(yīng)用非常廣泛，麥弗遜懸架多用于轎車的前懸架系統(tǒng)，是大多數(shù)汽車的首選懸架系統(tǒng)。但是由于主銷軸線位于減震器上支點和下擺臂外支點的連線上當(dāng)懸架變形時，主銷軸線也隨之改變，車輪定位參數(shù)和輪距也都會相應(yīng)發(fā)生改變，變化量可能會很大，直接影響到整車的操縱穩(wěn)定性和對輪胎的磨損。因此有必要做好懸架的運動學(xué)分析。在實際懸架設(shè)計中存在著大量的逆向設(shè)計問題，經(jīng)常需要對已有懸架的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行調(diào)整，使得調(diào)整后的特性曲線與目標(biāo)曲線比較好地符合，達到優(yōu)化系統(tǒng)性能的目的。但由于懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、優(yōu)化參數(shù)過多，且其影響程度不同，若將所有影響因素都考慮，勢必會影響優(yōu)化速度和效果。為此，常使用ADAMS/Ins

7、ight軟件進行靈敏度分析，了解機構(gòu)的各個設(shè)計參數(shù)變化對其響應(yīng)的影響程度，從而為合理選擇修改參數(shù)提供依據(jù)。2. 懸架的建模建模使用的軟件為ADAMS/CAR，直接調(diào)用軟件中的麥弗遜懸架模板，從網(wǎng)上找到某一中級轎車的前麥弗遜懸架右側(cè)的硬點參數(shù)如表1。表1 懸架右側(cè)硬點坐標(biāo)硬點絕對坐標(biāo)（mm）xyz驅(qū)動軸內(nèi)點941185.25502.35下擺臂前支點982443.36392下擺臂外支點954759.36370下擺臂后支點1287424.36399彈簧下安裝點974.98642.94787.98減振器下安裝點970.23642.78561.12副車架前點867.14442.25394.98副車架后點

8、1466.86422.42394.98轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)支點1123391.36481轉(zhuǎn)向橫拉桿外支點1078736.36466上安裝點981.59615.071018.03車輪中心976.12797.5479.02在模板中可以直接修改相關(guān)硬點參數(shù)，另外懸架雖然是剛體和柔體的結(jié)合，但在這里主要考慮的是懸架的運動特性，因此對于懸架中的彈簧、減振器以及一些橡膠襯套可不必考慮。對于車輪，設(shè)置其在不施加載荷的情況下半徑為332mm。最終的模型如下圖。圖2.1.懸架模型3. 車輪定位角對汽車行駛性能影響分析3.1主銷后傾角主銷后傾角指從汽車縱向平面看主銷軸線向后傾斜，不和地面垂直，主銷軸線和垂線之間的夾角成為

9、主銷后傾角。從汽車側(cè)向觀察，向后面傾斜時的角度成為正后傾角。圖3.1，主銷后傾角從上圖可知主銷后傾會使得注銷軸線在地面上的鉸點偏向前方，這樣就會和輪胎接地中心產(chǎn)生一段距離a，這段距離叫做主銷拖距。對于主銷軸線交于前方的叫做正拖距，主要影響汽車的直行穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操縱輕便性。當(dāng)汽車直線行駛時偶然受到外力發(fā)生偏轉(zhuǎn)而引起車輛轉(zhuǎn)向時，由于拖距的存在而形成回正力矩，從而使車輪重新回到直行位置。有時，輪胎會由于自身比較大的彈性而形成正的拖距，這段距離叫做輪胎拖距，由于累加原因，這時從動輪產(chǎn)生過大的回正力矩，從而可能會對汽車的操縱穩(wěn)定性造成損害，此時，為了減小汽車的回正力矩，結(jié)構(gòu)上可采用減小主銷后傾角的方法，

10、甚至采用負主銷后傾，以用來減小汽車的回正力矩。3.2主銷內(nèi)傾角主銷內(nèi)傾角指汽車在其橫向垂直平面內(nèi)，主銷向平面內(nèi)傾斜，稱為主銷內(nèi)傾。主銷軸線與垂線之間的夾角叫做主銷內(nèi)傾角，主銷軸線上側(cè)向內(nèi)傾時為正，反之為負。圖3.2，主銷內(nèi)傾角車速越高則主銷后傾角產(chǎn)生的回正力矩就越大，汽車的回正作用就越明顯，車輛的穩(wěn)定性就越好，但是在低速時主銷后傾角回正力矩很小，汽車穩(wěn)定性變差，為了保證低速時汽車同樣具有一定的回正作用，就有了主銷內(nèi)傾角的設(shè)計。相關(guān)研究表明，高速時主銷后傾角的回正作用占據(jù)主導(dǎo)作用，而在低速時的回正作用主要是主銷內(nèi)傾角來承擔(dān)。3.3車輪外傾角從汽車正前面看，車輪中心平面是不垂直于地面的，車輪的頂端

11、向內(nèi)或向外傾斜一個角度，稱為車輪外傾角。圖3.3，車輪外傾角當(dāng)車輪頂端向兩側(cè)傾斜，則稱為正外傾角。車輛直線行駛時，由于路面的不平而引起的車輪跳動使車輪外傾角發(fā)生變化，綜合考慮轉(zhuǎn)向性能和直行穩(wěn)定性，車輪外傾角在上下跳動過程中應(yīng)該有一個比較合適的變化范圍。目前，大多數(shù)乘用車都設(shè)計成輕微的正外傾角。當(dāng)汽車滿載時，車橋因載荷增加發(fā)生一定變形，使車輪垂直于地面，減少輪胎臺面不正常磨損。近年來，由于懸架和車橋剛度的提高，加之路面也更為平坦，所以車輪外傾角有減小的趨勢，甚至為零，可使輪胎的內(nèi)、外側(cè)磨損趨于均勻，并有利于車輛的橫向穩(wěn)定性。大量時間證明，車輪外傾角理想的變化范圍是上跳時外傾角變?yōu)樨?，下落時變?yōu)檎?/p>

12、，這樣可以消除車身側(cè)傾時外輪外傾角過分增大的不利影響。3.4前束角車輪前束角是指汽車縱向中心平面內(nèi)，車輪平面前部向內(nèi)縮攏，稱為車輪前束角。車輪中心平面和地面交線之間的夾角叫車輪前束角。圖3.4，前束角車輪前束角為左右車輪產(chǎn)生側(cè)偏滾動趨勢，增加輪胎的磨損，給汽車前輪設(shè)計一個前束角，可以使汽車在直線行駛時左右車輪產(chǎn)生一個大小相等方向相反的初始側(cè)偏角，側(cè)偏角在左右輪胎上生成方向相反的側(cè)向力，選擇合適的前束角，可使產(chǎn)生的側(cè)向力與車輪外傾所引起的側(cè)傾推力相互抵消，從而減少輪胎磨損和車輛動力的消耗，提高輪胎的使用壽命和汽車的燃油經(jīng)濟性。4. 懸架運動仿真運動學(xué)仿真分析主要目的是為了找出早期的懸架設(shè)計中在結(jié)

13、構(gòu)上存在的問題，并分析問題出在什么地方，為下一步的優(yōu)化改進分析做準(zhǔn)備。在這里進行±50mm的平行輪跳動仿真，并討論懸架主銷后傾角，車輪外傾角，主銷內(nèi)傾角，前輪前束角和輪距的變化。4.1主銷后傾角圖4.1所示的是主銷后傾角隨車輪上下跳動±50mm的變化曲線。針對該中級轎車，主銷后傾角的理想設(shè)計值變化范圍是：2.08°2.92°。圖4.1主銷后傾角由圖可以看出，主銷后傾角的變化范圍是2.2°2.69°，符合前置前驅(qū)的懸架設(shè)計要求。4.2主銷內(nèi)傾角如圖4.2所示是車輪主銷內(nèi)傾角的變化曲線，在實際的設(shè)計過程中，主銷內(nèi)傾角比較合適的變化范圍為1

14、0°13°，并希望盡量取較小值。圖4.2主銷內(nèi)傾角由上圖可知，車輪跳動過程中，主銷內(nèi)傾角的變化范圍為11.1°13.6°，其變化范圍不滿足設(shè)計要求，有待在后期的優(yōu)化。4.3外傾角如圖4.3所示為車輪外傾角隨車輪上下跳動的變化曲線。為防止車輪出現(xiàn)嚴重的不足轉(zhuǎn)向或者過多轉(zhuǎn)向的趨勢，希望在車輪上下跳動時，外傾角的變化范圍在1°2°。圖4.3外傾角由圖可知，車輪外傾角在跳動過程中的變化范圍為-0.6°0.8°，變化量為1.4°，變化范圍符合設(shè)計要求。4.4前束角如圖4.4所示為車輪前束角隨車輪上下跳動時的變化曲線

15、，如果前束角在車輪跳動過程中變化過大，會使車輪發(fā)抖，加劇輪胎的磨損。因此，設(shè)計原則是車輪跳動時前束角變化范圍越小越好，同時前輪在上跳時，前輪前束角往負的方向變化有利于車輛獲得弱的不足轉(zhuǎn)向特性，其中理想的前束角變化范圍是-0.4°0.3° 圖4.4前束角由圖可知，在車輪跳動過程中，前輪前束角的變化范圍為-0.3°0.15°，而且在上跳過程中是往負的方向變化的，因此符合設(shè)計要求。5. 硬點靈敏度分析懸架的比較復(fù)雜，硬點參數(shù)很多，所以首先要做的工作就是進行靈敏度分析。參考其他相關(guān)論文，這里選擇以下幾個靈敏度相對較高的硬點參數(shù)進行分析：下控制臂外支點、下控制臂前

16、支點、下控制臂后支點、轉(zhuǎn)向橫拉桿內(nèi)點和減振器上安裝點。每個點的x、y、z方向均進行分析，這樣就有15個設(shè)計變量，設(shè)置其變化范圍為±5mm，以前輪前束角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、車輪外傾角和輪距的變化量最小為目標(biāo)函數(shù)。在ADAMS優(yōu)化實驗中，通常由于實驗因子較多和多個目標(biāo)函數(shù)，所以要求選擇恰當(dāng)?shù)膶嶒炘O(shè)計策略和類型，然后自動生成設(shè)計矩陣。本文在此選擇DOE screening(2一LEVEL)設(shè)計策略(此設(shè)計策略可以確定某個因素或某些因素對輸出的影響比例)和Dractional Dactorial類型(此類型普遍用于篩選重要影響因子，能夠估計對系統(tǒng)的影響)。圖5靈敏度分析結(jié)果6. 優(yōu)化設(shè)

17、計參考以上圖形進行硬點參數(shù)的修改，由于不同的硬點參數(shù)對不同的車輪定位參數(shù)敏感度不同，這里優(yōu)先考慮敏感度大且沒有和其他車輪定位參數(shù)耦合的硬點參數(shù)。由之前的分析可知，在優(yōu)化的過程中要考慮的是車輪跳動過程中主銷內(nèi)傾角的變化量。因此與之相關(guān)的硬點參數(shù)是一定要改變的，然后在考慮對其他車輪定位參數(shù)的影響。表1最終優(yōu)化方案硬點初始值優(yōu)化值下控制臂前支點z392387下控制臂外支點z370378下控制臂后支點z399406轉(zhuǎn)向橫拉桿外支點z466481將相應(yīng)硬點坐標(biāo)修改后再次進行仿真，結(jié)果如下。圖6.1，主銷內(nèi)傾角優(yōu)化結(jié)果圖中虛線部分是優(yōu)化后的曲線。由圖可知，優(yōu)化后主銷內(nèi)傾角的變化范圍由11.1°1

18、3.6°變成了10.6°12.9°，其變化范圍出于理想的10°13°的范圍內(nèi)。圖6.2，前束角優(yōu)化結(jié)果圖中虛線部分是優(yōu)化后的變化曲線。由圖可知，優(yōu)化后前輪前束角的變化特性略微變差，但其變化范圍仍處于-0.4°0.3°之間。圖6.3，外傾角優(yōu)化結(jié)果由圖可知，優(yōu)化后外傾角變化很小，幾乎和之前的結(jié)果一致，因此在這里也是合格的。圖6.4，主銷后傾角優(yōu)化結(jié)果由圖可知，優(yōu)化后主銷后傾角曲線斜率變大，變化范圍為2.11°2.85°，但仍處于理想的2.08°2.92°范圍內(nèi)，可以認為符合要求。7. 結(jié)論本文針對某中級轎車輪胎過度磨損的問題，利用ADAMS/CAR和ADAMS/Insight對麥弗遜懸架進行了仿真分析，并通過