ADAMScar 在懸架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、ADAMS/car 在懸架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用1朱天軍 2鄭紅艷 3孫振軍 （河北工程學(xué)院機(jī)電學(xué)院車輛工程系 邯鄲 056021）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(duì)ADAMS/car建立的模型進(jìn)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(guān)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(duì)操縱穩(wěn)定性和平順性的影響至關(guān)重要。麥弗遜懸架的諸多優(yōu)點(diǎn)，使得該種懸架廣泛應(yīng)用于轎車、輕型車等的前懸架。設(shè)計(jì)時(shí)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在車輪的上下跳動(dòng)過(guò)程中，應(yīng)不使主銷的定位參數(shù)變化過(guò)大，車輪與導(dǎo)

2、向機(jī)構(gòu)應(yīng)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組成的系統(tǒng)是空間桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)轉(zhuǎn)向梯形斷開(kāi)點(diǎn)位置選擇不當(dāng)時(shí)，會(huì)造成橫拉桿與懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)，汽車行駛時(shí)會(huì)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(shè)計(jì)一般采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)推導(dǎo)法以及幾何作圖等方法，雖然可以滿足設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)需求，為縮短開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)成本，有必要采用新的設(shè)計(jì)方法。ADAMS/CAR模塊內(nèi)有懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析的專門模板，可以方便地建立各種結(jié)構(gòu)形式的懸架，迅速得出懸架的多達(dá)三十多種參數(shù)的性能曲線。模型全部采用數(shù)字化設(shè)計(jì)，可方便地對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修改和調(diào)整以發(fā)現(xiàn)其對(duì)各種性能參數(shù)的影響，優(yōu)化設(shè)計(jì)

3、目標(biāo)，最終為企業(yè)提供產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的解決方案。1 懸架分析參數(shù) 懸架系統(tǒng)中各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)由設(shè)計(jì)圖紙查得，減震器、扭桿彈簧參數(shù)由試驗(yàn)得出，前輪定位參數(shù)由廠家提供。 (坐標(biāo)系的規(guī)定：汽車縱向?yàn)?X 軸，后為正；汽車橫向?yàn)?Y 軸，右為正；汽車垂向?yàn)?Z 軸，上為正)2 仿真模型的建立和驗(yàn)證2.1通過(guò)對(duì)某型 SUV 車進(jìn)行硬點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量以及懸架彈性件測(cè)試，將所得到前懸架的硬點(diǎn)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(dú)立懸架2.2建成懸架模型后，將懸架模型與測(cè)試平臺(tái)裝配，然后對(duì)懸架模型進(jìn)行上下跳動(dòng)量為-125100mm的左右輪平行跳動(dòng)工況仿真。 圖2平

4、行跳動(dòng)工況設(shè)置圖點(diǎn)擊apply后，懸架進(jìn)行平行跳動(dòng)工況，仿真步長(zhǎng)為100步。2.3調(diào)用 MSC.ADAMS/Solver 進(jìn)行解算后，系統(tǒng)能輸出幾十種有關(guān)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(jié)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 A

5、ngle）圖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(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于路面存在一定的不平度，此時(shí)輪胎和車身之間的相對(duì)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(yīng)的變動(dòng)。如果車輪定位參數(shù)的變動(dòng)過(guò)大的話，將會(huì)加劇輪胎和轉(zhuǎn)向機(jī)件的磨損并降低整車操縱穩(wěn)定性和其他相關(guān)性能，

6、所以原則上，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(duì)車輪定位參數(shù)中的某項(xiàng)或是多項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化，使定位參數(shù)達(dá)到一個(gè)理想值。本論文是通過(guò)對(duì)懸架的部分硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行改變來(lái)達(dá)到優(yōu)化定位參數(shù)的目的。 在 Insight 模塊中，我們對(duì)麥弗遜懸架的下?lián)u臂前點(diǎn)（lca _front）、后點(diǎn)（lca_ rear），轉(zhuǎn)向拉桿內(nèi)點(diǎn)（tierod _inner）、外點(diǎn)（tierod _outer），下?lián)u臂球頭銷（lca_ outer）等五個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的 15 個(gè)坐標(biāo)值（每個(gè)點(diǎn)有 X、Y、Z 三個(gè)方向坐標(biāo)）進(jìn)行分析，設(shè)定每個(gè)坐標(biāo)值的變動(dòng)范圍在-5mm5mm 之間。對(duì)于 15個(gè)坐標(biāo)

7、值的分析，Insight 將進(jìn)行 215 次迭代解算，計(jì)算量極其龐大，所以我們只進(jìn)行 64 次的部分迭代。進(jìn)行完迭代解算后，我們可以利用 Insight 自帶功能，將優(yōu)化的結(jié)果作為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存在交互式網(wǎng)頁(yè)中。見(jiàn)圖8： 圖8 從該網(wǎng)頁(yè)上可以看出，F(xiàn)actor 項(xiàng)為 15 個(gè)硬點(diǎn)坐標(biāo)值，而 Response 項(xiàng)為五項(xiàng)定位參數(shù)。Factor項(xiàng)的最大值和最小值與 Nominal 值都相差 5 個(gè)單位，這是因?yàn)橄惹拔覀冊(cè)O(shè)定坐標(biāo)值的變動(dòng)范圍在±5mm 的緣故。 當(dāng)在最大值和最小值范圍內(nèi)修改 Factor（即硬點(diǎn)參數(shù)）值時(shí)，Response 項(xiàng)（定位參數(shù)）的值都會(huì)產(chǎn)生變化。由于修改硬點(diǎn)參數(shù)后，五項(xiàng)定

8、位參數(shù)的變化趨勢(shì)可能會(huì)出現(xiàn)相反的情況，例如：修改lca_ front 點(diǎn)的 x 坐標(biāo)值后，camber 值與原值相比變小，而 caster 值卻比原值大，此時(shí)雖然 camber 值滿足了我們的要求，但 caster 值卻背離了我們的設(shè)計(jì)原則。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，為了兼顧平衡，我們?nèi)∫粋€(gè)折中值。下表為優(yōu)化前后懸架的部分硬點(diǎn)坐標(biāo) 硬點(diǎn)坐標(biāo)狀態(tài)X坐標(biāo)Y坐標(biāo)Z坐標(biāo)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-

9、724.04-91.05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(shí)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(duì)比為防止車輪出現(xiàn)過(guò)大的不足轉(zhuǎn)向或過(guò)度轉(zhuǎn)向趨勢(shì)，一般希望車輪從滿載位置起上下跳動(dòng) 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

10、,比優(yōu)化前的范圍小了一點(diǎn)，這是因?yàn)?Insight 為了兼顧其他四項(xiàng)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(dòng) 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(shè)計(jì)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(duì)比主銷后傾角為正值時(shí)有抑制制動(dòng)時(shí)的點(diǎn)頭作用，但太大時(shí)會(huì)使車輪支撐處反力矩過(guò)大，易造成車輪擺振或轉(zhuǎn)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(shí)懸架每壓縮10mm,后傾角變化范圍在

11、 3.68 deg左右，很好地符合了我們的設(shè)計(jì)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(duì)比主銷內(nèi)傾角可以使汽車轉(zhuǎn)向回正、轉(zhuǎn)向操作輕便，在車輪跳動(dòng)時(shí)，主銷內(nèi)傾角變化較大，將會(huì)使轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向時(shí)車輪與地面的滑動(dòng)，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(duì)比汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向輪圍繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)，地面對(duì)轉(zhuǎn)向的阻力力矩與主銷偏距的大小成正比。主銷偏距越小，轉(zhuǎn)向阻力矩也

12、越小，所以一般希望主銷偏距小一些，以減少轉(zhuǎn)向操縱力以及地面對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的沖擊。主銷偏距與主銷內(nèi)傾是密切相關(guān)的，通過(guò)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(shè)計(jì)值。 2.4.5 車輪前束角（Toe_Angle）圖13車輪前束角優(yōu)化前后對(duì)比對(duì)于汽車前輪，車輪上跳時(shí)的前束值多設(shè)計(jì)成零至負(fù)前束變化。當(dāng)車輛行駛時(shí)，前束的變化過(guò)大，將會(huì)影響車輛的直線行駛穩(wěn)定性，同時(shí)增大輪胎與地面間的滾動(dòng)阻力，加劇輪胎的磨損，所以前束角的設(shè)計(jì)原則是在車輪跳動(dòng)時(shí)，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

13、相同，對(duì)車輛直線行駛的穩(wěn)定性沒(méi)有提高。小結(jié)：運(yùn)用 MSC.ADAMS/Insight，通過(guò)對(duì)模型的硬點(diǎn)坐標(biāo)、彈性參數(shù)進(jìn)行多次修改迭代，可以對(duì)模型的某項(xiàng)或是多項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)找出一個(gè)最優(yōu)結(jié)果。本文介紹了通過(guò)對(duì)麥弗遜式前懸架的部分硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，使車輪定位參數(shù)在輪跳時(shí)的變動(dòng)量達(dá)到最優(yōu)化,從而改善了懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能。但是由于受到車身布置的限制，對(duì)硬點(diǎn)坐標(biāo)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(gè)相對(duì)值，而非絕對(duì)的最優(yōu)結(jié)果。 參考文獻(xiàn)：1 陳家瑞著.汽車結(jié)構(gòu)M.人民交通出版社19942 林逸等.滑柱擺臂式懸架空間運(yùn)動(dòng)分析J.汽車技術(shù)1998.33 初亮等.滑柱擺臂式懸架轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)梯形斷開(kāi)點(diǎn)位置的優(yōu)化及分析J汽車工程 1996.64 趙曉光.斷開(kāi)式轉(zhuǎn)向