在懸架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

87/14ADAMS/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懸架是汽車的要緊總成之一，其對操縱穩(wěn)定性和平順性的阻礙至關(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)在車輪的上下跳動過程中，應(yīng)不使主銷的定位參數(shù)變化過大，車輪與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)應(yīng)運(yùn)動協(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)向梯形斷開點(diǎn)位置選擇不當(dāng)時(shí)，會造成橫拉桿與懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動不協(xié)調(diào)，汽車行駛時(shí)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(shè)計(jì)一般采納經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)推導(dǎo)法以及幾何作圖等方法，盡管能夠滿足設(shè)計(jì)要求，但精度和效率不高。傳統(tǒng)的方法差不多專門難滿足日益加速的設(shè)計(jì)需求，為縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本，有必要采納新的設(shè)計(jì)方法。ADAMS/CAR模塊內(nèi)有懸架運(yùn)動學(xué)動力學(xué)分析的專門模板，能夠方便地建立各種結(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。模型全部采納數(shù)字化設(shè)計(jì)，可方便地對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修改和調(diào)整以發(fā)覺其對各種性能參數(shù)的阻礙，優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，最終為企業(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(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)閄軸，后為正；汽車橫向?yàn)閅軸，右為正；汽車垂向?yàn)閆軸，上為正)2仿真模型的建立和驗(yàn)證2.1通過對某型SUV車進(jìn)行硬點(diǎn)坐標(biāo)測量以及懸架彈性件測試，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，將懸架模型與測試平臺裝配，然后對懸架模型進(jìn)行上下跳動量為-125~100mm的左右輪平行跳動工況仿真。圖2平行跳動工況設(shè)置圖點(diǎn)擊apply后，懸架進(jìn)行平行跳動工況，仿真步長為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（CamberAngle）圖3車輪外傾角變化由上圖能夠看出，前懸架模型的車輪外傾角變化范圍在-3.2deg~0.75deg之間。2.3.2主銷后傾角（CasterAngle）圖4主銷后傾角變化由上圖能夠看出，前懸架模型的主銷后傾角變化范圍在5.3deg~5.9deg之間。2.3.3主銷內(nèi)傾角（KingpinInclinationAngle）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8deg~13deg之間。2.3.4主銷偏距（ScrubRadius）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（ToeAngle）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)動過程中，由于路面存在一定的不平度，現(xiàn)在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(yīng)的變動。假如車輪定位參數(shù)的變動過大的話，將會加劇輪胎和轉(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，因此原則上，車輪定位參數(shù)的變化量不能太大。利用MSC.ADAMS/Insight模塊，用戶能夠?qū)囕喍ㄎ粎?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。本論文是通過對懸架的部分硬點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行改變來達(dá)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(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)值的變動范圍在-5mm~5mm之間。關(guān)于15個(gè)坐標(biāo)值的分析，Insight將進(jìn)行215次迭代解算，計(jì)算量極其龐大，因此我們只進(jìn)行64次的部分迭代。進(jìn)行完迭代解算后，我們能夠利用Insight自帶功能，將優(yōu)化的結(jié)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)頁上能夠看出，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O(shè)定坐標(biāo)值的變動范圍在±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)）的值都會產(chǎn)生變化。由于修改硬點(diǎn)參數(shù)后，五項(xiàng)定位參數(shù)的變化趨勢可能會出現(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，現(xiàn)在盡管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-3.16-724.04-91.05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)化前后對比為防止車輪出現(xiàn)過大的不足轉(zhuǎn)向或過度轉(zhuǎn)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。從圖上能夠看出，優(yōu)化后車輪外傾角變化范圍是0.03deg~2.37deg,比優(yōu)化前的范圍小了一點(diǎn)，這是因?yàn)镮nsight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，然而在上下跳動40mm的范圍內(nèi)，優(yōu)化后外傾角變化差不多在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)化前后對比主銷后傾角為正值時(shí)有抑制制動時(shí)的點(diǎn)頭作用，但太大時(shí)會使車輪支撐處反力矩過大，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10deg~40deg。優(yōu)化后，主銷后傾角的變化范圍在2.6deg~5.5deg之間，大大小于優(yōu)化前的變化范圍，而且現(xiàn)在懸架每壓縮10mm,后傾角變化范圍在3.68deg左右，專門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)化前后對比主銷內(nèi)傾角能夠使汽車轉(zhuǎn)向回正、轉(zhuǎn)向操作輕便，在車輪跳動時(shí)，主銷內(nèi)傾角變化較大，將會使轉(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，然而主銷內(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，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(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向輪圍繞主銷轉(zhuǎn)動，地面對轉(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)向阻力矩也越小，因此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轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的沖擊。主銷偏距與主銷內(nèi)傾是緊密相關(guān)的，通過調(diào)整主銷內(nèi)傾角能夠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-10.02~1.5mm，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)化前后對比關(guān)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)，前束的變化過大，將會阻礙車輛的直線行駛穩(wěn)定性，同時(shí)增大輪胎與地面間的滾動阻力，加劇輪胎的磨損，因此前束角的設(shè)計(jì)原則是在車輪跳動時(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相同，對車輛直線行駛的穩(wěn)定性沒有提高。小結(jié)：運(yùn)用MSC.ADAMS/Insight，通過對模型的硬點(diǎn)坐標(biāo)、彈性參數(shù)進(jìn)行多次修改迭代，能夠?qū)δＰ偷哪稠?xiàng)或是多項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，系統(tǒng)會自動找出一個(gè)最優(yōu)結(jié)果。本文介紹了通過對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)的變動量達(dá)到最優(yōu)化,從而改善了懸架的運(yùn)動學(xué)性能。然而由于受到車身布置的限制，對硬點(diǎn)坐標(biāo)的改變只能局限在一定的小范圍內(nèi)，因此得到的最優(yōu)值也只是一個(gè)相對值，而非絕對的最優(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1994[2]林逸等.滑柱擺臂式懸架空間運(yùn)動分析[J].汽車技術(shù)1998.3[3]初亮等.滑柱擺臂式懸架轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)梯形斷開點(diǎn)位置的優(yōu)化及分析[J]汽車工程1996.6[4]趙曉光.斷開式轉(zhuǎn)向梯形的轉(zhuǎn)向傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析[J