基于ADAMS/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(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能，基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS/CAR構(gòu)建麥弗遜懸架模型，本文利用Insight模塊對(duì)硬點(diǎn)參數(shù)做了優(yōu)化，對(duì)優(yōu)化前后分別進(jìn)行平行輪跳仿真分析，對(duì)比優(yōu)化前后影響車輛操穩(wěn)性的特性參數(shù)。結(jié)果表明，在ADAMS/CAR中，通過(guò)懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)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(shè)計(jì)和制造提供改進(jìn)的理論依據(jù)。

一、前言

在汽車行業(yè)，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，雖然滿足設(shè)計(jì)要求，但是精度和效率不高。隨著現(xiàn)代競(jìng)爭(zhēng)的白熱化，人們逐漸意識(shí)到提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期及降低產(chǎn)品開發(fā)成本，最有效的途徑是應(yīng)用仿真工具進(jìn)行系統(tǒng)水平的設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)等工具的普遍使用，虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)得到了大的推廣。ADAMS/CAR多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件是MDI公司與Audi、BMW、Volvo等公司合作開發(fā)的整車設(shè)計(jì)軟件包，集成了他們?cè)谄囋O(shè)計(jì)、開發(fā)方面的專家經(jīng)驗(yàn)，能夠幫助工程師快速建造高精度的整車虛擬樣機(jī)。它具有豐富的建模功能和強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)解算能力，可以建立規(guī)模龐大、機(jī)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)仿真模型，可對(duì)懸架和整車的性能進(jìn)行仿真分析和綜合性能的評(píng)價(jià)。

應(yīng)用最為廣泛的是麥弗遜懸架，與其他獨(dú)立懸架相比，麥弗遜懸架簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，減小了質(zhì)量，還節(jié)省了空間，降低了制造成本，并且?guī)缀醪徽加脵M向空間，有利于車身前部地板的構(gòu)造和發(fā)動(dòng)機(jī)布置，在緊湊型轎車的前懸上是具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。另外，麥弗遜懸架鉸接點(diǎn)的數(shù)目較少;上下鉸點(diǎn)之間有較大的距離，下鉸點(diǎn)與車輪接地點(diǎn)之間的距離較小，這對(duì)減少鉸點(diǎn)處的受力有利;彈簧行程較大，當(dāng)車輪跳動(dòng)時(shí)，其輪距、前束角以及車輪外傾角等改變不大，減輕了輪胎的磨損，這些特點(diǎn)使整車具有良好的行駛穩(wěn)定性。利用ADAMS/CAR構(gòu)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(shù)，分別對(duì)優(yōu)化前后的懸架進(jìn)行仿真分析，對(duì)比了優(yōu)化前后的主銷偏距、前束角、車輪外傾角等懸架性能參數(shù)。研究結(jié)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(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行合理的數(shù)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(tǒng)進(jìn)行仿真，系統(tǒng)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(duì)整車動(dòng)力學(xué)的影響可以忽略不計(jì)，也假設(shè)其為零;減振器簡(jiǎn)化為線性彈簧和阻尼，各運(yùn)動(dòng)副里的摩擦力忽略不計(jì);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(jī)的坐標(biāo)原點(diǎn)為兩側(cè)車輪接地印跡中心點(diǎn)連線的中點(diǎn)。以地面為XY平面，汽車中心對(duì)稱面為XZ平面，通過(guò)前輪輪心連線，垂直XY、XZ兩平面的面為YZ平面，取豎直向上為Z軸正向，車身右側(cè)為Y軸正向，以車前進(jìn)方向的反方向?yàn)閄軸正向。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(tǒng)坐標(biāo)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(biāo)和相關(guān)系數(shù)是建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的關(guān)鍵，從廠家提供的零部件裝配圖上可以得到硬點(diǎn)的坐標(biāo)值。計(jì)算或者測(cè)量整合零件的質(zhì)量、質(zhì)心位置以及繞質(zhì)心坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，將這些動(dòng)力學(xué)參數(shù)填寫到相應(yīng)的輸入中。以硬點(diǎn)為基礎(chǔ)創(chuàng)建幾何模型，定義各零件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，確定約束類型將各零件連接起來(lái)，從而構(gòu)成模板，然后將模板生成子系統(tǒng)，然后和試驗(yàn)臺(tái)裝配成懸架測(cè)試系統(tǒng)模型，完成麥弗遜懸架在Adams/Car中的虛擬樣機(jī)仿真模型，如圖1所示。

三、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析

裝配好懸架模型和試驗(yàn)臺(tái)后，對(duì)麥弗遜懸架進(jìn)行同向平行輪跳動(dòng)試驗(yàn)。設(shè)置懸架上下跳動(dòng)距離為100mm，以左右車輪同步上下跳動(dòng)來(lái)計(jì)算懸架跳動(dòng)過(guò)程中主要性能參數(shù)的變化規(guī)律。由于左、右輪主要性能參數(shù)在跳動(dòng)過(guò)程中變化趨勢(shì)相同，所以只選擇左側(cè)車輪作為研究對(duì)象。在整車的運(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，這也將造就車輪定位參數(shù)發(fā)生相對(duì)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。所以，懸架系統(tǒng)與車輪定位參數(shù)相關(guān)的參數(shù)變化量不能太大。懸架的優(yōu)化利用ADAMS/Insight，對(duì)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(tǒng)與車輪定位參數(shù)相關(guān)的參數(shù)變化量不能太大，硬點(diǎn)參數(shù)的優(yōu)化只能在小范圍內(nèi)進(jìn)行，經(jīng)過(guò)多次修改迭代得到優(yōu)化參數(shù)。用優(yōu)化后的硬點(diǎn)坐標(biāo)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)化前后的車輪外傾角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷偏距以及前輪前束角的曲線圖。

在圖2～圖6中，紅色曲線為未優(yōu)化的麥弗遜懸架仿真試驗(yàn)得出的，藍(lán)色為優(yōu)化硬點(diǎn)坐標(biāo)后的麥弗遜懸架仿真試驗(yàn)得到的。對(duì)比研究的結(jié)果表明，優(yōu)化后的性能參數(shù)大大優(yōu)于優(yōu)化前的。

(1)車輪外傾角(camber angle)

圖2 優(yōu)化前后車輪外傾角對(duì)比(紅色為未優(yōu)化，藍(lán)色優(yōu)化后)

為防止車輪出現(xiàn)過(guò)大的不足轉(zhuǎn)向或者過(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)±50mm的范圍內(nèi)，車輪外傾角變化在-2～0.5之間。從圖2可以看出，未優(yōu)化的麥弗遜懸架車輪外傾角變化范圍為-0.75～1.25，在操縱穩(wěn)定性上未能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而優(yōu)化后麥弗遜懸架車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(shù)符合設(shè)計(jì)的要求，還減少了不足轉(zhuǎn)向或者過(guò)大轉(zhuǎn)向的趨勢(shì)，增強(qiáng)了整車的行駛穩(wěn)定性。

(2)主銷后傾角(caster angle)

主銷后傾角為正值時(shí)有抑制制動(dòng)時(shí)點(diǎn)頭的作用，保證車輪具有合適的回正力矩，使車輪復(fù)位以提高整車直線行駛的穩(wěn)定性。主銷后傾角在車輪上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)大的變化，以免在載荷變化時(shí)出現(xiàn)回正力矩過(guò)大或者過(guò)小的現(xiàn)象，使操縱穩(wěn)定性變差。但是如果太大會(huì)使車輪支撐處反力矩過(guò)大，造成車輪擺振或者轉(zhuǎn)向盤力的變化，一般要求主銷后傾角在4°～6°之間。圖3中所示的曲線表明，未優(yōu)化的懸架主銷后傾角在4.7～5.4之間，優(yōu)化后的在4.2～5.2之間，雖然均符合設(shè)計(jì)要求，但是優(yōu)化后主銷后傾角的幅值變小，有利于抑制制動(dòng)點(diǎn)頭，同時(shí)提高了懸架系統(tǒng)的直線行駛穩(wěn)定性。

圖3 優(yōu)化前后主銷后傾角對(duì)比(紅色為未優(yōu)化，藍(lán)色優(yōu)化后)

(3)主銷內(nèi)傾角(kingpin inclination angle)

主銷內(nèi)傾角可以使汽車轉(zhuǎn)向自動(dòng)回正和轉(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。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，大致的范圍在7～13，希望取較小數(shù)值。因此設(shè)計(jì)要求主銷內(nèi)傾角不能太大，從圖4中可以看出，麥弗遜懸架優(yōu)化后的主銷內(nèi)傾角和主銷后傾角一樣，雖然變化趨勢(shì)變化不大，但是幅值減小，提高了汽車的轉(zhuǎn)向能力，轉(zhuǎn)向操作更為輕便，減小了輪胎的磨損。

圖4 優(yōu)化前后主銷內(nèi)傾角的對(duì)比(紅色為未優(yōu)化，藍(lán)色優(yōu)化后)

(4)主銷偏距(scrub radius)

汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向輪繞主銷轉(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)向力矩也越小，所以設(shè)計(jì)要求一般希望主銷偏距小一些，以減小轉(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)傾角是密切相關(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。從圖5看出，優(yōu)化前的主銷偏距在13～23.5之間，然而優(yōu)化后主銷偏距2.9～19之間，幅值大為減少，對(duì)懸架性能和整車的操穩(wěn)性有了顯著改善。

圖5 優(yōu)化前后主銷偏距對(duì)比(紅色為未優(yōu)化，藍(lán)色優(yōu)化后)

(5)前輪前束角(toeangle)

車輪前束角的作用主要是減少汽車前進(jìn)中因前輪外傾和縱向阻礙力致使前輪前端向外滾開所造成的不良后果。對(duì)于汽車前輪，車輪上跳動(dòng)的前束角值大多設(shè)計(jì)在零附近變化。設(shè)計(jì)值取在零附近是為了控制直行時(shí)由路面的凹凸引起的前束變化，確保良好的直行穩(wěn)定性。另外，此弱負(fù)前束的變化是為了使整車獲得弱的不足轉(zhuǎn)向特性。當(dāng)車輪行駛時(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)增大與地面間的滾動(dòng)阻力，加劇輪胎的磨損，因此前束角的設(shè)計(jì)原則是車輪跳動(dòng)時(shí)，變化量越小越好。如圖6所示，麥弗遜式懸架優(yōu)化后變化幅度大幅變小，增強(qiáng)直線穩(wěn)定性，懸架性能和整車操縱穩(wěn)定性得到提高。

從上述的五個(gè)參數(shù)的對(duì)比可以得出看出，優(yōu)化后的麥弗遜懸架在各個(gè)參數(shù)上都有顯著的改善，整個(gè)系統(tǒng)性能和整車的操縱穩(wěn)定性要要提高很多，從而為麥弗遜懸架的設(shè)計(jì)和制造提供改進(jìn)的理論依據(jù)，對(duì)實(shí)際的懸架設(shè)計(jì)過(guò)程具有指導(dǎo)作用。但是受到車身布置的限制，對(duì)硬點(diǎn)坐標(biāo)值的優(yōu)化只能局限在一定的小范圍內(nèi)，所得到的最優(yōu)值也是一個(gè)相對(duì)值，而非絕對(duì)的最優(yōu)值。

圖6 優(yōu)化前后前輪前束角的對(duì)比(紅色為未優(yōu)化，藍(lán)色優(yōu)化后)

四、結(jié)論

應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS/CAR，基于多系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，在ADAMS/CAR中構(gòu)建麥弗遜懸架模型，對(duì)影響車輛操穩(wěn)性的特性參數(shù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，并對(duì)硬點(diǎn)參數(shù)做了優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化可以得到關(guān)鍵硬點(diǎn)的坐標(biāo)最優(yōu)值。結(jié)果表明，在ADAMS/CAR中，通過(guò)懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)的優(yōu)化可以提高懸架的操縱穩(wěn)定性，從而為麥弗遜懸架的設(shè)計(jì)和制造提供改進(jìn)的理論依據(jù)，對(duì)實(shí)際的懸架設(shè)計(jì)過(guò)程具有指導(dǎo)作用。