基于ADAMS的雙叉臂懸架系統動力學研究

摘 要:為了深入研究雙叉臂前懸架的系統動力學性能，應用多體動力學軟件ADAMS/CAR構建了雙叉臂懸架動力學模型，利用Insight模塊進行部分關鍵硬點參數做了優化，研究懸架在同向平行輪跳仿真試驗過程中懸架性能參數的隨輪跳過程的變化，對比了優化前后懸架性能參數。結果表明，通過懸架硬點坐標參數的優化，懸架的整體性能得到明顯的提高，從而為雙叉臂懸架的設計和制造提供改進的理論基礎。

關鍵詞:仿真試驗 系統動力學 硬點參數 雙叉臂懸架

中圖分類號:TP31文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)02(c)-0122-03

隨著生活質量的提高，人們對汽車的要求越來越注重行駛過程平順性以及操縱穩定性。而懸架的結構特點對操縱穩定性和平順性的影響至關重要[1]。雙叉臂式獨立懸架是汽車懸架結構中常見的一種形式，具有諸多優點，使其廣泛地應用于轎車、輕型車等的前懸架。目前對雙叉臂懸架運動規律的研究較多[2～4]。為減少研發成本，虛擬樣機技術的應用隨著計算機的普及得到了大的推廣。ADAMS具有豐富的建模功能和強大的運動學與動力學解算能力，可以建立規模龐大、機構復雜的系統級仿真模型，可對懸架和整車的性能進行綜合評價，被廣泛應用與懸架和整車設計開發[5～8]。為了分析雙叉臂式前懸架的性能以及對操縱穩定性的影響，本文在adams/car中建立該懸架的虛擬樣機模型，利用ADAMS/Insight優化了影響懸架性能的關鍵硬點參數，對優化前后的懸架進行仿真分析，對比了優化前后的主銷偏距、前束角、車輪外傾角等懸架性能參數，結果表明優化后的懸架操控性能有了大幅度的提升。

1 構建仿真模型

在建立雙叉臂懸架模型前，必須對懸架系統進行合理的數學模型簡化和基本假設:整個雙叉臂懸架作為一個多剛體系統進行仿真，系統的各個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，對整車動力學的影響可以忽略不計，也假設其為零;減振器簡化為線性彈簧和阻尼，各運動副里的摩擦力忽略不計;本文的研究重點為懸架，輪胎可簡化為剛性體。

硬點是各零件之間連接處的關鍵幾何定位點，確定硬點就是在子系統坐標系中給出零件之間連接點的幾何位置。從廠家提供的零部件裝配圖上可以得到硬點的坐標值。計算或者測量整合零件的質量、質心位置以及繞質心坐標系三個坐標軸的轉動慣量，將這些動力學參數填寫到相應的輸入中。以硬點為基礎創建幾何模型，定義各零件間的運動關系，確定約束類型將各零件連接起來，從而構成模板，然后將模板生成子系統并且與試驗臺裝配成懸架測試系統，完成雙叉臂式懸架在ADAMS/Car中的虛擬樣機模型，如圖1所示。

2 參數優化與性能仿真對比

裝配好懸架模型和試驗臺，對雙叉臂懸架進行同向平行輪跳動試驗。設置懸架上下跳動距離為100mm，以左右車輪同步上下跳動來計算懸架跳動過程中主要性能參數的變化規律。由于左、右輪主要性能參數在跳動過程中變化趨勢相同，所以只選擇左側車輪作為研究對象。

在整車的運動過程中，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生變化，這也將造就車輪定位參數發生相對的變動，如果車輪定位參數的變動過大的話，將會加劇輪胎和轉向機件的磨損并降低整車操縱穩定性和其他相關性能。所以，懸架系統與車輪定位參數相關的參數變化量不能太大。懸架的優化利用ADAMS/Insight，對懸架的下搖臂前點(lca-front)、后點(lca-rear)、外點(lca-outer)，上搖臂的前點(uca-front)、后點(uca-rear)、外點(uca-outer)，拉桿的內點(tierod-inner)、外點(tierod-outer)等八個坐標點進行優化分析，由于懸架系統與車輪定位參數相關的參數變化量不能太大，硬點參數的優化只能在小范圍內進行，經過多次修改迭代得到優化參數。用優化后的硬點坐標修正模型，再次進行平行輪跳仿真。圖2、圖3、圖4、圖5、圖6分別為優化前后的車輪外傾角、主銷后傾角、主銷內傾角、主銷偏距以及前輪前束角的曲線圖。在圖2～圖6中，紅色曲線為優化后的雙叉臂懸架虛擬樣機試驗得出的，藍色為未優化的雙叉臂懸架虛擬樣機仿真試驗得到的。對比研究的結果表明，優化后的性能參數明顯優于優化前的。

(1)車輪外傾角(camber angle)。

為防止車輪出現過大的不足轉向或者過度轉向趨勢，一般希望車輪從滿載位置起上下跳動±50mm的范圍內，車輪外傾角變化在-2°～1°之間[9]。從圖2可以看出，優化前車輪外傾角變化范圍為-1.25°～0.75°，而優化后的車輪外傾角變化范圍為-1.04°～0.75°，優化后不僅車輪外傾角變化范圍變小，而且最值也變小，減少了不足轉向或者過大轉向的趨勢，增強了整車的行駛穩定性。

(2)主銷后傾角(caster angle)。

主銷后傾角為正值時有抑制制動時點頭的作用，保證車輪具有合適的回正力矩，使車輪復位以提高整車直線行駛的穩定性。主銷后傾角在車輪上下運動過程中不會出現大的變化，以免在載荷變化時出現回正力矩過大或者過小的現象，使操縱穩定性變差。但是如果太大會使車輪支撐處反力矩過大，造成車輪擺振或者轉向盤力的變化，一般要求主銷后傾角在3°～6°之間[9]。圖3中所示的曲線表明，未優化的懸架主銷后傾角在5.4°～5.5°之間，優化后的在3.28°～4.06°之間，由圖3可見，優化后主銷后傾角的幅值大大減小，有利于抑制制動點頭，同時提高了懸架系統的直線行駛穩定性。

(3)主銷內傾角(kingpin inclination angle)。

主銷內傾角可以使汽車轉向自動回正和轉向操作輕便，在車輪跳動時，主銷內傾角變化較大，將會使轉向沉重，加速輪胎磨損。實際設計時，大致的范圍在7～13，希望取較小數值[9]。因此設計要求主銷內傾角不能太大，從圖4中可以看出，雙叉臂式懸架優化前、后的主銷內傾角變化范圍分別是9.1°～11.3°與7.4°～9.2°。不僅變化區間大為變小，最值也大幅度的變小，提高了汽車的轉向能力，轉向操作更為輕便，減小了輪胎的磨損。

(4)主銷偏距(scrub radius)。

汽車轉向時，轉向輪繞主銷轉動，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，轉向力矩也越小，所以設計要求一般希望主銷偏距小一些，以減小轉向操縱力以及地面對轉向系統的沖擊。主銷偏距與主銷內傾角是密切相關的，通過調整主銷內傾角可以得到不同的主銷偏距。從圖5看出，優化前的主銷偏距在33.09～34.48mm之間，然而優化后主銷偏距28.85～29.96mm之間，幅值和范圍減少，使得懸架操作穩定性能得到提升。

(5)前輪前束角(toe angle)。

車輪前束角的作用主要是減少汽車前進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。對于汽車前輪，車輪上跳動的前束角值大多設計在零附近變化。設計值取在零附近是為了控制直行時由路面的凹凸引起的前束變化，確保良好的直行穩定性。另外，此弱負前束的變化是為了使整車獲得弱的不足轉向特性[9]。當車輪行駛時，前束的變化過大，將會影響車輛的直線行駛穩定性，同時增大與地面間的滾動阻力，加劇輪胎的磨損，因此前束角的設計原則是車輪跳動時，變化量越小越好。如圖6所示，雙叉臂式懸架優化后變化幅度大幅變小，增強直線穩定性，提高懸架的操縱穩定性能。

從上述的五個參數的對比可以得出看出，優化后的雙叉臂懸架在各個參數上都有顯著的改善，各個系統性能和懸架的整體操縱穩定性要要提高很多，從而為雙叉臂懸架的設計和制造提供改進的理論依據，對實際的懸架設計過程具有指導作用。

3 結語

應用多體動力學軟件ADAMS，對雙叉臂前懸架的系統動力學性能做了深入研究。構建了雙叉臂懸架模型并利用ADAMS/Insight，對模型部分關鍵硬點坐標進行迭代運算，選取五項懸架性能指標作為目標函數進行優化，經過多次修改迭代得到優化參數。對懸架在同向平行輪跳仿真過程坐了探討，研究了系統動力學參數的隨輪跳過程的變化，對比了優化前后影響懸架性能的特性參數。仿真試驗的結果表明，通過懸架硬點坐標參數的優化，使得轉向操作更為輕便，輪胎的磨損更小，懸架的整體性能得到大幅度提高，探索了提高懸架性能的途徑，從而為雙叉臂懸架的設計和制造提供改進的理論依據。

參考文獻

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