基于CATIA/ADAMS的麥弗遜懸架運動分析

諸葛 曉宇

(武漢理工大學汽車工程學院，湖北武漢430070)

1 懸架的作用、分類

汽車懸架是汽車車輪與車身之間一切裝置的總稱。其功用在于:在垂直方向能夠衰減振動和起懸掛作用;在側向可防止車身側傾和左右車輪載荷轉移;在行駛方向上能夠保證驅動與制動的實現，并保持行駛方向的穩定性。起著傳遞車輪和車身之間的力和力矩、引導與控制汽車車輪與車身的相對運動、緩和路面傳遞給車身的沖擊、衰減系統的振動等作用，汽車懸架系統對汽車的操縱穩定性、行駛平順性都有很大的影響。

在設計懸架時，懸架的結構形式和性能參數的選擇合理與否，直接對汽車行駛平順性、操縱穩定性和舒適性有很大的影響。由此可見懸架系統的設計在現代汽車設計中占重要地位。現代汽車的懸架盡管有各種各樣的不同的結構形式，但是一般懸架由彈性元件、導向機構、減振器三部分組成:其中，導向機構包括橫向推力桿和縱向推力桿。

根據汽車導向機構不同懸架種類又可分為獨立懸架和非獨立懸架。對于非獨立懸架，兩側車輪安裝于一整體式車橋上，當一側車輪受沖擊力時會直接影響到另一側車輪上，當車輪上下跳動時定位參數變化小。可采用鋼板彈簧作彈性元件，它可兼起導向作用，使結構大為簡化，降低成本。目前廣泛應用于貨車和大客車上，有些轎車后懸架也有采用非獨立懸架。非獨立懸架由于非簧載質量比較大，高速行駛時懸架受到沖擊載荷比較大，平順性較差。

獨立懸架是兩側車輪分別獨立地與車架 (或車身)彈性地連接，當一側車輪受沖擊，其運動不直接影響到另一側車輪，獨立懸架所采用的車橋是斷開式的。這樣使得發動機可放低安裝，有利于降低汽車重心，并使結構緊湊。獨立懸架允許前輪有大的跳動空間，有利于轉向，便于選擇軟的彈簧元件使平順性得到改善。同時獨立懸架非簧載質量小，可提高汽車車輪的附著性。獨立懸架的左右車輪不是用整體車橋相連接，而是通過懸架分別與車架 (或車身)相連，每側車輪可獨立上下運動。

2 麥弗遜懸架

麥弗遜懸架是絞結式滑柱與下橫臂組成的懸架形式，減振器可兼做轉向主銷，轉向節可以繞著它轉動。其結構特點是主銷位置和前輪定位角隨車輪的上下跳動而變化。這種懸架構造簡單，布置緊湊，前輪定位變化小，具有良好的行駛穩定性。懸掛重量輕和占用空間小，從而懸掛的運動部件輕，懸掛的響應速度和回彈速度就會越快，減震能力也越強;而且懸掛質量減輕也意味著簧下質量減輕，在車身重量一定的情況下，舒適性也越好。所以，目前轎車使用最多的獨立前懸架是麥弗遜式懸架。

麥弗遜懸架是一種典型的獨立懸架，由兩個基本部分組成:支柱式減震器和A字形托臂。其結構緊湊，把減震器和減震彈簧集成在一起，組成一個可以上下運動的滑柱;A字型托臂設計，是用于給車輪提供部分橫向支撐力，以及承受全部的前后方向應力。整個車身的重量和在運動時汽車車輪所承受的所有沖擊就由這兩個部件承擔。為了保證系統合理的受力，延長減振器的使用壽命并滿足其使用性能要求，在布置上采用主銷和減振器中心線不共線的形式，如圖1所示。該布置形式決定其對應于不同的車輪跳動位置，各點至主銷的距離是變化的。而在其他懸架系統中，對應于不同的車輪跳動位置，各點至主銷的距離不變。在三線不共線的麥弗遜式懸架系統中，當車輪上下跳動時，下擺臂外鉸接點將隨下擺臂上下擺動，故主銷軸線的角度是變化的，這說明車輪是沿著擺動的主銷軸線而運動。因此，這種懸架在變形時，使得主銷的定位角和輪距都有些變化。然而如果適當調整桿系的結構的布置，可以使車輪的這些定位參數變化很小。麥弗遜懸架結構如圖1所示。

3 CATIA軟件簡介

CATIA是法國Dassault System公司旗下的CAD/CAE/CAM一體化軟件，CATIA是英文Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application的縮寫，是世界一流的集CAD/CAM一體化于一身軟件之一。作為較前沿的三維CAD/CAM軟件，它在世界范圍內被廣泛采用于航空、汽車、船舶的設計和制造領域;CATIA在過去的二十多年里一直保持著驕人的業績，并繼續保持著其強勁的發展趨勢。該軟件雖然源于宇航業，但現在該軟件廣泛應用于各個行業，如汽車制造業、船舶制造業、機械制造業、電子、電器業、消費品行業等。

CATIA在汽車行業的運用十分廣泛，是歐洲、北美和亞洲頂尖汽車制造商所用的核心系統。CATIA在零部件設計、造型風格、車身及引擎設計等方面具有獨特的長處，為各種車輛的設計和制造提供了端對端的解決方案。CATIA涉及產品、加工和人三個關鍵領域。其可伸縮性和并行工程能力可顯著縮短產品上市時間。

4 ADAMS軟件簡介

ADAMS，即機械系統動力學自動分析 (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國MDI公司 (Mechanical Dynamics Inc)開發的虛擬樣機分析軟件。ADAMS軟件使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫，創建完全參數化的機械系統幾何模型，其求解器采用多剛體系統動力學理論中的拉格郎日方程方法，建立系統動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。ADAMS一方面是虛擬樣機分析的應用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析。另一方面，又是虛擬樣機分析開發工具，其開放性的程序結構和多種接口，可以成為特殊行業用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發工具平臺。

5 懸架系統幾何模型

5.1 懸架模型的簡化

在用CATIA軟件建立麥弗遜懸架模型時，需要先通過軟件中的機械設計模塊對懸架的各個部件設計出來，隨后進行裝配，再后進行仿真分析。汽車懸架是一個比較復雜的汽車部件，為了使汽車懸架的樣機模型能夠在ADAMS軟件中實現動態仿真，在這里需要做出一些合理的假設和簡化。對一些不影響動態仿真的部件進行省略，而對于對分析結果影響較大的部件，在建模型時要引起足夠的重視。

作出的主要簡化如下:

(1)在對懸架進行運動仿真時，為了定義固定件的方便，這里只將把車架和懸架連在一起的軸銷畫出。

(2)汽車是關于汽車中心線對稱的，所以可以只建立汽車懸架的四分之一模型，可以在CATIA中得用鏡像工具完成懸架的建模。

5.2 CATIA內模型的建立

5.2.1 螺旋彈簧模型

螺旋彈簧用于獨立懸架中，它只承受垂直載荷，在此載荷作用下，鋼絲內產生扭轉應力，將外界對汽車懸架的沖擊能量轉化為彈簧的彈性勢能，從而緩沖了不平路面的沖擊。為了突出懸架的功能特點，在建懸架的模型時，需要將螺旋彈簧模型建立起來。

在CATIA中建立的螺旋彈簧模型如圖2所示。

5.2.2 懸架減振器模型

懸架系統中由于彈性元件受沖擊產生振動，為了改善汽車行駛的平順性，懸架中與彈性元件并聯安裝減振器，這樣可以衰減振動。汽車懸架系統中采用減振器多是液力減振器，其工作原理是當車架 (或車身)和車橋間受振動出現相對運動時，減振器內的活塞上下移動，減振器腔內的油液便反復地從一個腔經過不同的孔隙流入另一個腔內。此時孔壁與油液間的摩擦和油液分子間的內摩擦對振動形成阻尼力，使汽車振動能量轉化為油液熱能，再由減振器吸收散發到大氣中。在這里選用的是筒式減振器，懸架的螺旋彈簧套在減振器的套筒上，在車輪受到外力沖擊時，懸架的上下擺臂會發生運動，當運動到一定程度時，會壓迫彈簧，只是彈簧發生壓縮變形，經過能量轉換，緩和沖擊;同時，減振器根據其減振原理發生變化。

在CATIA中建立的減振器模型如圖3所示。

5.2.3 汽車輪胎模型的創建

汽車輪胎可以是個旋轉體，也可以不是。建立了如下的汽車輪轂和輪胎模型。

輪胎模型如圖4所示。

5.2.4 裝配模型

在CATIA裝配模塊中將創建好的各部件模型進行裝配，裝配好的模型如圖5所示。

6 仿真

將建立好的麥弗遜懸架導入ADAMS，給車輪添加一個驅動約束作為運動激勵，如圖6所示。

文中主要從主銷后傾角、主銷內傾角、車輪外傾角和前束4個方面分析。圖3～6分別為主銷后傾角、主銷內傾角、車輪外傾角、前束角與車輪運動關系圖。

從圖7～10可看出:車輪上下跳動±100 mm的范圍內，麥弗遜式懸架主銷后傾角變化范圍是2.2°～4.1°，車輪上下位移為0時，后傾角接近2.5°;主銷內傾角變化范圍是9.8°～11.8°，車輪上下位移為0時，內傾角接近10°;車輪外傾角變化范圍是－0.9°～1.0°，車輪上下位移為0時，車輪外傾角接近0.8°;前束變化范圍是 －1.5°～0.6°，車輪上下位移為0時，前束接近0.1°。

試驗結果表明此麥弗遜式懸架的輪胎定位參數的初始值符合要求，證明模型是合理的，輪胎的磨損也在可接受的范圍內。但主銷內傾角與設定值相比偏小，前束值接近峰值，該懸架可能存在以下問題:車輛低速行駛時，轉向回正力矩不足，有時會出現轉向費力，影響操作穩定性;前束值偏大，長期會造成輪胎過度磨損。

7 結果分析

7.1 定位參數優化

主銷內傾角越大，越有利于減小輪胎的磨損，但是主銷內傾角過大，會使轉向發飄，反而增大輪胎的磨損，所以主銷內傾角應約束在3°～12°范圍內。主銷后傾角越大，越有助于保持車輛行駛的方向穩定性，但過大的主銷后傾角可能導致不平順的行駛狀況，若在低速，甚至會導致轉向前輪產生擺振，因此主銷后傾角宜在3°～6°范圍內。在車輪跳動過程中，車輪外傾角對輪胎的側滑影響小，但是，外傾角過大，會使輪胎出現偏磨損現象，故車輪外傾角應在0.5°～2°范圍內。對于前束角應配合車輪外傾角的取值，控制在0.2°～1.0°。

文中以定位參數的變化規律作為約束條件，以車輪在上下跳動±100 mm的范圍內車輪側滑量最小為優化目標，對車輪定位參數進行優化設計。經過ADAMS的仿真分析，車輪定位參數的優化結果是:車輪外傾角為1°，主銷內傾角為12°，主銷后傾角為6°，前束角為0.2°。

改進定位參數之后，內傾角輪胎磨損現象將得到改善。

7.2 結論

在車輪跳動過程中，特別在低速行駛過程中，主銷內傾角過大，會使轉向發飄。在車輪上跳過程中外傾角減小，能有效補償由于車身側傾引起的不良影響。主銷后傾角對內傾角變化影響較大，并且隨著車輪的上跳，主銷內傾角增加，能有效補償由于載荷增加而降低汽車轉向輕便性的趨勢，有利于提高汽車的轉向輕便性。主銷內傾角對后傾角的變化影響最大，并且，主銷后傾角隨車輪上跳而增大，由側向力引起的不足轉向特性將得到提高。

根據某車型存在的問題，研究的車輪跳動過程中車輪定位參數與輪胎磨損的關系以及定位參數相互之間的影響將為汽車的初始設計提供可靠的技術依據，為有效地減小車輪側滑、降低輪胎磨損以及提高汽車的操縱穩定性進行了探索。

8 結束語

利用CATIA和ADAMS建立麥弗遜懸架系統虛擬樣機模型，并對其進行仿真分析，進而得出該懸架的優化分析方法和優化方向。通過對麥式懸架系統的優化，從而達到提高汽車操縱穩定性和行駛平順性的目的。為解決輪胎磨損問題提供了理論依據，同時對采用其他形式的懸架系統提供借鑒作用。通過CATIA軟件和ADAMS軟件的結合，可以更精確地對汽車懸架系統進行仿真分析，從而節約大量的人力和物力，具有重要的現實意義。

【1】褚志剛.汽車前輪定位參數優化設計［J］.重慶大學學報，2003(2):23－25.

【2】陳家瑞.汽車構造［M］.北京:機械工業出版社，2000.

【3】劉惟信.汽車設計［M］.北京:清華大學出版社，2001.

【4】王國強.虛擬樣機技術及其在ADAMS上的應用［M］.西安:西北工業大學出版社，2002.

【5】陳靖芯，徐晶，陸國民，蔡蘭.基于CATIA的三維參數化建模方法及其應用［J］.機械設計，2003(8).

【6】高秀華.工程分析及電子樣機模擬:CATIA V5在工程實踐中的應用［M］.北京:化學工業出版社，2004.

【7】張曉芬，劉菁.基于Adams/Car的半主動懸架整車平順性仿真研究［J］.黑龍江科技信息，2007(2).