基于ADAMS/Car的麥弗遜前懸架性能分析與優化

江 錚，尹榮棟，趙振東 Jiang Zheng，Yin Rongdong，Zhao Zhendong

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基于ADAMS/Car的麥弗遜前懸架性能分析與優化

江 錚，尹榮棟，趙振東 Jiang Zheng，Yin Rongdong，Zhao Zhendong

（南京工程學院 汽車與軌道交通學院，江蘇 南京 211167）

針對某國產車型前懸架設計不合理問題，建立該懸架運動學模型，分析前輪定位參數隨前輪垂向運動的變化情況；通過靈敏度分析，找出了對懸架各性能參數影響較大的硬點變量；通過對關鍵硬點坐標的調整，選出最優方案，使該懸架各參數均得到優化，同時也使前束變化規律趨于合理；結論表明，懸架性能得到明顯提升，對懸架的改進優化具有指導意義。

麥弗遜懸架；運動學分析；優化設計

0 引 言

麥弗遜懸架是目前最為常見的懸架類型，麥弗遜懸架具有結構簡單、布局緊湊、懸架質量輕、占用空間小和制造成本低等特點[1]。隨著車輛速度的不斷提升，懸架對汽車操縱穩定性影響顯著提升，對汽車懸架性能提出更高的要求。懸架的好壞主要取決于車輪跳動時車輪定位參數的變化，車輪定位參數對汽車行駛的穩定性、轉向特性以及輪胎磨損都有很大的影響，一般希望車輪定位參數隨車輪垂向跳動變化越小越好[2]。目前對于麥弗遜懸架的分析主要采用基于空間運動學的數值分析方法[3]和基于多體力學軟件的仿真分析方法[4-6]。運用多體力學軟件ADAMS/Car建立麥弗遜式前懸架運動學模型，分析懸架性能，找出懸架設計的不足；運用ADAMS/Insight模塊，對懸架前輪定位參數進行靈敏度分析；根據分析結果，調整對目標參數影響較大的硬點坐標，優化前輪定位參數。

1 模型的建立[7-8]

建立懸架模型前，需要先對懸架系統進行合理簡化，該懸架主要部件包括減振器、減振彈簧、轉向節、下控制臂和轉向橫拉桿，再根據懸架各部件之間的運動關系，通過添加運動副來模擬各部件間的連接方式，懸架拓撲結構如圖1所示[9]。實車測量懸架關鍵硬點坐標見表1。

表1 麥弗遜前懸架（左）硬點坐標

X坐標Y坐標Z坐標 減振器上安裝點 54.15-562.3657.4 彈簧下安裝點 5.65-586.4150.2 減振器下安裝點-15.65-736.4 50.2 前輪中心-16.54-989.06 45.77 轉向橫拉桿外點124.44-678.01 77.81 轉向橫拉桿內點169.53-333.04 62.92

續表1

在ADAMS/Car模塊中，采取自下而上的建模方式建立多剛體運動學模型，如圖2所示。

2 麥弗遜懸架的性能分析[10]

2.1 麥弗遜懸架仿真試驗

模型建立完畢后，進行仿真步數為100、車輪跳動范圍為上下50 mm的雙輪同跳試驗，提取各前輪定位參數隨車輪垂向跳動變化的曲線，如圖3～6所示。

2.2 前輪外傾角

車輪內傾會加劇輪胎磨損，還會加大車輪各部件所受載荷；因此設計安裝懸架時通常留有一個向外的傾斜角度即外傾角，但外傾角的存在會使車輪有向兩側滾開的趨勢，行駛過程中輪胎在地面邊滑邊滾，同樣會加劇輪胎磨損；因此外傾角預留不宜過大，通常不大于1°。

如圖3所示，在車輪垂向位移為0時外傾角為0.75°。車輪上下跳動50 mm過程中，前輪外傾角由1.7°減小到0°，變化幅度為1.7°，變化較大。

2.3 主銷后傾角

主銷后傾角是汽車側視時，主銷軸線相對于地面垂直線的傾角。主銷后傾角能夠使車輪形成回正力矩，保證車輪穩定直線行駛，但主銷后傾角設計過大會使轉向盤沉重、輪胎磨損加速等。

如圖4所示，主銷后傾角設計較大，后傾角隨輪跳的變化范圍較為合理。

2.4 主銷內傾角

主銷內傾角是汽車前視時，前輪的主銷軸線相對于地面垂直線的傾角。主銷內傾角能夠產生自動回正力矩，使轉向盤轉動更為省力，還能緩解路面給轉向盤帶來的沖擊，可以改善汽車的操縱性。但主銷內傾角設計過大也會帶來轉向盤沉重、輪胎磨損加速等問題。

如圖5所示，主銷內傾角設計偏大，隨輪跳的變化范圍較大。

2.5 前輪前束角

前束角是汽車俯視時，車輪中心線與汽車縱向對稱軸線的夾角。前束角的存在，會使車輪有向內滾進的趨勢，車輪在地面也會發生邊滑邊滾的現象，會加劇輪胎的磨損。但合理的前束角可與預留的外傾角相互補償，減少輪胎磨損。前束角過大會導致車胎磨損加劇，前束角隨輪跳變化趨勢不合理會出現過度轉向等問題[11]，合理的前束設計是車輪上跳時前束角朝負前束變化，車輪下跳時前束角朝正前束變化。

如圖6所示，車輪垂向位移為0時，前束角為0.15°。車輪上下跳動50 mm過程中前束角變化范圍較為合理。但車輪上跳時前束角曲線朝正前束變化，車輪下跳時前束角曲線朝負前束變化，變化趨勢不合理。

3 麥弗遜懸架優化

3.1 靈敏度分析

利用ADAMS/Insight模塊，依據經驗選取下控制臂前后點、下控制臂外點、減振器上下安裝點和轉向橫向拉桿內外點7個關鍵硬點，以關鍵硬點的、、方向坐標為變量（共21個變量），進行128次迭代，得到每個變量對目標參數的靈敏度，分析結果如圖7所示。

3.2 敏感硬點優化

從圖7中分別找出對各前輪定位參數影響最大的變量；其中，對前束角影響大的變量較多，選取2個；最終，選取減振器下安裝點向、減振器上安裝點向、下控制臂外點向、橫向拉桿外點向及橫向拉桿內點向作為優化變量。為了擬合的準確性，設置減振器下安裝點向與減振器上安裝點向的變動范圍為（-70，70），下控制臂外點向變動范圍為（-15，15），橫向拉桿外點向與橫向拉桿內點向的變動范圍為（-5，5），利用ADAMS/Insight模塊，對前輪各參數進行優化。優化后，得到減振器下安裝點坐標為（-15.65，-676.4，50.2），減振器上安裝點坐標為（54.15，-562.3，677.4），下擺臂外點坐標為（-12.02，-682.56，-20.15），轉向橫拉桿外點坐標為(124.44，-678.01，82.81），轉向橫拉桿內點坐標為（169.53，-333.04，57.92）。

3.3 優化前、后對比

優化后，再次對懸架進行雙輪同向跳動仿真試驗，試驗結果如圖8～11所示。

相比優化前，優化后的前輪外傾角隨車輪跳動的變化范圍由1.7°到0.97°，外傾角絕對變化幅度有較大的減小。前束角變化趨勢合理，避免了前輪前束惡化的問題，雖然車輪跳動過程中前束角的絕對變化幅度有略微增大，但仍在合理范圍內。同時，主銷后傾角與主銷內傾角也有不同程度的減小。

4 結 論

通過實車測量某款國產車型的前麥弗遜懸架硬點參數，在ADAMS/Car模塊中搭建了該懸架的動力學模型。通過雙輪同跳仿真試驗，發現該車存在車輪跳動過程中前輪外傾角變動范圍較大，前束角變化規律不合理以及主銷后傾角和主銷內傾角偏大等問題。

基于ADAMS/Insight模塊，找出對各前輪定位參數最敏感的變量。對敏感點坐標進行調整以優化各前輪定位參數。

優化分析結果表明，車輪跳動過程中前輪外傾角變動絕對范圍有較大的減小，前束角變化規律趨于合理，同時主銷外傾角及主銷內傾角都有不同程度的減小，這些變化對懸架性能的提升都是有利的。

其他類型的懸架也可使用該方法進行優化，對懸架性能的提升具有指導意義。

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2017-04-06

1002-4581（2017）04-0027-04

U463.33

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.04.008