基于ADAMS 的前麥弗遜獨(dú)立懸架仿真優(yōu)化與后處理

摘要：應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)軟件，對麥弗遜獨(dú)立懸架進(jìn)行仿真分析，分析了平衡輪跳對定位參數(shù)的影響，對主要影響的硬點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化及后處理，得出最佳參數(shù)指標(biāo)，結(jié)合實(shí)踐分析參數(shù)的優(yōu)劣，用于指導(dǎo)生產(chǎn)，有效改善了懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。

關(guān)鍵詞：Adams/Car;Adams/Insight;Adams/PstPocessor;硬點(diǎn);優(yōu)化

由于麥弗遜獨(dú)立懸架結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)保養(yǎng)方便，四輪定位參數(shù)調(diào)整容易，路試狀態(tài)明顯，在許多追求高速行駛、機(jī)動(dòng)性好故障少的車輛布置中優(yōu)勢明顯，前懸架采用麥弗遜獨(dú)立懸架的車輛操控也比較好。懸架性能是決定一輛車性能的一個(gè)重要標(biāo)志，懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣決定整車設(shè)計(jì)水平的關(guān)鍵因素之一。本文應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS /car建立了前麥弗遜獨(dú)立懸架動(dòng)力學(xué)仿真模型，根據(jù)實(shí)踐數(shù)據(jù)對麥弗遜獨(dú)立懸架進(jìn)行（Adams/Insigh）優(yōu)化分析和后處理，進(jìn)行參數(shù)指標(biāo)的比較分析。

一、軟件介紹

ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），是美國機(jī)械動(dòng)力公司（Mechanical Dynamics Inc.）開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。

ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，ADAMS一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺。

Adams/Car的功能上有所加強(qiáng)，易用性方面進(jìn)一步提高，支持常規(guī)激勵(lì)的分析（General Actuation Analysis），新的用于分析的路面生成工具（Road Builder）以及懸架試驗(yàn)臺的合并。加強(qiáng)Adams/SmartDriver的應(yīng)用，可以進(jìn)行車輛路徑的再規(guī)劃，支持路徑平滑處理，減少路徑曲率峰值。同時(shí)采用新的非連續(xù)常規(guī)狀態(tài)方程（GSE，General State Equations），保證了在大輸出步長情況下的解算精度，并且增加了反方向行駛的功能。在Adams/Car Ride 中定量的平順性指標(biāo)測試，方便車輛平順性能的定量化以及評估振動(dòng)對乘員的沖擊。Hiller-Anantharaman STIFF 積分器（HASTIFF）的 SI1 和SI2方法，迭代過程需要更少的函數(shù)估值，同時(shí)提高了極小時(shí)間步長的收斂穩(wěn)定性。在Adams/Solver（C++）中新增延遲時(shí)變函數(shù)（DELAY run-time function），可用于控制模型中信號或驅(qū)動(dòng)的延遲。Adams/Tire 3D 輪胎模擬技術(shù)，可適用表面崎嶇不平的道路。一個(gè)新的命令MNFXFORM，可用于彈性體MNF文件的鏡像，或變換/旋轉(zhuǎn)彈性體坐標(biāo)系。新增有關(guān)插件的幫助文檔，并加強(qiáng)了幫助文檔的易用性。

ADAMS軟件由基本模塊、擴(kuò)展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類模塊組成。用戶不僅可以采用通用模塊對一般的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真，而且可以采用專用模塊針對特定工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的問題進(jìn)行快速有效的建模與仿真分析。應(yīng)用MD Adams/Car，技術(shù)團(tuán)隊(duì)可以快速建立和測試整車和子系統(tǒng)的功能化虛擬樣車。MD Adams/Car包含許多的功能模塊用于多學(xué)科仿真。Adams/Insight包含許多的功能模塊用于多學(xué)科仿真后的優(yōu)化，Adams/PstPocessor用于對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行后處理，展示效果。

二、麥弗遜獨(dú)立懸架優(yōu)缺點(diǎn)分析

麥弗遜式獨(dú)立懸架是汽車懸掛系統(tǒng)中的一種特殊結(jié)構(gòu)，它以零件結(jié)構(gòu)簡單、連接簡單方便，成本便宜、舒適性高，耐用性好的優(yōu)點(diǎn)贏得了廣泛的市場應(yīng)用。麥弗遜式獨(dú)立懸架耐用且具有較高的路面適應(yīng)能力，路感強(qiáng)，路況反饋和操控穩(wěn)定性都很優(yōu)秀，同時(shí)價(jià)格低布置空間不大。

麥弗遜懸掛擁有良好的響應(yīng)性和操控性，而且結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，成本低，重量輕，適合布置大型發(fā)動(dòng)機(jī)以及裝配在小型車身上。作用在車身連接點(diǎn)處的力較小;彈簧行程大;易于構(gòu)造前部車底板形狀。

麥弗遜懸架對整車操縱穩(wěn)定性、抗縱傾能力也起著決定性的作用。因而在設(shè)計(jì)懸架時(shí)必須考慮以下幾個(gè)方面的要求：

A.通過合理設(shè)計(jì)懸架的彈性特性及阻尼特性確保汽車具有良好的行駛平順性，具有較低的振動(dòng)頻率、較小的振動(dòng)加速度值和合適的減振性能，并能避免在懸架的壓縮伸張行程極限點(diǎn)發(fā)生硬沖擊，同時(shí)還要保證輪胎具有足夠的接地能力;

B.合理設(shè)計(jì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，以確保車輪與車架或車身之間所有力和力矩的可靠傳遞，保證車輪跳動(dòng)時(shí)車輪定位參數(shù)的變化不會過大，并且能滿足汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性要求;

C.導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)應(yīng)與轉(zhuǎn)向桿系的運(yùn)動(dòng)相協(xié)調(diào)，避免發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，否則可引起轉(zhuǎn)向輪擺振;

D.側(cè)傾中心及縱傾中心位置恰當(dāng)，汽車轉(zhuǎn)向時(shí)具有抗側(cè)傾能力，汽車制動(dòng)和加速時(shí)能保持車身的穩(wěn)定，避免發(fā)生汽車在制動(dòng)和加速時(shí)的車身縱傾即“點(diǎn)頭”和“后仰”;

E.懸架構(gòu)件的質(zhì)量要小尤其是其非懸掛部分的質(zhì)量要盡量小;

F.便于布置，在轎車設(shè)計(jì)中特別要考慮給發(fā)動(dòng)機(jī)及行李箱留出足夠的空間;

G.所有零部件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和使用壽命;

H.成本要低;要便于維護(hù)保養(yǎng)。

懸架設(shè)計(jì)要考慮連接點(diǎn)及連接方式，在Adams中采用硬點(diǎn)來定位連接點(diǎn)及連接方式。

麥弗遜懸架左右對稱于汽車縱向平面，由下擺臂、轉(zhuǎn)向節(jié)總成（包括減震器下體、輪轂軸、制動(dòng)底板等）、轉(zhuǎn)向橫拉桿、減震器上體、轉(zhuǎn)向器齒條、車輪總成及車身組成。各剛體之間的連接關(guān)系如下：減震器上端與車身的連接因?yàn)橹?有個(gè)自由度，故簡化為球鉸，轉(zhuǎn)向節(jié)總成與減震器上體用圓柱鉸約束，只能沿軸線移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，下擺臂一端通過轉(zhuǎn)動(dòng)鉸等車身相連（其中一個(gè)為虛約束），另一端通過球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)總成相連，轉(zhuǎn)向橫拉桿一端通過球鉸與轉(zhuǎn)向節(jié)總成相連，另一端通過球鉸與轉(zhuǎn)向齒條相連，運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，轉(zhuǎn)向齒條通過固I定副與車身相連，車輪總成和轉(zhuǎn)向節(jié)總成也通過固定副相連，車身相對地面不動(dòng)。由于運(yùn)動(dòng)學(xué)無需考慮受力問題，因此不考慮減震器的阻尼和彈簧的剛度。

三、麥弗遜獨(dú)立懸架模型的建立

利用（Template Builder）模式下建立通過測量各主要關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，形成上下控制臂、橫拉桿等硬點(diǎn)坐標(biāo)，在硬點(diǎn)坐標(biāo)的基礎(chǔ)上建立構(gòu)件、三維幾何形體、襯套、彈簧等連接件添加通訊器完成麥弗遜前懸架模板建模，與平臺、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（steering）形成麥弗遜前懸架子系統(tǒng)。

四、性能參數(shù)的仿真優(yōu)化與分析

懸架性能是由定位參數(shù)和懸架的特性決定的，懸架性能一定則定位參數(shù)會在一定范圍內(nèi)變化，從而影響懸架的特性，為了模擬懸架特性采用最簡單的前輪平衡跳動(dòng)來觀察模擬情況，在車輪上下同步跳動(dòng)過程中，變化范圍最小是最好的，這樣操縱穩(wěn)定性，舒適性、平順性最佳。為了與實(shí)際情況匹配要對裝配形成的前麥弗遜獨(dú)立懸架總成進(jìn)行參數(shù)修改，修改質(zhì)量特性、重要硬點(diǎn)上下控制臂、tierod等硬點(diǎn)，修改彈簧特性，阻尼器特性不變，設(shè)定參數(shù)，進(jìn)行仿真，以tog_angle、camber_angle和caster_angle為優(yōu)化目標(biāo)，以下控制臂硬點(diǎn)、橫拉桿內(nèi)外硬點(diǎn)為優(yōu)化變量。

（二）分析處理

進(jìn)行參數(shù)更改后，點(diǎn)更新，點(diǎn)擊優(yōu)化，進(jìn)行修改硬點(diǎn)后的重新仿真。完成后進(jìn)入后處理程序，出現(xiàn)如下表所示結(jié)果，

在車輪平衡跳動(dòng)的過程中，最理想的效果是前束角變化幅度小，震動(dòng)小，易于操控，前束的設(shè)計(jì)目的是為了與外傾匹配，抵消向外的作用力，使汽車行駛變?yōu)榧儩L動(dòng)。所以前束角的設(shè)計(jì)是防止車輪向外運(yùn)動(dòng)擺動(dòng)，減少輪胎偏磨，有好的保持直線行駛的能力。相反過大的前束角變化幅度，是擺震加劇，輪胎偏磨，降低了舒適性、操控性和穩(wěn)定性。可以明確的發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后變化幅度比優(yōu)化前降低了1.3°左右，靈敏度變好震動(dòng)變小，舒適性、操控性和穩(wěn)定性增加。

圖2車輛外傾角特性優(yōu)化前后對比太明顯，車輛外傾角特性優(yōu)化前變化幅度大，變化幅度能改變輪胎與地面的接觸點(diǎn)及作用力點(diǎn)，直接影響輪胎的附著力及磨損狀況。車輛外傾角的設(shè)計(jì)改變了車重在車軸上的受力分布，避免軸承產(chǎn)生異常磨損。此外，外傾角的存在可用來抵消一部分車身荷重后及懸架系統(tǒng)機(jī)件變形及活動(dòng)面間隙所產(chǎn)生的角度變化。過大的外傾角不利于自動(dòng)回正，也降低了轉(zhuǎn)彎的穩(wěn)定性，在車輛向上跳動(dòng)的過程中車輪上端朝內(nèi)運(yùn)動(dòng)，下落過程中車輪繞著中心上端朝外下端朝內(nèi)運(yùn)動(dòng)，保證了跳動(dòng)過程中的行駛穩(wěn)定性。這也滿足了汽車行駛和轉(zhuǎn)彎的要求，在轉(zhuǎn)彎的過程中車輪隨車身一起傾斜，車身外側(cè)車輪相對地面向正的外傾角方向變化，從而降低了承載較高一側(cè)的車輪的側(cè)偏性能，利用跳動(dòng)過程中，輪胎的外傾角特性使上下端面的運(yùn)動(dòng)對它進(jìn)行了補(bǔ)償，增加了穩(wěn)定性平順性，所以要求有較小的外傾角變化幅度，優(yōu)化后幅度變?yōu)椋?0.3192，2.5256）比優(yōu)化前的（2.2634，5.1508）小，而且區(qū)間段值小了，便于后期維護(hù)保養(yǎng)。

主銷后傾的作用是保持汽車直線行駛的穩(wěn)定性，使前輪具有回正能力。在中高速行駛中保持汽車直線行駛的穩(wěn)定性，適當(dāng)?shù)募哟笾麂N后傾角可以幫助轉(zhuǎn)向輪自動(dòng)回正，可有效扼制轉(zhuǎn)向器的擺振，可使轉(zhuǎn)向變輕，從圖中可知主銷后傾角優(yōu)化后變大滿足中高速行駛要求。

五、結(jié)語

運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)在虛擬環(huán)境中真實(shí)地模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀況，對多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行快速分析，直至獲得最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。本文建立了麥弗遜前懸架模型，進(jìn)行了平行輪跳仿真，分析了輪跳對懸架參數(shù)的影響。對懸架部分硬點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，使汽車行駛時(shí)輪跳對車輪定位參數(shù)的影響最小，較好地解決了懸架系統(tǒng)存在的不合理性，提高了懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。Adams/Car、Adams/Insight、Adams/PstPocessor綜合分析可以快速、高效地對懸架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，有利于生產(chǎn)指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳煥江 汽車檢測與診斷（第三版）[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017

[2] 魏道高 車前輪定位參數(shù)研究與展望[J]合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，27（12）：1595～1597

[3] 廖抒華? Adams/Car與Insight 在汽車前懸架仿真與優(yōu)化中的聯(lián)合應(yīng)用[J]機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010

[4] 蘇建成 基于ADAMS 的雙橫臂獨(dú)立懸架仿真與優(yōu)化[J]機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009

[5] 陳軍 MSC.ADAMS 技術(shù)與工程分析實(shí)例[M]北京：中國水利水電出版社，2008

[6] 陳文化 ADMAS2007 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析范例[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013

[7] 姜立勇 凱越轎車底盤動(dòng)力學(xué)建模與仿真[D].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2007

[8] 范成建 虛擬樣機(jī)軟件MSC.ADAMS 應(yīng)用與提高[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006

作者簡介：

蘇清茂（1980-），男，四川南充，講師，碩士，主要研究領(lǐng)域：車輛工程

（作者單位：四川工商學(xué)院電子學(xué)院）