基于某SUV車型汽車懸架系統結構優化設計仿真

劉勇進　張雅哲

摘 要：根據某SUV車型懸架結構提取硬點坐標，運用 ADAMS/Car 建立了汽車的麥弗遜前懸架運動學模型，進行K特性仿真分析，通過ADAMS/Processor查看相應的變化曲線，分析了其定位參數主銷后傾角、主銷內傾角的變化范圍。對于仿真結果中出現的變化范圍過大的問題，采用 ADAMS/Insight 進行硬點的優化設計。優化后，由車輪跳動所引起的車輪外傾角和主銷內傾角的變化范圍得到減小，且其它懸架參數變化均在允許范圍內，使整車性能得到提升。

關鍵詞：懸架系統;ADAMS/Car;K特性分析;優化設計;定位參數;ADAMS/Insight

1 引言

懸架系統是指車身、車架和車輪之間的一個連接結構系統，而這個結構系統包含了減震器、懸架彈簧、防傾桿、懸吊副梁、下控制臂、縱向桿、轉向節臂、橡皮襯套和連桿等部件。當汽車行駛在路面上時因地面的變化而受到震動及沖擊，這些沖擊的力量其中一部分會由輪胎吸收，但絕大部分是依靠輪胎與車身間的懸架裝置來吸收的。麥弗遜懸架作為其中的一種，其具有結構簡單、懸掛重量輕、占用空間小、響應速度和回彈速度快等優點，所以懸掛的減震能力也就較強，而且懸掛質量減輕也意味著簧下質量減輕，那么在車身重量一定的情況下，動力性和舒適性也越好。

本文以某SUV車型汽車麥弗遜前懸架作為研究對象，通過提取三維模型中的硬點坐標在ADAMS/Car中建立動力學仿真模型，并進行雙輪同步跳動仿真分析，通過ADAMS/Processor模塊查看相應的變化曲線，分析了其定位參數外傾角、主銷內傾角的變化范圍，然后在 ADAMS/Insight模塊中對該懸架車輪定位參數進行優化設計，以擺臂的前點、后點、外點以及減振器上頂點的坐標作為設計變量，進行懸架硬點優化設計，將優化后的硬點坐標輸入模型中重新進行動力學仿真，分析優化前后懸架定位參數的變化。

2 麥弗遜懸架動力學仿真模型的建立

根據某SUV車型懸架的設計硬點數據，在三維模型中提取硬點具體坐標，進入 ADAMS/Car 中的Template Builder 模塊，通過定義懸架系統的硬點坐標、部件、幾何結構 、各部件之間的連接點與運動副和減振元件的參數等，完成麥弗遜懸架系統建模。減振器和彈簧參數都由試驗測得，如圖1所示。

然后在 ADAMS/Car 中的 Standard Interface 模塊下建立 Subsystem 子模塊，將其裝配成Assembly 模型，使其包括輪胎以及轉向系統，如圖2所示。

3 麥弗遜懸架 K特性仿真分析

進入ADAMS/Car模塊，根據設計參數及其相關數據，設置好Wheel Mass（輪質量）、Spring Mass （簧上質量）、CG Hight（重心高度）、Wheelbase（輪距）、Drive Ratio（驅動方式）、Brake Ratio（制動比）等參數后，進行雙輪同向跳動（Parallel Travel）試驗，步數設為 100，根據汽車本身設計特性及其路況，將車輪跳動量設置為150mm 和-100mm，仿真完成后，觀察仿真動畫，確認無誤后進入 ADAMS/Post Processor 模塊，調入雙輪同向跳動繪圖配置文件（mdi_suspension_parallel_travel），查看caster_angle（主銷后傾角）、kingpin_inclination_angle（主銷內傾角）隨車輪跳動的變化曲線。如圖3、圖4所示。

由主銷后傾角、主銷內傾角隨車輪在-100-150mm范圍內跳動的變化曲線可知，主銷后傾角、主銷內傾角的變化范圍是不符合要求的。

4 麥弗遜懸架優化設計

4.1 優化設計

主銷后傾角：主銷軸線與通過前輪中心的垂線之間形成的夾角。主銷后傾角的作用是增加汽車直線行駛時的穩定性和在轉向后使前輪自動回正，根據仿真分析可知，該主銷后傾角需要通過仿真優化將其變化范圍減小，根據汽車理論可知，麥弗遜懸架下擺臂的外點坐標和減震器的下支點對于主銷后傾角的變化范圍影響較大，本文以hpl_lca_outer點為設計變量進行優化設計，在Adams/Car模塊建立好優化目標后進入Adams/Insight優化設計模塊，在Factors中找到想要優化的hpl_lca_outer點的坐標值promote，在Responses中將優化目標被包含，然后生成工作空間，由圖可知，此次優化將進行八次優化設計，構建運行負載 ，直到優化設計完成，得到優化設計曲線，如圖5所示，在八次優化設計目標中第七次的值是最優的，進入ADAMS/Post Processor 模塊提取第七次優化所對應的坐標值，在Adams/Car模塊進行hpl_lca_outer點坐標值的更改，然后再次進行仿真運行。

主銷內傾角：鉛垂線在垂直于車輛縱向對稱平面的平面上的投影銳角。主銷內傾角的主要作用是使轉向輪自動回正，而影響注銷內傾角變化的主要因素為麥弗遜懸架下擺臂的外點和減震器的支點，本文以hpl_strut_lwr_mount為設計變量進行優化設計，在Adams/Car模塊建立好優化目標后進入Adams/Insight優化設計模塊，在Factors中找到想要優化的hpl_strut_lwr_mount點的坐標值promote，在Responses中將優化目標被包含，然后生成工作空間，構建運行負載 ，直到優化設計完成，得到優化設計曲線，如圖6所示，在八次優化設計目標中第四次的值是最優的，進入ADAMS/Post Processor 模塊提取第四次優化所對應的坐標值，在Adams/Car模塊進行hpl_strut_lwr_mount點坐標值的更改，然后再次進行仿真運行。

4.2 對比分析

進入ADAMS/Post Processor模塊，分別將主銷后傾角、主銷內傾角優化后的結果再次調入繪圖配置文件，觀察優化前后變化的范圍，如圖7、圖8所示，通過仿真前后的曲線變化可知，通過Adams/Insight模塊對硬點的優化設計，仿真后的主銷后傾角、主銷內傾角變化范圍均大幅度減小，滿足車輛的基本要求，且其它懸架參數變化均在允許范圍內，使整車性能得到提升。

5 結語

本文依據某SUV車型提供的麥弗遜式獨立懸架的基本參數，然后通過 ADAMS/Car建立動力學仿真模型，進行雙輪同向跳動仿真分析實驗，對影響汽車舒適性和操縱穩定性的懸架定位參數進行了仿真分析，得到了主銷后傾角、主銷內傾角仿真分析變化曲線，針對其變化范圍過大的情況，通過 ADAMS/Insight 模塊進行設計變量的優化仿真，將優化后的坐標值進行更改后再次進行仿真分析，通過對比分析，可知麥弗遜式獨立懸架的性能得到較大改善，從而使得汽車的操縱穩定性和舒適性得到了極大提高。

參考文獻：

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