基于ADAMS的轉向系斷開點設計研究

韓振

(山東交通學院,山東 濟南250357)

1 概述

近年來，高操縱穩定性、高安全性的汽車已經成為汽車制造企業和汽車使用者共同的追求[1]。由于過去多采用類比或經驗方法設計，設計存在很大的盲目性，導致車輛干涉轉向角的變化常存在一些不盡合理之處。為此，本文以ADAMS仿真軟件為手段，以參數最優為目的，對某越野車進行了仿真分析，為車輛性能優化提供了參考。

2 轉向梯形斷開點的設計

該越野車前懸架采用平行式雙叉臂獨立懸架，彈性元件為油氣簧，建立的懸架三維PROE模型如圖1所示。轉向系統采用平行桿斷開式轉向梯形，轉向器為整體式循環球動力轉向器。初步確定轉向梯形斷開點位置采用三心定理設計方法[2]。

圖1 越野車前懸架左側三維模型

轉向梯形斷開點位置的計算如圖2所示，E、G為懸架主銷的上下球鉸，C、D為上下橫臂與車架的轉動鉸接點，U為轉向節與轉向直拉桿的外球鉸，T為所要計算的轉向梯形斷開點。

圖2 轉向梯形斷開點位置的計算

整車采用右手坐標系，原點為前橋中心，X軸指向車后方，Y軸指向車右方，Z軸向上。懸架各點的位置坐標如表1所示，經計算初步得出斷開點T的坐標為（230,-271.4 ，-16）。

表1 懸架各點的位置坐標

3 懸架試驗臺仿真分析

懸架系統與轉向系統的匹配實物圖如圖3所示，利用ADAMS/CAR模塊建立懸架試驗臺仿真模型，如圖4所示。建立模型時的輸入參數主要有硬點的位置、部件的質量、彈簧剛度曲線、輪胎無負載半徑等。將初步計算出的斷開點作為輸入，執行懸架雙輪跳仿真，仿真結果如圖5所示。

圖3 懸架系統與轉向系統的匹配實物圖

圖4 懸架試驗臺仿真模型

圖5 干涉轉向角隨懸架跳動行程變化的仿真結果

對仿真結果進行分析：設計位置為上跳0mm處的干涉轉向角0.1 度。汽車直線行駛時車輪干涉轉向角為零是比較有利的，即具有最低的輪胎磨損和滾動阻力[3]，因此設計位置的干涉轉向角趨近于零是比較理想的狀態。另外懸架上跳過程中干涉轉向角是一直增大的。理想的干涉轉向角隨懸架上跳呈現減小的趨勢，且前束值多為弱負數，這樣有利于獲得側傾不足轉向特性[4]，進而提高車輛的操縱穩定性。綜上所述，干涉轉向角變化曲線需要進行優化。

4 基于ADAMS/CAR模塊的分析優化

修改橫臂外點E、G的坐標，進而改變主銷中心線的位置，然后重新計算斷開點的位置。以斷開點的Y、Z坐標為設計因素（X坐標是車輪內外輪轉角關系的主要影響因素，因此這里不作為干涉轉向角優化的設計因素）[5-6]，以干涉轉向角的最大值為優化目標，利用Insight模塊和car模塊相結合的方法，對斷開點的位置再度優化，得到最終優化后的硬點位置如表2所示。

表2 懸架各點的位置坐標

得到的仿真結果如圖6所示，某型號越野車干涉轉向角隨懸架跳動變化如圖7所示。從分析結果及兩者對比來看：設計位置的干涉轉向角為0.05 度，某型號越野車設計位置干涉轉向角為0度；懸架上跳過程中前束呈弱負數，最小值為-0.15 度，整個懸架跳動范圍（-100mm，100mm）內干涉轉向角的數值變化在±0.5 度以內，優化結果與圖5優化前結果、圖7某型號越野車干涉轉向角相比，更加合理。

圖6 優化后干涉轉向角隨懸架跳動變化仿真結果

圖7 某型號越野車干涉轉向角隨懸架跳動變化

5 結論

本課題首先利用傳統的經典設計方法對轉向梯形的斷開點位置進行計算，然后建立ADAMS/CAR的仿真分析模型，通過結果分析及改進措施，優化后的仿真結果對比可以看出，傳統的設計方法具有一定的參考價值，但還存在不足，即很難跟蹤懸架整個跳動行程內的前束變化。通過利用ADAMS軟件的仿真分析結果進行優化設計，給設計人員的工作帶來方便的同時，使車輛懸架與轉向系統間的匹配更加合理可靠。本文還有不盡之處，即車輛設計位置的干涉轉角沒有做到最優，仍需要后續的設計研究來解決不足之處。