基于ADAMS的雙橫臂懸架優化設計＊

李勝琴 趙 立 楊春博

（東北林業大學交通學院 哈爾濱 150040）

基于多體動力學理論的虛擬樣機技術可在各種虛擬環境中模擬產品整體的運動及受力情況等，對多種設計方案進行快速分析，ADAMS軟件就是虛擬樣機技術的典型代表，其Car模塊是一種基于模板建模和仿真的工具．由于集成了專家們在汽車設計、開發等方面的經驗，故利用它可在很大程度上簡化建模的步驟、加快建模速度并且提高仿真分析效率［1］．本文將運用 ADAMS／Car模塊建立某汽車雙橫臂前懸架模型并進行仿真分析，根據相應參數的變化范圍和趨勢，通過修改硬點坐標，使該懸架的各定位參數的變化達到要求，進而改善懸架的性能．

1 懸架模型分析及建立

ADAMS／Car模塊采用的建模順序是先根據硬點坐標建立模板，不同的模板組成子系統，最后由子系統生成模型．在利用ADAMS／Car進行建模時，首先將物理模型簡化，即根據物理模型中各零件之間的相對運動關系，定義出各零件的拓撲結構，之后只需建立左邊或右邊的1／2懸架模型，另一半將會根據對稱性自動生成［2］，雙橫臂前懸架初始硬點坐標見表1．

表1 雙橫臂懸架初始硬點坐標

雙橫臂前懸架主要由上橫臂、下橫臂、主銷、轉向節、轉向橫拉桿和減振器等組成．上橫臂與主銷之間通過旋轉副連接，在運用ADAMS／Car建立模板時，將上橫臂定義為一個部件，使其成為一個整體（實際上在建模過程中部件的幾何形體并不影響仿真結果，但在實際的分析中部件的幾何形體的形狀卻能引發運動干涉）；把主銷與轉向節定義為一個整體，使其具有相同的運動形式；上控制臂和下控制臂與副車架（在建立模板時，將副車架視為固定的）之間通過旋轉副進行連接，主銷與下橫臂之間通過萬向副進行連接［3］．根據初始硬點坐標建立的模型圖見圖1．

圖1 雙橫臂前懸架模型

2 雙橫臂懸架的仿真分析

在對所建好的懸架模型進行仿真分析前，應先對該懸架輪胎自由半徑、輪胎垂向剛度、質心高度、簧上質量和軸距等相關仿真參數進行設定，具體設定參數見圖2．

圖2 懸架參數參數設定對話框

在ADAMS／Car模塊中，系統提供了很多的仿真類型以供用戶的選擇，對于懸架而言，其典型的分析工況有雙輪同向激振仿真試驗（parallel wheel travel）、雙輪反向激振仿真試驗（opposite wheel travel）、單輪激振仿真試驗（single wheel travel）等．本文擬取外傾角、前束角、后傾角的變化范圍和變化趨勢，選擇雙輪同向激振仿真試驗和雙輪反向激振仿真試驗進行分析和優化［4］．

1）外傾角 外傾角是重要的定位參數之一．外傾角過小，將不足以抵消當汽車滿載時輪胎的內傾角度，從而無法最大的發揮外傾角的作用，輪胎將會產生不同程度的偏磨損；外傾角過大，輪胎也會產生偏磨損．一般認為外傾角變化范圍在－2°～0．5°較為適宜［5］．圖3為外傾角變化曲線．由圖3可知，車輪同向跳動時，懸架外傾角曲線變化范圍為－1．9°～1．1°，不符合要求；車輪反向跳動時，外傾角變化范圍為－1．80°～1．1°，基本符合上述要求，但應需進一步予以優化．

圖3 外傾角在2種工況下仿真曲線

2）前束角 前束角的主要作用是抵消外傾角帶來的副作用，若前束角變化過大將會使輪胎的磨損加劇，故希望前束角變化應盡可能小，較適宜的前束角變化幅度為0°～0．5°．圖4為前束角變化曲線．車輪同向跳動時的變化范圍為－2．25°～1．36°，變化幅度較大，不符合要求，需要進行優化；車輪反向跳動時，前束角變化范圍為－3．78°～3．42°，幅度為0．36°，基本符合要求，但需進一步優化［6］．

圖4 前束角在2種工況下仿真曲線

3）后傾角 后傾角過小將不能產生合適的穩定力矩，過大又會使駕駛員施加的力增大，一般認為合理的主銷后傾角為2°～3°．由圖5可知該雙橫臂懸架主銷后傾角的變化范圍在同向車輪跳動時為2．45°～3．72°；在車輪反向跳動時為2．30°～3．55°，角度均偏大，不符合要求．

圖5 后傾角在兩種工況下仿真曲線

3 雙橫臂前懸架優化設計

硬點坐標的變化會改變懸架中各個零件之間的相對位置，繼而影響懸架的性能，故將對各硬點坐標進行反復的修改，再對修改后的模型進行仿真分析，以得出修改后各定位參數的變化范圍和變化趨勢，如不符合要求，則繼續對硬點參數進行修改，再次進行分析．經反復修改后，從中選出使得定位參數最符合要求的一組硬點標．

在ADAMS／Insight模塊中，選取麥弗遜式懸架系統的9個關鍵點作為設計變量，對包括下控制臂前支點（lca＿innr＿fr），下控制臂外支點（lca＿otr），轉向橫拉桿內支點（tierod＿innr），轉向橫拉桿外支點（tierod＿otr）等4個硬點的12個坐標值進行優化分析［7］．優化前后雙橫臂懸架系統各主要硬點的空間坐標參數對比見表2．

表2 雙橫臂懸架硬點坐標優化前后對比

優化前后的定位參數變化總結對比如下．

1）外傾角優化結果對比 外傾角優化前后對比見圖6．由圖6可知，經優化后，在車輪同向跳動時，外傾角的變化范圍由原來的－1．9°～1．1°變為現在的－0．55°～0°；在車輪反向跳動時，其變化范圍由原來的－1．80°～1．1°變為了－0．55°～0°，均符合了要求，達到了優化的目的．

圖6 外傾角優化前后對比曲線

2）前束角優化結果對比 前束角優化前后對比見圖7．由圖7可知，車輪同向跳動時，前束角變化范圍由原來－2．25°～1．36°變為現在的更接近0°；車輪反向跳動時，前束角變化范圍由原來的－2．3°～1．5°，變為現在的－1．6°～0．6°，符合設計要求，達到了優化的目的．

圖7 前束角優化前后對比曲線

3）后傾角優化結果對比 后傾角優化前后對比見圖8．由圖8可知，經優化后，在車輪同向跳動工況下，后傾角的變化范圍由原來的2．30°～3．55°變為2．9°～3．05°；在車輪反向跳動工況下，后傾角的變化范圍由原來的3．4°～3．8°變為了現在的2．9°～3．05°，變化更為平緩，達到了優化的目的．

圖8 后傾角優化前后對比曲線

4 結束語

本文運用ADAMS／Car模塊對雙橫臂前懸架進行建模，模型正確建立后，對該懸架進行仿真分析，以得出車輪定位參數隨車輪跳動時的變化范圍和趨勢，從而對該雙橫臂懸架的性能進行分析和評價，評價結束后，以優化懸架性能為目標，通過改變相應硬點坐標的數值，經多次仿真分析，找出使相應定位參數的變化范圍和趨勢最佳的一組硬點坐標數值，完成優化．優化結果表明，各個定位參數的變化范圍更為合理，使得該懸架的性能得到了改善．需說明的是，本論文只進行了仿真分析，并沒有對優化結果進行試驗驗證，在后續的研究中需結合試驗做進一步優化．

［1］陳家瑞．汽車構造［M］．下冊．北京：人民交通出版社，2001．

［2］鄭 凱，胡仁喜，陳鹿民．ADAMS2005機械設計高級應用實例［M］．北京：機械工業出版社，2006．

［3］李 軍．ADAMS實例教程［M］．北京：北京理工大學出版社，2002．

［4］MOTOVAMA K，YAMANAKA T．A study of suspension design using optimization and DOE［D］．Mechanical Dynamics，Ine．International ADAMS User Conference，2000．

［5］余志生．汽車理論．北京：機械工業出版社，2009．

［6］吳 鎮，吳慶鳴，孫國正．運用虛擬樣機技術對四連桿組合臂架變幅軌跡的仿真研究［J］．武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2004（2）：226－228．

［7］ HARGCRTT D，KOERNER S．ADAMS／Insight and Rapid Simulation Technology．The Power of Virtual Prototyping［C］∥ Mechanical DynamicsIne，2000．