基于ADAMS的雙橫臂獨立懸架仿真與優化

嚴慈磊,陳晉榮,劉燕斌（.長安大學 汽車學院 ,西安70064; .湖北汽車工業學院科技學院 汽車工程系,湖北 十堰 4400）

基于ADAMS的雙橫臂獨立懸架仿真與優化

嚴慈磊1,陳晉榮2,劉燕斌1
（1.長安大學 汽車學院 ,西安710064; 2.湖北汽車工業學院科技學院 汽車工程系,湖北 十堰 442002）

摘 要：隨著汽車生產技術的不斷發展，人們對汽車操縱穩定性的要求也越來越高，而汽車的懸架系統對汽車操縱穩定性有很大的影響。本文基于多剛體系統動力學理論，利用MSC.ADAMS軟件對懸架進行建模、仿真，利用ADAMS/Insight模塊對懸架各硬點參數進行靈敏度分析，找出對不合理定位參數影響較大的硬點參數，通過在互動網頁中修改硬點坐標值,使懸架的四個定位參數變化在合理的范圍內。

關鍵詞：雙橫臂獨立懸架；ADAMS；仿真；優化

1 前言

汽車懸架系統對汽車操縱穩定性有著非常重要的影響，尤其是車輪定位參數在汽車行駛過程中的變化規律對操縱穩定性的影響更加顯著[1]。懸架系統運動學就是研究車輪上下跳動時，定位參數對車輛操縱穩定性的影響，因此,懸架系統的運動學研究，對懸架結構進行優化設計以及研究其整車穩態轉向性能,改進汽車的整車性能以及提高整車質量具有重要意義。本文運用MSC.ADAMS軟件建立懸架動力學模型，分析其車輪上下跳動時，對四輪定位參數的影響，通過ADAMS/INSIGHT與ADAMS/CAR聯合進行優化，使懸架的四輪定位參數在合理的范圍內變動[2]。

2 雙橫臂獨立懸架模型建立

2.1 雙橫臂獨立前懸架拓撲結構

在雙橫臂獨立前懸架系統中主要有上擺臂（UCA）、下擺臂（LCA）、轉向節（knuckle）、轉向拉桿（Tie Rod）、測試臺（Test Plane）、地面（Ground由于車身固定在地面上，因此車身和地面為一體），其中測試臺（Test Plane）一端通過平面副與轉向節（knuckle）相連，一端通過平移鉸與地面相連接，上擺臂（UCA）、下擺臂（LCA）一端通過球鉸與轉向節（knuckle）相連接，一端通過旋轉鉸與地面相連接，轉向拉桿（Tie Rod）一端通過球鉸與轉向節（knuckle）連接，一端通過萬向節與地面相連接。

2.2 雙橫臂前懸建模

在ADAMS建模過程中，懸架坐標系采用車身坐標系，坐標系原點為前輪輪心連線中點，X軸向后，Y軸向右，Z軸向上。由于雙橫臂前懸架左右對稱于汽車縱向平面,因此只創建1/2的懸架模型，在ADAMS/CAR中建立模型如圖1所示[4]。

2.3 模型驗證

雙橫臂前懸架中共有5個旋轉副、3個球副、6個固定副、5個移動副、1個點面約束副，建立的懸架模型自由度計算如下：

DOF＝8×6-5×2-3×4-6×3-5×1-1×1＝2即1/2懸架模型有2個自由度,分別是車輪繞主銷的轉動和車輪的上下跳動。

3 懸架運動特性的仿真分析

車輪垂直跳動分析是懸架性能分析中非常重要的方法。欲設計出理想的懸架結構, 必須對其運動特性，即車輪上下跳動時，分析車輪外傾、主銷內傾、主銷后傾、前輪前束的變化曲線，找出變化不合理的定位參數變化曲線，通過修改各硬點的坐標進行優化，使懸架有理想的運動特性[5]。

3.1 車輪外傾角的變化

前輪外傾角具有提高轉向操縱輕便性和車輪工作安全性的作用，但是外傾角不宜過大，否則會使輪胎產生偏磨損,現代汽車中一般外傾角在車輪上跳時為-2.00—0.50之間較為合理。仿真結果如圖2所示，由仿真結果可以看出，車輪在垂直跳動時，車輪外傾角的變化范圍為-1.60-0.80，需要做進一步的優化處理[6,7]。

3.2 主銷內傾角的變化

考慮到轉向輕便性和輪胎磨損等因素，主銷內傾角設計時不宜過大，因此，一般內傾角在70-120之間，但一些發動機前置前輪驅動的汽車上，為了使汽車具有良好的行駛穩定性，其內傾角均較大。仿真結果如圖3所示，由仿真結果可以看出，車輪在垂直跳動時，主銷內傾角的變化范圍為100-12.50，在合理的變化范圍內，不需要做進一步的優化處理[6,7]。

3.3 主銷后傾角的變化

前輪安裝在車軸上，其旋轉平面上方略向外傾斜，這種現象稱為前輪外傾。一般無助力轉向系統時，主銷后傾角不超過30，有助力轉向時主銷后傾角一般在00-70之間。仿真結果如圖4所示，由仿真結果可以看出，車輪在垂直跳動時，主銷后傾角的變化范圍為00-30，在合理的變化范圍內，不需要做進一步的優化處理[6,7]。

3.4 前輪前束的變化

前束角是因外傾角的需要而存在的。一般情況下前輪前束角設計為當車輪上跳時，前束角變化趨勢為由00至弱負前束變化。仿真結果如圖5所示，由仿真結果可以看出，車輪在垂直跳動時，前輪前束的變化范圍為-10-1.50，變化范圍比較大，需要做進一步的優化處理[6,7]。

4 雙橫臂懸架系統優化

4.1 目標函數

根據仿真結果可知，在車輪的上下運動中，車輪外傾角、前輪前束角變化范圍較大，需要對其進行優化，但是考慮到對某一個定位參數進行優化時，其他定位參數也會受到影響，因此需要對各個定位參數實行多目標優化[8]。

4.2 懸架運動學的靈敏度分析

懸架運動學靈敏度分析就是找出影響懸架定位參數最顯著的硬點坐標。試驗時采用車輪在-50mm至50mm之間上下平行跳動，下橫臂外點((lca-outer)、轉向拉桿內點(tierod-inner)、轉向拉桿外點(tierodouter)、上橫臂外點(uca-outer)一共4個設計點。4個點對應X、Y、Z三個軸坐標值，共12個設計變量。優化目標分別為主銷后傾角、車輪前束角、主銷內傾角、主銷后傾角變化范圍最小。

在ADAMS/Insight中分組進行實驗設計，使每個設計點的變化范圍在-5-5mm之間，即在原有基礎上增加或減5mm。這樣通過篩選試驗利用線性模型擬合就可以將最靈敏的參數找出，以便在后面進行改進，靈敏性分析結果如圖6所示。

4.3 設計變量

由靈敏度分析圖6可以看出，hpl_tierod_inner.z、hpl_tierod_outer. z、hpl_tierod_outerer.x、hpl_lca_outer.z、hpl_uca_outer.z對車輪外傾角、前輪前束角的影響最大，通過調節hpl_tierod_inner.z、hpl_tierod_outer. z、hpl_tierod_outerer.x、hpl_lca_outer.z、hpl_uca_outer.z對懸架四輪定位參賽進行優化。這5個坐標值為設計變量。設定每個設計變量的變化范圍為-5mm-5mm[9]。

4.4 運行仿真，并分析仿真結果

試驗選用5個坐標值為設計變量，共經過35＝243次迭代，對仿真結果進行擬合，ADAMS/INSIGHT提供了標準方差（ANOVA）擬合工具，通過擬合良好程度（Goodness-of-fi t）來檢查擬合的好壞，其中，擬合結果R2、R2adj用來評價擬合的好壞，R2、R2adj的值在0—1之間，R2越接近1表示擬合的效果越好R2adj略小于R2，P表示表達式中是否有有用項，P越小，表示表達式中有用項越多，R/V表示模型計算值與原始計算值之間的關系，該值越高越好，R/V大于10表示結果完全可信，其值小于4，表示優化結果不可信。擬合結果顯示，車輪外傾角前輪前束角R2分別為0.994、0.998，R2adj、P、P/V可信度很高，符合優化目的，優化前后硬點坐標表1所示[10]。

表1 ADAMS/CAR優化前后硬點比較

4.5 雙橫臂前懸架優化前后仿真結果的比較

利用優化后的硬點坐標對懸架模型進行修改，并再一次對懸架做進行仿真試驗，優化前后的定位參數變化曲線如圖7所示。

從優化仿真圖8虛線可以看出，車輪外傾角由優化前的-1.60-0.80變化為1.450-0.50，主銷內傾角的變化范圍由優化前的100-12.50變化9.50-11.750，主銷后傾角的變化范圍由原來的00-30變化為現在的1.50-5.50，前輪前束角的變化范圍由優化前的-10-1.50變化為現在的-0.750-1.20。通過各個定位參數的仿真曲線可以看出，車輪外傾角、前輪前束角不僅達到了優化目的，主銷后傾和前輪前束的變化范圍也有所減小，達到了優化目的。

5 總結

本文以雙橫臂懸架為研究對象，采用多體系統動力學方法和虛擬樣機技術，對利用MSC公司的ADAMS軟件，建立雙橫臂式前獨立懸架虛擬樣機仿真分析模型并進行了運動學仿真，分析懸架主要定位參數隨車輪上下跳動的變化特性，利用ADAMS自帶的優化模塊ADAMS/INSIGHT對其進行結構優化，具體內容如下：

（1）本文首先對懸架動力性做了一個簡單的介紹，分析了雙橫臂獨立懸架的結構拓展圖，以此為基礎在ADAMS/CAR中建立了雙橫臂獨立懸架模型。

（2）在ADAMS/CAR模塊中并對建好的模型進行仿真,通過分析四輪定位參數的變化曲線發現，車輪外傾角、前輪前束角的變化范圍不合理，需要進行優化。

（3）在ADAMS/Insight中分組進行實驗設計，找出對四個定位參數影響最靈敏的設計硬點，通過靈敏度分析最終確定hpl_ tierod_inner.z、hpl_tierod_outer.z、hpl_tierod_outerer.x、hpl_lca_ outer.z、hpl_uca_outer.z這5個坐標值為優化變量并利用ADAMS/ Insight進行優化，優化后主銷內傾角變化范圍為1.450-0.50，前輪前束角的變化范圍為-0.750-1.20，達到合理要求，同時其他參數也得到進一步優化。

（4）優化完成后，重新繪制出輪外傾，主銷后傾、主銷內傾、前輪前束隨車輪上下跳動的變化曲線，并與優化前進行對比分析。

參考文獻：

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[10]Motoyama K, Yamanaka T. A study of suspension design using optimization technique and DOE [C]. In: 2000 International ADAMS User Conference, Orlando, Florida, June 19-21, 2000. Florida: Mechanical Dynamics Inc., 2000: 11-13.

作者簡介：嚴慈磊（1991-），男，長安大學汽車學院碩士研究生，車輛工程專業。