針對懸架運動特性的汽車前懸架優化設計

王宇星，涂俊波，徐光忠，于海東，曹從杰，李昊軒

（遼寧工業大學，遼寧錦州　121001）

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針對懸架運動特性的汽車前懸架優化設計

王宇星，涂俊波，徐光忠，于海東，曹從杰，李昊軒

（遼寧工業大學，遼寧錦州121001）

摘要：以某汽車麥弗遜式前懸架作為優化對象，針對懸架運動特性主要需要考慮的車輪定位參數變化情況，運用多體動力學軟件ADAMS的多個模塊對其進行了分析以及優化處理。對比優化前后曲線能發現，各個車輪定位參數已滿足設計要求，使其運動特性得到一定程度改善。該優化方法對同類型懸架有著一定借鑒價值。

關鍵詞：汽車前懸架；運動特性；車輪定位參數

懸架運動學的研究包括運動過程中及受力或者是力矩時所表現出的特性，這種特性具體指的是懸架的評價參數在車輪發生上下跳動時以及進行轉向時的變化關系，這種變化關系稱為懸架的運動學特性或者幾何學特性，即K特性。由于麥弗遜式懸架主要的兩個結構部件是滑動立柱和橫擺臂，因此也被稱作是滑柱連桿式懸架，它突出的優點是相較于其他類型懸架更為節省空間，便于發動機和其他一些部件的布置，缺點則是滑動立柱摩擦和磨損較大。該類型懸架也是目前在前置前驅轎車和某些輕型客車上應用最為廣泛的一種結構形式。

1　動力學模型的建立

ADAMS/Car提供了若干示范模板以供用戶直接調用，但是由于由于具體結構的不同，所以自建模型是很有必要的。由于麥弗遜式懸架在結構上較為簡單，因此在簡化模型時，主要將模型按照彈性元件、阻尼元件、導向元件這三大部分進行簡化。模型簡化完成以后，就需要對各個連接處硬點的坐標進行測量，在這里選擇的硬點包括：下擺臂和車架相連的前后軸套中心點，轉向節相連的球鉸中心點；減振器上下安裝點，螺旋彈簧由于和減振器共用一個上安裝點，因此建模時只需要一個下安裝點；轉向橫拉桿的內、外連接中心點以及車輪中心點一共九個硬點參數作為建模所需坐標參數，具體數值如表1所示。

表1　前懸架動力學模型硬點參數

各個硬點坐標準備完畢之后，在ADAMS中Car模塊的建模器界面完成懸架模板文件的建立，之后通過標準界面創建子系統文件以及總裝配文件，此時系統會添加輪胎部件以及MDI_SUSPENSION_TESTRIG仿真試驗臺。

2　仿真試驗分析

建立完成的麥弗遜式前懸架執行雙輪同向激勵仿真，仿真步數設定為20，車輪上下跳動行程為-50mm～50mm，試驗結束后調用Postprocessor模塊觀察各個運動特性變化曲線。

（1）前輪外傾角。為了使輪胎磨損均勻和減輕輪轂外軸承的負荷，安裝車輪時應預先使車輪有一定的外傾角，以防止車輪內傾，同時車輪也可以與拱形路面相適應。但角度太大也將導致輪胎加速磨損，通常不超過1°。由圖1曲線可以觀察到，前輪外傾角由0.19°減小到-1.86°，角度數值滿足設計要求，而且外傾角隨著車輪向上運動而減為負值，整體趨勢較為合理。

圖1　前輪外傾角變化曲線

（2）主銷后傾角。在設計轉向橋時，使主銷在汽車的縱向平面內有向后的一個傾角，即主銷軸線和地面垂直線在汽車縱向平面內的夾角。它能形成回正的穩定力矩，但是該角度也不應過大，否則會造成轉向沉重，車輛通常設計的數值要小于2°～3°。由圖2曲線可以觀察到，主銷后傾角由-0.29°增大到0.70°，雖然角度隨著車輪向上運動而增大，整體趨勢符合設計要求，但角度數值偏小，導致回正力矩作用不明顯，因此需要進行優化處理。

圖2　主銷后傾角變化曲線

（3）主銷內傾角。主銷內傾角有使車輪自動回正的作用，還能減少轉向時駕駛員加在轉向盤上的力，使轉向操縱輕便，同時也可減少從轉向輪傳到轉向盤上的沖擊力。采用的角度通常在7°～13°之間。由圖3曲線可以觀察到，主銷內傾角隨著車輪上跳從8.23°增大到10.47°，角度數值滿足設計要求，整體變化趨勢也較為合理，因此不需要進行優化處理。

圖3　主銷內傾角變化曲線

（4）車輪前束角。車輪有了外傾角后，滾動時會導致兩側車輪向外滾開，而由于轉向橫拉桿以及車橋的約束使車輪不可能向外滾開，而出現邊滾邊滑的現象，加劇輪胎的磨損。前束角就能最大程度減弱甚至消除這種影響。由圖4曲線可以觀察到，角度由1.57°減小到-1.34°，雖然隨著車輪上跳，角度變為負值符合設計要求，但是變化范圍過大，應當通過優化處理適當縮小角度數值。

圖4　車輪前束角變化曲線

3　運動特性優化處理

對前懸架針對運動特性優化，主要需要優化的包括主銷后傾角以及車輪前束角。由于主銷軸線是減振器上、下安裝點的連線，因此選擇strut_upper、strut_lower兩個硬點的三個方向坐標作為優化變量，而車輪前束由于可以通過轉向橫拉桿來調整，所以還需要選擇tierod_inner、tierod_outer的三個方向坐標也作為優化變量。

運用Insight模塊，對所選擇的12個坐標參數進行靈敏度分析，變化范圍設置為-10mm～10mm，迭代解算次數設為256次，在保證解算的精度同時減少運算耗時。根據靈敏度的不同選擇硬點坐標進行優化，優化前后坐標對比如表2所示。

表2　硬點坐標優化前后對比

優化之后車輪外傾角并未發生較大變化，而從圖5可以看到，主銷后傾角在優化后變化范圍為1.20°～1.74°，角度值變大但是整體變化趨勢與優化前保持一致，已滿足設計要求。

圖5　主銷后傾角對比曲線

圖6　車輪前束角對比曲線

由于調整了主銷軸線的位置，使得主銷

內傾角的角度數值也發生了改變，由7.33°增大到9.46°，但是依然處于合理范圍內。

最后，由圖6可以觀察到，車輪前束角在優化后由0.43°減小到-0.33°，整體趨勢沒有發生改變，但是變化區間得到了較大優化，已經符合設計要求數值。

4　結語

通過在ADAMS中的Car模塊完成麥弗遜式前懸架動力學模型的建立，進行其系統與仿真試驗臺裝配，針對懸架運動特性運用Postprocessor模塊觀察了各個車輪定位參數的變化情況，分析得出主要有主銷后傾角以及車輪前束角需要進行優化處理，將影響這兩個車輪定位參數的硬點坐標作為優化變量，運用Insight模塊對其進行靈敏度分析，對影響較大的幾個坐標進行修改，最后得到各個角度變化的對比情況。通過整個優化處理流程，可以看到懸架運動特性更加符合設計要求，從而將得到更加優異的整車性能。

參考文獻

［1］闞萍，石琴，祝安定.基于ADAMS的雙橫臂式前懸架K&C特性的仿真分析［J］.合肥工業大學學報（自然科學版），2012，（6）.

［2］陳家瑞.汽車構造（下冊）（第五版）［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［3］黃志軍.某UTV車的擺臂及車架優化設計分析［D］.重慶：重慶大學，2012.

［4］姜棟.橡膠襯套剛度對懸架K&C特性及整車穩太轉向性能影響的分析［D］.江蘇：江蘇大學，2011.

［5］張培培.汽車懸架系統的動力學分析與仿真試驗［D］.西安：長安大學，2005.

［6］毛南海，寧曉斌，謝偉東.基于ADAMS的汽車前懸架動力學仿真及優化［J］.機械制造，2010，（9）：12-15.

The Optimal Design of Automobile Front Suspension Aimed at Suspension Movement Characteristics

WANG Yu-xing，TU Jun-bo，XU Guang-zhong，YU Hai-dong，CAO Cong-jie，LI Hao-xuan
（Liaoning University of Technology，Jinzhou，Liaoning 121001，China）

Abstract:By taking a McPherson suspension as optimization object，in view of the changes of wheel alignment parameters that suspension movement characteristics mainly need to consider，using several modules of multibody dynamics software ADAMS on the analysis and optimization.Compared curves before and after optimization，it can be found that each wheel alignment parameters meet the design requirements，its movement characteristics have been improved to a certain extent，the optimization method also has certain reference value for the same type suspension.

Key words:automobile front suspension；movement characteristics；wheel location parameter

作者簡介：王宇星，主要研究方向：汽車仿真設計。

基金項目：汽車仿真與控制國家重點實驗室開放基金項目（20111117）；遼寧工業大學基金項目（X201206）；遼寧工業大學大學生創新訓練計劃項目。

收稿日期：2015-12-10

中圖分類號：U46

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）01-0052-02