基于Adams/insight的麥弗遜懸架優化設計

劉誠云，馮擎峰，胡崢楠

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基于Adams/insight的麥弗遜懸架優化設計

劉誠云，馮擎峰，胡崢楠

（浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江 寧波 315336）

以某SUV車型為例，利用Adams/car軟件進行麥弗遜懸架建模，將模型仿真結果與KC臺架試驗結果進行對比以驗證模型的準確性。針對關鍵KC特性指標，利用Adams/insight模塊對各硬點的靈敏度進行分析，結合靈敏度分析結果選擇需要優化的目標硬點，以KC特性為目標，完成硬點優化，進一步提升懸架動力學表現。

麥弗遜懸架；動力學；Adams；靈敏度分析；KC優化

前言

整車操縱穩定性是汽車產品設計中的關鍵性能，其最終表現取決于懸架系統的設計，懸架運動學特性是不可忽略的一點，通常用K&C特性來表示[1]，若設計不合理，在試制或量產階段會導致如輪胎偏磨、過度轉向、回正性能差等較大的質量問題，以上問題整改成本高、周期長。因此，在設計階段要充分識別懸架系統各項性能指標，其關鍵在于KC特性設計的合理性[2]。

本文以某SUV前懸架系統設計為例，其懸架形式為麥弗遜結構，利用Adams仿真軟件完成懸架系統建模[3]、并對懸架的KC特性進行分析和模型驗證，考察該懸架系統彈性特性、前束、外傾、輪心側向位移等KC變化曲線，并對各硬點的敏感度進行分析，同時結合敏感度分析結果對硬點進行優化。

1 麥弗遜懸架Adams模型建立

麥弗遜懸架由副車架、下控制臂、轉向節、減震器、螺旋彈簧、轉向系統、穩定桿系統組成，根據三維模型提取相關硬點，并測量彈簧、橡膠襯套、減震器的性能參數，用于建模的數模構造見圖1：

1.1 E點為減振器與車身減振器座的絞接點，G點位擺臂與轉向節的絞接點，EG為主銷軸線，車輪繞主銷軸線旋轉。

1.2采用齒輪齒條式轉向器時，轉向橫拉桿內端接頭T的運動軌跡與地面平行，相反外接頭U的運動軌跡是一條圓弧線，當沒有主銷后傾時，U點的運動軌跡與轉向節軸線EG垂直。

1.3懸架運動過程中，減振器活塞桿在完成自身活塞運動的同時，還以E點為絞接點做萬向運動。

圖1 麥弗遜懸架構造原理

在Adams/car中建立模型通常分為三個步驟，首先在template building 界面中建立模板，然后利用所建模板在standard building界面中建立各子系統，最后在suspension assembly中用suspension testrig將各子系統裝配成一個整體的懸架系統。本文采用修改中硬點、屬性文件的方式建模（見圖2）。

圖2 麥弗遜懸架Adams模型

2 Adams模型的仿真與驗證

利用Adams/Car對懸架或整車性能分析時，模型的正確性顯得尤為重要。需要從靜態與動態兩方面去驗證模型的準確性。靜態信息檢驗包括部件完整性檢驗、參數正確性檢驗、模型有效性檢驗。動態仿真檢驗包括仿真動畫檢驗、后處理數據檢驗、模型校準。本文通過對模型進行雙輪同跳仿真，將結果與臺架實驗測試數據進行對比來驗證模型的準確性。

試驗前先設置懸架系統的相關參數，包括輪胎模型、輪距、簧載質量、驅動力分配、制動力分配及質心高度等。點擊Simulate-Suspension Analysis-Parallel Wheel Travel，行程按±50mm設置，點擊Apply運行后查看分析結果，本文以彈性特性、前束、外傾、輪心側向位移變化曲線為關注目標，將仿真結果與臺架試驗結果對比，結果如圖3、圖4、圖5、圖6所示，其中實線為臺架試驗曲線，虛線為仿真結果曲線：

圖3 彈性特性仿真和臺架結果對比

圖4 前束變化仿真和臺架結果對比

圖5 外傾變化仿真和臺架結果對比

圖6 輪距變化仿真和臺架結果對比

實車測試與模型仿真由于制造的誤差、襯套參數等因素，很難保證所有曲線完全一致。通過對比，外傾和輪距變化曲線仿真與臺架結果基本吻合，彈性特性曲線與前束變化曲線吻合度較高，所有曲線的趨勢完全一致。

基于上述對比結果，可以判定所建立的Adams模型準確性高，可以用于后續的優化設計。

如仿真數據與試驗數據偏差較大時，須考慮模型數據的準確性、試驗車車身姿態以及試驗車加工與裝配誤差等問題。針對誤差較大的特性曲線，通過硬點及襯套敏感性分析，確認敏感度較高的硬點及襯套，調試模型參數，找到模型與試驗數據存在誤差的可能原因。

3 前麥弗遜懸架KC特性優化

針對不同車型其所需要的懸架KC特性側重點各不相同，本文以某SUV車型為例，其更側重于整車的舒適性和輪胎耐磨損性能，因此在懸架KC特性目標設定時優先考慮保證前束變化盡可能小[4]，其梯度目標值定義為-5deg/m~0deg/ m，輪距變化盡可能小，其梯度目標值定義為±50mm行程范圍內，輪距變化≤12mm，外傾變化與整車的操穩性能相關，外傾角變化較大，可以提供更大的抓地力，但在不平路面上，輪胎磨損會更加嚴重[5]。其目標值定義為-15deg/m~-12 deg/m。

通過圖4、圖5、圖6仿真曲線，模型的前束變化梯度為-0.77deg/mm，輪距變化為11.5mm，外傾變化梯度為-11.7deg/ mm。

確定好優化目標后，需要對懸架的硬點進行重新設計，由于涉及的硬點較多，且每個硬點都有X、Y、Z三個方向的變量，改動單個參數不僅會改變希望優化的單項性能參數，同時也會對其它性能參數帶來影響。因此，首先需要對懸架各硬點的敏感性進行分析，結合分析結果確認需要優化的目標硬點，經過反復迭代測試最終得到一個滿足性能目標的硬點組合。

3.1 基于Insight的敏感度分析

進入Adams/insight模塊，選擇控制臂外球頭點、減震器上安裝點、拉桿球頭外點、拉桿球頭內點4個硬點的12個坐標值為分析對象，每個值得允許變化范圍為±3mm。硬點的改動同時會引起其它參數的變化，因此需要將前束、外傾、輪距作為目標變量。完成變量設置后，繼續完成分析矩陣設計，并生成分析空間，然后執行分析并查看分析結果，見表1、表2、表3。

表1 設計變量對前束敏感度分析結果

表2 設計變量對外傾敏感度分析結果

敏感度分析結果顯示，前束對各硬點的敏感度最高，前束的變化受制造精度的影響最大，其中各硬點中拉桿球頭內、外點Z坐標、控制臂外球頭點Z坐標對其敏感度最大。減震器上點和控制臂外球頭點Y坐標，控制臂外球頭點Z坐標和拉桿球頭內、外點Z坐標對外傾和輪距變化的敏感度較高。

表3 設計變量對輪距敏感度分析結果

3.2 基于Insight的KC特性優化

基于仿真分析結果，模型的前束變化梯度為-0.77deg/ mm，輪距變化為11.5mm，外傾變化梯度為-11.7deg/mm。其輪距變化和外傾變化值在合理范圍內，為增加操穩性能，外傾梯度可適當增加。其前束變化較小見圖4，在上跳過程中出現了正前束變化，實車測試結果上跳時正前束變化更明顯，在下跳過程中梯度較大，且為負前束變化增加了過渡轉向趨勢，因此優化的重點在于適當增加上跳時前束變化梯度，避免出現正前束變化，適當減小下跳是前束變化梯度。

基于敏感度分析結果，選擇拉桿球頭內、外點Z坐標、控制臂外球頭點Z坐標、減震器上點和控制臂外球頭點Y坐標五個坐標為設計變量，坐標調整范圍為±3mm，優化目標為輪距變化、外傾變化、前束變化，設置分析矩陣后執行仿真，并對優化結果進行篩選，根據設定的KC目標選擇合適的優化后的一組硬點坐標，基于前述的優化方向，選擇的硬點坐標見表4。

表4 優化前后的硬點坐標值

圖8 外傾變化優化前后仿真結果對比

基于優化后的硬點坐標，更改Adams模型中的相關硬點，進行仿真后將結果與優化前的曲線進行對比，如圖7、圖8、圖9所示，其中實線為優化前仿真曲線，虛線優化后仿真曲線。

從曲線中可以看出，懸架上跳時前束變化梯度增加且沒有出現正前束變化，可保證車輛的不足轉向特性。懸架下跳時前束變化梯度減小，減小過渡轉向趨勢，同時減小輪胎磨損。前束變化特性曲線較優化前有明顯改善，外傾和輪距變化曲線優化前后基本重合，且以上曲線均在設定的目標范圍內，達成了優化目標。

圖9 輪距變化優化前后仿真結果對比

4 結論

本文通過利用Adams/Car工具完成懸架系統仿真模型建立，并將仿真結果與臺架結果進行對比以驗證模型準確性。利用Adams/insight工具對硬點的敏感度進行了分析，基于敏感度分析結果選取設計變量，對KC特性進行了優化。從本文的分析結果來看，基于Adams/insight能快速的選定設計變量，并能基于優化目標進行批量矩陣式迭代仿真，可以提高懸架KC特性優化效率。

懸架KC特性是一個整體系統，車輪跳動時懸架運動學特性指標的變化是懸架結構布局好壞的量化體現，而對于懸架結構布局而言，懸架關鍵點坐標則是最為重要的參數[6]。本文僅以雙輪同跳仿真的前束、外傾、輪距變化為考核目標，如何針對多工況，多目標的整體優化仍值得進一步研究。

[1] 高晉.基于虛擬樣機技術的懸架K&C特性及其對整車影響的研究[D].吉林:吉林大學,2010.

[2] 田羅.多連桿式獨立懸架參數化建模及優化設計[D].武漢理工大學, 2012.

[3] 陳軍.MSC.ADAMS技術與工程分析實例[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[4] 楊建森.懸架K&C特性對汽車操縱性的敏感性分析[D].吉林大學, 2008.

[5] 毛開楠.某轎車多連桿前后懸架優化設計與整車操縱穩定性分析[D].湖南大學, 2010.

[6] 阮五洲.基于ADAMS懸架系統分析與優化設計[D].合肥工業大學, 2008.

Optimization Design of MacPherson Suspension System Based on Adams/insight

Liu Chengyun, Feng Qingfeng, Hu Zhengnan

( Zhejiang Geely Automobile Research Institute Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315336 )

Build the MacPherson suspension model of a certain SUV in Adams/car, parallel wheel bounce test is used to compare suspensions’ kinematics characteristics between Simulation and real test result to verify the accuracy of the model.Then analysis the impact of suspension hardpoints coordinate to suspension main KC characteristics in adams/insight. According the effect result select the target hard point coordinate to finish the optimization design, which provides basis for further improvement of suspension kinematics performance.

MacPherson Suspension; vehicle dynamics; Adams; effect analysis; KC optimization

B

1671-7988(2018)16-159-04

U467.3

B

1671-7988(2018)16-159-04

CLC NO.: U467.3

劉誠云，助理工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。從事懸架系統設計工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.056