基于ADAMS 的前麥弗遜獨立懸架仿真優化與后處理

摘要：應用多體動力學軟件，對麥弗遜獨立懸架進行仿真分析，分析了平衡輪跳對定位參數的影響，對主要影響的硬點進行優化及后處理，得出最佳參數指標，結合實踐分析參數的優劣，用于指導生產，有效改善了懸架系統的運動學特性。

關鍵詞：Adams/Car;Adams/Insight;Adams/PstPocessor;硬點;優化

由于麥弗遜獨立懸架結構簡單，維護保養方便，四輪定位參數調整容易，路試狀態明顯，在許多追求高速行駛、機動性好故障少的車輛布置中優勢明顯，前懸架采用麥弗遜獨立懸架的車輛操控也比較好。懸架性能是決定一輛車性能的一個重要標志，懸架系統設計的優劣決定整車設計水平的關鍵因素之一。本文應用多體動力學分析軟件ADAMS /car建立了前麥弗遜獨立懸架動力學仿真模型，根據實踐數據對麥弗遜獨立懸架進行（Adams/Insigh）優化分析和后處理，進行參數指標的比較分析。

一、軟件介紹

ADAMS，即機械系統動力學自動分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems），是美國機械動力公司（Mechanical Dynamics Inc.）開發的虛擬樣機分析軟件。

ADAMS軟件使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫，創建完全參數化的機械系統幾何模型，ADAMS一方面是虛擬樣機分析的應用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析。另一方面，又是虛擬樣機分析開發工具，其開放性的程序結構和多種接口，可以成為特殊行業用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發工具平臺。

Adams/Car的功能上有所加強，易用性方面進一步提高，支持常規激勵的分析（General Actuation Analysis），新的用于分析的路面生成工具（Road Builder）以及懸架試驗臺的合并。加強Adams/SmartDriver的應用，可以進行車輛路徑的再規劃，支持路徑平滑處理，減少路徑曲率峰值。同時采用新的非連續常規狀態方程（GSE，General State Equations），保證了在大輸出步長情況下的解算精度，并且增加了反方向行駛的功能。在Adams/Car Ride 中定量的平順性指標測試，方便車輛平順性能的定量化以及評估振動對乘員的沖擊。Hiller-Anantharaman STIFF 積分器（HASTIFF）的 SI1 和SI2方法，迭代過程需要更少的函數估值，同時提高了極小時間步長的收斂穩定性。在Adams/Solver（C++）中新增延遲時變函數（DELAY run-time function），可用于控制模型中信號或驅動的延遲。Adams/Tire 3D 輪胎模擬技術，可適用表面崎嶇不平的道路。一個新的命令MNFXFORM，可用于彈性體MNF文件的鏡像，或變換/旋轉彈性體坐標系。新增有關插件的幫助文檔，并加強了幫助文檔的易用性。

ADAMS軟件由基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業領域模塊及工具箱5類模塊組成。用戶不僅可以采用通用模塊對一般的機械系統進行仿真，而且可以采用專用模塊針對特定工業應用領域的問題進行快速有效的建模與仿真分析。應用MD Adams/Car，技術團隊可以快速建立和測試整車和子系統的功能化虛擬樣車。MD Adams/Car包含許多的功能模塊用于多學科仿真。Adams/Insight包含許多的功能模塊用于多學科仿真后的優化，Adams/PstPocessor用于對優化結果進行后處理，展示效果。

二、麥弗遜獨立懸架優缺點分析

麥弗遜式獨立懸架是汽車懸掛系統中的一種特殊結構，它以零件結構簡單、連接簡單方便，成本便宜、舒適性高，耐用性好的優點贏得了廣泛的市場應用。麥弗遜式獨立懸架耐用且具有較高的路面適應能力，路感強，路況反饋和操控穩定性都很優秀，同時價格低布置空間不大。

麥弗遜懸掛擁有良好的響應性和操控性，而且結構簡單，占用空間小，成本低，重量輕，適合布置大型發動機以及裝配在小型車身上。作用在車身連接點處的力較小;彈簧行程大;易于構造前部車底板形狀。

麥弗遜懸架對整車操縱穩定性、抗縱傾能力也起著決定性的作用。因而在設計懸架時必須考慮以下幾個方面的要求：

A.通過合理設計懸架的彈性特性及阻尼特性確保汽車具有良好的行駛平順性，具有較低的振動頻率、較小的振動加速度值和合適的減振性能，并能避免在懸架的壓縮伸張行程極限點發生硬沖擊，同時還要保證輪胎具有足夠的接地能力;

B.合理設計導向機構，以確保車輪與車架或車身之間所有力和力矩的可靠傳遞，保證車輪跳動時車輪定位參數的變化不會過大，并且能滿足汽車具有良好的操縱穩定性要求;

C.導向機構的運動應與轉向桿系的運動相協調，避免發生運動干涉，否則可引起轉向輪擺振;

D.側傾中心及縱傾中心位置恰當，汽車轉向時具有抗側傾能力，汽車制動和加速時能保持車身的穩定，避免發生汽車在制動和加速時的車身縱傾即“點頭”和“后仰”;

E.懸架構件的質量要小尤其是其非懸掛部分的質量要盡量小;

F.便于布置，在轎車設計中特別要考慮給發動機及行李箱留出足夠的空間;

G.所有零部件應具有足夠的強度和使用壽命;

H.成本要低;要便于維護保養。

懸架設計要考慮連接點及連接方式，在Adams中采用硬點來定位連接點及連接方式。

麥弗遜懸架左右對稱于汽車縱向平面，由下擺臂、轉向節總成（包括減震器下體、輪轂軸、制動底板等）、轉向橫拉桿、減震器上體、轉向器齒條、車輪總成及車身組成。各剛體之間的連接關系如下：減震器上端與車身的連接因為只3有個自由度，故簡化為球鉸，轉向節總成與減震器上體用圓柱鉸約束，只能沿軸線移動和轉動，下擺臂一端通過轉動鉸等車身相連（其中一個為虛約束），另一端通過球鉸與轉向節總成相連，轉向橫拉桿一端通過球鉸與轉向節總成相連，另一端通過球鉸與轉向齒條相連，運動分析時，轉向齒條通過固I定副與車身相連，車輪總成和轉向節總成也通過固定副相連，車身相對地面不動。由于運動學無需考慮受力問題，因此不考慮減震器的阻尼和彈簧的剛度。

三、麥弗遜獨立懸架模型的建立

利用（Template Builder）模式下建立通過測量各主要關鍵點坐標，形成上下控制臂、橫拉桿等硬點坐標，在硬點坐標的基礎上建立構件、三維幾何形體、襯套、彈簧等連接件添加通訊器完成麥弗遜前懸架模板建模，與平臺、轉向系統（steering）形成麥弗遜前懸架子系統。

四、性能參數的仿真優化與分析

懸架性能是由定位參數和懸架的特性決定的，懸架性能一定則定位參數會在一定范圍內變化，從而影響懸架的特性，為了模擬懸架特性采用最簡單的前輪平衡跳動來觀察模擬情況，在車輪上下同步跳動過程中，變化范圍最小是最好的，這樣操縱穩定性，舒適性、平順性最佳。為了與實際情況匹配要對裝配形成的前麥弗遜獨立懸架總成進行參數修改，修改質量特性、重要硬點上下控制臂、tierod等硬點，修改彈簧特性，阻尼器特性不變，設定參數，進行仿真，以tog_angle、camber_angle和caster_angle為優化目標，以下控制臂硬點、橫拉桿內外硬點為優化變量。

（二）分析處理

進行參數更改后，點更新，點擊優化，進行修改硬點后的重新仿真。完成后進入后處理程序，出現如下表所示結果，

在車輪平衡跳動的過程中，最理想的效果是前束角變化幅度小，震動小，易于操控，前束的設計目的是為了與外傾匹配，抵消向外的作用力，使汽車行駛變為純滾動。所以前束角的設計是防止車輪向外運動擺動，減少輪胎偏磨，有好的保持直線行駛的能力。相反過大的前束角變化幅度，是擺震加劇，輪胎偏磨，降低了舒適性、操控性和穩定性。可以明確的發現優化后變化幅度比優化前降低了1.3°左右，靈敏度變好震動變小，舒適性、操控性和穩定性增加。

圖2車輛外傾角特性優化前后對比太明顯，車輛外傾角特性優化前變化幅度大，變化幅度能改變輪胎與地面的接觸點及作用力點，直接影響輪胎的附著力及磨損狀況。車輛外傾角的設計改變了車重在車軸上的受力分布，避免軸承產生異常磨損。此外，外傾角的存在可用來抵消一部分車身荷重后及懸架系統機件變形及活動面間隙所產生的角度變化。過大的外傾角不利于自動回正，也降低了轉彎的穩定性，在車輛向上跳動的過程中車輪上端朝內運動，下落過程中車輪繞著中心上端朝外下端朝內運動，保證了跳動過程中的行駛穩定性。這也滿足了汽車行駛和轉彎的要求，在轉彎的過程中車輪隨車身一起傾斜，車身外側車輪相對地面向正的外傾角方向變化，從而降低了承載較高一側的車輪的側偏性能，利用跳動過程中，輪胎的外傾角特性使上下端面的運動對它進行了補償，增加了穩定性平順性，所以要求有較小的外傾角變化幅度，優化后幅度變為（-0.3192，2.5256）比優化前的（2.2634，5.1508）小，而且區間段值小了，便于后期維護保養。

主銷后傾的作用是保持汽車直線行駛的穩定性，使前輪具有回正能力。在中高速行駛中保持汽車直線行駛的穩定性，適當的加大主銷后傾角可以幫助轉向輪自動回正，可有效扼制轉向器的擺振，可使轉向變輕，從圖中可知主銷后傾角優化后變大滿足中高速行駛要求。

五、結語

運用虛擬樣機技術在虛擬環境中真實地模擬機構的運動狀況，對多種設計方案進行快速分析，直至獲得最優化設計方案。本文建立了麥弗遜前懸架模型，進行了平行輪跳仿真，分析了輪跳對懸架參數的影響。對懸架部分硬點進行優化，使汽車行駛時輪跳對車輪定位參數的影響最小，較好地解決了懸架系統存在的不合理性，提高了懸架系統的運動學特性。Adams/Car、Adams/Insight、Adams/PstPocessor綜合分析可以快速、高效地對懸架進行運動學仿真分析和優化設計，有利于生產指導。

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作者簡介：

蘇清茂（1980-），男，四川南充，講師，碩士，主要研究領域：車輛工程

（作者單位：四川工商學院電子學院）