基于虛擬樣機技術的懸架動力學仿真分析

肖歡 魯磊

摘 要：基于虛擬樣機技術，參照某中型客車具體設計參數，根據客車懸架結構提取硬點坐標，首先運用ADAMS建立汽車的懸架動力學模型，其次進行懸架K&C特性仿真分析，最后通過仿真軟件分析了主銷后傾角、主銷內傾角、輪胎滑移量等定位參數的變化范圍。仿真結果為懸架系統設計提供參考，并對以后優化和改善懸架系統的結構等提供參考以降低研究周期和成本。

關鍵詞：懸架系統 ADAMS K&C仿真 定位參數

1 引言

操控穩定性是影響車輛的重要性能，車輛的操控穩定性會相應的影響汽車行駛平順性，而汽車的平順性主要是由汽車乘坐乘員的主觀感覺來進行評價。在綠色出行大環境的影響之下，越來越多人愿意選擇公共交通工具出行，因此車輛的操控穩定性能也越來越受到重視。虛擬樣機仿真技術可通過建立車輛仿真模型，對車輛的不同行駛工況分析，然后輸出一系列參數對車輛綜合性能進行研究。使用虛擬樣機仿真建模可避免實車試驗企業研發成本過高，同時可實現準確的定量分析獲得汽車操控穩定性和平順性的相關參數，以獲得較理想的汽車綜合性能。本文以某中型客車為研究對象，利用虛擬樣機技術進行汽車的建模和裝配，借助ADAMS軟件對汽車懸架性能進行仿真分析，為懸架系統設計提供參考。

2 懸架系統基本理論

懸架的主要作用是傳遞車架和車輪之間的各種力和力矩，達到車輛行駛過程中緩沖、減震的作用，保證車輛能夠在不平的路面上正常行駛。懸架的性能優劣影響著汽車的操控穩定性能及乘客的乘坐舒適性，因此對懸架性能進行仿真分析是非常有必要的。懸架系統特性主要分析懸架K特性和懸架C特性。懸架K特性指kinematics，表示懸架幾何運動學特性。懸架C特性指compliance，表示懸架彈性運動學特性[1]。K&C主要影響車輛操縱穩定性，包括車輪外傾角的變化和側傾轉向以及變形轉向等引起的參數變化。

3 客車懸架仿真模型建立

根據車輛結構及設計圖紙，錄入客車主要參數作為在 ADAMS/Car中建立整車動力學模型的基礎和參考，客車的主要參數如表1所示。

考慮到客車整車系統的復雜性，將與懸架系統無關的零部件盡可能的進行簡化處理[2]。在建模過程中首先在系統中建立四個襯套硬點坐標。建立硬點后，根據研究客車的鋼板彈簧相關參數，建立好鋼板彈簧的多體動力學模型。在建立鋼板彈簧子系統前，要建立鋼板彈簧模型與車架、車橋模板相連接的臨時替代部件（Mount part）。替代部件建立后，會自動生成相應的通訊器，實現前鋼板彈簧子系統系統與車橋（前橋）、車架系統的正確連接，保證懸架模型的正確裝配。車橋子系統可根據企業提供的數據，通過修改ADAMS中自帶車橋模板，建立車橋模型。 在ADAMS中按照懸架系統建立方法，建立客車前、后懸架模型，如圖1、圖2所示。

4 客車懸架系統仿真分析

ADAMS/Car模塊提供了不同的懸掛K&C仿真試驗，本文就車輪激振中車輪同向跳動試驗進行懸架K&C特性分析。

4.1 車輪跳動量分析

考慮到客車行駛路面狀況，將車輪的跳動量設置為從-50mm到+50mm進行同向激振試驗。輸入數據，得到以下參數的仿真曲線。

在車輪從-50mm到+50mm的變化跳動中，圖3外傾角約呈現從-0.055°到+0.059°之間的變化，圖4中前束角約從+1.1°變化到-0.8°之間。圖3中外傾角變化幅度為0.104°，這個變化幅度不大，可以保證輪胎不會有較大的磨損。

在車輪從-50mm到+50mm的變化跳動中，圖5主銷后傾角約從2.97°變化至2.67°，圖6中主銷內傾角約從5.005°變化至5.044°。主銷后傾角一般設計要求是小于3°的，主銷內傾角的一般設計要求在5°～8°之間，小于5°時維持汽車直線行駛的穩定性會變差，超過8°時會增加輪胎的磨損。結合圖5和圖6可見，主銷后傾角和主銷內傾角均在理想的變化范圍之內，這使客車的操縱輕便性能得到了保證并能減少行駛中輪胎的磨損。

4.2 輪胎滑移量分析

圖7中輪胎側向滑移量曲線變化最大范圍為-0.026mm。圖8中輪胎縱向滑移量曲線變化范圍為-2.7mm～1.6mm。在車輪跳動實驗中，輪胎滑移量大，可能會導致車輪偏磨損，因此輪胎的滑移量越小越好。總體來說，圖7和圖8中曲線變化均處于理想變化范圍內，這說明此客車懸架系統的穩定性好。

5 結論

利用ADAMS/Car模塊提供不同的懸架K&C仿真試驗，進行懸架K&C特性分析，得到懸架系統的動力學曲線。從仿真結果看，仿真結果與理論分析結果基本吻合，所建客車模型正確，其懸架系統具有良好的動力學性能，仿真曲線取得了較好的結果。文中未對懸架系統性能進行優化方面分析研究，如果能進一步考慮更多的影響因素，建立更為精確的整車動力學模型，則能進一步優化分析懸架動力學仿真曲線。該仿真分析對汽車操控性能的評價有一定的指導意義，也具有更重要的現實意義。

基金項目：安徽省質量工程教學研究重點項目（2019jyxm0670）-工匠精神背景下產教融合校企“雙元”育人課程體系的構建研究與實踐——以戴姆勒（奔馳）鑄星教育項目為例

參考文獻：

[1]李雪莉.基于ADAMS的空氣懸架客車動力學仿真分析[D].長安大學，2012.

[2]蔡曉楓，代宣軍.基于ADAMS的麥弗遜汽車懸架仿真分析與優化[J].大眾科技，2019，21（02）：34-37.

[3]劉勇進，張雅哲.基于某SUV車型汽車懸架系統結構優化設計仿真[J].時代汽車，2019（17）：101-102.

[4]陳雄武，劉士賓，閆國杰.基于ADAMS/Car的某車型雙橫臂前懸架仿真分析[J].農業裝備與車輛工程，2019，57（11）：108-110.