基于Adams/Car的汽车前悬架仿真分析及优化设计

摘要：针对某车型的麦弗逊前悬架系统，用车辆多体动力学仿真软件Adams/Car建立该悬架的虚拟样机模型，对其进行双轮同向跳动激振仿真分析，并综合评价该悬架的车轮定位参数、主销后倾拖距和转向角随轮跳的响应特性.在仿真分析的基础上，针对不合理的结构设计参数，利用Adams/Insight模块进行基于设计变量灵敏度分析的优化设计.优化后的悬架参数能很好地满足设计要求，从而达到提高该悬架系统整体性能的目的.

关键词：麦弗逊悬架； Adams/Car； 灵敏度分析； 优化设计

中图分类号：U461.1文献标志码：B

0引言

作为车辆的重要组成部分，悬架系统是车架与车桥之间一切传力和连接装置的总称，主要由弹性元件、减振器和导向机构等3部分组成.[1]悬架的主要功能是传递车轮与车身之间的力和力矩，并缓和汽车驶过不平路面时所产生的冲击，衰减由此引起的承载系统的振动，使其具有理想的运动特性，保证汽车的行驶平顺性和操纵稳定性.[2]麦弗逊式独立悬架是汽车上经常采用的悬架型式之一，因其具有结构简单紧凑、质量较轻、经久耐用和很强的道路适应能力等特点而得到广泛运用.

为分析某车型麦弗逊前悬架运动性能，提高该车的操纵稳定性，根据悬架各部件的参数与彼此之间的相对运动关系，利用多体系统动力学仿真软件Adams/Car，建立该悬架的虚拟样机模型，并针对前悬架进行双轮同向跳动仿真试验，对悬架定位参数随车轮跳动度的响应规律进行研究.针对不合理的悬架硬点参数，运用Adams/Insight优化模块进行结构优化设计，使该悬架系统整体性能达到最优，从而改善车辆的操纵稳定性，最终达到优化设计的目的.

1悬架虚拟样机模型的建立

遵循Adams/Car软件自上而下的建模理念，并结合分析车辆的几何定位参数、质量特性参数、力学特性参数和外界参数，首先在“Template Builder”（模板建模器）下分别创建仿真分析所需的悬架系统和转向系统模板模型.由于悬架左、右两侧对称布置，在构建悬架模板模型时，只需建立悬架的一侧，另一侧可由软件按照悬架纵向中心对称面自动生成.建立该车麦弗逊前悬架所需的左侧关键硬点坐标值见表1.

3.2车轮外倾角

汽车车轮外倾角主要作用是为提高转向轮工作时的安全性和转向操纵轻便性，同时，车轮外倾角和主销内倾角共同作用形成包容角，使转向车轮产生回正作用.在行驶状态下，车轮外倾角动态变化，它对车辆直行稳定性、稳态响应特性等有着非常重要的影响.综合考虑车辆转向性能和操纵稳定性，车轮外倾角在上、下跳动过程中，应该有一个较合适的变化范围，一般设计理念认为：车轮上跳时对车身的外倾角变化为（-2°～0.5°）/50 mm较为合适.[5]

仿真试验得到的车轮外倾角随轮跳的响应特性曲线见图2（b）.可知，车轮跳动过程中，外倾角的变动范围为-0.64°～0.56°，上跳时为-0.64°～-0.32°，变化幅度满足悬架设计要求.

3.3主销内倾角

设计主销内倾角的目的是为保证车辆低速行驶时，汽车同样具有一定的回正作用，并使汽车在转弯时使车轮产生有利倾斜.在悬架设计过程中，如果主销内倾角设置过大，会导致汽车的回正力矩偏大，而且在汽车发生转向时，会使驾驶员转向沉重，严重降低汽车的操纵稳定性，也加快轮胎的磨损；如果设置过小，会使汽车直线行驶的稳定性能力变差.在实际设计中，主销内倾角较合适的变化范围为7°～13°，并希望尽量取较小值[5].仿真试验得到的主销内倾角随轮跳的响应特性曲线见图3（a），可知，车轮跳动过程中，主销内倾角的变动范围为11.2°～13.6°，变化幅度不能满足设计要求，需要后续改进.

3.4转向角

车轮上、下跳动过程中，转向盘固定，由于转向拉杆的作用，左、右车轮会产生绕主销的转动，使得左、右车轮产生转向角.设计上要求控制该角度在较小范围内，以免汽车操控性变坏和轮胎磨损加剧.

仿真试验得到的转向角随轮跳的响应特性曲线见图3（b），可知，车轮跳动过程中，左轮转向角的变化范围为-0.1°～0.18°，右轮的转向轮响应曲线与左轮响应曲线关于零线对称，两轮转向角变化均控制在±1°内，满足设计悬架设计要求.

3.5主销后倾角和主销后倾拖距

设计主销后倾角的目的主要是使转向轮获得自动回正能力，使车轮在滚动过程中保持良好的行驶稳定性.主销后倾角变化对车辆的稳态转向特性影响很大，如果主销后倾角设置过大，会使驾驶员转向沉重；设置过小，会产生转向不稳定现象，导致车轮剧烈抖动，加剧轮胎的磨损[5].实际设计中，主销后倾角较理想的设计值变化范围[5]为：前置的驱动车为0～3°，前置后驱动车为3°～10°.

主销后倾拖距与主销后倾角一起，用于保证足够的侧向力回正力矩，以利于汽车直线行驶.合理的后倾拖距能提高车辆行驶时抗路面的干扰能力，并提供给驾驶员合适的路感.主销后倾拖距设计值的适宜变化范围[5]一般为0～30 mm.

由上述仿真结果可知，大部分悬架特性参数随车轮上、下跳动的变化量不大，变化范围较合理；前束角在车轮上、下跳动过程中的变化趋势不太理想；主销内倾角的变化超出合理范围，应进行悬架结构优化设计，以进一步提高车辆的操纵稳定性.

4悬架优化设计

利用Adams/Insight试验设计模块，对悬架进行试验优化设计（DOE）.DOE是研究同时改变多个设计参数变量值对样机性能的影响，使目标对象获得最优解时的参数组合.[6]为快速、有效地进行结构参数的优化设计与修改，须了解哪些设计变量对目标函数的影响最大，即首先应对设计变量进行灵敏度分析，找出灵敏度因子中的较大值，从而缩小优化范围，提高优化效率.

5结束语

基于多体系统动力学理论，利用Adams/Car对某车型麦弗逊前悬架进行车轮同向跳动仿真分析，并综合评价该悬架主要特性参数随轮跳的响应变化规律.针对不合理的结构参数，利用Adams/Insight进行试验优化设计，通过对悬架硬点坐标进行灵敏度分析，快速筛选出对优化目标影响较大的关键硬点作为设计变量，提高优化效率.优化后的悬架参数能较好地满足车辆悬架设计要求，从而达到提高该悬架系统整体性能的目的.由于在创建悬架虚拟样机模型过程中未考虑柔性体的影响因素，将除弹性元件、橡胶元件外的其他部件视作刚体零件，因此，仿真结果与实际值有所偏差.

参考文献：

[1]陈家瑞. 汽车构造[M]. 北京： 机械工业出版社， 2005： 199-201.

[2]王望予. 汽车设计[M]. 北京： 机械工业出版社， 2002： 174-175.

[3]雷刚. 基于Adams的麦弗逊式悬架系统的虚拟仿真分析及其优化设计[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2010.

[4]邵昭晖. 汽车麦弗逊悬架三维设计与运动分析[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2011.

[5]《汽车工程手册》编辑委员会. 汽车工程——设计篇[M]. 北京： 人民交通出版社， 2001： 792-797.

[6]高晋. 基于虚拟样机技术的悬架K&C特性及其对整车影响的研究[M]. 吉林： 吉林大学， 2010.（编辑陈锋杰）