基于ADAMS/CAA的某轿车悬架优化设计

作者：刘进伟 吴志新 徐达

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 1 引言 在工程应用领域，机械系统的计算机仿真技术变得日益重要。这种应用在于仿真软件能够使用计算机代码和方程准确的模拟真实的机械系统，避免了传统的产品开发过程中零部件和样机的反复制造、试验等过程，同时硬件建设成本的降低节省了大量的时间和财力，为产品迅速占领市场赢得了更多的机会。鉴于仿真软件带来的上述优点，其应用正在变得越来越广泛。在众多的软件中，汽车工业中广泛应用的ADAMS则是非常具有代表性的一个运动学与动力学仿真软件，广泛应用于悬架和整车设计开发。本文将运用CAR模块就国产某车的前悬架进行仿真分析。 2 模型分析 悬架的结构特点对操纵稳定性和平顺性的影响至关重要。麦弗逊悬架左右对称于汽车纵向平面，由车身1、减震器上体3、转向节总成4（包括减震器下体、轮毂轴、制动底板等）、转向横拉杆5、转向器齿条6、下摆臂7及车轮总成8组成，具体结构见图1与表1。各刚体之间的连接关系如下：减震器上端3与车身1的连接点用球铰约束；转向节总成4与减震器上体3用圆柱铰约束，只能沿轴线移动和转动；下摆臂一端通过转动铰F和G与车身相连（其中一个为虚约束），另一端通过球铰F与转向节总成相连；转向横拉杆一端通过球铰B与转向节总成相连，另一端通过球铰H与转向齿条相连。在进行运动分析时，转向齿条通过固定副与车身相连，车轮总成和转向节总成也通过固定副相连，车身相对地面不动。 1／2前麦弗逊悬架约束方程数目为： m=6x1+5x3+4x3+3x2=39 1／2悬架自由度DOF=6x7-m=3 也就是说，1/2前悬架有3个自由度，它们分别是：车轮绕着车轴的转动、车轮绕主销的转动和车轮的上下跳动。 应用ADAMS/CAR对悬架系统进行建模原理相对比较简单，模型原理与实际的系统相一致。考虑到汽车基本上为一纵向对称系统，软件模块已预先对建模过程进行了处理，产品设计人员只需建立左边或右边的1/2悬架模型，另一半将会根据对称性自动生成。 3 仿真分析与验证 CAR模块是ADAMS软件包中的一个专业化模块，主要用于对轿车（包括整车及各个总成）的动态仿真与分析。对于悬架系统来说，ADAMS/CAR在仿真结束后，可自动计算出38种悬架特性，根据这些常规的悬架特性，用户又可定义出更多的悬架特性，产品设计人员完全可以通过这些特性曲线来对悬架进行综合性能的评价和分析。 在建立这个模型前，必须先对悬架系统进行合理简化。从汽车动力学的角度出发，有人提出如下假设。假设一：前悬架系统各个刚体（车轮除外）相对于整车而言，其质量是微不足道的，在建模过程中可以忽略不计。这样前悬架系统每个刚体在各个方向的惯性力均为零。由于每个刚体具有位移和速度，因而称其为悬架准动力学模型。假设二：由于某些铰链在一些方向的力的约束真值比较小，对整车动力学的影响可以忽略不计，也假设其为零。例如球铰在三个方面的力矩约束均为零。由于将悬架系统视为无质量的传力杆系机构，因而计算出的各刚体的内力和内力矩更接近实际状况，并可以将仿真工况扩大到极限运动和危险运动等大运动范围的仿真。 所建立的虚拟样机模型如图2所示。在本次仿真分析中，将建立一个虚拟激振台，设置上下激振位移为50mm，以左右车轮同步上下跳动来计算悬架跳动过程中主要性能参数的变化规律。 3.1 前轮定位角 外倾角：外倾角变化曲线，变化范围为-0.1°～1.5°/50mm。车轮跳动时的外倾角变化对车辆的稳态响应特性等有很大影响，所以应尽量减少车轮相对车身跳动时的外倾角变化。为防止车轮出现过大的不足转向或过度转向趋势，一般希望车轮从满载位置起上下跳动40mm的范围内，车轮外倾角变化在1度左右。 前束角：设计时希望在车轮跳动时前束角不变或变化幅度较小。前束变化的较理想特性值为：前轮上跳时，为零至负前束（-0.5/50mm），图中前轮上跳时的变化范围为0～-1.9°/50mm，不满足设计要求。 主销后倾角：主销后倾角对转向时的车轮外倾角变化影响较大。若主销后倾角设计较大，则外侧转向轮的外倾角会向负方向变化。当前轮主销后倾角较大时，需增加前轮转向所必须的横向力，以抵消外倾推力，这样不仅转向弱，而且最大横向加速度也会增大。一般认为合理的主销后倾角为2°～3°。图示主销后倾角变化曲线，变化范围在3°附近，偏大。 3.2 悬架刚度与侧倾角刚度 悬架刚度：图4为悬架刚度变化曲线。随着车轮的由下往上跳动，悬架刚度变化不大。 侧倾角刚度：图5为侧倾角刚度变化曲线。从图中可以看出，压缩时侧倾刚度变化不大。 基本满足设计要求。 3.3 车轮跳动产生的转向角、轮距变化量 车轮跳动产生的转向角：图6为转角变化曲线，左、右车轮变化相反。在车轮跳动过程中，方向盘固定，由于转向拉杆的作用，左右车轮会产生绕主销的转动，从而使左右车轮产生转向角。一般要求将该转角控制在一定的范围内，否则不仅影响汽车的操纵稳定性，而且会加剧轮胎的磨损。图上可以看出转向角过大。 轮距变化量：图7为左右车轮轮距变化量。跳动时，车轮绕瞬时中心摆动，左右轮之间的距离必然产生变化。轮距的变化一方面影响汽车的操纵稳定性。另一方面，由于轮胎的横向滑移，导致轮胎的磨损，降低了轮胎的使用寿命。设计时应尽量控制轮距变化量，一般轿车的轮距变化应在-5mm/50mm～5mm/50mm之间，图中轮距变化量为-8mm/50mm～8mm/50mm，偏大。 点／抬头变化量：点／抬头性能影响乘坐舒适性，是悬架设计中的一项重要指标。从图8和图9中可以看出抗点头／抗抬头效应较好，满足设计要求。 从上述悬架特性参数的仿真结果大至可以得出以下结论： 车轮某些定位参数在车轮上下跳动过程中变化偏大，这些会加大了轮胎的磨损：（2）悬架刚度和侧倾角刚度在车轮上跳时降低不是很明显。（3）抗点头／抗抬头效应较好。 4 优化设计 利用MSC.ADAMS/Insight模块，对车轮定位参数中的某项或是多项进行优化，使定位参数达到一个理想值。对麦弗逊悬架的下摇臂前点（lcafront）、后点（lca_rear），转向拉杆内点（tierodinner）、外点（tierod outer），下摇臂球头销（Icaouter）等五个坐标点的15个坐标值（每个点有X、Y、Z三个方向坐标）进行分析，设定每个坐标值的变动范围在-l0mm～l0mm之间。对于15个坐标值Insight将进行215次迭代解算，由于计算量过大，实际上只进行了64次的部分迭代。进行完迭代解算后就可以得到相关的分析数据。表2列出了硬点变化对定位参数的影响。 从表2中可以看出影响比较大的一些参数，如 对它们进行必要的调整。具体的改动见表3： 调整这些硬点参数后，得到修改后的模型，再一次进行仿真分析，得到的曲线与原来曲线的比较图。以下是优化前与优化后车轮定位参数的比较图（实线为优化后的曲线，虚线为优化前的曲线）： 车轮外倾角优化前后对比。从图10可以看出，优化后车轮外倾角的变化范围是-0.5°～2.1°，比优化前的范围还要大一点，这是因为Insight为了兼顾其他几项定位参数的优化而放弃了外倾角部分利益的缘故。 主销后倾角优化前后对比。如图11所示，主销后倾角为正值时有抑制制动时的点头作用，但太大时会使车轮支撑处反力矩过大，易造成车轮摆振或转向盘上力的变化。优化后，主销后倾角的变化范围在1.8°～2.8°之间，大大小于优化前的变化范围，而且完全满足要求2°～3°的设计要求。 车轮前束角优化剪后对比。如图12所示，优化后，前束角的变化量比之前相比大大减小，这将对车辆直线行驶的稳定性有显著提高。 主销内倾角优化前后对比。如图13所示，主销内倾角可以使汽车转向回正、转向操作轻便，在车轮跳动时，主销内倾角变化较大，将会使转向沉重，加速轮胎磨损。优化后，主销内倾角的平均值比原先小了1.5°左右，这将减小转向时车轮与地面的滑动，减缓轮胎磨损。从以上优化结果可以看出，优化时选择的5个坐标点的改变对车轮外倾角、主销后倾角以及车轮转向角影响较大。 5 结论 如果悬架结构设计不当，将会大大影响汽车产品的使用性能（如转向沉重、摆振、轮胎偏磨、影响轮胎使用寿命等）。采用ADAMS／CAR对悬架的布置进行了建模与分析，并且运用MSC.ADAMS/Insight,通过对模型的硬点坐标、弹性参数进行多次修改迭代，对模型的某项或是多项性能指标进行优化，系统会自动找出一个最优结果通过调节相应的参数来满足设计要求。但是由于受到车身布置的限制，对硬点坐标的改变只能局限在一定的小范围内，所以得到的最优值也只是一个相对值，而非绝对的最优结果。本文解决了车轮跳动过程中轮胎磨损严重、定位参数变化过大等问题。同时也说明了转向横拉杆对前轮前束有较大影响。在开发新车或在原来已有的车型基础上进行改进设计时，在实际样件、样车制造出来之前，完全可以利用ADAMS/CAR提供的动态仿真环境，对悬架甚至整车的一些主要性能进行事先预测、评估，这样可以大大地缩短产品的开发周期。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/4/2006)