基于ADAMS/CAR的麦弗逊悬架动力学的研究

摘要：为了深入研究麦弗逊悬架系统动力学性能，基于多体系统动力学理论，应用多体动力学软件ADAMS/CAR构建麦弗逊悬架模型，本文利用Insight模块对硬点参数做了优化，对优化前后分别进行平行轮跳仿真分析，对比优化前后影响车辆操稳性的特性参数。结果表明，在ADAMS/CAR中，通过悬架硬点坐标参数的优化，悬架的整体性能得到大幅度提高，从而为麦弗逊悬架的设计和制造提供改进的理论依据。

一、前言

在汽车行业，传统设计一般采用经验设计、数学推导法以及几何作图等方法，虽然满足设计要求，但是精度和效率不高。随着现代竞争的白热化，人们逐渐意识到提高产品质量、缩短产品开发周期及降低产品开发成本，最有效的途径是应用仿真工具进行系统水平的设计。随着计算机等工具的普遍使用，虚拟样机仿真技术得到了大的推广。ADAMS/CAR多体系统动力学分析软件是MDI公司与Audi、BMW、Volvo等公司合作开发的整车设计软件包，集成了他们在汽车设计、开发方面的专家经验，能够帮助工程师快速建造高精度的整车虚拟样机。它具有丰富的建模功能和强大的运动学与动力学解算能力，可以建立规模庞大、机构复杂的系统级仿真模型，可对悬架和整车的性能进行仿真分析和综合性能的评价。

应用最为广泛的是麦弗逊悬架，与其他独立悬架相比，麦弗逊悬架简化了结构，减小了质量，还节省了空间，降低了制造成本，并且几乎不占用横向空间，有利于车身前部地板的构造和发动机布置，在紧凑型轿车的前悬上是具有无可比拟的优势。另外，麦弗逊悬架铰接点的数目较少；上下铰点之间有较大的距离，下铰点与车轮接地点之间的距离较小，这对减少铰点处的受力有利；弹簧行程较大，当车轮跳动时，其轮距、前束角以及车轮外倾角等改变不大，减轻了轮胎的磨损，这些特点使整车具有良好的行驶稳定性。利用ADAMS/CAR构建了麦弗逊悬架仿真模型，利用ADAMS/Insight优化了影响悬架性能的关键硬点参数，分别对优化前后的悬架进行仿真分析，对比了优化前后的主销偏距、前束角、车轮外倾角等悬架性能参数。研究结果表明优化后的悬架操控性能有了大幅度的提升。

二、仿真模型建立

在建立麦弗逊悬架模型前，必须对悬架系统进行合理的数学模型简化：整个麦弗逊悬架作为一个多刚体系统进行仿真，系统的各个刚体在各方向的惯性力均为零；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；减振器简化为线性弹簧和阻尼，各运动副里的摩擦力忽略不计；本文的研究重点为悬架，轮胎简化为刚性体。

在建立多体仿真模型时，麦弗逊悬架虚拟样机的坐标原点为两侧车轮接地印迹中心点连线的中点。以地面为XY平面，汽车中心对称面为XZ平面，通过前轮轮心连线，垂直XY、XZ两平面的面为YZ平面，取竖直向上为Z轴正向，车身右侧为Y轴正向，以车前进方向的反方向为X轴正向。硬点是各零件之间连接处的关键几何定位点，确定硬点就是在子系统坐标系中给出零件之间连接点的几何位置。模型关键硬点的空间位置坐标和相关系数是建立运动学模型的关键，从厂家提供的零部件装配图上可以得到硬点的坐标值。计算或者测量整合零件的质量、质心位置以及绕质心坐标系三个坐标轴的转动惯量，将这些动力学参数填写到相应的输入中。以硬点为基础创建几何模型，定义各零件间的运动关系，确定约束类型将各零件连接起来，从而构成模板，然后将模板生成子系统，然后和试验台装配成悬架测试系统模型，完成麦弗逊悬架在Adams/Car中的虚拟样机仿真模型，如图1所示。

三、系统动力学仿真分析

装配好悬架模型和试验台后，对麦弗逊悬架进行同向平行轮跳动试验。设置悬架上下跳动距离为100mm，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。由于左、右轮主要性能参数在跳动过程中变化趋势相同，所以只选择左侧车轮作为研究对象。在整车的运动过程中，由于路面存在一定的不平度，此时轮胎和车身之间的相对位置将发生变化，这也将造就车轮定位参数发生相对的变动，如果车轮定位参数的变动过大的话，将会加剧轮胎和转向机件的磨损并降低整车操纵稳定性和其他相关性能。所以，悬架系统与车轮定位参数相关的参数变化量不能太大。悬架的优化利用ADAMS/Insight，对悬架的部分关键硬点进行优化分析，由于悬架系统与车轮定位参数相关的参数变化量不能太大，硬点参数的优化只能在小范围内进行，经过多次修改迭代得到优化参数。用优化后的硬点坐标修正模型，再次进行平行轮跳仿真。图2、图3、图4、图5、图6分别为优化前后的车轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角、主销偏距以及前轮前束角的曲线图。

在图2～图6中，红色曲线为未优化的麦弗逊悬架仿真试验得出的，蓝色为优化硬点坐标后的麦弗逊悬架仿真试验得到的。对比研究的结果表明，优化后的性能参数大大优于优化前的。

(1)车轮外倾角(camber angle)

图2 优化前后车轮外倾角对比(红色为未优化，蓝色优化后)

为防止车轮出现过大的不足转向或者过度转向趋势，一般希望车轮从满载位置起上下跳动±50mm的范围内，车轮外倾角变化在-2～0.5之间。从图2可以看出，未优化的麦弗逊悬架车轮外倾角变化范围为-0.75～1.25，在操纵稳定性上未能达到设计标准，而优化后麦弗逊悬架车轮外倾角变化范围为0～0.47，变化幅度大为减小，而且最值也变小，使得参数符合设计的要求，还减少了不足转向或者过大转向的趋势，增强了整车的行驶稳定性。

(2)主销后倾角(caster angle)

主销后倾角为正值时有抑制制动时点头的作用，保证车轮具有合适的回正力矩，使车轮复位以提高整车直线行驶的稳定性。主销后倾角在车轮上下运动过程中不会出现大的变化，以免在载荷变化时出现回正力矩过大或者过小的现象，使操纵稳定性变差。但是如果太大会使车轮支撑处反力矩过大，造成车轮摆振或者转向盘力的变化，一般要求主销后倾角在4°～6°之间。图3中所示的曲线表明，未优化的悬架主销后倾角在4.7～5.4之间，优化后的在4.2～5.2之间，虽然均符合设计要求，但是优化后主销后倾角的幅值变小，有利于抑制制动点头，同时提高了悬架系统的直线行驶稳定性。

图3 优化前后主销后倾角对比(红色为未优化，蓝色优化后)

(3)主销内倾角(kingpin inclination angle)

主销内倾角可以使汽车转向自动回正和转向操作轻便，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。实际设计时，大致的范围在7～13，希望取较小数值。因此设计要求主销内倾角不能太大，从图4中可以看出，麦弗逊悬架优化后的主销内倾角和主销后倾角一样，虽然变化趋势变化不大，但是幅值减小，提高了汽车的转向能力，转向操作更为轻便，减小了轮胎的磨损。

图4 优化前后主销内倾角的对比(红色为未优化，蓝色优化后)

(4)主销偏距(scrub radius)

汽车转向时，转向轮绕主销转动，地面对转向的阻力力矩与主销偏距的大小成正比，主销偏距越小，转向力矩也越小，所以设计要求一般希望主销偏距小一些，以减小转向操纵力以及地面对转向系统的冲击。主销偏距与主销内倾角是密切相关的，通过调整主销内倾角可以得到不同的主销偏距。从图5看出，优化前的主销偏距在13～23.5之间，然而优化后主销偏距2.9～19之间，幅值大为减少，对悬架性能和整车的操稳性有了显著改善。

图5 优化前后主销偏距对比(红色为未优化，蓝色优化后)

(5)前轮前束角(toeangle)

车轮前束角的作用主要是减少汽车前进中因前轮外倾和纵向阻碍力致使前轮前端向外滚开所造成的不良后果。对于汽车前轮，车轮上跳动的前束角值大多设计在零附近变化。设计值取在零附近是为了控制直行时由路面的凹凸引起的前束变化，确保良好的直行稳定性。另外，此弱负前束的变化是为了使整车获得弱的不足转向特性。当车轮行驶时，前束的变化过大，将会影响车辆的直线行驶稳定性，同时增大与地面间的滚动阻力，加剧轮胎的磨损，因此前束角的设计原则是车轮跳动时，变化量越小越好。如图6所示，麦弗逊式悬架优化后变化幅度大幅变小，增强直线稳定性，悬架性能和整车操纵稳定性得到提高。

从上述的五个参数的对比可以得出看出，优化后的麦弗逊悬架在各个参数上都有显著的改善，整个系统性能和整车的操纵稳定性要要提高很多，从而为麦弗逊悬架的设计和制造提供改进的理论依据，对实际的悬架设计过程具有指导作用。但是受到车身布置的限制，对硬点坐标值的优化只能局限在一定的小范围内，所得到的最优值也是一个相对值，而非绝对的最优值。

图6 优化前后前轮前束角的对比(红色为未优化，蓝色优化后)

四、结论

应用多体动力学软件ADAMS/CAR，基于多系统动力学理论，在ADAMS/CAR中构建麦弗逊悬架模型，对影响车辆操稳性的特性参数进行动力学仿真分析，并对硬点参数做了优化，通过优化可以得到关键硬点的坐标最优值。结果表明，在ADAMS/CAR中，通过悬架硬点坐标参数的优化可以提高悬架的操纵稳定性，从而为麦弗逊悬架的设计和制造提供改进的理论依据，对实际的悬架设计过程具有指导作用。