基于ADAMS/CAR的麥弗遜懸架動(dòng)力學(xué)的研究

摘要：為了深入研究麥弗遜懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能，基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS/CAR構(gòu)建麥弗遜懸架模型，本文利用Insight模塊對(duì)硬點(diǎn)參數(shù)做了優(yōu)化，對(duì)優(yōu)化前后分別進(jìn)行平行輪跳仿真分析，對(duì)比優(yōu)化前后影響車輛操穩(wěn)性的特性參數(shù)。結(jié)果表明，在ADAMS/CAR中，通過懸架硬點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)的優(yōu)化，懸架的整體性能得到大幅度提高，從而為麥弗遜懸架的設(shè)計(jì)和制造提供改進(jìn)的理論依據(jù)。

一、前言

在汽車行業(yè)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)一般采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)推導(dǎo)法以及幾何作圖等方法，雖然滿足設(shè)計(jì)要求，但是精度和效率不高。隨著現(xiàn)代競(jìng)爭(zhēng)的白熱化，人們逐漸意識(shí)到提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期及降低產(chǎn)品開發(fā)成本，最有效的途徑是應(yīng)用仿真工具進(jìn)行系統(tǒng)水平的設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)等工具的普遍使用，虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)得到了大的推廣。ADAMS/CAR多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件是MDI公司與Audi、BMW、Volvo等公司合作開發(fā)的整車設(shè)計(jì)軟件包，集成了他們?cè)谄囋O(shè)計(jì)、開發(fā)方面的專家經(jīng)驗(yàn)，能夠幫助工程師快速建造高精度的整車虛擬樣機(jī)。它具有豐富的建模功能和強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)解算能力，可以建立規(guī)模龐大、機(jī)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)仿真模型，可對(duì)懸架和整車的性能進(jìn)行仿真分析和綜合性能的評(píng)價(jià)。

應(yīng)用最為廣泛的是麥弗遜懸架，與其他獨(dú)立懸架相比，麥弗遜懸架簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，減小了質(zhì)量，還節(jié)省了空間，降低了制造成本，并且?guī)缀醪徽加脵M向空間，有利于車身前部地板的構(gòu)造和發(fā)動(dòng)機(jī)布置，在緊湊型轎車的前懸上是具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。另外，麥弗遜懸架鉸接點(diǎn)的數(shù)目較少;上下鉸點(diǎn)之間有較大的距離，下鉸點(diǎn)與車輪接地點(diǎn)之間的距離較小，這對(duì)減少鉸點(diǎn)處的受力有利;彈簧行程較大，當(dāng)車輪跳動(dòng)時(shí)，其輪距、前束角以及車輪外傾角等改變不大，減輕了輪胎的磨損，這些特點(diǎn)使整車具有良好的行駛穩(wěn)定性。利用ADAMS/CAR構(gòu)建了麥弗遜懸架仿真模型，利用ADAMS/Insight優(yōu)化了影響懸架性能的關(guān)鍵硬點(diǎn)參數(shù)，分別對(duì)優(yōu)化前后的懸架進(jìn)行仿真分析，對(duì)比了優(yōu)化前后的主銷偏距、前束角、車輪外傾角等懸架性能參數(shù)。研究結(jié)果表明優(yōu)化后的懸架操控性能有了大幅度的提升。

二、仿真模型建立

在建立麥弗遜懸架模型前，必須對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行合理的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化：整個(gè)麥弗遜懸架作為一個(gè)多剛體系統(tǒng)進(jìn)行仿真，系統(tǒng)的各個(gè)剛體在各方向的慣性力均為零;某些鉸鏈在一些方向的力的約束真值比較小，對(duì)整車動(dòng)力學(xué)的影響可以忽略不計(jì)，也假設(shè)其為零;減振器簡(jiǎn)化為線性彈簧和阻尼，各運(yùn)動(dòng)副里的摩擦力忽略不計(jì);本文的研究重點(diǎn)為懸架，輪胎簡(jiǎn)化為剛性體。

在建立多體仿真模型時(shí)，麥弗遜懸架虛擬樣機(jī)的坐標(biāo)原點(diǎn)為兩側(cè)車輪接地印跡中心點(diǎn)連線的中點(diǎn)。以地面為XY平面，汽車中心對(duì)稱面為XZ平面，通過前輪輪心連線，垂直XY、XZ兩平面的面為YZ平面，取豎直向上為Z軸正向，車身右側(cè)為Y軸正向，以車前進(jìn)方向的反方向?yàn)閄軸正向。硬點(diǎn)是各零件之間連接處的關(guān)鍵幾何定位點(diǎn)，確定硬點(diǎn)就是在子系統(tǒng)坐標(biāo)系中給出零件之間連接點(diǎn)的幾何位置。模型關(guān)鍵硬點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)和相關(guān)系數(shù)是建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的關(guān)鍵，從廠家提供的零部件裝配圖上可以得到硬點(diǎn)的坐標(biāo)值。計(jì)算或者測(cè)量整合零件的質(zhì)量、質(zhì)心位置以及繞質(zhì)心坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，將這些動(dòng)力學(xué)參數(shù)填寫到相應(yīng)的輸入中。以硬點(diǎn)為基礎(chǔ)創(chuàng)建幾何模型，定義各零件間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，確定約束類型將各零件連接起來，從而構(gòu)成模板，然后將模板生成子系統(tǒng)，然后和試驗(yàn)臺(tái)裝配成懸架測(cè)試系統(tǒng)模型，完成麥弗遜懸架在Adams/Car中的虛擬樣機(jī)仿真模型，如圖1所示。

三、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析

裝配好懸架模型和試驗(yàn)臺(tái)后，對(duì)麥弗遜懸架進(jìn)行同向平行輪跳動(dòng)試驗(yàn)。設(shè)置懸架上下跳動(dòng)距離為100mm，以左右車輪同步上下跳動(dòng)來計(jì)算懸架跳動(dòng)過程中主要性能參數(shù)的變化規(guī)律。由于左、右輪主要性能參數(shù)在跳動(dòng)過程中變化趨勢(shì)相同，所以只選擇左側(cè)車輪作為研究對(duì)象。在整車的運(yùn)動(dòng)過程中，由于路面存在一定的不平度，此時(shí)輪胎和車身之間的相對(duì)位置將發(fā)生變化，這也將造就車輪定位參數(shù)發(fā)生相對(duì)的變動(dòng)，如果車輪定位參數(shù)的變動(dòng)過大的話，將會(huì)加劇輪胎和轉(zhuǎn)向機(jī)件的磨損并降低整車操縱穩(wěn)定性和其他相關(guān)性能。所以，懸架系統(tǒng)與車輪定位參數(shù)相關(guān)的參數(shù)變化量不能太大。懸架的優(yōu)化利用ADAMS/Insight，對(duì)懸架的部分關(guān)鍵硬點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化分析，由于懸架系統(tǒng)與車輪定位參數(shù)相關(guān)的參數(shù)變化量不能太大，硬點(diǎn)參數(shù)的優(yōu)化只能在小范圍內(nèi)進(jìn)行，經(jīng)過多次修改迭代得到優(yōu)化參數(shù)。用優(yōu)化后的硬點(diǎn)坐標(biāo)修正模型，再次進(jìn)行平行輪跳仿真。圖2、圖3、圖4、圖5、圖6分別為優(yōu)化前后的車輪外傾角、主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、主銷偏距以及前輪前束角的曲線圖。

在圖2～圖6中，紅色曲線為未優(yōu)化的麥弗遜懸架仿真試驗(yàn)得出的，藍(lán)色為優(yōu)化硬點(diǎn)坐標(biāo)后的麥弗遜懸架仿真試驗(yàn)得到的。對(duì)比研究的結(jié)果表明，優(yōu)化后的性能參數(shù)大大優(yōu)于優(yōu)化前的。

(1)車輪外傾角(camber angle)

圖2 優(yōu)化前后車輪外傾角對(duì)比(紅色為未優(yōu)化，藍(lán)色優(yōu)化后)

為防止車輪出現(xiàn)過大的不足轉(zhuǎn)向或者過度轉(zhuǎn)向趨勢(shì)，一般希望車輪從滿載位置起上下跳動(dòng)±50mm的范圍內(nèi)，車輪外傾角變化在-2～0.5之間。從圖2可以看出，未優(yōu)化的麥弗遜懸架車輪外傾角變化范圍為-0.75～1.25，在操縱穩(wěn)定性上未能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而優(yōu)化后麥弗遜懸架車輪外傾角變化范圍為0～0.47，變化幅度大為減小，而且最值也變小，使得參數(shù)符合設(shè)計(jì)的要求，還減少了不足轉(zhuǎn)向或者過大轉(zhuǎn)向的趨勢(shì)，增強(qiáng)了整車的行駛穩(wěn)定性。

(2)主銷后傾角(caster angle)

主銷后傾角為正值時(shí)有抑制制動(dòng)時(shí)點(diǎn)頭的作用，保證車輪具有合適的回正力矩，使車輪復(fù)位以提高整車直線行駛的穩(wěn)定性。主銷后傾角在車輪上下運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)出現(xiàn)大的變化，以免在載荷變化時(shí)出現(xiàn)回正力矩過大或者過小的現(xiàn)象，使操縱穩(wěn)定性變差。但是如果太大會(huì)使車輪支撐處反力矩過大，造成車輪擺振或者轉(zhuǎn)向盤力的變化，一般要求主銷后傾角在4°～6°之間。圖3中所示的曲線表明，未優(yōu)化的懸架主銷后傾角在4.7～5.4之間，優(yōu)化后的在4.2～5.2之間，雖然均符合設(shè)計(jì)要求，但是優(yōu)化后主銷后傾角的幅值變小，有利于抑制制動(dòng)點(diǎn)頭，同時(shí)提高了懸架系統(tǒng)的直線行駛穩(wěn)定性。