基于ADAMS的某车麦弗逊前悬架仿真与分析

1、基于ADAMS的某车麦弗逊前悬架仿真与分析雷 刚，樊伟 （重庆理工大学 重庆汽车学院 汽车零部件及其检测技术教育部重点实验室，重庆 400050）照片尺寸为20mm*30mm；最好不用红色背景摘要:针对重庆力帆汽车制造厂生产的某轿车悬架，文章在机械系统动力学仿真分析软件ADAMS环境下建立了麦弗逊式前悬架多体系统精确模型，并对模型执行双侧车轮同向激振的仿真，研究分析了悬架定位参数随车轮上下跳动时的变化规律。通过验证悬架参数的合理性，为后续悬架的改进和整车的设计提供了重要的参考数据。关键词： ADAMS；麦弗逊悬架；定位参数；仿真Simulation and Analysis of M

2、cpherson Suspension Based on ADAMSLEI Gang，FAN Wei(Chongqing University of Technology, Chong Qing Automobile College,The Key Lab of Automobile Parts & Test Technique, Ministry Of Education, ChongQing, 400050, China)Abstract： Aimed at a car suspension of ChongQing LiFan car factory production, th

3、e macpherson suspension multibody system accurate model was established under the environment of the mechanical system dynamics simulation analysis software ADAMS, and conducts model bilateral wheels executive whetherisolated simulation, the study analyzed the suspension positioning parameters chang

4、e rule when wheel about beats. Through verification suspension parameter of rationality,we can provide important reference data for the subsequnent suspension improvement and vehicle design. Key words：ADAMS；Mcpherson suspension；Alignment parameters；Simulation悬架是车架与车桥之间的传力连接装置，并且缓和由不平路面传给车架的冲击载荷，衰减由此

5、引起的承载系统的振动，保证汽车能够平稳地行驶。汽车悬架设计对整车行驶动力学有举足轻重的影响，悬架结构形式和性能参数的选择合理与否，直接对汽车行驶平顺性和操纵稳定性有很大影响。在ADAMS的虚拟样机技术中，可以把悬架视为是有多个相互作用、彼此能够相对运动的多体运动系统，其动力学仿真能够更加真实的反映运动特性及其对汽车动力学的影响。运用虚拟样机技术，可以大幅度缩短产品研发周期，大量减少开发费用和成本，明显提高产品的质量。文章利用ADAMS/Car模块建立了麦弗逊式前悬架模型，并进行两侧车轮同向跳动仿真试验，对悬架定位参数随车轮跳动度的变化规律进行研究分析，验证某车的悬架定位参数的合理性。 1 麦弗

6、逊前悬架多体动力学建模1.1多体系统动力学方程悬架设计中的虚拟样机技术以多体动力学为理论基础，采用机械系统仿真软件ADAMS进行悬架运动学分析，应用拉格朗日乘子法建立系统运动方程。在ADAMS软件中，选择适当的广义坐标对物体进行描述，对刚体i，采用质心在惯性参考系中的笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标，即： （1） 每个刚体用6个广义坐标描述，根据拉格朗日乘子法，建立多刚体系统动力学方程为： （2）式中：完整约束方程； 非完整约束方程； T系统动能； q系统广义坐标列阵； Q广义力列阵； P对应于完整约束的拉氏乘子列阵； 对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。式（2）包括了机构连接所要求的

7、运动学约束，对式（2）数值积分，并且每步校核是否满足约束就是解决机构动力学数值仿真问题。1.2麦弗逊前悬架模型分析麦弗逊悬架是铰接式滑柱与下横臂组成的悬架形式，结构简单，布置紧凑，响应速度快，有较好的行驶稳定性，微型车大多选用麦弗逊式悬架作为其前悬挂1。实车麦弗逊前悬架如图1所示。图1 某车麦弗逊前悬架麦弗逊悬架左右对称于汽车纵向平面，由车轮总成、下摆臂、转向器齿条、转向横拉杆、转向节总成(包括减振器下体、轮毂轴、制动底板等)、减振器及车身组成，其结构示意图如图2所示。各刚体之间的连接关系如下：减振器上端与车身的连接有3个自由度，故简化为球铰，转向节总成与减振器上体用圆柱副约束，只能沿轴线移动

8、和转动，下摆臂一端通过转动副与车身相连，另一端通过球铰与转向节总成相连，转向横拉杆一端通过球铰与转向节总成相连，另一端通过球铰与转向齿条相连，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，用固定副连接。1车轮总成；2下摆臂；3转向器齿条；4转向横拉杆 5转向节总成；6减震器；7螺旋弹簧；8车身图2 麦弗逊悬架结构示意图1.3仿真模型的建立在不影响麦弗逊悬架运动分析的情况下，对麦弗逊式前悬架和车轮作如下简化：（1）悬架中所有零部件都认为是刚体，并在车轮跳动过程中不发生变形；（2）零部件之间的所有连接都简化为铰链，内部间隙不计；（3）将轮胎简化为

9、刚性体；（4）运动副内的摩擦力忽略不计。在麦弗逊前悬架的三维模型中，利用CATIA软件测量悬架主要结构参数，在ADAMS/Car中进行调整麦弗逊前悬架的硬点坐标，如表1所示，最终建立麦弗逊前悬架的仿真模型。表1 麦弗逊前悬架硬点坐标硬点名称XYZArm_outer-6.65-695.36-91.86Arm_front-2.89-263.00-50.22Arm_rear399.26-417-42.76Wheel_center3.13-730.5327.56Strut_lower8.45-583.1792.19Strut_upper53.80-562.51655.68Tierod_outer127

10、.66-673.783.55Tierod_inner175.53-311.5063.36Spring_lower30.51-573.17336.682 悬架系统多体运动学仿真ADAMS/Car悬架系统运动学仿真是基于悬架试验台对车轮施加垂直方向运动的仿真形式，用户可以通过执行车轮激振、随遇平衡和转向仿真等一系列试验，测量悬架系统的动力学性能、变形特性和力传递特性。ADAMS/Car提供了强大的悬架系统分析功能，如通过车轮的径向跳动分析车轮的前束角、外倾角、悬架刚度的变化；通过在轮胎接地点施加侧向力和回正力矩，测量前束角和车轮侧偏角的变化；偏转车轮，测量车轮的转角和阿克曼角的大小等2。设计人员可

11、根据需要选择相应的分析类型，进行所选择数据输入。仿真计算结束后，利用ADAMS提供的后处理模块很容易绘制出结果曲线，如果设计人员所要关注的性能指标并未包括在后处理曲线中国，还可以自己构造相应的函数。基于建立的麦弗逊前悬架系统分析模型，本文利用ADAMS/Car对麦弗逊前悬架执行车轮同向激振仿真试验（Parallel Travel）。在ADMASCar环境中，调用麦弗逊悬架的模板（MDIFRONTSUSPENSION）和测试台（MDISUSPEN-SIONTESTRIG），进行麦弗逊悬架系统的仿真试验，如图3所示。根据汽车制造厂提供的车轮跳动的实际实验数据，对麦弗逊前悬架左右侧车轮轮心处同时施以

12、平行位移-43.596.8mm（正值表示车轮上跳，负值表示车轮向下跳动），使左右车轮同步上下跳动，分析悬架跳动过程中定位参数的变化情况。图3 车轮同向激振仿真3 悬架定位参数分析在悬架系统的运动学分析中，评价悬架系统性能的参数主要有：车轮外倾角（Camber Angle）、前轮前束（ToeAngle）、主销后倾角（CasterAngle）和主销内倾角（KingpinInclinationAngle）。基于麦弗逊前悬架系统的多体动力学分析，计算出悬架跳动过程中车轮、主销及悬架与车身之间互相影响、互相作用的结果，进而评价悬架系统的特性，验证某车悬架设计的合理性3。3.1车轮外倾角车轮外倾角是车轮平

13、面与车辆竖直方向上的交角，当车轮的上部向外倾斜时车轮外倾角为正。车轮跳动时的外倾变化对车辆的直行稳定性、稳定响应特性等有很大影响。由于轮胎与地面之间有相对的外倾角，路面对车轮作用有外倾推力，该力与侧倾角产生的侧向力汇合而成车辆转向所需要的横向力。从提高转向性能出发，侧倾时车轮对地面的倾角最好不变。同时车辆在直行状态下，由于路面不平引起的车轮跳动而使外倾变化时，会由外倾推力引发横向力，这样较大的对地外倾变化会使车辆的直行稳定性变差。综合考虑转向性能和直行稳定性，应尽量减少车轮相对车身跳动时的外倾角变化，一般上跳时，对车身的外倾变化为-2°0.5°/50mm，希望在车轮跳动时前

14、轮外倾角向减小的方向变化，而在下落时朝正方向变化。通过车轮同向激励仿真试验可以得出车轮外倾角（Camber Angle）随车轮跳动度（Wheel Travel）的变化曲线如图4所示，从中可以看出：车轮跳动过程中，外倾角的变化范围为-0.2°0.9°，满足设计要求。图4 车轮外倾角的变化3.2前轮前束前束角是车辆的纵向轴与车轮平面在车辆横向平面(水平面)上投影线的夹角。并且当车轮前方向纵向轴转时为正。车轮上跳及下落时的前束角变化对车辆的直行稳定性、车辆的稳态转向特性有很大的影响，是汽车悬架的重要设计参数之一。在汽车行驶中保持前束不变或者变化幅度较小非常重要，这比在汽车静止时有

15、一个正确的前束更为重要。侧倾时的前束变化也称为侧倾转向。对于汽车前轮，车轮上跳动时的前束值多设计成零至弱负前束的变化，确保良好的直行稳定性。另外，取弱负前束变化是为了使车辆获得弱的不足转向特性，以使装载质量变化引起车高变化时也能保持不足转向。前束变化的较理想的设计特征值为：车轮上跳时为零至负前束（0.5°/50mm）。通过车轮同向激励仿真试验可以得出前轮前束（Toe Angle）随车轮跳动度（Wheel Travel）的变化曲线如图6所示，从中可以看出：车轮跳动过程中，前轮前束的变化范围为-0.79°0.26°，基本满足设计要求。图6 前轮前束的变化3.3主销后倾

16、角主销后倾角是指在车辆的侧面内主销与车辆竖直方向的夹角，并且当主销向上、向后倾斜时为正。主销后倾角对转向时的车轮外倾变化影响较大。若主销后倾角设计较大，则外倾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，这样不足转向弱，最大横向加速度会增大。而且一般主销后倾角越大，主销后倾拖距也越大，则回正力矩的力臂越大，因此回正力矩也就越大，但是会正力矩不宜过大，否则在转向时为了克服此力矩，驾驶员必须在转向盘上施加较大的力（转向盘沉重）。因此主销后倾角不宜过大，一般采用的主销后倾角不超过2°3°，而且一般希望后倾角随着车轮的上跳而增加

17、，当车轮上跳时，悬架每压缩10mm，后倾角变化范围为1040，抵消制动点头时后倾角减小的趋势，使回正能力增强，从而提高制动时的方向稳定性，可改善高速行驶时的方向敏感性。通过车轮同向激励仿真试验可以得出主销后倾角（Caster Angle）随车轮跳动度（Wheel Travel）的变化曲线如图7所示，从中可以看出：车轮跳动过程中，主销后倾角的变化范围为1.93°2.56°，满足设计要求。图7 主销后倾角的变化3.4主销内倾角主销内倾角是指在车辆横向平面内主销与车辆竖直方向的夹角，并且当主销向上、向内倾斜时为正。主销内倾有利于主销横向偏移距的减小，从而可减少转向时驾驶员在转向盘

18、上的力，使转向操纵轻便，同时也可减少从转向轮传到转向盘上的冲击力。内倾角不宜过大，否则在转向时，车轮绕主销转动的过程中，轮胎与路面之间将产生较大的滑动，增加了轮胎与路面间摩擦阻力，这不仅使转向发沉，而且加速了轮胎的磨损，所以一般主销内倾角不大于8°。通过车轮同向激励仿真试验可以得出主销内倾角（KingpinInclinationAngle）随车轮跳动度（Wheel Travel）的变化曲线如图8所示，从中可以看出：车轮跳动过程中，主销内倾角的变化范围为6.18°8.36°，基本满足设计要求。图8 主销内倾角的变化4 结束语1）文章利用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS，结合三维软件CATIA提供的某车麦弗逊前悬架结构参数建立了合理的参数化模型，并考虑了弹