基于ADAMS的麦弗逊悬架的动力学仿真和优化

童宁娟，肖云娜，惠鹏，王锋刚

（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710201）

基于ADAMS的麦弗逊悬架的动力学仿真和优化

童宁娟，肖云娜，惠鹏，王锋刚

（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710201）

本文以多刚体系统动力学为理论基础，应用多体运动学与动力学仿真软件ADAMS 中的Car专业模块建立了麦弗逊悬架多刚体模型。在对该悬架模型进行了两侧车轮同向跳动的仿真分析后, 研究了前束角(Toe Angle)、车轮外倾角(Camber Angle)、主销后倾角(Caster Angle)、主销内倾角(Kingpin Inclination Angle)及车轮转向角（Steer Angle）五个悬架运动特性参数，同时研究了这五个运动特性参数对汽车的稳态响应特性、直线行驶的稳定性、操纵稳定性等众多性能的影响。此外，以改善悬架的性能为目标，从ADAMS/Car模块中导入ADAMS／Insight模块，对麦弗逊悬架五个运动特性参数进行了优化。最后，对优化前后的悬架运动特性参数曲线进行了比较，并从比较中得到较好的运动特性参数，从而对悬架进行了优化。

ADAMS；麦弗逊悬架；多体系统动力学；仿真与优化

CLC NO.:U461.1Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)11-35-05

引言

由于汽车悬架系统对整车行驶动力学(如操纵稳定性、行驶平顺性、舒适性等) 及零部件的寿命有很大的影响，因此，悬架的动力学仿真分析在汽车悬架系统的设计和开发中占有很重要的地位。

本论文就是应用ADAMS这一世界上应用最为广泛的机械系统动力学分析软件，对麦弗逊悬架的动力学特性进行仿真，并且通过对前束角(Toe Angle)、车轮外倾角(Camber Angle)、主销后倾角(Caster Angle)、主销内倾角(Kingpin Inclination Angle) 及车轮转向角（Steer Angle）这五个运动特性参数的研究，运用ADAMS／Insight模块进行虚拟试验，得出了影响这五个运动特性参数的悬架模型的主要硬点，并且对其进行了修改，达到了优化麦弗逊悬架的目的。

1、建立模型及仿真分析

1.1 模型分析

麦弗逊悬架左右对称于汽车纵向平面，由下摆臂、转向

节总成(包括减震器下体、轮毂轴、制动底板等)、转向横拉杆、减震器上体、转向器齿条，车轮总成及车身组成。各刚体之问的连接关系如下：减震器上端与车身的连接因为只有3个自由度，故简化为球铰A，转向节总成与减震器上体用圆柱铰B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E与转向节总成相连，转向横拉杆一端通过球铰c与转向节总成相连，另一端通过球铰H与转向齿条相连，运动分析时，转向齿条通过固定副I与车身相连，车轮总成和转向节总成也通过固定副D相连，车身相对地面不动 。由于运动学无需考虑受力问题，因此不考虑减震器的阻尼和弹簧的刚度。建成的麦弗逊前悬架模型如图 2.2所示：

1.2 确定悬架运动特性参数

虽然麦弗逊式独立悬架具有结构简单、维修方便等众多优点，但是由于主销轴线位于减震器上支点和下摆臂外支点的连线上。因此，当悬架变形时，主销轴线也随之改变，车轮的定位参数前束角(Toe Angle)、车轮外倾角(Camber Angle)、主销后倾角(Caster Angle)、主销内倾角(Kingpin Inclination Angle) 及车轮转向角（Steer Angle）也都会相应改变，且变化量可能很大，从而会导致车轮严重的磨损，出现不足转向或过度转向，并且可能使汽车的稳态响应特性以及直线行驶的稳定性变差。

因此，对麦弗逊悬架进行优化，就必须使以上五个运动特性参数在悬架变形的时候，其变化量尽可能减小。

1.3 仿真分析

本文针对两侧车轮同向跳动进行动力学仿真分析。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50ram，得到悬架左右车轮同步上下跳动过程中主要性能参数的变化规律。仿真步数设为100步，车轮跳动行程为-50～50mm。进行仿真后，可以得到各种特性参数仿真曲线：

(1)外倾角

由图2.3可以看出外倾角变化曲线, 变化范围为- 1.69°～0.325°/50mm。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。故此悬架模型需要优化，使得外倾角特性尽量接近期望值。

(2)前束角

前束角变化的较理想特性值为：前轮上跳时，为0～0.5 °/50mm，图2.4中前轮上跳时的变化范围为-1.2°～2.0° /50mm，不满足设计要求，有待优化。

(3)主销后倾角

一般认为合理的主销后倾角为2°～3°。图2.5 中，主销后倾角变化曲线，变化范围在5.4°附近，过大，需要优化。

(4)主销内倾角

图2.6中的主销内倾角变化范围为9°～11.3°，偏大。为了减小转向时车轮与地面的滑动，减缓轮胎磨损，主销内倾角的变化范围有待优化。

（5）车轮跳动产生的转向角

由于车轮跳动产生的转向角影响汽车的操纵稳定性,而且会加剧轮胎的磨损，所以一般要求将该转角控制在一个较小的范围内。

车轮跳动产生的转向角：图2.7 为转角变化曲线，左、右车轮变化相反。

2、运行试验及悬架优化

2.1 运行试验

（1）首先，在ADAMS／Car模块中建立麦弗逊悬架总成，并且进行两侧车轮同向跳动的仿真，步数仍然为100，车轮上下跳动行程仍为50mm。建立麦弗逊悬架总成如图3.1：

（2）在ADAMS／Car中导入MSC.ADAMS/Insight 模块,运行实验，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。通过试验，对麦弗逊悬架的下摇臂前点( lca_front) 、后点( lca_ rear) , 转向拉杆内点( tierod_inner) 、外点( tierod _outer) , 下摇臂球头销( lca_outer) 等五个硬点的15 个坐标值( 每个点有X、Y、Z三个方向坐标) 进行分析,并且得出这些硬点的坐标值分别对不同的悬架运动特性参数是否有影响以及影响程度如何。设定每个坐标值的变动范围在- 20mm～20mm 之间。

（3）运行试验，仿真结束后，返回ADAMS/Insight查看结果。

（4）拟合结果，并选择统计特性评价拟合结果。

（5）响应值的获得。把拟合结果发布为HTML,用IE浏览器打开，可以改变设计因素的值，得到当前的响应值。

在多次试验之后，得出各硬点对各个不同悬架特性参数的影响，列出影响较明显的硬点如表3.1所示。

我们可以根据前面对拟合结果进行分析后得出的规律，对各个特性参数影响较明显的硬点坐标进行调整。即：影响量Effect%为正时，减小坐标数值，影响量Effect%为负时，增大相应的坐标数值。当某一个坐标对两个以上的特性参数有影响，并且影响趋势相反时，则看对哪个特性参数的影响更大，则按对哪个特性参数的趋势进行调整。

表3.1 硬点参数与悬架参数关系

2.2 优化悬架

根据表3.1可以比较出影响比较的大的一些参数，并对

它们进行调整如下表3.2所示。

按照表3.2调整这些硬点参数后，便得到了优化后的悬架硬点值，从而得到修改后的模型，并对此模型进行仿真分析，可以得到优化后的特性曲线与原来的特性曲线的对比图（具体将在3.3节中详细分析）。

表3.2 硬点参数改动表

2.3 优化后悬架性能的改善

（1）车轮外倾角优化前后对比。

从图3.2可以看出，优化后车轮外倾角的变化范围是-1．1°～-0．38°/50mm，比优化前的范围- 1.69°～0.325°/50mm要小。表明悬架性能得到改善。

(2)车轮前束角优化前后对比。

如图3.3所示，优化前，前束角的变化为-1.4°～2.2°/50mm，而优化后的变化范围大约为0°～1°/50mm，已经得到改善。

（3）主销后倾角优化前后对比。

从图3.4中得出，优化前主销后倾角在5.5°附近，而优化后，主销后倾角的变化范围在3°左右，大大小于优化前的变化范围，而且基本满足主销后倾角要求在2°～3°的设计要求。

（4）主销内倾角优化前后对比。

从图3.5中看出，优化前，主销内倾角的范围在9°～11.3°,而优化后范围为7.6°～8.25°,平均值比原先小了2°左右，这将减小转向时车轮与地面的滑动，减缓轮胎磨损。

（5）车轮跳动产生的转向角优化前后对比。

一般要求将车轮跳动产生的转向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。优化前的转向角范围偏大。从图3.6中可以看出优化后转向角范围比优化前明显减小，所以车轮跳动产生的转向角得到了改善，从而提高了汽车的操纵稳定性，减小了轮胎的磨损。

从以上优化结果可以看出，优化时选择的8个坐标点的改变，使得车轮的四个定位参数及车轮跳动产生的转向角得到了不同程度的改善，悬架性能得到了优化。

3、结束语

本文通过应用ADAMS软件对麦弗逊悬架进行了动力学仿真和优化，解决了车轮跳动过程中各定位参数变化过大及不符合设计要求范围等问题,使得轮胎磨损、不足转向或过度转向等问题得到了改观，提高了车辆直线行驶的稳定性。同时也说明了下摇臂（后点lca_rear）对车轮外倾角有较明显影响；转向横拉杆（内点tierod_inner）对前轮前束角有较大影响；下摇臂球头销( lca_ outer)对主销后倾角和前束角以及主销内倾角都有较明显影响。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。

[1] 陈家瑞．汽车构造(下册)[M]．北京：机械工业出版社，2000，167-246.

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[4] 陆丹，汤靖，王国林. 基于ADAMS的麦弗逊前悬架优化设计[J].中国制造业信息化，2003，33（8）：106.

Dynamic Simulation and Optimization of McPherson Suspension based on ADAMS

Tong Ningjuan, Xiao Yunna, Hui Peng, Wang Fenggang
（Shaanxi Handeaxle Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710201）

This paper is based on Multi-rigid Body System dynamics and establish a Multi-rigid Body model of McPherson Suspension with ADAMS/Car. Study five kinematic parameters of suspension including Toe Angle,Camber Angle, Caster Angle,Kingpin Inclination Angle, Steer Angle after simulating and analysing the suspension model whose two wheels bump and rebound to the same direction.Besides,in order to improve the performaces of the suspension,the five kinematic parameters are optimized with ADAMS/Insight from ADAMS/Car.Finally, compare the optimized curves of kinematic parameters with the original curves to gain better kinematic parameters.Then suspension has been optimized.

ADAMS; McPherson Suspension; Multi-rigid Body System Dynamics; Simulation and Optimization

U461.1

A

1671-7988(2014)11-35-05

童宁娟，就职于陕西汉德车桥有限公司。