基于ADAMS/Car的麦弗逊前悬架性能分析与优化

江 铮，尹荣栋，赵振东 Jiang Zheng，Yin Rongdong，Zhao Zhendong



基于ADAMS/Car的麦弗逊前悬架性能分析与优化

江 铮，尹荣栋，赵振东 Jiang Zheng，Yin Rongdong，Zhao Zhendong

（南京工程学院 汽车与轨道交通学院，江苏 南京 211167）

针对某国产车型前悬架设计不合理问题，建立该悬架运动学模型，分析前轮定位参数随前轮垂向运动的变化情况；通过灵敏度分析，找出了对悬架各性能参数影响较大的硬点变量；通过对关键硬点坐标的调整，选出最优方案，使该悬架各参数均得到优化，同时也使前束变化规律趋于合理；结论表明，悬架性能得到明显提升，对悬架的改进优化具有指导意义。

麦弗逊悬架；运动学分析；优化设计

0 引 言

麦弗逊悬架是目前最为常见的悬架类型，麦弗逊悬架具有结构简单、布局紧凑、悬架质量轻、占用空间小和制造成本低等特点[1]。随着车辆速度的不断提升，悬架对汽车操纵稳定性影响显著提升，对汽车悬架性能提出更高的要求。悬架的好坏主要取决于车轮跳动时车轮定位参数的变化，车轮定位参数对汽车行驶的稳定性、转向特性以及轮胎磨损都有很大的影响，一般希望车轮定位参数随车轮垂向跳动变化越小越好[2]。目前对于麦弗逊悬架的分析主要采用基于空间运动学的数值分析方法[3]和基于多体力学软件的仿真分析方法[4-6]。运用多体力学软件ADAMS/Car建立麦弗逊式前悬架运动学模型，分析悬架性能，找出悬架设计的不足；运用ADAMS/Insight模块，对悬架前轮定位参数进行灵敏度分析；根据分析结果，调整对目标参数影响较大的硬点坐标，优化前轮定位参数。

1 模型的建立[7-8]

建立悬架模型前，需要先对悬架系统进行合理简化，该悬架主要部件包括减振器、减振弹簧、转向节、下控制臂和转向横拉杆，再根据悬架各部件之间的运动关系，通过添加运动副来模拟各部件间的连接方式，悬架拓扑结构如图1所示[9]。实车测量悬架关键硬点坐标见表1。

表1 麦弗逊前悬架（左）硬点坐标

X坐标Y坐标Z坐标 减振器上安装点 54.15-562.3657.4 弹簧下安装点 5.65-586.4150.2 减振器下安装点-15.65-736.4 50.2 前轮中心-16.54-989.06 45.77 转向横拉杆外点124.44-678.01 77.81 转向横拉杆内点169.53-333.04 62.92

续表1

在ADAMS/Car模块中，采取自下而上的建模方式建立多刚体运动学模型，如图2所示。

2 麦弗逊悬架的性能分析[10]

2.1 麦弗逊悬架仿真试验

模型建立完毕后，进行仿真步数为100、车轮跳动范围为上下50 mm的双轮同跳试验，提取各前轮定位参数随车轮垂向跳动变化的曲线，如图3～6所示。

2.2 前轮外倾角

车轮内倾会加剧轮胎磨损，还会加大车轮各部件所受载荷；因此设计安装悬架时通常留有一个向外的倾斜角度即外倾角，但外倾角的存在会使车轮有向两侧滚开的趋势，行驶过程中轮胎在地面边滑边滚，同样会加剧轮胎磨损；因此外倾角预留不宜过大，通常不大于1°。

如图3所示，在车轮垂向位移为0时外倾角为0.75°。车轮上下跳动50 mm过程中，前轮外倾角由1.7°减小到0°，变化幅度为1.7°，变化较大。

2.3 主销后倾角

主销后倾角是汽车侧视时，主销轴线相对于地面垂直线的倾角。主销后倾角能够使车轮形成回正力矩，保证车轮稳定直线行驶，但主销后倾角设计过大会使转向盘沉重、轮胎磨损加速等。

如图4所示，主销后倾角设计较大，后倾角随轮跳的变化范围较为合理。

2.4 主销内倾角

主销内倾角是汽车前视时，前轮的主销轴线相对于地面垂直线的倾角。主销内倾角能够产生自动回正力矩，使转向盘转动更为省力，还能缓解路面给转向盘带来的冲击，可以改善汽车的操纵性。但主销内倾角设计过大也会带来转向盘沉重、轮胎磨损加速等问题。

如图5所示，主销内倾角设计偏大，随轮跳的变化范围较大。

2.5 前轮前束角

前束角是汽车俯视时，车轮中心线与汽车纵向对称轴线的夹角。前束角的存在，会使车轮有向内滚进的趋势，车轮在地面也会发生边滑边滚的现象，会加剧轮胎的磨损。但合理的前束角可与预留的外倾角相互补偿，减少轮胎磨损。前束角过大会导致车胎磨损加剧，前束角随轮跳变化趋势不合理会出现过度转向等问题[11]，合理的前束设计是车轮上跳时前束角朝负前束变化，车轮下跳时前束角朝正前束变化。

如图6所示，车轮垂向位移为0时，前束角为0.15°。车轮上下跳动50 mm过程中前束角变化范围较为合理。但车轮上跳时前束角曲线朝正前束变化，车轮下跳时前束角曲线朝负前束变化，变化趋势不合理。

3 麦弗逊悬架优化

3.1 灵敏度分析

利用ADAMS/Insight模块，依据经验选取下控制臂前后点、下控制臂外点、减振器上下安装点和转向横向拉杆内外点7个关键硬点，以关键硬点的、、方向坐标为变量（共21个变量），进行128次迭代，得到每个变量对目标参数的灵敏度，分析结果如图7所示。

3.2 敏感硬点优化

从图7中分别找出对各前轮定位参数影响最大的变量；其中，对前束角影响大的变量较多，选取2个；最终，选取减振器下安装点向、减振器上安装点向、下控制臂外点向、横向拉杆外点向及横向拉杆内点向作为优化变量。为了拟合的准确性，设置减振器下安装点向与减振器上安装点向的变动范围为（-70，70），下控制臂外点向变动范围为（-15，15），横向拉杆外点向与横向拉杆内点向的变动范围为（-5，5），利用ADAMS/Insight模块，对前轮各参数进行优化。优化后，得到减振器下安装点坐标为（-15.65，-676.4，50.2），减振器上安装点坐标为（54.15，-562.3，677.4），下摆臂外点坐标为（-12.02，-682.56，-20.15），转向横拉杆外点坐标为(124.44，-678.01，82.81），转向横拉杆内点坐标为（169.53，-333.04，57.92）。

3.3 优化前、后对比

优化后，再次对悬架进行双轮同向跳动仿真试验，试验结果如图8～11所示。

相比优化前，优化后的前轮外倾角随车轮跳动的变化范围由1.7°到0.97°，外倾角绝对变化幅度有较大的减小。前束角变化趋势合理，避免了前轮前束恶化的问题，虽然车轮跳动过程中前束角的绝对变化幅度有略微增大，但仍在合理范围内。同时，主销后倾角与主销内倾角也有不同程度的减小。

4 结 论

通过实车测量某款国产车型的前麦弗逊悬架硬点参数，在ADAMS/Car模块中搭建了该悬架的动力学模型。通过双轮同跳仿真试验，发现该车存在车轮跳动过程中前轮外倾角变动范围较大，前束角变化规律不合理以及主销后倾角和主销内倾角偏大等问题。

基于ADAMS/Insight模块，找出对各前轮定位参数最敏感的变量。对敏感点坐标进行调整以优化各前轮定位参数。

优化分析结果表明，车轮跳动过程中前轮外倾角变动绝对范围有较大的减小，前束角变化规律趋于合理，同时主销外倾角及主销内倾角都有不同程度的减小，这些变化对悬架性能的提升都是有利的。

其他类型的悬架也可使用该方法进行优化，对悬架性能的提升具有指导意义。

[1]王霄锋. 汽车底盘设计[M]. 北京：清华大学出版社，2010.

[2]郭孔辉. 汽车操纵动力学原理[M].南京：江苏科学技术出版社. 2011.

[3]耿庆松，秦伟，黄勇刚，等. 麦弗逊独立悬架空间运动学分析[J]. 机械设计与制造，2015（1）：20-23.

[4]雷刚，樊伟. 基于AFSMS的某车麦弗逊前悬架仿真分析[J]. 重庆理工大学学报，2011（9）：1-5.

[5]钱尼君，黄菊花，张庭芳. 汽车前悬架系统动力学仿真与分析[J]. 南昌大学学报（工科版），2008，30（1）：49-52.

[6]李琤，倪晋挺，姜能惠. 基于ADAMS/Insight的麦弗逊前悬架振动分析及优化设计[J]. 噪声与振动控制，2017，37（1）：63-67.

[7]陈军. MSC.ADAMS技术与工程分析实例[M]. 北京：中国水利水电出版社，2008.

[8]李增刚. ADAMS入门详解与实例[M]. 北京：国防工业出版社，2014.

[9]吴志先，孙跃东. 基于ADAMS的汽车悬架系统结构优化仿真[J]. 制造业自动化，2012，34（10）：84-86.

[10]蔡加加，王东方，苏小平. 车轮定位参数对操纵稳定性影响研究[J]. 机械设计与制造，2014（4）：70-72.

[11]秦伟，耿庆松，黄勇刚，等. 某车型麦弗逊转向悬架分析与优化设计[J]. 农业机械学报，2014，45（10）：15-21.

2017-04-06

1002-4581（2017）04-0027-04

U463.33

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.04.008