针对悬架运动特性的汽车前悬架优化设计

王宇星，涂俊波，徐光忠，于海东，曹从杰，李昊轩

（辽宁工业大学，辽宁锦州　121001）



针对悬架运动特性的汽车前悬架优化设计

王宇星，涂俊波，徐光忠，于海东，曹从杰，李昊轩

（辽宁工业大学，辽宁锦州121001）

摘要：以某汽车麦弗逊式前悬架作为优化对象，针对悬架运动特性主要需要考虑的车轮定位参数变化情况，运用多体动力学软件ADAMS的多个模块对其进行了分析以及优化处理。对比优化前后曲线能发现，各个车轮定位参数已满足设计要求，使其运动特性得到一定程度改善。该优化方法对同类型悬架有着一定借鉴价值。

关键词：汽车前悬架；运动特性；车轮定位参数

悬架运动学的研究包括运动过程中及受力或者是力矩时所表现出的特性，这种特性具体指的是悬架的评价参数在车轮发生上下跳动时以及进行转向时的变化关系，这种变化关系称为悬架的运动学特性或者几何学特性，即K特性。由于麦弗逊式悬架主要的两个结构部件是滑动立柱和横摆臂，因此也被称作是滑柱连杆式悬架，它突出的优点是相较于其他类型悬架更为节省空间，便于发动机和其他一些部件的布置，缺点则是滑动立柱摩擦和磨损较大。该类型悬架也是目前在前置前驱轿车和某些轻型客车上应用最为广泛的一种结构形式。

1　动力学模型的建立

ADAMS/Car提供了若干示范模板以供用户直接调用，但是由于由于具体结构的不同，所以自建模型是很有必要的。由于麦弗逊式悬架在结构上较为简单，因此在简化模型时，主要将模型按照弹性元件、阻尼元件、导向元件这三大部分进行简化。模型简化完成以后，就需要对各个连接处硬点的坐标进行测量，在这里选择的硬点包括：下摆臂和车架相连的前后轴套中心点，转向节相连的球铰中心点；减振器上下安装点，螺旋弹簧由于和减振器共用一个上安装点，因此建模时只需要一个下安装点；转向横拉杆的内、外连接中心点以及车轮中心点一共九个硬点参数作为建模所需坐标参数，具体数值如表1所示。

表1　前悬架动力学模型硬点参数

各个硬点坐标准备完毕之后，在ADAMS中Car模块的建模器界面完成悬架模板文件的建立，之后通过标准界面创建子系统文件以及总装配文件，此时系统会添加轮胎部件以及MDI_SUSPENSION_TESTRIG仿真试验台。

2　仿真试验分析

建立完成的麦弗逊式前悬架执行双轮同向激励仿真，仿真步数设定为20，车轮上下跳动行程为-50mm～50mm，试验结束后调用Postprocessor模块观察各个运动特性变化曲线。

（1）前轮外倾角。为了使轮胎磨损均匀和减轻轮毂外轴承的负荷，安装车轮时应预先使车轮有一定的外倾角，以防止车轮内倾，同时车轮也可以与拱形路面相适应。但角度太大也将导致轮胎加速磨损，通常不超过1°。由图1曲线可以观察到，前轮外倾角由0.19°减小到-1.86°，角度数值满足设计要求，而且外倾角随着车轮向上运动而减为负值，整体趋势较为合理。

图1　前轮外倾角变化曲线

（2）主销后倾角。在设计转向桥时，使主销在汽车的纵向平面内有向后的一个倾角，即主销轴线和地面垂直线在汽车纵向平面内的夹角。它能形成回正的稳定力矩，但是该角度也不应过大，否则会造成转向沉重，车辆通常设计的数值要小于2°～3°。由图2曲线可以观察到，主销后倾角由-0.29°增大到0.70°，虽然角度随着车轮向上运动而增大，整体趋势符合设计要求，但角度数值偏小，导致回正力矩作用不明显，因此需要进行优化处理。

图2　主销后倾角变化曲线

（3）主销内倾角。主销内倾角有使车轮自动回正的作用，还能减少转向时驾驶员加在转向盘上的力，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。采用的角度通常在7°～13°之间。由图3曲线可以观察到，主销内倾角随着车轮上跳从8.23°增大到10.47°，角度数值满足设计要求，整体变化趋势也较为合理，因此不需要进行优化处理。

图3　主销内倾角变化曲线

（4）车轮前束角。车轮有了外倾角后，滚动时会导致两侧车轮向外滚开，而由于转向横拉杆以及车桥的约束使车轮不可能向外滚开，而出现边滚边滑的现象，加剧轮胎的磨损。前束角就能最大程度减弱甚至消除这种影响。由图4曲线可以观察到，角度由1.57°减小到-1.34°，虽然随着车轮上跳，角度变为负值符合设计要求，但是变化范围过大，应当通过优化处理适当缩小角度数值。

图4　车轮前束角变化曲线

3　运动特性优化处理

对前悬架针对运动特性优化，主要需要优化的包括主销后倾角以及车轮前束角。由于主销轴线是减振器上、下安装点的连线，因此选择strut_upper、strut_lower两个硬点的三个方向坐标作为优化变量，而车轮前束由于可以通过转向横拉杆来调整，所以还需要选择tierod_inner、tierod_outer的三个方向坐标也作为优化变量。

运用Insight模块，对所选择的12个坐标参数进行灵敏度分析，变化范围设置为-10mm～10mm，迭代解算次数设为256次，在保证解算的精度同时减少运算耗时。根据灵敏度的不同选择硬点坐标进行优化，优化前后坐标对比如表2所示。

表2　硬点坐标优化前后对比

优化之后车轮外倾角并未发生较大变化，而从图5可以看到，主销后倾角在优化后变化范围为1.20°～1.74°，角度值变大但是整体变化趋势与优化前保持一致，已满足设计要求。

图5　主销后倾角对比曲线

图6　车轮前束角对比曲线

由于调整了主销轴线的位置，使得主销

内倾角的角度数值也发生了改变，由7.33°增大到9.46°，但是依然处于合理范围内。

最后，由图6可以观察到，车轮前束角在优化后由0.43°减小到-0.33°，整体趋势没有发生改变，但是变化区间得到了较大优化，已经符合设计要求数值。

4　结语

通过在ADAMS中的Car模块完成麦弗逊式前悬架动力学模型的建立，进行其系统与仿真试验台装配，针对悬架运动特性运用Postprocessor模块观察了各个车轮定位参数的变化情况，分析得出主要有主销后倾角以及车轮前束角需要进行优化处理，将影响这两个车轮定位参数的硬点坐标作为优化变量，运用Insight模块对其进行灵敏度分析，对影响较大的几个坐标进行修改，最后得到各个角度变化的对比情况。通过整个优化处理流程，可以看到悬架运动特性更加符合设计要求，从而将得到更加优异的整车性能。

参考文献

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［4］姜栋.橡胶衬套刚度对悬架K&C特性及整车稳太转向性能影响的分析［D］.江苏：江苏大学，2011.

［5］张培培.汽车悬架系统的动力学分析与仿真试验［D］.西安：长安大学，2005.

［6］毛南海，宁晓斌，谢伟东.基于ADAMS的汽车前悬架动力学仿真及优化［J］.机械制造，2010，（9）：12-15.

The Optimal Design of Automobile Front Suspension Aimed at Suspension Movement Characteristics

WANG Yu-xing，TU Jun-bo，XU Guang-zhong，YU Hai-dong，CAO Cong-jie，LI Hao-xuan
（Liaoning University of Technology，Jinzhou，Liaoning 121001，China）

Abstract:By taking a McPherson suspension as optimization object，in view of the changes of wheel alignment parameters that suspension movement characteristics mainly need to consider，using several modules of multibody dynamics software ADAMS on the analysis and optimization.Compared curves before and after optimization，it can be found that each wheel alignment parameters meet the design requirements，its movement characteristics have been improved to a certain extent，the optimization method also has certain reference value for the same type suspension.

Key words:automobile front suspension；movement characteristics；wheel location parameter

作者简介：王宇星，主要研究方向：汽车仿真设计。

基金项目：汽车仿真与控制国家重点实验室开放基金项目（20111117）；辽宁工业大学基金项目（X201206）；辽宁工业大学大学生创新训练计划项目。

收稿日期：2015-12-10

中图分类号：U46

文献标识码：A

文章编号：2095-980X（2016）01-0052-02