李 琤，倪晉挺，姜能惠

（安徽機電職業(yè)技術學院 汽車工程系，安徽 蕪湖 241000）

基于Adams/Insight的麥弗遜前懸架振動分析及優(yōu)化設計

李 琤1，倪晉挺2，姜能惠3

（安徽機電職業(yè)技術學院 汽車工程系，安徽 蕪湖 241000）

以某款緊湊型轎車的麥弗遜前懸架為研究對象，在Adams/Car模塊中建立懸架系統(tǒng)動力學模型，進行仿真試驗，并根據仿真結果分析車輪跳動時各項參數的變化規(guī)律。針對分析中存在的主銷外傾角和主銷內傾角變化范圍較大的問題，使用Adams/Insight模塊對該懸架的部分硬點位置進行優(yōu)化設計。優(yōu)化結果表明：調整下控制臂、轉向橫拉桿和滑柱的部分硬點坐標，可以減小各項參數在車輪跳動中振動幅度，改善車輛的行駛穩(wěn)定性。

振動與波；Adams/Insight；麥弗遜懸架；硬點；優(yōu)化設計

懸架是汽車底盤的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響著汽車的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性。其中，汽車前懸架的運動特性主要包括車輪定位參數與車輪跳動之間的關系，對汽車操縱穩(wěn)定性至關重要。麥弗遜懸架是一種鉸接式滑柱與下橫臂組成的懸架形式，布置緊湊，結構簡單，響應速度快，有較好的行駛穩(wěn)定性，因此被廣泛運用于緊湊型轎車的前懸架上。但是，由于在麥弗遜式懸架中，傳統(tǒng)的主銷被取消，虛擬的主銷位置被減振器與車身連接中心和橫擺臂與轉向節(jié)連接鉸鏈中心的連線所替代。因此，當懸架在跳動時，主銷軸線會隨跳動而改變，從而前輪定位參數和車輪中心側滑量也都會相應改變[1–2]。如果懸架結構設計不合理，就會嚴重影響汽車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。

本文以某緊湊型轎車的麥弗遜前懸架為研究對象，借助Adams/Car模塊，構建該懸架的運動學模型，模擬計算該轎車前懸架的運動學和動力學規(guī)律。同時，使用Adams/Insight模塊進行虛擬試驗，對運動學和動力學變化規(guī)律不合理的參數進行優(yōu)化，明顯改善了車輛的操縱穩(wěn)定性，最終達到優(yōu)化設計的目的。

1 懸架模型的建立

1.1 前懸架模型的分析

圖1 麥弗遜懸架結構示意圖

麥弗遜懸架結構如圖1所示。懸架主要由車體1，螺旋彈簧2，減振器上體3，轉向節(jié)總成（包含減振器下體）4，轉向橫拉桿5，轉向器齒條6，下擺臂7和車輪總成8組成[3]。其中，車體1相對地面不動；車體1和減振器上體3以球副A約束；減振器上體3和轉向節(jié)總成4通過移動副B約束；轉向節(jié)總成4和轉向橫拉桿5通過球副C約束；同時和下擺臂7也通過球副E約束；下擺臂7另一端通過兩個旋轉副G、F與車體1約束；轉向節(jié)總成4和車輪總成8通過旋轉副D約束；轉向橫拉桿5和轉向器齒條6通過萬向節(jié)副H約束；轉向器齒條6通過固定副I連接在車體1上。所有襯套、彈簧和減振器的屬性文件根據整車數據編寫。所有剛體的質量質心位置和轉動慣量從軟件中獲得。

1.2 模型關鍵點的坐標

Adams懸架模型建立的關鍵在于懸架硬點的空間坐標和相關參數，硬點說明如圖2所示。

圖2 麥弗遜前懸架運動學仿真模型及硬點說明

根據某款緊湊型轎車的設計參數，獲取在空載情況下懸架左側的空間坐標，如表1所示。

由于懸架左右對稱，所以在Adams環(huán)境下只需要輸入單側模型的參數系統(tǒng)，則另一邊懸架模型會自動建立。

表1 懸架左側關鍵硬點空間參數 mm

1.3 建立仿真模型

根據懸架硬點參數，建立麥弗遜前懸架子系統(tǒng)和齒輪齒條轉向子系統(tǒng)，然后將二者與試驗臺系統(tǒng)裝配在一起，得到麥弗遜前懸架運動學仿真模型[4]，如圖2所示。

在仿真前需要設置懸架參數，參數均為某款車型的整車設計參數，如表2所示。

表2 整車懸架參數

2 懸架運動特性仿真分析

2.1 仿真試驗設計

為了分析車輪定位參數隨車輪跳動的變化規(guī)律，在Adams/Car中進行平行輪跳（Parallel Travel）試驗，步數設為30，仿真類型為運動學特性[5]，輪胎跳動量為正負50 mm。

仿真完成后在Adams/Post Processor模塊下查看車輪外傾角、車輪前束角、主銷內傾角、主銷后傾角以及車輪中心側滑量隨車輪跳動的變化曲線。

2.2 懸架運動特性分析

車輪跳動時，前輪外傾角變化對車輛的穩(wěn)態(tài)響應特性有很大的影響，一般希望車輪從滿載位置起上下跳動的50 mm的范圍內，車輪外傾角變化在-2.0°～1.0°之間。本車型外傾角隨車輪跳動的變化曲線，如圖3（a）所示。

圖3 （a）前輪外傾角對車輪跳動的變化曲線

其變化范圍為0.687 5°～-0.131 8°/50 mm，基本滿足要求。

前束角的作用是消除外傾角的不良影響，保證汽車直線行駛。但是，在車輪跳動的過程中，如果車輛前束角變化過大，將會加速輪胎磨損，影響直線行駛穩(wěn)定性。一般設計希望能盡量減小前束角的變化，其理想特性為：前輪上跳時，為0至負前束，變化范圍在-0.5°～0.5°之間。本車型前束角隨車輪跳動的變化曲線，如圖3（b）所示。

圖3 （b）前輪前束角隨車輪跳動的變化曲線

其變化范圍為0.118 2°～-0.358 3°/50 mm。前束角基本符合要求。

主銷后傾角的作用是當汽車直線行駛中，偶遇外力而稍有偏轉時，車輪能提供自動回正力，保證汽車直線行駛的穩(wěn)定性。設計中一般要注意兩點：一是要保證汽車載荷出現變化時，主銷后傾角的變化不能過大；二是保證在制動時后傾角不過小，希望它在車輪上跳時具有增大的趨勢。一般認為合理的后傾角，無助力轉向時，應在2°～3°的范圍內。本轎車為機械轉向系，主銷后傾角隨車輪跳動的變化曲線，如圖3（c）所示。

圖3 （c）主銷后傾角隨車輪跳動的變化曲線

其變化范圍為3.665 8°～4.472 6°/50 mm，設計角度偏大，需要進一步優(yōu)化。

主銷內傾的作用是在汽車低速行駛時，提供一定的回正作用。設計中既要保證合理的回正力矩，又要考慮輪胎的磨損與轉向輕便性，一般取值在7°～13°，同時在車輪上跳過程中呈增加趨勢。本車型主銷內傾角隨車輪跳動的變化曲線，如圖3（d）所示。

圖3 （d）主銷內傾角隨車輪跳動的變化曲線

其變化范圍為11.880 8°～14.022 5°/50 mm，設計角度偏大，需要進一步優(yōu)化。

車輪中心側移量是指車輪上跳或下落的過程中，接地點產生的橫向位移變化。對于獨立懸架的設計，要求側移量盡量小。過大的側移量會導致輪胎的偏磨，也會影響汽車的操縱穩(wěn)定性。本車型車輪中心側移量隨車輪跳動的變化曲線，如圖3（e）所示。

圖3 （e）車輪中心側移量隨車輪跳動的變化曲線

其變化范圍為3.891 4 mm～-0.030 5 mm/50 mm，優(yōu)化中應注意，車輪中心側滑量變化幅度不應增大。

3 懸架的優(yōu)化設計

3.1 優(yōu)化方法的選擇和優(yōu)化目標的確定

使用Adams/Insight模塊，對麥弗遜懸架進行優(yōu)化設計[6]。本文采取對懸架硬點坐標進行調整，來優(yōu)化懸架的運動學性能。針對前文所述，取車輪跳動過程中主銷后傾角和主銷內傾角的變化量的最小值為優(yōu)化目標。優(yōu)化過程中，其他四輪定位參數和車輪中心側滑量也會發(fā)生變化，因此要觀察優(yōu)化后的各參數是否仍然都在合理的變化范圍內。

3.2 設計變量的選擇和目標函數的建立

選取下控制臂外點（hpl_lca_outer）、轉向橫拉桿內 點（hpl_tierod_inner）和 滑 柱 上 安 裝 點（hpl_top_mount）的坐標值作為設計變量。各設計變量的變化范圍設為±10mm，3個硬點在x、y、z3個方向上共9個坐標值。

試驗方法設定結束后，創(chuàng)建系統(tǒng)工作矩陣。最后通過256次迭代計算，完成優(yōu)化過程。

計算完成后，以標準方差（Anova）工具進行擬合[7]。R2和R2adj表示擬合的好壞，0＜R2＜1，越大越好；R2adj通常略小于R2。P表明擬合式中是否有有用項，P越小，說明有用項越多。表示模型的計算值和原始數據點之間的關系，越高越好。各項擬合良好程度項檢查值如表3所示。

表3 擬合良好程度項擬合值

由表中數值可知，擬合設計變量和優(yōu)化目標之間的關系符合要求。

根據整個優(yōu)化設計過程，從導出的web頁面可以分析出各個設計變量對優(yōu)化目標的影響[8]。根據優(yōu)化結果，列出了優(yōu)化設計前后的硬點坐標變化，如表4所示，需優(yōu)化的硬點如圖4所示。

圖4 前懸架系統(tǒng)需優(yōu)化的硬點示意圖

3.3 仿真結果分析與討論

根據表5列出的硬點坐標，返回Adams/Car的懸架模型中，調整這些硬點參數后，得到修正后的模型。再一次進行仿真，將得到的曲線與優(yōu)化后的曲線進行比較分析。前輪定位參數優(yōu)化前后結果對比，如圖5（a）－圖5（e）所示。

圖中所有實線為優(yōu)化前結果，虛線為優(yōu)化后結果。數據結果如表5所示。

表4 主要硬點坐標優(yōu)化前后對比 mm

圖5 （a）主銷后傾角優(yōu)化前后對比圖

由圖5（a）分析可知，主銷后傾角隨輪跳的變化范圍由3.665 8°/50 mm～4.472 6°/50 mm優(yōu)化為2.066 4°/50 mm～2.618 1°/50 mm，振動幅度減少了31.62%，同時優(yōu)化后的數值在無助力前置轎車主銷后傾角2°～3°的范圍內，滿足優(yōu)化要求。

由圖5（b）分析可知，主銷后傾角隨輪跳的變化范圍由11.880 8°/50 mm～14.022 5°/50 mm優(yōu)化為11.193 6°/50 mm～13.002 5°/50 mm，振動幅度減少了5.36%，同時，主銷后傾角的優(yōu)化后數值基本滿足7°～13°的設計要求，滿足優(yōu)化要求。

圖5 （b）主銷內傾角優(yōu)化前后對比圖

在滿足優(yōu)化了主銷后傾角和主銷內傾角的同時，也要注意前輪外傾角和前輪前束的變化情況。由圖5（c）和圖5（d）曲線分析可知，前輪外傾角從0.687 5°～-0.131 8°/50 mm優(yōu)化為0.580 7°～-0.067 3°/50 mm，前輪前束從0.118 2°～-0.358 3°/ 50 mm優(yōu)化為0.081 5°～-0.311 1°/50 mm。優(yōu)化后的前輪外傾角仍在設計要求范圍內，振動幅度減少20.91%；優(yōu)化后的前束角更接近0值附近，振動幅度減少17.61%，也實現了進一步的優(yōu)化。

表5 優(yōu)化前后參數對比

圖5 （c）前輪外傾角優(yōu)化前后對比圖

圖5 （d）前輪前束角優(yōu)化前后對比圖

最后，由圖5（e）分析可知，車輪中心側滑量隨輪跳的變化范圍由3.891 4 mm/50 mm～-0.030 5 mm /50 mm優(yōu)化為3.489 7 mm/50 mm～-0.001 8 mm/ 50 mm/50 mm，振動幅度減少了10.97%，提高了車輛的行駛穩(wěn)定性。

圖5 （e）車輪中心側滑量優(yōu)化前后對比圖

通過上述分析得到，車輪主銷后傾角和主銷內傾角的優(yōu)化目標得到后，前輪外傾角、前輪前束和車輪中心側滑量均得到了優(yōu)化，優(yōu)化后的懸架運動學特性得到了改善，輪胎磨損減小，優(yōu)化設計成功。

4 結語

（1）利用Adams/Car建立了某緊湊型轎車麥弗遜前懸架運動學的精確模型，通過平跳試驗仿真分析，得出該車型的主銷后傾角和主銷內傾角隨車輪跳動變化較大?；贏dams的虛擬樣機技術建立的懸架模型，可以更加接近實車懸架系統(tǒng)的復雜特性，讓仿真結果更加準確；

（2）利用Adams/Insight模塊，以下控制臂、轉向橫拉桿和滑柱的硬點坐標為優(yōu)化對象，對懸架定位參數的影響進行了仿真分析和優(yōu)化設計。優(yōu)化后的懸架，運動學性能得到了一定的提升，較好地解決了懸架在建模過程中模型建立的不合理性；

（3）通過虛擬樣機技術和優(yōu)化設計的方法，能有效地檢驗汽車產品的設計性能，并進行有效的優(yōu)化指導，縮短產品的開發(fā)周期。

[1]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009：138.

[2]周紅妮.基于Adams的汽車前懸架仿真分析及優(yōu)化方法研究[J].湖北汽車工業(yè)學院學報，2010，24（3）：5-8.

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[5]陳軍.MSC Adams技術與工程分析實例[M].北京：中國水利水電出版社，2008：114-115.

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[7]丁亞康，翟潤國，井緒文.基于Adams/Insight的汽車懸架定位參數優(yōu)化設計[J].汽車技術，2011(5)：33-36.

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VibrationAnalysis and Optimal Design of the Macpherson Front Suspensions Based onAdams/Insight

LICheng1,NI Jin-ting2,JIANG Neng-hui3
(Department ofAutomobile Engineering,Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering,Wuhu 241000,Anhui China)

Macpherson front suspension of a certain type of compact vehicle is studied.A dynamics model of the suspension system is established by using Adams/Car module.The kinematics simulation of the suspension is carried out. The variation rule of each parameter related to wheel jumpiness is analyzed according to the simulation result.To solve the problem of the excessive changes of the caster angle and the kingpin inclination angle in the analysis,Adams/Insight module is applied to optimize the locations of some hard points of the suspension.Results of the optimization show that the vibration magnitudes of the parameter related to the wheel jumpiness can be reduced by adjusting the coordinates of the hard points of the lower control arm,steering tie rod and the strut to improve the performance of driving stability.

vibration and wave;Adams/Insight;Macpherson suspension;hard point;optimal design

U467.4+92

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2017.01.014

1006-1355(2017)01-0063-05

2016-05-22

2015年院級請教教師發(fā)展支持教科研項目資助（2015yjzr013）

李琤（1986－），女，安徽省蕪湖市人，碩士生，主要研究方向為汽車懸架振動學。E-mail:licheng_nefu@163.com