基于adams的麦弗逊前悬架参数优化设计

第57卷 第10期Vol. 57 No. 10
2019年10月
October 2019农业装备与车辆工程
AGRICULTURAL EQUIPMENT & VEHICLE ENGINEERING
doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2019.10.009
基于ADAMS的麦弗逊前悬架参数优化设计
梁玉瑶，王琳，韦鹏
（233030 安徽省 蚌埠市 蚌埠学院 机械与车辆工程学院）
[摘要]为了更好地改善悬架的运动学性能，首先利用ADAMS/Car模块建立汽车麦弗逊前悬架模型，进行
双轮平行跳动和异向跳动仿真试验，分析各定位参数在车轮跳动过程中的变化范围。

然后利用ADAMS/
Insight模块对前轮定位参数中的减震器上下支点、转向拉杆内外点、下摆臂外点等硬点坐标进行调整，对
汽车前轮定位参数进行优化。

结果显示，前轮前束角、前轮外倾角、主销后倾角和主销内倾角均达到了理
想变化范围，其中，前轮前束角优化效果最为显著。

[关键词] 麦弗逊悬架；ADAMS；定位参数；优化设计
[中图分类号] U463.33 [文献标识码] A [文章编号] 1673-3142(2019)10-0037-04
Parameters Optimized Design of McPherson Front Suspension Based on ADAMS
Liang Yuyao, Wang Lin, Wei Peng
(School of Mechanical and Vehicle Engineering, Bengbu College, Bengbu City, Anhui Province 233030, China) [Abstract] In order to improve the kinematics performance of the suspension, first, ADAMS/Car module was used to build the McPherson front independent suspension model, and the suspension is simulated by parallel and opposite travel of two wheels. The change range of the positional parameters during the wheels travel is analyzed. Then some hard point coordinates such as Strut_lwr_mount/ Top_mount, Tierod_inner/ outer and Lca_outer in ADAMS/Insight module are adjusted to optimize the front wheel positioning parameters. The results show that the front wheel toe angle, camber angle, front wheel kingpin caster angle and kingpin inclination angle have reached the ideal range. The front wheel toe angle optimization is the most significant.
[Key words] McPherson suspension; ADAMS software; positional parameters; optimized design
0 引言
麦弗逊悬架以其结构简单，轻量、响应速度快等优点被最广泛应用在轿车的前悬架，用来传递车轮与车身之间的力与力矩，并缓和汽车行驶时不平路面所带来的冲击，保证汽车行驶平顺性和操纵稳定性[1]。

但在不同工况下，悬架在上下跳动变形时，主销轴线随之发生变化，势必会影响前轮前束角、前轮外倾角、主销后倾角和主销内倾角等参数的改变。

如果悬架结构设计不当，将会对汽车的使用性能产生较大的影响。

近年来，许多研究人员对悬架的结构设计及定位参数优化做了大量的研究，王若平[2]等利用ADAMS 软件对麦弗逊前悬架进行车轮同向跳动仿真试验，并对车轮定位参数进行优化设计，从而较好地解决了轮胎磨损问题。

Zhang Jingming[3]等基于ADAMS/Car针对麦弗逊前悬架主销外倾角和前轮前束角进行仿真优化，从而保证汽车行驶的操纵稳定性。

实际行车中，车轮有同向跳动和异向跳动，而目前对悬架的仿真研究，主要是通过车轮同向跳动试验进行。

一些车辆按照原厂车轮定位参数进行调整后，轮胎仍有异常磨损[4-8]。

为了更好地对悬架定位参数进行优化设计，保证车辆行驶平顺性和驾驶安全性。

本文以某乘用车为例，利用ADAMS/Car模块建立麦弗逊独立前悬架模型，并进行双轮平行跳动和异向跳动试验，结合前轮前束角、前轮外倾角、主销后倾角和主销内倾角等随轮跳行程的变化曲线，利用ADAMS/ Insight模块对悬架硬点坐标进行调整，从而达到优化前轮定位参数的目的，最后对不同悬架性能优劣进行对比分析。

采用ADAMS仿真软件对悬架进行仿真分析优化，不仅可提高汽车的主动安全性，还能够缩短产品开发周期，降低产品设计成本，对汽车领域相关技术的深入研究有着重要的意义。

1 麦弗逊悬架的模型建立
麦弗逊悬架主要由下摆臂、螺旋弹簧、减震器等部分组成，其结构示意图如图1所示。

车体
基金项目：安徽省高等学校教学研究项目（2015zy145）；安徽省高等学校质量工程项目（2017jyxm0540）
收稿日期: 2018-09-21 修回日期: 2018-10-08
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1和减震器上体3通过球副A约束；转向节总成4与减震器下体3、转向横拉杆5、下摆臂7分别通过移动副B、球副C、球副E约束；下摆臂7又通过2个旋转副G、F与车体1约束；转向节总成4和车轮总成8通过旋转副D约束；转向横拉杆和转向器通过万向节H约束；转向节齿条6通过固定副I与车体1连接。

根据某款轿车的悬架硬点数据，部件以及部件之间的连接关系，通过ADAMS/Car模块建立麦弗逊前悬架子系统和转向子系统，然后将所建子系统与仿真试验台装配到一起，得到Assembly 模型，如图2所示。

采用ADAMS对悬架进行建模时，只需创建悬架的左边或者右边模型，另一半模型根据对称性自动生成。

2 麦弗逊悬架仿真分析
为了研究前轮定位参数随车轮跳动的变化情况，在ADAMS/Car中先后进行平行轮跳试验和异向轮跳试验，仿真步数设置为100步，车轮上、下跳动量分别设为50 mm和-50 mm。

仿真结束后，在ADAMS软件的后处理模块查看前轮各定位参数随轮跳行程的变化曲线。

车轮跳动时，前轮定位角变化对车辆的稳态响应特性及车辆的性能有很大影响。

前轮前束角主要作用是消除车轮外倾角造成的外滚趋势，保持车辆正常行驶，一般理想变化范围为-0.5°~0.5°；主销后倾角可以增加汽车直线行驶时的稳定性和使前轮转向后自动回正，一般理想变化范围为1°~7°；主销内倾角的合理选择可以使车辆具有自动回正的能力，转向轻便，一般理想变化范围为5°~15°[9-10]前轮外倾角选择合适可以使车辆转向轻便，减少轮胎磨损，一般理想外倾角的变化范围为-2°~2°。

仿真试验结束后，得到各定位参数随轮跳的变化量，如表1所示。

表1 优化前前轮定位角变化范围表
Tab.1 Range of front wheel positional angle
before optimization
参数平行跳动变化范围异向跳动变化范围前轮前束角/(°)-1.018~0.778-0.964~0.723
主销后倾角/(°) 6.955~9.444 6.957~9.442
主销内倾角/(°)7.961~9.8627.956~9.867
前轮外倾角/(°)-0.345~0.951-0.358~0.963从表1中可以看出，前轮外倾角和主销内倾角基本符合理想变化范围，前轮前束角和主销后倾角超出了理想变化范围，故应当作为本次优化的主要目标。

但是调整硬点坐标对悬架4个定位参数均会产生影响，因此在优化设计时，将前轮前束角、前轮外倾角、主销后倾角和主销内倾角等均作为本次的优化目标。

3 麦弗逊悬架仿真优化
3.1 建立试验变量
根据仿真实验结果，本次实验中选取下摆臂前安装点Z坐标（Lca_front.z）、下摆臂后安装点的Z坐标（Lca_rear.z）、下摆臂外点的Y，Z 坐标（Lca_outer.y/z）、车轮中心点的Z坐标（Wheel_ center.z）、转向拉杆外点的Z坐标（Tierod_outer.z）、转向拉杆内点的Z坐标（Tierod_inner.z）、减震器下安装点的Y坐标（Strut_lwr_mount.y）以及减震器上安装点的X，Y坐标（Top_mount.x/y），共计10个实验变量来进行后续的优化设计。

3.2 确定优化目标
采用ADAMS/Insight模块对麦弗逊悬架进行优化。

本文是通过设计试验变量、添加目标函数对硬点进行优化，从而对车轮定位参数进行优化，最终实现悬架运动学性能的优化。

主要针对悬架4个定位参数前轮前束角、前轮外倾角、主销后倾角和主销内倾角等，以实现其变动范围在许可范围内，且变化量最小为优化目标，以使汽车总体性能达到最优。

3.3 优化设计
由实验变量对目标函数的影响程度图，可以分别得到对车轮定位参数影响较大的因素，并对
1.车体
2.螺旋弹簧
3.减震器上体
4.转向节总成及减震器下体
5.转向横拉杆
6.转向器
7.下摆臂
8.车轮总成
A，C，E——球副 B——移动副 D、F、G——旋转副
图1 麦弗逊悬架结构示意图
Fig.1 Structure schematic diagram
of the McPherson suspension
图2 麦弗逊悬架装配模型
Fig.2 Assembly model of McPherson suspension
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其进行优化。

在车轮跳动行程为-50 mm到50 mm的过程
中，考虑总体优化效果，采用下列10个优化设
计实验变量：下摆臂前安装点Z坐标、下摆臂后
安装点的Z坐标、下摆臂外点的Y，Z坐标、车轮中心点的Z坐标、转向拉杆外点的Z坐标、转向拉杆内点的Z坐标、减震器下安装点的Y坐标以及减震器上安装点的X，Y坐标。

ADAMS/Insight模块有自带的方差统计工具可以实现对模型的拟合，通常用R2和R2adj共同评估模型的可靠程度。

R2一般在0~1之间进行取值，其数值越高表示模型的可靠程度越好，但还是要结合R2adj来共同评估。

P表示拟合式中的有用项，P越小表示有用项越多。

R/V表示计算值与原始值之间的比值，其数值越大表明优化情况越好[11]。

评估模型可靠程度的各项指标值如表2所示。

从表2中可以看出此模型的可靠程度高，符合要求。

表2 拟合可靠程度指标值
Tab.2 Fitting reliability index value
参数R2R2adj P R/V
前轮前束角/(°)0.9980.9980688
前轮外倾角/(°)0.9990.9990765
主销后倾角/(°)0.9980.9980549
主销内倾角/(°)0.9980.9980531
分析各试验变量对优化目标的影响程度图，对相关硬点坐标值进行调整优化，如表3所示。

表3 优化前后硬点坐标值对比
Tab.3 Comparison of hard point coordinates
before and after optimization
硬点坐标优化前/mm优化后/mm 下摆臂前安装点Z坐标235232.65
下摆臂后安装点的Z坐标250247.5
下摆臂外点的Y坐标-690-696.9
下摆臂外点的Z坐标220222.16
车轮中心点的Z坐标335338.28
转向拉杆外点的Z坐标310306.9
减震器下安装点的Y坐标-615-608.97减震器上安装点的X坐标67.566.825
减震器上安装点的Y坐标-593.8-599.74
转向拉杆内点的Z坐标310313.04
3.4 车轮同向跳动和异向跳动优化前后仿真结果的对比曲线
将优化后的硬点坐标值输入系统，再次进行仿真，得到目标函数的变化曲线，并与优化前的变化曲线进行对比分析，如图3—图10所示。

图3 平行跳动优化前后前轮前束角的变化对比曲线Fig.3 Comparison curves of front wheel toe angle before and after parallel travel optimization
图4 平行跳动优化前后主销后倾角的变化对比曲线Fig.4 Comparison curves of kingpin caster angle
before and after parallel travel optimization
图5 平行跳动优化前后主销内倾角的变化对比曲线Fig.5 Comparison curves of kingpin inclination angle before and after parallel travel optimization
图6 平行跳动优化前后前轮外倾角的变化对比曲线Fig.6 Comparison curves of front wheel camber angle before and after parallel travel optimization
图7 异向跳动优化前后前轮前束角的变化对比曲线Fig.7 Comparison curves of front wheel toe angle
before and after opposite travel optimization
图8 异向跳动优化前后主销后倾角的变化对比曲线Fig.8 Comparison curves of kingpin caster angle
before and after opposite travel optimization
梁玉瑶等 ：基于ADAMS的麦弗逊前悬架参数优化设计
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农业装备与车辆工程 2019年
由图3—图10可以看出：（1）汽车静止时前轮前束角保持在0°左右。

对车轮进行平行跳动和异向跳动试验，优化前后前轮前束角的变化范围改善较为明显，均在理想变化范围之内，且变化量大幅降低，分别降低了51.54%和56.25%，从而保证了汽车行驶过程中的操纵稳定性，减少轮胎的磨损，延长轮胎使用寿命；
（2）车轮平行跳动时主销后倾角的优化前后变化量由2.489°降至2.448°，降低了1.65%。

车轮异向跳动时主销后倾角的优化前后变化量由2.485°降至2.443°，降低了1.69%。

主销后倾角的变化量很小，但仍然在合理变化范围内，使主销后倾角满足悬架设计基本要求，维持汽车的转向能力和转向回正能力；
（3）车轮平行跳动时主销内倾角的优化前后变化量由1.901°降至1.524°，减少了19.83%；车轮异向跳动时主销内倾角的优化前后变化量由1.911°降至1.531°，降低了19.88%。

优化后变动范围均在理想范围内，可以满足悬架设计基本要求；
（4）车轮平行跳动时前轮外倾角的优化前后变化量由1.296°降至0.972°，降低了25%；车轮异向跳动时前轮外倾角的优化前后变化量由1.321°降至0.993°，24.83%。

前轮外倾角的变化范围进一步缩小，这样以来可以减少轮胎磨损，改善汽车行驶过程中的操纵稳定性。

采用ADAMS 仿真软件对前轮前束角、前轮外倾角、主销后倾角和主销内倾角等参数进行优化设计取得了良好的优化效果，且4个前轮定位角均在理想变化范围之内。

从优化结果看，麦弗逊独立悬架双轮异向跳动和双轮平行跳动定位参数优化后均
有明显变化，异向跳动优化效果略显著。

4 结 论
（1）利用ADAMS/Car 创建轿车运动学仿真模型，通过车轮同向和异向跳动仿真试验可看出，随着车轮跳动行程中主销后倾角和主销内倾角的变动范围较大，调整部分硬点坐标对悬架定位参数进行优化，优化效果最为明显的是前轮前束角。

（2）在ADAMS/Insight 模块中根据不同试验变量对定位参数变化趋势的影响分析，选取减震器上下安装点、转向拉杆内外点、下摆臂外点等硬点作为试验变量，对车轮定位参数进行优化设计，可以有效减少轮胎的磨损，保证汽车行驶过程的操纵稳定性。

（3）利用虚拟样机技术建立悬架模型，可以得到与实车悬架最为接近的悬架模型，进行车轮同向与异向跳动仿真试验，更加符合实际行车状态，优化结果更为可靠。

（4）采用虚拟样机技术仿真分析优化，可有效改进汽车的性能、降低产品研发成本，对车辆产品开发设计有着重要的意义。

参考文献
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机械工业出版社,2011.
[11] 黄文涛,高群.麦弗逊前悬架优化设计[J].机械设计与制
造,2016(4):167-170,174.作者简介 梁玉瑶（1994— ），女，硕士研究生，车辆工程专业，研究方向：结构优化设计。

E-mail：1573019021@
通讯作者 王琳（1987— ），女，讲师，车辆工程专业，研究方向：汽车虚拟样机技术研究。

E-mail：bbxybysj@
图10 异向跳动优化前后前轮外倾角的变化对比曲线Fig.10 Comparison curves of front wheel camber angle
before and after opposite travel optimization
图9异向跳动优化前后主销内倾角的变化对比曲线Fig.9 Comparison curves of kingpin inclination angle
before and after opposite travel optimization。