基于ADAMS_CAR的微型客车麦弗逊前悬架仿真和优化设计

The simulation and optimization of macpherson front suspension of a certain minibus based on ADAMS/CAR
REN Kai1， WANG Jun-jie1， WU De-hong2 （1 School of mechanical engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China ） （2 Nanjing Changan automotive Corporation， Nanjing 211200， China ） 【摘 要】运用 ADAMS/CAR 软件建立某微车的麦弗逊式前悬架的动力学仿真模型，进行运动学和 通过虚拟样机的仿真， 揭示了车轮跳动时各项参数的变化规律。 在较少零部 动力学仿真分析和优化设计。 件改动的前提下， 对模型进行了优化， 结果表明： 调整下摆臂与车架前安装点， 转向拉杆和转向器安装点 位置， 可以大大改善车辆的操纵稳定性。 关键词： 微型车； 悬架； 仿真； 优化设计； ADAMS/CAR 【Abstract】The multi-body kinematics and dynamics model of the Macpherson front suspension of a certain minibus is established by using ADAMS/CAR software. The simulation of kinematics and dynamics of the suspension of the minibus are carried out and analyzed. The changes of each alignment parameter of the suspension are uncovered by the simulation of the virtual prototype with wheel jumpiness. The model is optimized under the condition of minimal modification of the components. The simulation results show that the performance of handling stability is notably enhanced after modified the connection point of the lower control arm with front body and the tie rod with steering shaft. Key words： Minibus； Suspension； Simulation； Optimization； ADAMS/CAR 中图分类号： TH12， U463.3 文献标识码： A
3 仿真结果及分析
3.1 前轮定位角
前束角： 变化范围为 （-0.3487～0.658 ） °/50mm， 设计时希望在 车轮上下跳动时前束角保持不变或者变化很小。 保证前束角的变 化维持在一个很小的范围内对提高整车的操纵稳定性很重要。 图 2 中的前束角变化范围较大， 需要改进。前轮定位角的变化曲线， 如图 2 所示。外倾角： 变化范围为 （-0.247～2.8582 ） °/50mm， 车轮 跳动时的外倾角变化对车辆的操纵稳定性有很大影响， 应尽量减 小车轮相对车身跳动时外倾角的变化幅度。 图 2 中的外倾角变化 幅度较大， 需要改进。
3 和转向节总成通过移动副约束； 转向节总成 4 和转向横拉杆 5、 下摆臂 7 均通过球铰约束； 下摆臂另一端与车体通过两个旋转副 约束； 转向节总成 4 和车轮总成 8 通过旋转副约束； 转向横拉杆 5 和转向器齿条 6 通过万向节约束， 转向器齿条固定在车体上。
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文章编号： 1001-3997 （2010 ） 03-0036-02
机械设计与制造 Machinery Design ＆ Manufacture
第3期 2010 年 3 月
基于 ADAMS/CAR 的微型客车麦弗逊前悬架仿真和 优化设计
任 凯 1 王军杰 1 吴德宏 2 （1 上海交通大学 机械与动力工程学院， 上海 200240 ） （2 南京长安汽车有限公司， 南京 211200 ）
4.85E+005 侧倾角刚度 · mm/ （° ） ） （N 4.675E+005 4.5E+005 4.325E+005 4.15E+005 -50 悬架刚度（N/mm ） 38 36 34 32 30 -50 -25 0 25 轮跳距离（mm ） 50 -25 0 25 轮跳距离（mm ） 50
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图 1 麦弗逊悬架结构示意图
2 模型的建立与验证
悬架的结构与特点对整车的操纵稳定性和平顺性影响至关 重要。 麦弗逊悬架的结构示意图， 如图 1 所示。 麦弗逊悬架由车体 1， 减震器上体 3， 转向节总成 4， 转向横拉杆 5， 转向器齿条 6， 下 车体 1 摆臂 7 和车轮总成 8 组成。各组成构件的联接关系如下： 和减震器上体 3 通过球铰约束， 车体相对地面不动； 减震器上体
1 引言
麦弗逊悬架是铰接式滑柱与下横臂组成的悬架形式。 结构简 单， 布置紧凑， 响应速度快， 有较好的行驶稳定性。微型车多大选 用麦弗逊式悬架作为其前悬挂。目前， 虚拟样机技术因其运算速度 快、 求解精度高、 通用性强、 成本低、 可在短时间内对各种方案进行 优化对比， 被广泛应用在在汽车的整车设计和性能分析优化中。 在实践中， 为了分析某国产微车的前悬架性能， 提高该车的 操纵稳定性， 利用 ADAMS/CAR 软件， 建立了该悬架的虚拟样机 模型进行仿真，模拟计算该微车前悬架的运动学和动力学规律， 并利用 ADAMS/Insight 模块对运动学和动力学变化规律不合理 的参数进行了优化， 明显改善了车辆的操纵稳定性， 最终达到优 化设计的目的。
10 8 6 4 2 0 -2 -50
图 3 侧倾角刚度、 悬架刚度变化曲线
主销内倾角 外倾角 主销后倾角 前束角
表 １ 硬点变化对优化目标的影响表
arm_front arm_front arm_front tierod_in－ tierod_in－ ner_x ner_z _x _y _z Toe -1.07 71.72 -0.55 16.42 -16.83 14.69 -5.31 0.28 -3.36 -0.07 Camber -10.61 -1.43 0.57 0.02 0 Caster 4.02 -0.73 0.08 0.04 0 Kingpin inclination 26.64 -2.84 0.64 2 0.07 Dive 13.63 -1.36 0.3 11.44 0.33 Lift 1.38 -0.46 0.07 -0.04 0.01 Wheel rate Suspension roll rate 0 0.07 0.01 0.15 -0.37 Wheel track 0 0.47 0.39 -7.85 21.77
0.9 前束角（° ） 0.6 0.3 0.0
优化前 优化后
-0.3 -0.6 -50 -25 0 25 轮跳距离（mm ） 50Βιβλιοθήκη 3.2 侧倾角刚度、 悬架刚度
侧倾角刚度： 侧倾角刚度的变化曲线， 如图 3 所示。 变化范围 为 （4.1555×105～4.7875×105 ） N/mm · deg。 可以看到弹簧和减震器压 缩时， 侧倾角刚度呈减小趋势， 这意味着车辆在侧向加速度增大 时， 抗侧倾能力有所减弱。 实际设计中， 应该尽量避免或者减小这 种减弱趋势。 悬架刚度： 图 3 中悬架刚度的变化曲线， 变化范围为 （30.585～ 37.9523 ） N/mm。在车轮从下往上跳的过程中， 悬架刚度呈减小趋 势， 在设计过程中， 应该尽量避免这种减小趋势。
角度（° ）
-25
0 25 轮跳距离（mm ）
50
图 2 前轮定位参数变化曲线
主销后倾角： 变化范围为 2.3714°～2.6255°/50mm， 主销后倾 则 角对转向时车轮外倾角的影响较大。若主销后倾角设计过大， 在转向时外侧车轮外倾角会向负方向变化。当主销后倾角较大 时， 需要增加前轮转向所需要的横向力， 以抵消外倾推力， 一般认 ） °。 图 2 中主销后倾角变化在合理范 为合理的主销后倾角为 （2～3 围之内， 符合设计要求。 主销内倾角： 变化范围为 （5.6966～9.7868 ） °/50mm。主销内倾 角有利于减小主销横向偏移距， 从而可以减少转向时驾驶员施加 在转向盘上的力， 使转向操纵轻便， 同时也可以减少从转向轮传 递到转向盘上的冲击。 内倾角不宜过大， 否则在转向时， 车轮绕主 销转动过程中， 轮胎和路面之间将产生较大滑动， 增加了轮胎和 路面之间的摩擦力， 使转向发沉， 加速了轮胎的磨损。实际设计 时， 合理的主销内倾角为 （7～13 ） °。 图 2 中主销内倾角变化在合理 范围之内， 符合设计要求。
arm_front_x， arm_front_y， arm_front_z， 允许的变化范围为±10mm； z 方向坐标值，即 tierod_inner_x， 转向拉杆与转向器连接点的 x、 tierod_inner_z， 允许的变化范围为±15mm。 在 Insight 中， 对 5 个坐 标变量， 将进行 32 次迭代运算。在迭代运算之后， 就可以得出各 硬点参数的变化对优化目标的影响程度， 如表 1 所示。
从表 1 可以看出，影响比较大的硬点参数为 arm_front_z 和 tierod_inner_z， 根据硬点参数允许的变化范围， 将 arm_front_z 下调 10mm， 将 tierod_inner_z 下调 15mm。因要保证下摆臂长度不变， 将下调 15mm 后的 arm_front 点坐标输入 CATIA 数模中进行反 求， 将反求得出的新坐标值作为优化后坐标。 调整这些硬点参数后， 得到修改后的模型， 再一次进行仿真， 将得到的曲线与优化后的曲线进行比较， 如图 4 所示。