基于ADAMS的麦弗逊式独立悬架优化仿真分析

0.03
0.0
-0.03 -50.0 -40.0 -30.0 -20.0 -10.0 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0
车轮跳动高度 /mm 图 4 车轮外倾角优化前后对比图
主销内倾角 /（°）
12.8
12.55
12.3 12.03 11.8
原始 修改
11.55
11.3
11.05
主销内倾会使车轮自动回正，此外还使转向操纵轻便，从 而减少了从前轮传递到方向盘的冲击力。如果主销内倾角过大， 将使转向沉重，同时加速轮胎的磨损；主销内倾角过小，将使 转向沉重，汽车稳定直线行驶的能力变差，驾驶员不得不因此
主销后倾角 /(° )
5.55
5.425
5.3 5.175 5.05
原始 修改
4.925
有偏转时，可使车轮回正 , 保证汽车直线行驶的稳定性。但如 果主销后倾角过大，将会使转向沉重 ；主销后倾角过小，将使 行驶不稳 , 在高速行驶时，车轮还会摆振。
前轮前束主要是补偿由于车轮外倾角带来的不良影响，这
4.3 主销内倾角 从图 6 中可以看出，优化前麦弗逊式悬架的主销内倾角的
值在车轮跳动过程中从 10.92°变为 12.577°；优化后的主销 内倾角由 10.366°变为 12.272°，初始值有所减小，但变化幅 度没有得到显著的改善。主销后倾角变化约为 46.32′/10 mm。
文章是通过对悬架的部分硬点坐标进行改变以达到优化定
件。在行驶过程中，通过车轮上下跳动来带动悬架机构转向节 位参数的目的。
和横摆臂运动。
在 Insight 模块中，选取麦弗逊式悬架下控制臂前点 (lca-
文章在 ADAMS/Car 模块中建立悬架模型时采用 ISO 坐 front)，后点 (lca-rear)，下控制臂球头销 (lca-outer)，转向拉杆 标制，以地面为 XY 平面；悬架中心对称面为XZ 平面；通过 内点 (tierod-inner)，外点（tierod-outer），弹簧下支点（spring-
原始 修改
0.0
-0.04
-0.075
-0.11
-0.145
-0.18
-0.215
-0.25 -50.0 -40.0 -30.0 -20.0 -10.0 0.0 10.0 20.0 30.0
车轮跳动高度 /mm
图 8 前轮前束优化前后对比图
40.0 50.0
综上所述，通过对麦弗逊悬架 6 个硬点的 18 个坐标值进行 优化，使车轮定位参数得到优化，有效地改，并参考悬架导向系和转
向杆系与车身之间的互相影响，从而评价前悬架系统的性能，
发现问题所在，并提出改进方案，进行优化设计。
仿真结束后，调用 MSC.ADAMS/Solver 进行解算，并输
出多种有关悬架性能的参数。由于路面存在一定的不平度，轮
胎和车身之间的相对位置会发生变化，这也会造成车轮定位参
1 麦弗逊式悬架的建模
机械系统动力学仿真软件 ADAMS 中专门用于汽车动力学
麦弗逊式悬架一般用于轿车前轮，具有结构简单、占用空
分析的 ADAMS/Car 模块，由于其仿真分析时间短，可重复性好， 间少及性能优越等优点，因此在前置驱动的轿车和微型车上有
32│ 天津汽车TIANJIN AUTO│2008年第8期
10.8
10.55
10.3 -50.0 -40.0 -30.0 -20.0 -10.0 0.0 10.0
车轮跳动高度 /mm
20.0 30.0
40.0 50.0
图 6 主销内倾角优化前后对比图
4.4 主销偏距 汽车转向时，转向轮绕主销转动，地面对转向的阻力力矩
与主销偏距的大小成正比。主销偏距越小，转向阻力矩也越小， 所以一般希望主销偏距小一些，以减少转向操纵力以及地面对
前轮轮心连线，垂直另外两平面的面为YZ 平面。取竖直向 lwr-mount）等 6 个硬点的 18 个坐标值进行分析。设定每个值
上为Z 轴正向，悬架右侧为Y 轴正向，以车前进方向的反方 的变化范围在 -5 ～ 5 mm，选取 5 项前轮定位参数为优化目标，
向为 X 轴正向。然后添加约束，1/2 前麦弗逊悬架约束方程 优化后的结果，如表 1 所示。
-14.0 -16.0 -18.0
原始 修改
-20.0
-22.0
-24.0
-26.0
-28.0
-30.0
-32.0
-34.0 -50.0 -40.0 -30.0 -20.0 -10.0 0.0 10.0 20.0 30.0
车轮跳动高度 /mm
40.0 50.0
图 7 主销偏距优化前后对比图
0.1 0.065 0.03
这符合设计要求，其初始值适当减小，变化趋势也比较平缓， 但没有显著变化。
前轮定位参数使得汽车在车轮正常跳动范围内拥有较好的 行驶特性，汽车前轮定位参数主要包括车轮外倾角、主销内倾 角、主销后倾角及前轮前束。
车轮外倾角可以避免前轴承载变形使车轮变为内倾而加速 轮胎磨损。如果外倾角过大，将造成轮胎外侧偏磨；如果外倾 角过小或负外倾，将使转向沉重，造成轮胎内侧偏磨。
简化的转向系刚性铰链连接模型，图 2 为由悬架子系统和转向
系子系统组成的麦弗逊式前悬架模型。
图 2 麦弗逊式前悬架模型
2 麦弗逊式悬架的仿真优化 左右车轮平行跳动引起的悬架运动分析是悬架运动特性分
析的基本方法。悬架性能参数的变化是分析悬架运动合理性的 重要依据 , 这种分析较为全面地反映了悬架的运动特性。
文章利用 ADAMS/Car 建立了麦弗逊式悬架模型，并进行 了双轮平行跳动仿真试验。仿真结束后，以前轮定位参数为主 要优化目标，运用 ADAMS/Insight 模块，通过对麦弗逊式悬 架的硬点坐标多次修改和迭代计算，使车轮定位参数得到优化。 但由于汽车悬架空间布置的限制，只能在局限的小范围内对悬
Ｄｅｓｉｇｎ·Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ
着广泛的应用，其主要结构是由螺旋弹簧加上减振器组成。麦 移动副约束来创建直线驱动 , 即路面对车轮的激励函数。然后
弗逊式悬架结构，如图 1 所示。
设置仿真参数，对其进行平行跳动的仿真试验，上下跳动都为
50 mm。再输入轮胎径向刚度及相关的整车数据。根据建立的
前悬架系统分析模型，利用 ADAMS/Car 仿真前悬架平行跳动
样可使车轮在每一瞬时滚动方向接近于向着正前方，从而在很 大程度上减轻并消除了由于车轮外倾而产生的不良后果。 4 麦弗逊式悬架参数优化结果验证与分析 4.1 车轮外倾角
车轮外倾角优化前后对比，如图 4 所示。
车轮外倾角 /（°）
0.57
0.51
0.45
0.39
原始
0.33
修改
0.27
0.21
0.15
0.09
操纵稳定性是汽车重要的使用性能之一，它不仅影响到汽 对各种方案可以进行快速优化对比，并可以完成在试验条件下
车驾驶操纵的方便程度，也是决定汽车高速行驶安全的一个重 不能进行的严酷工况分析，因此广泛应用于汽车设计领域。
要指标，被称为“高速车辆的生命线”。因此，研究车辆的操
文章利用 ADAMS/Car 模块建立了麦弗逊式前悬架模型，
数目为：m=6×1+5×3+4×3+3×2=39；1/2 悬 架 自 由 度 为：
表 1 麦弗逊悬架优化前后硬点坐标
DOF=6×7-m=3。即一侧悬架有 3 个自由度 , 分别是：车轮绕
着车轴的转动、车轮绕主销的转动及车轮的上下跳动。车轮外
倾为 1.5°, 主销后倾角为 3°，主销内倾角为 8.5°。然后建立
4.8
4.675
4.55
4.425
4.3
-50.0 -40.0 -30.0 -20.0 -10.0 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0
车轮跳动高度 /mm
图 5 主销后倾角优化前后对比图
而时刻注意掌握方向盘，使其精神过于紧张。 由于有了后倾角，当汽车直线行驶受到外力作用，车轮稍
为防止车轮出现过大的不足转向或过度转向趋势，一般希
望车轮从满载位置起上下跳动 50 mm 的范围内，车轮外倾角
变化在 1º 左右。从图 4 中可以看出，优化前麦弗逊式悬架前
轮外倾角在车轮跳动过程中变化范围是 0.565 ～ 0°；优化后前
轮外倾角的变化范围是 0.402 ～ 0°。这符合车轮跳动时对外
纵稳定性很有必要。
并进行双轮平行跳动仿真试验，然后利用 ADAMS/Insight 模
前悬架对车辆操纵稳定性的影响至关重要。悬架的性能反 块进行了前轮定位参数的优化，探讨了前悬架系统参数对汽车
映在当车轮上下跳动时，车轮的定位参数变化量保持在合理的 操纵稳定性的影响。
范围内，以保证汽车具有所期望的行驶性能。
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主销偏距 /mm 前轮前束 /（°）
转向系统的冲击。主销偏距与主销内倾是密切相关的，通过调 整主销内倾角可以得到不同的主销偏距。图 7 中可以看出麦弗 逊式悬架优化前主销偏距从 -33.5 mm 增加到 -22.1 mm；优化 后主销偏距从 -26 mm 增加到 -15.1 mm，有了显著改善。但是 其主销偏距值仍较大，这会使转向接地面的摩擦力大，转向较 重，不利于操控。
技术聚焦 ＦＯＣＵＳ
设计·创新
基于ADAMS的麦弗逊式 独立悬架优化仿真分析
王晓峰1 于海峰2 ( 1.大连理工大学汽车工程学院；2.一汽-大众汽车有限公司）
摘要 针对轿车前悬架系统对车辆操纵稳定性有较大影响，文章利用机械系统动力学分析软件ADAMS建立了带有转向系 统的麦弗逊式独立悬架模型，并对其进行仿真分析。通过修改前悬架的定位参数来对其进行优化设计，从而研究悬架参 数对车辆操纵稳定性的影响。数值计算表明，优化后的悬架使得前轮定位参数基本达到一个最优值，为改进汽车操纵稳 定性提供了参考依据。 关键词 ADAMS 麦弗逊式独立悬架 定位参数