麦弗逊前悬架优化设计_黄文涛

No.4 Ａｐｒ．２０１６
机械设计与制造
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铅垂线在垂直于车辆纵向对称平面的平面上的投影锐角叫 主销内倾角， 主销内倾角的作用主要为回正轮胎。在设计中希望 取的较小值， 主销内倾角随车轮跳动变化的曲线， 如图 5 所示。 其 变化范围为 （9.5936～11.9356 ） °， 满足车辆的要求。 主销轴线与通过前轮中心的垂线之间形成一个夹角，即主 销后倾角， 增加汽车直线行驶时的稳定性和在转向后使前轮自动 回正。 主销后倾角随车轮跳动变化曲线， 如图 6 所示。 其变化范围 为 （6.0059～6.8026 ） °， 满足车辆的要求。
Design Specification Investigation Strategy Model DOE Design Type Parameters DOE Screening Linear Full Factorial
1 引言
在汽车底盘中，悬架硬点的选取决定了杆件间运动学关系 的好坏。悬架运动学性能的提高有利于增加车辆的操纵稳定性和 平顺性， 同时也能减少轮胎的磨损速度。车轮跳动与车轮定位的关 考虑车 系是悬架分析研究的主要内容。文献[3]运用 NSGA-Ⅱ算法， 轮前倾角和前束角对麦弗逊悬架进行硬点的多目标优化。文献[4]构 建参数化与仿真优化系统对麦弗逊悬架进行优化设计。文献[5]考 虑到布什达标的不确定性对麦弗逊悬架进行优化设计。 但是这些 方法均需要建立复杂的数学模型， 设计、 计算过程比较复杂。 汽车轻量化是汽车节能减排的的重要措施，也是推动电动 汽车前进的重要手段。 文章以某轻量化电动汽车麦弗逊前悬架作
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黄文涛等： 麦弗逊前悬架优化设计 3.2 悬架各参数分析
第4期
） 与 的上端通过带轴承的隔振块 （可看作为减振器的上铰接链点 车身相连接， 减振器的下端与转向节相连， 筒式减振器为滑动立 柱； 转向节通过等速万向节与转向系统连接； 摆臂的内端通过铰 链与车身连接， 其外端则通过球绞与下立柱连接。
6.9
Caster angle
Insight 中建立悬架优化模型，对悬架各个参数所对应硬点数据进 行灵敏度分析， 完成悬架硬点优化设计。设定设计变量的变动范围 为±10mm， 采用全因子设计方法， 优化模型共进行 212=4096 次迭 代。设计规范， 如表 2 所示。 表 ２ 设计规范的形式 Ｔａｂ．２ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｆｏｒｍ
位参数外倾角、 前束角、 主销内倾角、 主销后倾角以及轮距的变化范围。对于仿真结果中出现的前束角以及外倾角变化 范围过大的问题， 采用 ADAMS/Insight 分析摆臂的前点、 后点、 外点以及减振器上顶点四个硬点坐标对外倾角和前束角 的影响， 根据设计需求来修改硬点坐标， 并通过取折中值得到最优解。 优化后， 由车轮跳动所引起的前束角和外倾角的 变化范围得到减小， 且其他悬架参数变化均在允许范围内， 所做的优化设计正确、 有效， 悬架的运动学性能得到明显改 善和提升。 关键词： ADAMS/Car； 麦弗逊悬架 ； ADAMS/Insight； 硬点； 优化设计； 运动学性能 中图分类号： TH16； U463.33 文献标识码： A 文章编号： 1001-3997 （2016 ） 04-0167-04
为研究对象， 通过 ADAMS/Car 进行仿真建模， 分析车轮变化和悬 架定位参数之间的关系， 然后在 ADAMS/Insight 中对该悬架参数 进行优化设计， 以摆臂的前点、 后点、 外点以及减振器上顶点的坐 标为设计变量， 分析车轮外倾角和前束角的影响因子， 进行悬架 硬点优化设计， 减小车轮跳动过程中各悬架参数的变化量， 最后 将优化前后的近似模型参数进行对比， 分析优化前后悬架定位参 数的变化。
-0.5
-1.0
-1.5 -40.0
-20.0 0.0 20.0 40.0 60.0 -30.0 -10.0 10.0 30.0 50.0 车轮跳动量 （mm ）
图 3 车轮外倾角随车轮跳动的变化曲线 Fig.3 Camber Curve with Wheels Beating
1.5
Toe angle
1.0 前束角 （deg ）
0.5
0.0
图 2 麦弗逊独立悬挂 Fig.2 Macpherson Independent Suspension
3 悬架模型运动特性分析
3.1 试验设计
在 ADAMS/Car 中进行平行轮跳 （Parallel Travel ） 试验， 步数 设为 30， 仿真类型为运动学特性， 为了实验数据更明显， 将车轮 跳动量设置为 60mm 和-60mm， 具体工况， 如表 1 所示。 仿真完成 后在 ADAMS/PostProcessor 模块下查看车轮外倾角、 车轮前束角、 主销内倾角、 主销后倾角以及轮距随车轮跳动的变化曲线。 表 １ 平行轮跳仿真试验的参数设置 Ｔａｂ．１ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｔｒａｖｅｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ Ｓｅｔ
11.5 主角内倾角 （deg ）
11.0
10.5
10.0
9.5 -40.0
-20.0 0.0 20.0 40.0 60.0 -30.0 -10.0 10.0 30.0 50.0 （mm ） 车轮跳动量
图 5 主销内倾角随车轮跳动的变化曲线 Fig.5 Kingpin Inclination Curve with the Wheels Beating
5 hooke 4 球铰 1 球铰 移动
车轮外倾角对与汽车轮胎的磨损均匀度和车辆稳态响应特性 有较大的影响。 外倾角随车轮跳动的变化曲线， 如图 2 所示。 其变化 范围为（ -1.0504～0.7032 ） °，而一般车轮外倾角的变化范围为（ -2～ 0.5 ） °， 需要进一步优化。 车轮前束角对于汽车的前进稳定性以及轮胎 的磨损均有重要的意义。车轮外倾角随车轮跳动的变化曲线， 如图 3 所示。 汽车理论上希望前束角能不变， 但实际情况只能尽量减小前束 角的变化。 车轮前束角对车轮跳动变化的曲线图， 如图 4 所示。 其变 化范围为 （ -0.3547～1.0434 ） °希望能通过优化将其变化范围减小。
Setting Number of steps Mode of simulation Vertical setup mode Bump travel （mm ） Rebound travel （mm ） Travel relative to Control mode Steering input Parameters 30 interactive Wheel center +60 -60 Wheel center Absolute value Angle
第4期 2016 年 4 月
机械设计与制造 Machinery Design ＆ Manufacture
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麦弗逊前悬架优化设计
2 2 黄文涛 1， ， 高 群 1，
广东 广州 510006； 2.东莞中山大学研究院， 广东 东莞 523808 ） （1.中山大学 工学院，
摘
要： 运用 ADAMS/Car 建立了某轻量化电动汽车的麦弗逊前悬架运动学模型， 进行了平行轮跳仿真试验， 分析了其定
1.0
Camb铰 0.5 外倾角 （deg ）
图 1 麦弗逊独立悬架示意图 Fig.1 Macpherson Independent Suspension Schematic
0.0
2.2 麦弗逊前悬架建模
根据某电动汽车的实车硬点数据，在 ADAMS/Car 中的 Template Builder 模块下建模。减振器和弹簧参数都由专业测试 单位测试得到。然后在 ADAMS/Car 中的 Standard Interface 模块 下建立 Subsystem 子模块， 将其装配成 Assembly 模型。 建模结果， 如图 2 所示。
Optimization Design of Macpherson Rear Suspension
2 2 HUANG Wen-tao1， ， GAO Qun1，
Sun Yat-sen University， Guangdong Guangzhou 510006， China； （1.School of Engineering， 2.Institute of Dongguan-Sun Yat-sen University， Guangdong Dongguan 523808， China ） Abstract： The macpherson front suspension kinematics model for a lightweight electric car was established using ADAMS/Car. The suspension parallel travel was simulated to analyze the range of front wheel camber angle，toe -in angle，kingpin inclination，caster angle and tread. To solve the problem of excessive change of camber and toe -in angle existing in the analysis，ADAMS/Insight was applied. Through analyzing the effects of four hard point coordinates （swing arm former point， rear point，outer point and damper vertex ） on camber angle and toe-in angle，it modified hard point coordinates to fit the design needs，and got the optimal solution by taking compromise values. After optimization，the range of camber?angle and toe-in angle caused by wheel hop were effectively reduced，and other suspension parameters were also within the permissible range and effective design optimization was done. The suspension kinematics performance has improved significantly. Key Words： ADAMS/Car； Macpherson； Suspension； ADAMS/Insight； Hard Point； Optimal Design