基于ADAMS的麥弗遜式獨立懸架運動仿真分析

(吉利汽車研究院(寧波)有限公司 浙江 寧波 315336)

一、引言

汽車懸架是車架(或承載式車身)與車橋(或車輪)之間的一切傳力連接裝置的總稱。它的功用是把路面作用于車輪上的垂直反力(支承力)、縱向反力(牽引力和制動力)和側向反力以及這些反力所造成的力矩傳遞到車架(或承載式車身)上，以保證汽車的正常行駛。

汽車懸架與整車行駛平順性和操縱穩定性有著密切關系。隨著現代汽車速度的不斷提高，人們對整車性能的要求也越來越高。懸架是保證乘坐舒適性的重要部件，又是保證汽車行駛安全的重要部件。因此，汽車懸架往往列為重要部件編入轎車的技術規格表，作為衡量轎車質量的指標之一。懸架系統性能越來越受到關注。

目前轎車使用最多的是麥弗遜式獨立懸架。麥弗遜懸架是絞結式滑柱與下橫臂組成的懸架形式，減振器可兼做轉向主銷，轉向節可以繞它轉動。其特點是主銷位置和前輪定位角隨車輪的上下跳動而變化，構造簡單，布置緊湊；前輪定位參數：前輪外傾角、前輪前束、主銷后傾角、主銷內傾角的變化小，具有良好的行駛穩定性。

對懸架性能的研究常采用仿真分析方法以及試驗方法來進行。仿真分析是在計算機上建立機構的模型，導入專業工具軟件，輸入激勵信號，計算擬定的目標值。相對于試驗方法，仿真分析成本低，周期更短，并可反復修改有關參數重復計算，對各種方案進行快速對比，甚至能夠對實際條件下無法實現的工況進行模擬計算。仿真分析軟件及方法在行業內日益受到重視。

本文以某車型為例，利用Catia V5建立該車型麥弗遜懸架子件數模，采用機械系統運動學/動力學仿真分析軟件ADAMS來建立懸架機構仿真模型，對車輪施加垂直方向上(Z軸)的跳動激勵，分析懸架各主要參數的變化情況。

二、仿真模型的建立

將該麥弗遜獨立懸架各子件3D數模在CatiaV5軟件中，按整車懸架初始條件進行模擬裝配。懸掛裝配條件如下表1所示。

表1 懸掛參數

將在Catia V5中裝配好的懸架總成數模，利用CATIA與ADAMS接口軟件SimDesigner進行格式轉換后，導入到MSC.ADAMS軟件中。如下圖1所示。本例以左前半懸掛為對象，進行分析。在模型中相應部位生成標記特征點，并在總成機構中各相對運動部件間添加相應的運動副，并調試機構運動。

三、計算結果分析

首先對機構添加驅動：賦予車輪一個垂直方向上(Z向)的±50mm的跳動。以計算在車輪上下跳動過程中的懸掛特性參數。由于本文是分析懸掛機構的有關運動特性，在此僅輸出與懸掛運動有關的幾個參數：車輪外傾角、前束、輪距、主銷后傾角、主銷內傾角，在輸入激勵后的變化趨勢及范圍。

(一)車輪外傾角

車輪外傾角是車輪中心平面與地面垂線的夾角，當車輪頂端向車身外側傾斜時取正值。

通常認為外傾角應使車輪經常處于與地面垂直的狀態。為防止車輪出現過大的不足轉向或過度轉向趨勢，一般希望盡量減小車輪相對車身跳動時的外傾角變化，在常見的車輪跳動±40mm的范圍內，車輪外傾角變化量控制在±1 °以內為宜。若車輪外傾變化不合理，如車輪在由下向上跳動時外傾角向負值方向變化過大，在車輛滿載工況下，有可能出現外傾角負值過大而導致輪胎產生熱量過大甚至嚴重磨損輪胎。

圖2是車輪外傾角隨車輪上下跳動時的變化曲線。從圖中可以看出當車輪在跳動量為±40mm的范圍內，車輪外傾角約在1 °內變化，變化范圍較為合理。該變化對車輛操縱穩定性有良好的貢獻。

圖1 懸掛模型

圖2 前輪外傾角隨車輪跳動的變化曲線

(二)前輪前束

前束隨車輪跳動的合理變化，可獲得希望的不足轉向和行駛特性。前橋車輪上跳時，前束向負值方向變化，或者后橋車輪上跳時，前束向正值方向變化，均可使汽車在曲線行駛時增加不足轉向趨勢。同時，當車輛行駛時，前束的變化過大，將會影響車輛的直線行駛穩定性，同時增大輪胎與地面間的滾動阻力，加劇輪胎的磨損，所以前束角的設計原則是在車輪跳動時，變化量越小越好。

從圖3前輪前束隨車輪跳動的變化曲線可以看出，當車輪在跳動量為±50mm的范圍內變化時，前束在-5到0的范圍變化，其波動范圍較小，可在一定程度內提升車輛直線行駛的穩定性。

(三)前輪距

在獨立懸架的設計中，對輪距變化的要求是應盡量小，一是減小輪胎磨損，二是輪距變化時使輪胎產生側偏角，從而產生側向力輸入，使操縱穩定性發生變化。尤其是在汽車側傾時，兩側車輪的橫向滑移方向有可能一致而使輪距變化帶來的側向力不能相互抵消，導致操縱穩定性變差。一般要求，車輪在±50mm內跳動時，輪距變化在-10mm～+10mm以內。

圖4為前輪距隨車輪跳動變化曲線，從圖中可以看出，輪距變化在一般要求范圍內，但是變化量略有偏大，對輪胎壽命有一定程度的影響。

圖3 前輪前束隨車輪跳動的變化曲線

圖4 前輪距隨車輪跳動的變化曲線

(四)主銷內傾角

在汽車橫向平面內，主銷上部向內傾斜的角度稱為主銷內傾角。有使車輪自動回正的作用。主銷內傾使得主銷軸線與路面交點到車輪中心平面與地面交線的距離，即主銷橫向偏移距的減小，從而減小轉向時駕駛員加在方向盤上的力，使轉向操縱輕便，同時也減小從轉向輪傳到方向盤上的沖擊。內傾角也不宜過大，否則轉向時，在車輪繞主銷轉動的過程中，輪胎與路面之間將產生較大的滑動，增加輪胎與路面間的摩擦阻力，使轉向承重的同時，對輪胎造成磨損。

一般認為當車輪上跳時，主銷內傾角的增加應盡量減小。從圖5主銷內傾角隨車輪跳動的變化曲線，可以看出，在車輪由下向上跳動的過程中，主銷內傾角呈增長趨勢，但變化幅度不大。車輪在±50mm內跳動時，主銷內傾角變化范圍為10°～12.3°其變化范圍小，較為合理。

圖5 主銷內傾角隨車輪跳動的變化曲線

圖6 主銷內傾角隨車輪跳動的變化曲線

(五)主銷后傾角

主銷后傾角在汽車縱向平面內，主銷上部向后傾斜的角度即為主銷后傾角。主銷后傾角與主銷相對輪心的偏置距一起，保證足夠的側向力回正力矩。主銷后傾角越大，其回正力矩也越大。但是若過大，則會造成高速時轉向沉盤。傳統采用2°～3°，但此處DPCA結合自身懸掛設計特點，采用5.1°±0.5°。其隨車輪跳動的變化曲線如圖6所示。

從圖6中可以看出，當車輪在±50mm內跳動過程中，主銷后傾角變化范圍約從4.97°～5.78°，其變化范圍較為合理。

四、結論

本文以MSC.ADAMS為運動仿真平臺，對某車型麥弗遜懸架進行了運動學仿真分析，獲得了車輪各定位參數隨車輪跳動的變化曲線，綜合各參數的曲線變化情況，可以看出，車輪外傾角變化范圍較為合理，有利于車輛操縱穩定性；前束值變化量較小，可在一定程度內提升車輛直線行駛能力；前輪距變化在一定程度上有所偏大，對輪胎壽命有一定影響；主銷內傾角與主銷后傾角均合理地在較小的范圍內變化，有助于懸架性能提升。該懸架總體設計在考慮車輛自身風格及性能特性后，各項參數性能指標均較為合理。