ＡＤＡＭＳ／ｃａｒ／Ｉｎｓｉｇｈｔ在悬架设计中的应用

董苗静　王忠海　崔　润

摘要:应用多体动力学仿真分析软件ADAMS/CAR建立某车辆的麦弗逊前悬架多体系统模型,分析了悬架系统的相应的车轮定位参数,然后利用ADAMS/Insight 模块对该车辆悬架的定位参数进行优化仿真,通过对优化后的结果进行分析,改善了悬架的运动学性能。

关键词:麦弗逊式悬架车轮定位运动学优化

0 引言

汽车悬架运动学及弹性运动学特性的设计成为汽车开发中的一项重要任务。 悬架运动学分析的主要内容是研究车轮定位参数与车轮跳动量的关系。从中可以得到基本的车轮定位及变化特性信息。以悬架操纵稳定性、平顺性、汽车工作效率、安全可靠性为主要评价目标,受到车身造型的制约及总布置的协调,在不同底盘调教风格下,悬架在与之关系密切、性能日新月异的相关功能子系统,如转向、轮胎、动力、制动相互作用下,可以确定自身相对最佳的性能指标。本文在参考悬架设计相关知识的基础上,以一般设计要求作为悬架运动学的优化目标。

1 仿真模型建立

1.1 某型轿车前悬架在MSC.ADAMS/Car中建立仿真模型。如图1

1.2 将悬架模型与测试平台装配,按上下跳动量为-50至-50mm进行平行跳动工况仿真。

1.3 调用 MSC.ADAMS/Solver解算,得到相关定位参数及特性曲线,参见优化效果比较部分。

2 悬架运动特性优化

2.1 悬架运动优化 运用 MSC.ADAMS/Insight,通过对模型的硬点坐标、弹性参数进行多次修改迭代,可以对模型的某项或是多项性能指标进行优化。从而改善悬架的运动学性能。选取设计变量较多, DOE设计矩阵复杂,运算量庞大,为此,优化分析先针对轮距、后倾,后针对前束进行。把摆臂前点(lca _front)、后点(lca_ rear)、球头销(lca_ outer)硬点的 9 个坐标值(每个点有 X、Y、Z 三个方向坐标)作为设计变量,设定变动范围在-8mm至8mm。以仿真过程中轮距的标准差 (Standard Deviation)、后倾平均(average value)值为设计目标。系统创建工作矩阵,共进行512次试验,将进行512次迭代解算。轮距、后倾等优化后,前束变化量过大、且变化趋势不理想,如图2,以转向拉杆内、外点为设计变量,优化前束,过程略。

2.2 优化分析 以下是优化前、后车轮定位参数的比较图(实线为优化前的曲线,虚线为优化后的曲线):

2.2.1 主销内倾角(Kingpin_ Inclination_ Angle) 合理设置主销内倾角,利于保证低速行驶时的回正作用,主销内倾角的增大使内倾回正力矩成比例的增大;为降低前桥的纵向力敏感性,设计趋势是使主销偏移距比较小或为负值,故一般需有较大的主销内倾角设计值,并且在车轮上下跳动行程中变化不要太大。图中优化后比优化前增加了0.8度,变化趋势相近,总体变化较小。

2.2.2 车轮外倾角(.Camber_Angle) 车身侧倾时带动车轮随车身侧倾,有使外倾角增大的效果,其结果是侧偏刚度下降;通过对悬架导向机构合理布置,车轮上跳时使车轮对车身的外倾减小(平行跳动曲线变化趋势),有助于使车轮对地外倾角变化不过大,保证车轮与地面有足够的附着力。

为防止产生过度转向效应,必须控制上跳时车轮对车身的外倾减小程度,一般前侧倾外倾系数为0.61至0.88,总的效果将为不足转向。即一般要求两侧车轮平行跳动时变化量不能过大。同时为了不使独立悬架安装的车轮下跳时轮距减小过多,外倾角设置也应当适当减小。优化后变化趋势不变,但更加平缓,较优化前不会增加过多转向。

2.2.3 车轮前束角(Toe_Angle) 基本的概念是”前轮前束的作用在于平衡外倾”,另有一些观点认为前轮前束的真正作用是补偿和防止车轮后束,后束会导致行驶不稳定,如果汽车带有后束,行驶时当一车轮处于直线行驶,另一车轮为后束,汽车将处于转向状态,同时由于处于前进方向的车轮行驶阻力减小,而产生后束的车轮产生附加行驶阻力,促使汽车加剧转向而失去稳定行驶状态。相反对于带有前轮前束的汽车当某一车轮瞬时处于直线行驶状态时,另一侧车轮将增加前束角汽车处于转向状态,但由于轮胎将增加前束而产生的附加阻力促使车轮回正,从而保持直线行驶稳定性。优化后前束只出现微小后束,最大前束值有微小上升,避免了优化前较大后束的出现。

2.2.4 主销后倾角(Caster Angle) 主销后倾角的设计应保证汽车具有合适的回正力矩,其稳定效应是发生在前轮转向时凭借路面对轮胎的侧向反力来实现的,较大时会使车轮支撑处反力矩过大,易造成车轮摆振或转向盘上力的变化。一般不希望后倾角在车轮上下运动过程中出现大的变化,以免在载荷变化时出现回正力矩过大或过小的现象,使操纵稳定性恶化。优化后基本值下降约0.6度,变化趋势相同,达到了降低基本值的优化目标 。

2.2.5 轮距(Total Track) 在独立悬架设计中,一是要求轮距变化尽量小以减少轮胎的磨损,二是轮距的变化会引起滚动轮胎的侧偏从而产生侧向力输入,较大的滚动阻力和使直线行驶性能下降。因此也要求轮距变化尽量地小,一般要求车轮跳动土50mm 时,轮距变化为l0mm。优化后轮距变化为12mm,较优化前的19mm有大幅下降,较为理想。

参考文献:

[1]余志生著.汽车结构.机械工业出版社2002.