基于ADAMS的双横臂独立悬架仿真与优化

严慈磊,陈晋荣,刘燕斌（.长安大学 汽车学院 ,西安70064; .湖北汽车工业学院科技学院 汽车工程系,湖北 十堰 4400）

基于ADAMS的双横臂独立悬架仿真与优化

严慈磊1,陈晋荣2,刘燕斌1
（1.长安大学 汽车学院 ,西安710064; 2.湖北汽车工业学院科技学院 汽车工程系,湖北 十堰 442002）

摘 要：随着汽车生产技术的不断发展，人们对汽车操纵稳定性的要求也越来越高，而汽车的悬架系统对汽车操纵稳定性有很大的影响。本文基于多刚体系统动力学理论，利用MSC.ADAMS软件对悬架进行建模、仿真，利用ADAMS/Insight模块对悬架各硬点参数进行灵敏度分析，找出对不合理定位参数影响较大的硬点参数，通过在互动网页中修改硬点坐标值,使悬架的四个定位参数变化在合理的范围内。

关键词：双横臂独立悬架；ADAMS；仿真；优化

1 前言

汽车悬架系统对汽车操纵稳定性有着非常重要的影响，尤其是车轮定位参数在汽车行驶过程中的变化规律对操纵稳定性的影响更加显著[1]。悬架系统运动学就是研究车轮上下跳动时，定位参数对车辆操纵稳定性的影响，因此,悬架系统的运动学研究，对悬架结构进行优化设计以及研究其整车稳态转向性能,改进汽车的整车性能以及提高整车质量具有重要意义。本文运用MSC.ADAMS软件建立悬架动力学模型，分析其车轮上下跳动时，对四轮定位参数的影响，通过ADAMS/INSIGHT与ADAMS/CAR联合进行优化，使悬架的四轮定位参数在合理的范围内变动[2]。

2 双横臂独立悬架模型建立

2.1 双横臂独立前悬架拓扑结构

在双横臂独立前悬架系统中主要有上摆臂（UCA）、下摆臂（LCA）、转向节（knuckle）、转向拉杆（Tie Rod）、测试台（Test Plane）、地面（Ground由于车身固定在地面上，因此车身和地面为一体），其中测试台（Test Plane）一端通过平面副与转向节（knuckle）相连，一端通过平移铰与地面相连接，上摆臂（UCA）、下摆臂（LCA）一端通过球铰与转向节（knuckle）相连接，一端通过旋转铰与地面相连接，转向拉杆（Tie Rod）一端通过球铰与转向节（knuckle）连接，一端通过万向节与地面相连接。

2.2 双横臂前悬建模

在ADAMS建模过程中，悬架坐标系采用车身坐标系，坐标系原点为前轮轮心连线中点，X轴向后，Y轴向右，Z轴向上。由于双横臂前悬架左右对称于汽车纵向平面,因此只创建1/2的悬架模型，在ADAMS/CAR中建立模型如图1所示[4]。

2.3 模型验证

双横臂前悬架中共有5个旋转副、3个球副、6个固定副、5个移动副、1个点面约束副，建立的悬架模型自由度计算如下：

DOF＝8×6-5×2-3×4-6×3-5×1-1×1＝2即1/2悬架模型有2个自由度,分别是车轮绕主销的转动和车轮的上下跳动。

3 悬架运动特性的仿真分析

车轮垂直跳动分析是悬架性能分析中非常重要的方法。欲设计出理想的悬架结构, 必须对其运动特性，即车轮上下跳动时，分析车轮外倾、主销内倾、主销后倾、前轮前束的变化曲线，找出变化不合理的定位参数变化曲线，通过修改各硬点的坐标进行优化，使悬架有理想的运动特性[5]。

3.1 车轮外倾角的变化

前轮外倾角具有提高转向操纵轻便性和车轮工作安全性的作用，但是外倾角不宜过大，否则会使轮胎产生偏磨损,现代汽车中一般外倾角在车轮上跳时为-2.00—0.50之间较为合理。仿真结果如图2所示，由仿真结果可以看出，车轮在垂直跳动时，车轮外倾角的变化范围为-1.60-0.80，需要做进一步的优化处理[6,7]。

3.2 主销内倾角的变化

考虑到转向轻便性和轮胎磨损等因素，主销内倾角设计时不宜过大，因此，一般内倾角在70-120之间，但一些发动机前置前轮驱动的汽车上，为了使汽车具有良好的行驶稳定性，其内倾角均较大。仿真结果如图3所示，由仿真结果可以看出，车轮在垂直跳动时，主销内倾角的变化范围为100-12.50，在合理的变化范围内，不需要做进一步的优化处理[6,7]。

3.3 主销后倾角的变化

前轮安装在车轴上，其旋转平面上方略向外倾斜，这种现象称为前轮外倾。一般无助力转向系统时，主销后倾角不超过30，有助力转向时主销后倾角一般在00-70之间。仿真结果如图4所示，由仿真结果可以看出，车轮在垂直跳动时，主销后倾角的变化范围为00-30，在合理的变化范围内，不需要做进一步的优化处理[6,7]。

3.4 前轮前束的变化

前束角是因外倾角的需要而存在的。一般情况下前轮前束角设计为当车轮上跳时，前束角变化趋势为由00至弱负前束变化。仿真结果如图5所示，由仿真结果可以看出，车轮在垂直跳动时，前轮前束的变化范围为-10-1.50，变化范围比较大，需要做进一步的优化处理[6,7]。

4 双横臂悬架系统优化

4.1 目标函数

根据仿真结果可知，在车轮的上下运动中，车轮外倾角、前轮前束角变化范围较大，需要对其进行优化，但是考虑到对某一个定位参数进行优化时，其他定位参数也会受到影响，因此需要对各个定位参数实行多目标优化[8]。

4.2 悬架运动学的灵敏度分析

悬架运动学灵敏度分析就是找出影响悬架定位参数最显著的硬点坐标。试验时采用车轮在-50mm至50mm之间上下平行跳动，下横臂外点((lca-outer)、转向拉杆内点(tierod-inner)、转向拉杆外点(tierodouter)、上横臂外点(uca-outer)一共4个设计点。4个点对应X、Y、Z三个轴坐标值，共12个设计变量。优化目标分别为主销后倾角、车轮前束角、主销内倾角、主销后倾角变化范围最小。

在ADAMS/Insight中分组进行实验设计，使每个设计点的变化范围在-5-5mm之间，即在原有基础上增加或减5mm。这样通过筛选试验利用线性模型拟合就可以将最灵敏的参数找出，以便在后面进行改进，灵敏性分析结果如图6所示。

4.3 设计变量

由灵敏度分析图6可以看出，hpl_tierod_inner.z、hpl_tierod_outer. z、hpl_tierod_outerer.x、hpl_lca_outer.z、hpl_uca_outer.z对车轮外倾角、前轮前束角的影响最大，通过调节hpl_tierod_inner.z、hpl_tierod_outer. z、hpl_tierod_outerer.x、hpl_lca_outer.z、hpl_uca_outer.z对悬架四轮定位参赛进行优化。这5个坐标值为设计变量。设定每个设计变量的变化范围为-5mm-5mm[9]。

4.4 运行仿真，并分析仿真结果

试验选用5个坐标值为设计变量，共经过35＝243次迭代，对仿真结果进行拟合，ADAMS/INSIGHT提供了标准方差（ANOVA）拟合工具，通过拟合良好程度（Goodness-of-fi t）来检查拟合的好坏，其中，拟合结果R2、R2adj用来评价拟合的好坏，R2、R2adj的值在0—1之间，R2越接近1表示拟合的效果越好R2adj略小于R2，P表示表达式中是否有有用项，P越小，表示表达式中有用项越多，R/V表示模型计算值与原始计算值之间的关系，该值越高越好，R/V大于10表示结果完全可信，其值小于4，表示优化结果不可信。拟合结果显示，车轮外倾角前轮前束角R2分别为0.994、0.998，R2adj、P、P/V可信度很高，符合优化目的，优化前后硬点坐标表1所示[10]。

表1 ADAMS/CAR优化前后硬点比较

4.5 双横臂前悬架优化前后仿真结果的比较

利用优化后的硬点坐标对悬架模型进行修改，并再一次对悬架做进行仿真试验，优化前后的定位参数变化曲线如图7所示。

从优化仿真图8虚线可以看出，车轮外倾角由优化前的-1.60-0.80变化为1.450-0.50，主销内倾角的变化范围由优化前的100-12.50变化9.50-11.750，主销后倾角的变化范围由原来的00-30变化为现在的1.50-5.50，前轮前束角的变化范围由优化前的-10-1.50变化为现在的-0.750-1.20。通过各个定位参数的仿真曲线可以看出，车轮外倾角、前轮前束角不仅达到了优化目的，主销后倾和前轮前束的变化范围也有所减小，达到了优化目的。

5 总结

本文以双横臂悬架为研究对象，采用多体系统动力学方法和虚拟样机技术，对利用MSC公司的ADAMS软件，建立双横臂式前独立悬架虚拟样机仿真分析模型并进行了运动学仿真，分析悬架主要定位参数随车轮上下跳动的变化特性，利用ADAMS自带的优化模块ADAMS/INSIGHT对其进行结构优化，具体内容如下：

（1）本文首先对悬架动力性做了一个简单的介绍，分析了双横臂独立悬架的结构拓展图，以此为基础在ADAMS/CAR中建立了双横臂独立悬架模型。

（2）在ADAMS/CAR模块中并对建好的模型进行仿真,通过分析四轮定位参数的变化曲线发现，车轮外倾角、前轮前束角的变化范围不合理，需要进行优化。

（3）在ADAMS/Insight中分组进行实验设计，找出对四个定位参数影响最灵敏的设计硬点，通过灵敏度分析最终确定hpl_ tierod_inner.z、hpl_tierod_outer.z、hpl_tierod_outerer.x、hpl_lca_ outer.z、hpl_uca_outer.z这5个坐标值为优化变量并利用ADAMS/ Insight进行优化，优化后主销内倾角变化范围为1.450-0.50，前轮前束角的变化范围为-0.750-1.20，达到合理要求，同时其他参数也得到进一步优化。

（4）优化完成后，重新绘制出轮外倾，主销后倾、主销内倾、前轮前束随车轮上下跳动的变化曲线，并与优化前进行对比分析。

参考文献：

[1]胡维.四轮定位参数对汽车操纵稳定性的影响研究[D].合肥工业大学,2012.

[2]邱翠榕,徐志军.多刚体动力学仿真技术在汽车设计中的应用[J].北京汽车,2007,04:40-43.

[3]陈家瑞.汽车构造(第4版)[M].北京:人民交通出版社,200.

[4]刘虹,王其东,汤传玲.基于ADAMS双横臂独立悬架的运动学建模与仿真[J].机械与电子,2006:61-63.

[5] 于海波. Kinematic characterization and optimization of vehicle front-suspension design based on ADAMS [J]. Journal of Chongqing University(English Edition),2008,01:35-40.

[6]庄严.汽车四轮定位原理及检测技术研究[D].昆明理工大学,2006.

[7]樊海林.在用汽车四轮定位参数变化对操纵稳定性影响研究[D].重庆交通大学,2008.

[8]吴晓欢,宋珂,章桐.基于ADAMS/Insight的悬架优化设计[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2012:33-37.

[9]李瑜婷,赵治国,章桐.基于ADAMS的双横臂悬架性能多目标优化研究[J].中国制造业信息化,2009.

[10]Motoyama K, Yamanaka T. A study of suspension design using optimization technique and DOE [C]. In: 2000 International ADAMS User Conference, Orlando, Florida, June 19-21, 2000. Florida: Mechanical Dynamics Inc., 2000: 11-13.

作者简介：严慈磊（1991-），男，长安大学汽车学院硕士研究生，车辆工程专业。