基于ADAMS的麦弗逊式独立悬架运动仿真分析

(吉利汽车研究院(宁波)有限公司 浙江 宁波 315336)

一、引言

汽车悬架是车架(或承载式车身)与车桥(或车轮)之间的一切传力连接装置的总称。它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力(支承力)、纵向反力(牵引力和制动力)和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架(或承载式车身)上，以保证汽车的正常行驶。

汽车悬架与整车行驶平顺性和操纵稳定性有着密切关系。随着现代汽车速度的不断提高，人们对整车性能的要求也越来越高。悬架是保证乘坐舒适性的重要部件，又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此，汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表，作为衡量轿车质量的指标之一。悬架系统性能越来越受到关注。

目前轿车使用最多的是麦弗逊式独立悬架。麦弗逊悬架是绞结式滑柱与下横臂组成的悬架形式，减振器可兼做转向主销，转向节可以绕它转动。其特点是主销位置和前轮定位角随车轮的上下跳动而变化，构造简单，布置紧凑；前轮定位参数：前轮外倾角、前轮前束、主销后倾角、主销内倾角的变化小，具有良好的行驶稳定性。

对悬架性能的研究常采用仿真分析方法以及试验方法来进行。仿真分析是在计算机上建立机构的模型，导入专业工具软件，输入激励信号，计算拟定的目标值。相对于试验方法，仿真分析成本低，周期更短，并可反复修改有关参数重复计算，对各种方案进行快速对比，甚至能够对实际条件下无法实现的工况进行模拟计算。仿真分析软件及方法在行业内日益受到重视。

本文以某车型为例，利用Catia V5建立该车型麦弗逊悬架子件数模，采用机械系统运动学/动力学仿真分析软件ADAMS来建立悬架机构仿真模型，对车轮施加垂直方向上(Z轴)的跳动激励，分析悬架各主要参数的变化情况。

二、仿真模型的建立

将该麦弗逊独立悬架各子件3D数模在CatiaV5软件中，按整车悬架初始条件进行模拟装配。悬挂装配条件如下表1所示。

表1 悬挂参数

将在Catia V5中装配好的悬架总成数模，利用CATIA与ADAMS接口软件SimDesigner进行格式转换后，导入到MSC.ADAMS软件中。如下图1所示。本例以左前半悬挂为对象，进行分析。在模型中相应部位生成标记特征点，并在总成机构中各相对运动部件间添加相应的运动副，并调试机构运动。

三、计算结果分析

首先对机构添加驱动：赋予车轮一个垂直方向上(Z向)的±50mm的跳动。以计算在车轮上下跳动过程中的悬挂特性参数。由于本文是分析悬挂机构的有关运动特性，在此仅输出与悬挂运动有关的几个参数：车轮外倾角、前束、轮距、主销后倾角、主销内倾角，在输入激励后的变化趋势及范围。

(一)车轮外倾角

车轮外倾角是车轮中心平面与地面垂线的夹角，当车轮顶端向车身外侧倾斜时取正值。

通常认为外倾角应使车轮经常处于与地面垂直的状态。为防止车轮出现过大的不足转向或过度转向趋势，一般希望尽量减小车轮相对车身跳动时的外倾角变化，在常见的车轮跳动±40mm的范围内，车轮外倾角变化量控制在±1 °以内为宜。若车轮外倾变化不合理，如车轮在由下向上跳动时外倾角向负值方向变化过大，在车辆满载工况下，有可能出现外倾角负值过大而导致轮胎产生热量过大甚至严重磨损轮胎。

图2是车轮外倾角随车轮上下跳动时的变化曲线。从图中可以看出当车轮在跳动量为±40mm的范围内，车轮外倾角约在1 °内变化，变化范围较为合理。该变化对车辆操纵稳定性有良好的贡献。

图1 悬挂模型

图2 前轮外倾角随车轮跳动的变化曲线

(二)前轮前束

前束随车轮跳动的合理变化，可获得希望的不足转向和行驶特性。前桥车轮上跳时，前束向负值方向变化，或者后桥车轮上跳时，前束向正值方向变化，均可使汽车在曲线行驶时增加不足转向趋势。同时，当车辆行驶时，前束的变化过大，将会影响车辆的直线行驶稳定性，同时增大轮胎与地面间的滚动阻力，加剧轮胎的磨损，所以前束角的设计原则是在车轮跳动时，变化量越小越好。

从图3前轮前束随车轮跳动的变化曲线可以看出，当车轮在跳动量为±50mm的范围内变化时，前束在-5到0的范围变化，其波动范围较小，可在一定程度内提升车辆直线行驶的稳定性。

(三)前轮距

在独立悬架的设计中，对轮距变化的要求是应尽量小，一是减小轮胎磨损，二是轮距变化时使轮胎产生侧偏角，从而产生侧向力输入，使操纵稳定性发生变化。尤其是在汽车侧倾时，两侧车轮的横向滑移方向有可能一致而使轮距变化带来的侧向力不能相互抵消，导致操纵稳定性变差。一般要求，车轮在±50mm内跳动时，轮距变化在-10mm～+10mm以内。

图4为前轮距随车轮跳动变化曲线，从图中可以看出，轮距变化在一般要求范围内，但是变化量略有偏大，对轮胎寿命有一定程度的影响。

图3 前轮前束随车轮跳动的变化曲线

图4 前轮距随车轮跳动的变化曲线

(四)主销内倾角

在汽车横向平面内，主销上部向内倾斜的角度称为主销内倾角。有使车轮自动回正的作用。主销内倾使得主销轴线与路面交点到车轮中心平面与地面交线的距离，即主销横向偏移距的减小，从而减小转向时驾驶员加在方向盘上的力，使转向操纵轻便，同时也减小从转向轮传到方向盘上的冲击。内倾角也不宜过大，否则转向时，在车轮绕主销转动的过程中，轮胎与路面之间将产生较大的滑动，增加轮胎与路面间的摩擦阻力，使转向承重的同时，对轮胎造成磨损。

一般认为当车轮上跳时，主销内倾角的增加应尽量减小。从图5主销内倾角随车轮跳动的变化曲线，可以看出，在车轮由下向上跳动的过程中，主销内倾角呈增长趋势，但变化幅度不大。车轮在±50mm内跳动时，主销内倾角变化范围为10°～12.3°其变化范围小，较为合理。

图5 主销内倾角随车轮跳动的变化曲线

图6 主销内倾角随车轮跳动的变化曲线

(五)主销后倾角

主销后倾角在汽车纵向平面内，主销上部向后倾斜的角度即为主销后倾角。主销后倾角与主销相对轮心的偏置距一起，保证足够的侧向力回正力矩。主销后倾角越大，其回正力矩也越大。但是若过大，则会造成高速时转向沉盘。传统采用2°～3°，但此处DPCA结合自身悬挂设计特点，采用5.1°±0.5°。其随车轮跳动的变化曲线如图6所示。

从图6中可以看出，当车轮在±50mm内跳动过程中，主销后倾角变化范围约从4.97°～5.78°，其变化范围较为合理。

四、结论

本文以MSC.ADAMS为运动仿真平台，对某车型麦弗逊悬架进行了运动学仿真分析，获得了车轮各定位参数随车轮跳动的变化曲线，综合各参数的曲线变化情况，可以看出，车轮外倾角变化范围较为合理，有利于车辆操纵稳定性；前束值变化量较小，可在一定程度内提升车辆直线行驶能力；前轮距变化在一定程度上有所偏大，对轮胎寿命有一定影响；主销内倾角与主销后倾角均合理地在较小的范围内变化，有助于悬架性能提升。该悬架总体设计在考虑车辆自身风格及性能特性后，各项参数性能指标均较为合理。