基于Adams的麦弗逊前悬架优化设计

范旭宁

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉430070）

悬架连接于汽车车轮与车架之间，主要用于传递车轮与车架间各个方向上的力，缓和颠簸路面带来的冲击力，并减轻由此产生的振动。麦弗逊式前悬架是独立悬架的一种，因其结构紧凑、响应迅速、造价低廉的特点，被广泛应用于汽车前轮。然而，由于麦弗逊式前悬架没有主销结构，仅由滑柱的上铰链和横摆臂的外球铰链连成一条假想的主销轴线，因此当车轮随不平路面跳动或转向行驶时，主销轴线的角度即车轮定位参数会不断变化。如果该变化范围过大，汽车行驶平顺性将受到影响，而且轮胎磨损程度会急剧提高。

为了解决这些问题，本文以某国产乘用车为例，借助虚拟样机分析软件Adams的Car模块，建立目标车辆的麦弗逊前悬架模型，进行平行轮跳仿真，绘制出前轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角随车轮跳动行程的变化曲线。然后切换到Insight模块，分析部分重要硬点坐标的拟合程度与灵敏度，调整对设计目标影响较大的硬点的坐标值，重新仿真，比较优化前后定位参数曲线，分析优化设计对车辆使用性能的影响，从而设计出更加理想的麦弗逊前悬架结构，进一步改善悬架的稳定性。

1 麦弗逊悬架的建模和仿真

1.1 悬架模型的创建

在Adams/Car模块的模板建模器中创建悬架子系统模型的方法有两种，一种是直接创建，从创建坐标系开始，定义悬架的硬点坐标、零件结构、各零件间约束以及弹簧和减振器的参数等，建立起悬架子系统的仿真模型。另一种方法是调用数据库中已有的模板，直接打开数据库中的_macpherson.tpl文件，将模板硬点坐标值修改为试验所需硬点坐标值即可。由于第一种方法过于烦琐，这里应用第二种方法完成悬架子系统模型的创建，并使用同样方法完成转向子系统模型的创建。值得注意的是，创建模型时输入的每一个参数值都必须保证精确无误，倘若输入值与实际值之间出现一点点偏差，都有可能导致定位参数发生较大的改变。

由于模型仿真试验只有在装配组合的基础上才能进行，因此，还要把悬架子系统、转向子系统以及试验台装配起来。整个过程需要在Adams/Car的标准界面完成，用前面创建的模型建立起悬架子系统和转向子系统，把两个子系统和试验台装配起来，如图1所示，得到装配体后即可进行仿真。

图1 麦弗逊前悬架装配图

1.2 悬架模型的仿真

Adams/Car模块仿真分析的目的是找出悬架模型结构设计中的问题所在，为接下来的优化设计做准备。开始仿真之前，需要设置悬架主要结构参数，包括车轮半径、轮胎垂直刚度、轮胎质量、簧载质量等。

参数设定完成后，进行静态仿真，调节弹性元件上的预载荷以实现静载平衡，得到精确的悬架模型。随后进行平行轮跳试验，给测试台输入一个激励，左右测试台各施加一个驱动约束，仿真步数设置为100，上下跳动量设置为±50 mm。仿真结束后，可以在后处理界面绘制出各种悬架特性曲线。本文只分析前轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角的变化曲线。

2 麦弗逊悬架的优化设计

试验设计（DOE）是Adams软件为用户提供的一种参数化分析方法，可以对数个同时变化的设计变量进行参数化分析，确定各个设计变量对试验结果的影响程度大小。试验设计的过程在Adams/Insight模块中完成，用户可以在这个模块建立设计矩阵和统计分析试验结果。优化分析是指系统根据规定的约束条件计算出最佳的目标函数值，得出最佳目标函数值所对应的硬点坐标值。本文将试验设计和优化分析结合起来运用，先通过试验设计筛除影响较小的设计变量，再使用优化分析得到最优硬点坐标值。

2.1 设计目标和设计变量的选取

根据仿真结果，选择前轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角三个主要的定位参数作为设计目标。为了使它们的变化幅度最小化，可以把仿真中的最大绝对值定为设计目标值，以此确定目标函数为：

式（1）中：lmax为设计变量的最大值；lmin为设计变量的最小值；α1为仿真过程中车轮定位参数的瞬时值；α0为仿真前车轮定位参数的初始值。

麦弗逊悬架的硬点参数有很多，把它们全部选为设计变量，会加大计算量，耗费大量的试验时间。因此，本文根据参考文献以及预试验，初步选取悬架的下摆臂前支点（Ica_front）、下摆臂后支点（Ica_rear）、下摆臂外支点（Ica_outer）3个硬点的9个坐标值作为设计变量，设定每个坐标值在-10～10 mm内变化。

2.2 试验方案的制定

优化仿真前，根据设计变量和设计目标，在Adams/Insight模块中添加响应（用来衡量试验效果的指标Responses）和因子（影响试验指标的因素Factors）。然后，选择合适的试验方法，本试验选择全因子分析（Full Factorial），即进行29=512次迭代运算，其中的指数为设计变量的个数。当设计变量个数较多时，可以选择部分因子分析（Fractional Factorial），自行选择迭代运算次数，以缩短仿真时间。系统自动生成工作空间后，即可开始优化仿真。优化仿真结束时，可以导出一个web页，可以查看拟合程度和灵敏度。

2.3 拟合程度和灵敏度分析

Adams/insight模块自带的标准方差工具可以对悬架模型进行拟合计算，R2和R2adj用来评价拟合的可靠程度，它们的数值越接近1，说明模型拟合的可靠程度越高。P表示拟合式中有用项的多少，P越小，表示有用项越多。R/V指计算值与原始值之比，其数值越大越好。

在web页面的灵敏度分析报告里可以了解各因子对响应的影响程度，为修改硬点坐标值提供依据。本次试验的灵敏度分析如图2所示。图2中“Effect%”的数值有正有负，正值表示因子与响应成正相关，负值表示因子与响应成负相关。绝对值的大小表示因子对响应的影响程度，数值越大，因子对响应的影响程度就越大。为了以最少的改动量获得最佳的优化效果，选取图中对3个响应影响程度较大的5个因子作为最终的设计变量，分别为下摆臂前支点的z坐标、下摆臂外支点的x坐标、下摆臂外支点的y坐标、下摆臂外支点的z坐标、下摆臂后支点的z坐标。

图2 各个因子对车轮定位参数的影响

2.4 优化设计的结果

利用Adams/Insight模块自带的优化工具（Optimize）改变各设计变量的数值，直到设计目标值最优，此时得到新的硬点坐标值，如表1所示。依据这些新的坐标值，就可以完成新型优化悬架的创建。

表1 优化前后的硬点坐标值

3 优化前后结果对比分析

优化设计完成后，在Adams/Car模块中把原模型的硬点坐标值修改为表1中优化后的硬点坐标值，重复平行轮跳试验。优化前后前轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角的变化曲线如图3～图5所示。在原有曲线上绘制出优化后各车轮定位参数随轮跳行程的变化曲线，如图3～图5中虚线所示。前轮外倾角、主销后倾角、主销内倾角的变化曲线，如图3～图5中实线所示。比较分析优化前后定位参数曲线的变化，可以直观地感受到优化设计对悬架性能的提升。

图5 优化前后主销内倾角的变化曲线

3.1 前轮外倾角

前轮外倾角是车轮在前轴方向上向外倾斜的角度，其作用是减轻轮胎磨损和轮毂受到的负载。从几何的角度来看，前轮外倾角也有正负值之分，当车轮上端朝外成“V”字形张开时为正值；当车轮上端朝内成“八”字形张开时为负值。要求车轮上跳时趋于正值，下降时趋于负值，且变化值不能过大，否则会加剧轮胎偏磨，减少轮胎寿命。根据实际情况和参考文献，当车轮在±50 mm的行程内跳动时，前轮外倾角一般在-2.0°～0.5°范围内变化为宜。从图3中可以得知，优化前的变化区间是-0.25°～0.75°，变化量为1°；优化后的变化区间是-0.1°～0.6°，变化量为0.7°。优化后的前轮外倾角变化曲线更接近理想情况，而且变化幅度显著减小，这样就能有效减少轮胎在不平路面上的磨损。

图3 优化前后前轮外倾角的变化曲线

3.2 主销后倾角

主销后倾角是主销在纵向平面内向后倾斜的角度，其作用是使前轮具有一定的回正力矩，保证车辆在受到不平路面冲击力时能自动保持直线行驶。主销后倾角既不能过大也不能过小，过大的后倾角会增大转向所需要的力，给司机带来不便；过小的后倾角会降低前轮的自动回正性能，使转向盘摇摆不定，让司机失去“路感”。根据实际情况和参考文献，当车轮在±50 mm的行程内跳动时，主销后倾角一般在2°～6°范围内变化为宜。从图4中可以得知，优化前的变化区间是4.1°～5.5°，变化量为1.4°；优化后的变化区间是3.4°～4.6°，变化量为1.2°。优化后主销后倾角的变化量比优化前有所减小，有利于保持车辆的自动回正能力，改善驾驶稳定性和舒适性。

图4 优化前后主销后倾角的变化曲线

3.3 主销内倾角

主销内倾角是主销在横向断面内向汽车前轴方向倾斜的角度，其主要作用是使前轮在低速行驶时具有一定的自动回正能力，并使前轮转向轻松。但是内倾角不能过大，不然在汽车转向时，车轮与路面间会出现较明显的相对滑动现象，增大了两者间的摩擦力，不但使转向更加费劲，还提高了轮胎的磨损速度。根据实际情况和参考文献，当车轮在±50 mm的行程内跳动时，主销内倾角一般在7°～13°范围内变化为宜，且应尽量取小。从图5中可以得知，优化前的变化区间是9.8°～12.0°，变化量为2.2°；优化后的变化区间是9.4°～11.0°，变化量为1.6°。优化后主销内倾角数值更小，而且变化量明显减小，有助于车辆低速行驶时回正能力的提高，同时让转向变得轻便。

4 结论

本文应用Adams/Car模块创建了某乘用车的麦弗逊悬架动力学仿真模型，在此基础上进行了车轮平行跳动仿真。通过应用Adams/Insight模块对下控制臂的部分硬点坐标值进行了优化设计，得到了运动学性能更好的悬架模型，改善了前轮外倾角、主销后倾角以及主销内倾角随轮跳行程的变化幅度较大的问题，为车辆悬架设计提供了依据，有助于改善车辆在不平路面上的行驶稳定性，并且对减缓轮胎磨损有一定积极作用。通过使用虚拟样机分析软件进行仿真和优化，可以显著、高效地提高产品的各项性能，为产品的研发提供便利。