基于ADAMS/Car五连杆式悬架特征参数优化设计

李 鹏，辛 舟

(兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730050)

悬架系统是现代汽车上的重要总成之一，其特征参数的变化对整车行驶性能的影响极大[1]。Knapczyk等[2]建立了多自由度五连杆式悬架模型，对悬架系统的运动学特性进行了分析；郭孔辉院士[3]在《汽车操纵动力学》一书中详细分析了悬架特性与整车性能的关系；奉铜明[4]利用ADAMS/Insight分析多连杆式悬架，并对悬架硬点进行优化；辛运等[5]采用模糊灰色关联分析模型结合NSGA-Ⅱ算法对五连杆式悬架的特征参数进行多目标优化。目前五连杆式悬架广泛应用于中高档乘用车上，如奥迪A6L的前后悬架、奥迪Q5的前悬架、本田雅阁的后悬架等。

五连杆式悬架相较其他形式的悬架其最大优点在于车轮跳动时能够较好地抑制车轮外倾角的变化，对车轮前束角和轮距变化亦具有较好的抑制作用，同时能实现主销后倾角的最佳定位，使汽车平稳地行驶，且多根连杆相互作用使其具有多样化的调校方式[6]。本文运用ADAMS/Car建立了某车型五连杆式独立悬架的模型，根据仿真试验得到悬架特征参数与车轮跳动的关系，在此基础上以优化该悬架、降低轮胎磨损程度为目的进行研究。

1 悬架模型的建立

通常情况下，ADAMS/Car采用自下而上的建模顺序，即装配组合模型建立在子系统模型的基础上，子系统模型在模板中建立[7]。五连杆式悬架的结构简图如图1所示，五连杆分别为控制臂CF、前置定位臂TK、后置定位臂AH、上臂DE和下臂BG，它们与转向节通过球副连接，通过万向节副(虎克副)与副车架连接。减振器和螺旋弹簧位于后轴与后置定位臂之间。根据其结构在ADAMS/Car中建立五连杆式悬架的运动学仿真模型，如图2所示[8-9]。

图1 五连杆式悬架结构简图

2 悬架的特征参数

2.1 车轮外倾角

车轮外倾角的存在会造成轮胎与地面接触位置处的内、外侧滚动半径不同，外侧小于内侧，这不仅加快了轮胎的磨损，也使车辆的横向稳定性降低[10]。在汽车的设计改进中，随着汽车底盘各部件刚度的提高，车轮外倾角的设计值不断减小，甚至为零，这样可使轮胎的内外侧磨损趋于均匀，提高汽车行驶的稳定性。

图2 五连杆式悬架运动学仿真模型

2.2 车轮前束角

汽车正常行驶时，车轮前束角会在很大程度上减轻和消除由于车轮外倾而产生的不良后果，驱使车轮向正前方滚动，减小轮胎的磨损程度，但绝对值太大的正前束或后束将导致轮胎胎面花纹边缘出现羽毛状磨损[11]。车轮前束角与车轮外倾角配合作用，使汽车获得更好的操纵稳定性和乘坐舒适性。

2.3 车轮轮距

当车轮跳动时，由于车轮外倾角与前束角的存在，轮距肯定会发生变化，但是过大的轮距变化会加剧汽车零部件与轮胎的磨损，降低整车性能，因此为了获得良好的行驶性能，车轮在跳动时轮距的变化量应尽可能小。当轮距变化时，轮胎产生侧偏角，从而会引起相应的侧向力导致汽车的直线行驶能力下降[12]。因此，合适的轮距对于提高整车的行驶性能具有十分重要的意义。

3 模型验证及仿真试验

在ADAMS/Car中进行车轮同向激振试验，即车轮平行跳动试验，优化目标也源于此。仿真试验中车轮跳动的范围为-90～+90 mm，在ADAMS/PostProcessor中观察悬架特征参数的变化。

3.1 悬架模型的验证

图3与图4分别是主销内倾角与主销后倾角随车轮跳动的变化曲线。

从图3、图4可以看出，当车轮跳动为零时，主销内倾角为10.008°，主销后倾角为2.694°。仿真结果与原车数据的结果对比，验证了依据车型原始数据创建的五连杆式悬架模型的正确性。

图3 主销内倾角变化曲线

图4 主销后倾角变化曲线

3.2 车轮的外倾角

当车轮跳动达到+90 mm时，外倾角为-0.702°；当车轮跳动达到-90 mm时，外倾角为2.573°，如图5所示。过大的外倾角会造成左、右车轮无法垂直于地面，类似于滚锥，两侧车轮向外滚动，加剧轮胎的磨损。

图5 车轮外倾角的变化曲线

3.3 车轮前束角

从图6可以看出，轮跳为-90～+90 mm时前束角的变化区间为0.059°～5.491°。绝对值较大的前束角会导致车轮在滚动时边滚边滑，不利于汽车的安全行驶。

3.4 车轮轮距

从图7可以看出，在车轮跳动过程中，左右车轮轮距先减小后增大。车轮跳动达到+90 mm时，轮距增大了8.152 mm；车轮跳动达到-90 mm时，轮距增大了22.963 mm。为使整车具有更为良好的行驶性能，进一步对轮距进行了优化。

图6 车轮前束角变化曲线

图7 车轮轮距变化曲线

4 优化前后对比分析

在ADAMS/Insight中首先确定优化的目标，其次创建变量，最后对比优化前后的结果，得出结论[13]。车轮在跳动过程中，其特征参数相互作用，本文采用多参数共同优化的方法进行优化，因此必须进行多次优化才能得到同时符合要求的结果。优化过程中以车轮外倾角、车轮前束角及轮距为目标，在缩小目标值变化范围的同时使各目标的变化量尽可能小。以各连杆硬点坐标的y，z值作为优化参数进行相关设置，将各连杆的位置不变即各连杆的硬点坐标不变作为初始条件，各连杆硬点坐标y，z值的变化范围为±1%设置为边界条件进行优化。图8～图10中实线与点划线分别代表优化前与优化后各参数的变化曲线。

图8 车轮外倾角变化对比曲线

从图8可以看出，车轮上跳+90 mm时，外倾角增大了0.177°；车轮下跳-90 mm时，外倾角减小了0.393°。无论车轮是向上跳动还是向下跳动，外倾角的变化始终不超过0.4°，这样可以更好地定位车轮与接地点的位置，有效地避免了由于车轮内倾而造成轮胎磨损严重的不良后果。

图9 车轮前束角变化对比曲线

图10 车轮轮距变化对比曲线

从图9可以看出，优化前、后前束角的变化趋势都是从正值平滑过渡到零，在相同轮跳的范围内，变化区间由0.059°～5.491°缩减至0.302°～4.987°。优化后车轮前束角变化范围的减小可使稳态响应特性更好，进一步减小了轮胎的磨损。

从图10可以看出，车轮轮距变化范围由8.152～22.963 mm减小至8.913～20.950 mm，满足悬架设计中轮距变化范围不超过±4 mm的要求。在现有轮距的基础上进一步优化改进，更小的轮距变化能够消除车轮外倾附带的风险，使汽车保持直线行驶，进一步提高汽车的行驶稳定性。

5 结束语

本文建立了某车型五连杆式悬架的运动学仿真模型，进行了车轮同向激振试验。采用多参数共同优化的方法，在ADAMS/Insight中选取车轮外倾角、车轮前束角、轮距作为设计目标，五根连杆硬点坐标的y，z值作为优化参数，并设定合理的边界条件对该悬架进行优化。通过对比优化前后悬架特征参数曲线的变化趋势，验证了优化设计的正确性与合理性。通过试验数据分析，此次优化有效地解决了轮胎异常磨损的问题，在一定程度上体现了优化后悬架良好的运动学特性，提高了该车型的整车行驶性能。